【正文】 使系統(tǒng)安全穩(wěn)定。本系統(tǒng)要求對加熱爐內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時采集與檢測，在充分保證安全的情況下對待加工器件進(jìn)行處理。為了 操作時 調(diào)試方便，本設(shè)計 中 采用 按鍵復(fù)位電路。在上電復(fù)位的基礎(chǔ)上，在復(fù)位電容上并接一個串電阻的按鍵即可，當(dāng)按鍵按下時 RST 引腳高電平，單片機(jī)復(fù)位。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復(fù)位， RST 引腳的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電復(fù)位電路是一種簡單的復(fù)位電路，只要在 RST 復(fù)位引腳接一個電容到 VCC，接一個電阻到地就可以了。復(fù)位引腳 RST 通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機(jī)器周期的 S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。電源電路圖如圖 所示。在本設(shè)計中，整個系統(tǒng)控制電路需要 +5V 的電源。 abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 1共陽abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 2共陽abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 3共陽abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 4共陽P 0 0P 0 1P 0 2P 0 3P 0 4P 0 5P 0 6P 0 7Q29 0 1 2Q19 0 1 2Q39 0 1 2Q49 0 1 2P 2 0P 2 1P 2 2P 2 3V C C 圖 顯示接口電路 電源模塊設(shè)計 電源電路為整個控制電路提供電源，是電路設(shè)計不可缺少的一部分。當(dāng)端口輸出高電平時，相應(yīng)的三極管截止，使相應(yīng)的數(shù)碼管關(guān)閉。單片機(jī)的輸出引腳 、 、 和 分別通過限流電阻和三極管與數(shù)碼管的陽極相連，用于向它們提供選通信號。在軟件上采用動態(tài)輪流掃描方式，來控制數(shù)碼管 的顯示。在本設(shè)計中所采用的是共陽極 LED數(shù)碼顯示器。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。（ 2）共陰極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一 起構(gòu)成公共陽極，使用時公共陽極接 +5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。數(shù)碼管顯示器成本低，配置靈活，與單片機(jī)接口簡單，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用非常普遍。 C 1 +1C 1 3C 2 +4C 2 5T 1 I N11T 2 I N10R 1 O U T12R 2 O U T9G N D15V D D2V C C16T 1 O U T14T 2 O U T7R 1 I N13R 2 I N8V E E6U6M A X 2 3 2C 1 1 0 .1 u FC 1 0 0 .1 u FC90 .1 u FP 3 0P 3 1162738495J3D B 9 C80 .1 u FV C CRO1RE2DE3DI4G N D5A6B7V C C8U7M A X 4 8 5 C P AR 2 31 0 KQ89 0 1 3R 2 41 0 kV C CV C CR 2 51KR 2 61K 圖 通信電平轉(zhuǎn)換電路 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 顯示接口電路 發(fā)光二極管 LED 是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極管類似。 RS485收發(fā)器采用的平衡發(fā)送和差分接收具有抑制共模 干擾的能力，加上收發(fā)器具有很高的靈敏度，能檢測低達(dá) 200mV 的電壓，因此，傳輸信號可在千米以外得到恢復(fù)。 RS232傳輸距離較短的另一原因是其屬于單端信號傳送，這種傳送存在共地噪聲且不能抑制共模干擾，因此， RS232 一般用于 20m以內(nèi)的通信。一般的 PC 機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn) RS232 口，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： RS232 采用負(fù)邏輯，即：邏輯 “1”為 5V～ 15V，邏輯 “0”為 +5V～ +15V；另外，驅(qū)動器最大只允許有 2500pF 的電容負(fù)載，且通信距離受此電容限制。這種 RS485 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有接口簡單、靈活性好、價格低、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。目前廣泛使用的單片機(jī)產(chǎn)品（如 Intel 的803 ATMEL 的 AT89S5 GMS97C51 等系列單片機(jī)）芯片中都集成了串行通信接口。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。本設(shè)計用的是內(nèi)部時鐘方式。因此，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這 8 個引腳都具有專門的第二功能，如表 22。