【正文】 在這幾個月。 由于是第一次獨立完成較大的設(shè)計，所以對自身來說是一次挑戰(zhàn)。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 參考文獻 [1] 睢丙東．單片機應(yīng)用技術(shù)與實例 [M]． 北京： 電子工業(yè)出版社 ， 2020： 4346． [2] 王智偉．全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計 [M]． 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ，2020： 2328． [3] 沈紅衛(wèi)． 基于單片機的智能系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [M]． 北京： 電子工業(yè)出版社 ， 2020：6877． [4] 李光飛．單 片機 C 程序設(shè)計實例指導(dǎo) [M]． 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2020：5561． [5] 樓然苗 ． 51 系列單片機設(shè)計實例 [M]． 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2020： [6] 李光飛．單片機課程設(shè)計實例指導(dǎo) [M]． 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2020：4751． [7] 樓然苗 ， 李光飛．單片機課程設(shè)計指導(dǎo) [M]． 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2020：5456． [8] 郭天祥． 51 單片機 C 語言教程 入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略 [M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2020： 342349． [9] 陶永華 ， 尹恰欣 ， 葛蘆生．新型 PIP控制及其應(yīng)用 [M]．北京：機械工業(yè)出版社，2020： 3845． [10] 陶永華． PID控制原理和自整定策略 [J]．工業(yè)儀表與自動化裝置， 1997， (4)： 2327． [11] 韓瑞珍 ， 陳國定 ， 楊馬英．基于模糊推理的自整定 PID控制器 [J]．控制工程， 2020，9， (2)： 3235．湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 致 謝 三年的大學(xué)生活，讓我對電子、電路及維修方面的理論知識有了一定的了解和認識，但實踐出真知，唯有把理論與實踐相結(jié)合，才能更好地為社會服務(wù)。如果能夠加上掉電保護電路，整個系統(tǒng)就更加完善了。 本系統(tǒng)的優(yōu)點是：造價低、抗干擾性好、系統(tǒng)體積較小、整體結(jié)構(gòu)簡單 、調(diào)節(jié)精度高、操作 容易 ，較好的滿足生產(chǎn)的工藝要求。利用該方法進行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： （ 1）首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； （ 2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； （ 3）在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù)。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。因此在選擇時，不可一概而論?？刂圃隽俊?U(k)的確定僅與最近 k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。此外，當(dāng)計算機發(fā)生故 障時，由子輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存功能，故仍 能保持原值。增量式控制，雖然只是算法上作了一點改進，卻帶來不少優(yōu)點： （ 1）由于計算機輸出增量，所以誤動作是影響小，必要時可用邏輯判斷的 法去掉。 增量式 PID 控制算法 當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量時，可由式 ()導(dǎo)出增量式 PID 控制 算式。而且，因為計算機輸出的 U(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障， U(k)的 大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場 合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故。 式 ()、 () 即為位置式 PID 控制算法。為書寫方便，將 e(kT)簡化表示成 e(k)等，即省去 T。 位置式 PID 控制算法 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控 制量，因此式 ()中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會 出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。對一個自 動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 （ 1）比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式是： ])( )()(1)([)( td tdeTdtteTteKtu DtoIp??? ? （ ） 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式： )11()( )()( sTsTKsE sUsG DIp ???? （ ） 式中， pK 為比例系數(shù)； IT 為積分時間常數(shù)； DT 為微分時間常數(shù)。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象 ， 或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 由于這類系統(tǒng)本身所固有的模糊性、復(fù)雜性以及其它種種原因，使得人們難以用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法為其建立精確的數(shù)學(xué)模 型，傳統(tǒng)控制理論顯得難以奏效，而采用 PID 控制則更為有效。在這些控制應(yīng)用過程中，其控制器的設(shè)計是建立在被控對象精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上的。加熱控制程序如圖 所示 。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 開 始拉 低 M A X 6 6 7 5 片選 端發(fā) 模 擬 讀 時 鐘 信 號讀 一 位 溫 度 數(shù) 據(jù)8 位 數(shù) 據(jù) 完 ？返 回NY 圖 讀溫度程序流程圖 加熱控制程序 加熱控制程序根據(jù)反應(yīng)爐需要的溫度和系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，決定是否加熱并點亮相應(yīng)的指示燈。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 開 始消 隱送 檢 測 溫 度 段 碼返 回選 通 位 控 制改 變 位 控 制 字 圖 溫度顯示程序流程圖 溫度采集模塊 溫度采集程序 溫度采集程序主要完成對溫度數(shù)據(jù)的讀出、存取、計算和處理等子程序的調(diào)用，程序流程圖如圖 所示。系統(tǒng)開始工作便進入循環(huán)狀態(tài)，主程序流程圖如圖 所示。 Q590 12V C CR34. 7KR41KL E D 2S P E A K E RP 36 圖 報警電路湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 本 爐溫 控制系統(tǒng)程序由 MCS51 單片機 C 語言編寫，該軟件主要由以下幾個子模塊組成：主程序模塊，溫度采集和處理模塊，溫度顯示模塊，加熱控制 模塊等 。