【正文】 E A / V P P31P 0 . 7 / A D 732P 0 . 6 / A D 633P 0 . 5 / A D 534P 0 . 4 / A D 435P 0 . 3 / A D 336P 0 . 2 / A D 237P 0 . 1 / A D 138P 0 . 0 / A D 039V C C40P 1 . 1 / T 2 E X2P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78R S T9P 3 . 0 / R X D10P 3 . 1 / T X D11P 3 . 2 / I N T 012P 3 . 3 / I N T 113P 3 . 4 / T 014P 3 . 5 / T 115P 3 . 6 / W R16P 3 . 7 / R D17V S S20P 2 . 0 / A 821A T 89 S 5 1C40. 1u FV C C電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 值， MAX6675 從熱電偶的輸出和檢測(cè)二極管的輸出測(cè)量電壓。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)， MAX6675 仍能精確檢測(cè)熱端的溫度變化。 熱電偶的功能是檢測(cè)熱、冷兩端溫度的差值，熱電偶熱節(jié)點(diǎn)溫度可在 0℃～+℃范圍變化。對(duì)于 K 型熱電偶，電壓變化率為 41μ V/℃，電壓可由線性公式 Vout=（ 41μ V/℃）（ Rt － AMBt ）來近似熱電偶的特性。熱電偶輸出的熱電勢(shì)經(jīng)低噪聲放大器 A1 放大，再經(jīng)過 A2 電壓跟隨器緩沖后，被送至 ADC 的輸入端。 MAX6675 與AT89S51 微控制器 的接口電路如圖 25 所示 [7]。 T+接熱電偶的熱端。 圖 24 MAX6675引腳排列 各引腳功能如表 22所示。 2021V 的 ESD 保護(hù)。 低功耗特性； 熱電偶斷線檢測(cè)； 片內(nèi)冷端補(bǔ)償； 0℃ ～ +1024℃的測(cè)溫范圍； 主要功能特 性 如下 :[6] 表 21 K型熱電偶 分度表 溫度 ℃ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 熱電動(dòng)勢(shì) mV 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 — — 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 MAX6675 MAX6675 是具有冷端補(bǔ)償和 A/D 轉(zhuǎn)換功能的單片集成Ｋ型熱電偶變換器，測(cè)溫范圍 0℃ ～ 1024℃ 。 熱電偶回路總接觸電勢(shì)為： (21) ? ? ? ? ? ?BAABAB NNTTekTETE ln00 ???四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 13 熱電偶回路溫差 電勢(shì) 為： (22) 對(duì)于勻質(zhì)導(dǎo)體 A、 B 組成的熱電偶，其總電勢(shì)為接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)之和 ，為： (23) 式中 E— 電動(dòng)勢(shì)； T— 接觸處絕對(duì)溫度； k— 波爾茲曼常數(shù)，為 ?? ； e— 電子電荷數(shù)； NA、 NB— 金屬 A、 B的自由電子密度； A? 、 B? — A、 B 導(dǎo)體的湯姆遜系數(shù)。 塞貝克 效應(yīng)， 是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。 K 型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛 。 由于鎳鉻 鎳硅合金具有較好的高溫抗氧化性，可適用于氧化性或中性介質(zhì)中。 因此選用 K 型熱電偶 作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器 [4]。 K 型熱電偶可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)中從 0℃ 到 1300℃ 范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度 。因此在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)選擇不同的溫度傳感器 。輸入通道由傳感器、轉(zhuǎn)換 電路 等組成。 圖 23 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 P 1 .0 / T 21X T A L 218X T A L 119P 2 .1 / A 922P 2 .2 / A 1 023P 2 .3 / A 1 124P 2 .4 / A 1 225P 2 .5 / A 1 326P 2 .6 / A 1 427P 2 .7 / A 1 528P S E N29A L E30E A / V P P31P 0 .7 / A D 732P 0 .6 / A D 633P 0 .5 / A D 534P 0 .4 / A D 435P 0 .3 / A D 336P 0 .2 / A D 237P 0 .1 / A D 138P 0 .0 / A D 039V C C40P 1 .1 / T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78R S T9P 3 .0 / R X D10P 3 .1 / T X D11P 3 .2 / I N T 012P 3 .3 / I N T 113P 3 .4 / T 014P 3 .5 / T 115P 3 .6 / W R16P 3 .7 / R D17V S S20P 2 .0 / A 821A T 89 S 5 1U1D 803 1( 4 0)C230 pFC330 pFS 4 R S TR220 0R110 K12 M H zC110 uFV C C電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 輸入通道設(shè)計(jì) 系統(tǒng)輸入通道的作用是將 電阻爐 的溫度 (非電量 )通過傳感器電路轉(zhuǎn)化為電量 (電壓或電流 )輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉(zhuǎn)化為 電壓 的輸出。 