在對閃 存編程和驗(yàn)證程序時，它輸入高 8 位地址。在訪問片外存儲器時，它輸出高 8位地址，即 A8~A15。 AT89S51 單片機(jī)的 P1 口除了可以作為一般 I/O 口外，其中 5 位還有第二功能 ，如表 21。 在對程序存儲器編程時，從 P0 輸入指令字節(jié)；在驗(yàn)證程序時，則輸出指令字節(jié)驗(yàn)證時要外接上拉電阻。在訪問片外存儲器時，它分時提供低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)，故這些 I/O 線有地址 /總線之稱，簡寫做 AD0~AD7。當(dāng)?shù)刂烦?4KB 時，將自動執(zhí)行片外程序存儲器的程序；當(dāng) EA 端接低電平時， CPU 僅訪問片外程序存儲器，即 CPU 直接從片 外存儲器地址 0000H 單元開始執(zhí)行程序。這個引腳具有 2 種功能。 PSEN 端同樣可驅(qū)動 8 個 LSTTL 負(fù)載。在訪問片外程序存儲器取指令期間，PSEN 信號在 12 個時鐘周期中兩次生效。在片內(nèi)存儲器編程（固化）時，此引腳用于輸入編程脈沖，此時為低電平有效。平時不訪問片外存儲器時，該端也以六分之一的時鐘振蕩頻率固定輸出正脈沖，供定時或其他需要使用。這個引腳具有 2 種功能。在該引腳輸入 2 個機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。若采用外部時鐘電路時，此引腳應(yīng)懸空不用。 XTAL2：接外部晶體的另一端。它是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端。 VCC：主電源 +4～ +。其引腳如圖 所示。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)， 片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的 AT89S51提供了高性價比的解決方案。 AT89S51 是一個低電壓，高性能 COMS 8 位單片機(jī) [1]， 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外部中斷， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器， 2 個全雙工串通行口。目前，在我國，單片機(jī)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于智能儀器儀表、機(jī)電設(shè)備過程控制、自動檢測、家用電器和數(shù)據(jù)處理等各個方面 。 單片微型計算機(jī)（單片機(jī)）作為微型計算機(jī)的一個很重要的分支，自問世以來，以其極高的性價比，收到人們的重視和關(guān)注，因此應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。 微處理器 在總體方案確定之后，首要的任務(wù)是選擇一臺合適的微型計算機(jī)。 圖 系統(tǒng)原理框圖 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 首先系統(tǒng)啟動后由 K 型熱電偶對反應(yīng)爐溫度進(jìn)行檢測，然后經(jīng) 過 MAX6675 對模擬信號進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，通過串口通信將數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的信號與反應(yīng)爐設(shè)定的階段溫度進(jìn)行比較，如果測量溫度小于設(shè)定溫度，單片機(jī)將輸出加熱脈沖信號，控制反應(yīng)爐溫度按照 15℃ /小時的速率上升并且點(diǎn)亮加熱指示燈；如果測量溫度在設(shè)定溫度的保溫范圍之內(nèi)，反應(yīng)爐進(jìn)入保溫狀態(tài)，點(diǎn)亮保溫指示燈；如果測量溫度連續(xù) 3 次超過 400℃ ，系統(tǒng)將蜂鳴報警，并且點(diǎn)亮報警指示燈。 進(jìn) 料 口出 料 口控 制 系 統(tǒng)加 熱 絲溫 度 顯 示溫 度傳 感器 圖 加熱爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)的硬件組成及工作原理 爐溫控制系統(tǒng)由溫度檢測電路、加熱控制電路、電源電路、溫度顯示電路、報警等電路組成。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第 2 章 總體方案設(shè)計 系統(tǒng)總體 方案設(shè)計 根據(jù)加熱爐的功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)可以從 元 件級開始設(shè)計，選用 AT89S51 單片機(jī)為主控 機(jī)，通過連接外圍控制電路，實(shí)現(xiàn)對加熱爐溫度的測量和控制。 顯示檢測溫度。3 ℃ 。前期為 370℃ ，中期為 380℃ ， 后期為 390℃ 。 在升溫階段，控制合成裝置的溫度以每小時 15℃ 的速率上升 。 由于一般的爐溫控制系統(tǒng) 是參數(shù)時變、非線性、大滯后系統(tǒng)，在許多應(yīng)用實(shí)例中已證明， PID 算法 控制 在對電加熱爐溫進(jìn)行控制時都有一定的效果，在 不同方面克服系統(tǒng)時滯性、非線性帶來的影響， PID 控制器，既考慮了抗擾性又考慮到跟蹤性，獲得了良好的控制效果。例如：在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于我國開發(fā)上的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠地自整定軟件，控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)試來確定。