當(dāng)單片機 輸出低湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作發(fā)出報警聲。如果系統(tǒng)溫度連續(xù)三次達到 400℃ 時，系統(tǒng)進入故障報警，蜂鳴器連續(xù)鳴叫，報警指示燈閃爍。當(dāng)用戶設(shè)定的目標溫度達到時，用聲音的形式提醒用戶，此時蜂鳴器為斷續(xù)的滴滴的叫聲。它們?nèi)≈悼拷?jīng)驗確定，暫無一套完整的計算方法。 R12, C9 為吸收電路，并接在功率可控硅的陽極和陰極之間，起保護作用。最大值由下式計算： ???? 3111 222020ppIVR 故這里 R10 取 300。 MOC3041 過零檢測的電壓值為20V，所以限流電阻取稍大于 20? 。 MOC3041 在輸出關(guān)斷的情況下，也有小于或等于 500uA 的電流加入， R11 可以消除這個電流對外部可控硅的影響。當(dāng)輸入端 2 兩腳輸入 15mA的電流，在 MOC3041 的輸出端 3 腳和 4 腳之間的電壓稍過零時，內(nèi)部雙向晶閘管導(dǎo)通，觸發(fā)外部雙向可控硅 BTA12 導(dǎo)通。輸入控制電流為 15 mA 。 MOC3041 輸出端的額定電壓 400V，最大重復(fù)浪涌電流為 IA，最大電壓上升率 dv/dt 為 1000V/ ? s 以上，一般 可達 2020V/181。當(dāng)單片機 端口輸出高電平時光電耦合器 MOC3041 的 2 端截止則可控硅 BTA12 不導(dǎo)通，加熱絲的瞬時輸出功率為零；當(dāng)單片機 端口輸出低電平時光電藕合器 MOC3041 的 2 端導(dǎo)通則可控硅 BTA 12 一導(dǎo)通，加熱絲的瞬時輸出功率最大?？煽毓柙陔妷簽榱慊騽傔^零時觸發(fā)，采用過零觸發(fā)方式。 加熱控制電路設(shè)計 控制電加熱爐的溫度，只需控制發(fā)熱電流的大小而不必考慮其流向。MAX6675 與 AT89S51 單片機的接口電路如圖 所示。這里以 AT89S51 單片機為例， 給出 MAX6675 與單片機接口構(gòu)成的測溫電路及相應(yīng)的溫度值讀取、轉(zhuǎn)換程序。一個完整串行接口讀操作需 16 個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀16 個輸出位，第 1 位和第 15 位是一偽標 志位，并總為 0；第 14 位到第 3 位為以 MSB到 LSB 順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；第 2 位平時為低，當(dāng)熱電偶輸入開放時為高，開放熱電偶檢測電路完全由 MAX6675 實現(xiàn)，為開放熱電偶檢測器操作， T必須接地，并使接地點盡可能接近 GND 腳；第 1 位為低以提供 MAX6675 器件身份碼，第 0 位為三態(tài)。 MAX6675 從 SPI 串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下： MCU 使 CS 變低并提供湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 時鐘信號給 SCK，由 SO 讀取測量結(jié)果。 ? SPI 串行接口 MAX6675 采用標準的 SPI 串行外設(shè)總線與 MCU 接口 [6]，且 MAX6675 只能作為從設(shè)備。為降低電源噪聲的影響，可在MAX6675 的電源引腳附近接入 1 只 μF陶瓷旁路電容。為降低芯片自熱引起的測量誤差， 可在布線時使用大面積接地技術(shù)提高 MAX6675 溫度測量精度。因此在實際測溫應(yīng)用時， 應(yīng)盡量避免在 MAX6675 附近放置發(fā)熱器件或元件，因為這樣會造成冷端誤差。該器件內(nèi)部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到 ADC 中轉(zhuǎn)換 ， 以計算熱電偶的熱端溫度。MAX6675 是通過冷端補償檢測和校正周圍溫度變化的 。冷端即安裝 MAX6675 的電路板周圍溫度 ， 此溫度在 20℃ ～+85℃ 范圍內(nèi)變化。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相等價的溫度值之前，它需要對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是 MAX6675 周圍溫度與0℃實際參考值之間的差值。 ? 溫度變換 MAX6675 內(nèi)部具有將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為與 ADC輸入通道兼容電壓的信號調(diào)節(jié)放大器， T+和 T輸入端連接到低噪聲放大器 A1，以保證檢測輸入的高精度，同時使熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離。 U2=(41μV/℃ )T0 在數(shù)字控制器的控制下， ADC 首先將 U U2 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ， 即獲得輸出電壓U0 的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測量點的實際溫度值 T。 在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 溫度即是 MAX6675 周圍溫度與 0℃ 實際參考值之間的差值。對于 K 型熱電偶，電壓變化率為 (41μV/℃ )，電壓可由如下公式來近似熱 電偶的特性。主要包括：低噪聲電壓放大器 A電壓跟隨器 A冷端溫度補償二極管、基準電壓源、12 位 AD 轉(zhuǎn)換器、 SPI 串行接口、模擬開關(guān)及數(shù)字控制器。熱電偶是基于熱電效應(yīng)工作的，熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成的。兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路就構(gòu)成了熱電偶 [5]，熱電偶兩端為兩個熱電極，溫度高的接點為熱端、測量端或自由端；溫度低的接點為冷端、參考端或自由端。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 引腳排列 表 23 MAX6675 引腳功能 引腳 名稱 功 能 1 GND 接地端 2 T K 型熱電偶負極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正電源端 5 SCK 串行時鐘輸入 6 CS 片選段，為低、啟動串行接口 7 SO 串行數(shù)據(jù)輸出 8 NC 空引腳 2. 工作原理 K 型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。 該器件采用 8 引腳 SO 貼片封裝。 Maxim 公司新近推出的 MAX6675 即是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、 A/D轉(zhuǎn)換器及 SPI 串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。因此，若將熱電偶應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)時，須進行復(fù)雜的信號放大、 A/D 轉(zhuǎn) 換、查表線性化、溫度補償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設(shè)計。 ② 冷端補償：熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為 0℃ 時與測量端的電勢差值，而在實際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的 ,故需進行冷端補償。但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時，卻存在著以下幾方面的問題 [4]。經(jīng)固定周期 T 對加熱爐內(nèi)溫度進行檢測，實現(xiàn)加熱功能，并