目前國內(nèi)企業(yè)復(fù)雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)太多采用進(jìn)口溫度控制儀表。目前，我國在溫度控制儀表業(yè)與國內(nèi)外的差距主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1） 行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，制約技術(shù)發(fā)展。 目前我國在測控儀表研究與生產(chǎn)應(yīng)用中，總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器及測溫儀表來說，總體發(fā)展水平仍然不高。 電阻爐溫控制技術(shù)發(fā)展日新月異，從模擬 PID、數(shù)字 PID 到最憂控制、自適應(yīng) 控制，在發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。 微處理技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用， 在控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一系列新的技術(shù)課題之一的被控對象動靜態(tài)參數(shù)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)發(fā)生較大范圍變化的情況下，控制系統(tǒng)仍能滿足給定的品質(zhì)指標(biāo)，這是自適應(yīng)控制的最基本特證，自適應(yīng) PID控制可在在線不斷整定參數(shù)，克服干擾，跟蹤系統(tǒng)的時變特性，使控制對象達(dá)到一定的目標(biāo)。溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)等特點(diǎn)。在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國家技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)除了一批商品化、性能優(yōu)異的溫度湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 控制儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 隨著先進(jìn)制造技術(shù)的迅速發(fā)展，熱處理設(shè)備的控制精度越來越重要，而溫度對于熱處理工件質(zhì)量具有重要影響，因此爐溫控制顯得尤為重要。因而，對生產(chǎn)工藝的研究很困難，因此造成產(chǎn)品質(zhì)量低、廢品率高、工作人員勞動強(qiáng)度大、勞動效率低 ，這些都影響了企業(yè)的效益。控制精度依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié)，控制精度不高，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設(shè)置。整體上，我國的反應(yīng)爐控制系統(tǒng)與國外發(fā)達(dá)國家相比還比較落后。根據(jù)目的不同，將材料及其制件加熱到適宜的溫度，保溫，隨后用不同的方法冷卻，改 變其內(nèi)部組織，以獲得所要求的力學(xué)性能，通過熱處理可以提高制件的使用效能和壽命。 反應(yīng)爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通過布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)換為熱能并借助輻射與對流的傳熱方式加熱工件。反應(yīng)爐是熱處理技術(shù)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的 加熱設(shè)備，這樣加熱時對均溫過程的測量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)，促使人們更加積極地研究控制加熱加工工藝過程的方法。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī)，溫度控制， PID 算法 ， MAX6675湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） II ABSTRACT Aiming at the uncertainty, accurancy difference ,low heating temperature and bad security,we e up with a practical and reasonable scheme. The scheme is based on AT89S51, and uses Ktype thermocouple as temperature sensor, bining with integrating thermocouple amplifiers, cold end pensation, A/D converter and digital converter serial SPI MAX6675 and respectively expounds the design of LED display circuit, temperature detection circuit, heating control circuit, the power supply circuit, alarm and instructions circuit. Through using expanded response curve method and experience law setting adjustable parameters, this paper delibarates digital PID control principle and its application in temperature control. By means of adopt