這里取 R1=10 kΩ， R2=200Ω ,C=10μ F。為了確保 微控制器 復(fù)位， t 必須大于兩個(gè)機(jī)器周期的 時(shí)間，機(jī)器周期取決于 微控制器 系統(tǒng)采用的晶振頻率， R1 不能取得太小 。 本系統(tǒng)中采用上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位鍵復(fù)位相結(jié)合的方式 。 AT89S51 微控制器 的第 9 腳（ RST）為復(fù)位引腳，系統(tǒng)上電后，時(shí)鐘電路開始工作，只要 RST引 腳上出現(xiàn)大于兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間的高電平即可引起 微控制器執(zhí)行復(fù)位操作 。 （ 2）復(fù)位電路設(shè)計(jì) 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 11 大規(guī)模集成電路在上電時(shí)一般都需要進(jìn)行一次復(fù)位操作，以便使芯片內(nèi)的一些部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，復(fù)位是一種很重要的操作 。內(nèi)部時(shí)鐘方式產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)的頻率就是晶振的固有頻率，常用 fsoc 來表示。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與 微控制器 引腳 XTALl 和 XTAL2 靠近。 內(nèi)部時(shí)鐘方式即是由 微控制器 內(nèi)部的高增益反相放大器和外部跨接的晶振、微調(diào)電容構(gòu)成時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)鐘的方法。 本 系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè) 計(jì)采用內(nèi)部 時(shí)鐘 方式 。 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 圖 22 DIP 封裝的 AT89S51 引腳圖 主控模塊設(shè)計(jì) 主控模塊電路由 AT89S51 微控制器 、外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路 組成 [3]。 AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位 微控制器 ，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash存儲(chǔ)單元 。 根據(jù)上面所述的原則，結(jié)合本系統(tǒng)實(shí)際情況綜合考慮， 本系統(tǒng)選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89系列 微控制器 中的 AT89S51作為核 心芯片 。在實(shí)際應(yīng)用中，針?biāo)拇ɡ砉W(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 9 對(duì)不同的需求 要選擇合適的 微控制器 ，選擇 微控制器 時(shí)要注意下幾點(diǎn) : (1)微控制器 的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲(chǔ)器容量，中斷能力及 I/0 口引腳數(shù)量等 ； (2)微控制器 的增強(qiáng)功能，例如看門狗，雙串口， RTc(實(shí)時(shí)時(shí)鐘 )， EEPROM，CAN 接口等 ； (3)微控制器 的存儲(chǔ)介質(zhì)，對(duì)于程序存儲(chǔ)器來說， Flash 存儲(chǔ)器和 OTP(一次性可編程 )存儲(chǔ)器相比較，最好是選擇 Flash 存儲(chǔ)器 ； (4)芯片的封裝形式，如 DIP 封裝， PLCC 封裝及表面貼附封裝等。 圖 21 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 主控模塊器件選型及設(shè)計(jì) 微控制器 的選用 對(duì)于明確的應(yīng)用對(duì)象，選擇功能過少的 微控制器 ，無法完成控制任務(wù) ； 選擇功能過強(qiáng)的 微控制器 ，則會(huì)造成資源浪費(fèi)，使產(chǎn)品的性能價(jià)格比下降。具體是由 AT89S51 微控制器 、 K型熱電偶 、 晶閘管、 鍵盤及顯示 電路 等組成。在建立溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，通過對(duì) PID 控制的分析設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制器 ； 本論文由以下幾部分組成 : 第一章緒論主要介紹本文的背景知識(shí)及系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，以及本文所成的主要工作 ； 第二章硬件設(shè)計(jì)主要介紹系統(tǒng)各部分的硬件組成和特點(diǎn)，包括信號(hào)輸入輸 出電路、 微控制器 系統(tǒng)等等 ； 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 7 第 三 章控制 算法 著重介紹溫度控制系統(tǒng) 電阻爐 的數(shù)學(xué)模型的確立及 PID 算法 原理和控制仿真 ； 第 四 章軟件設(shè)計(jì)介紹了系統(tǒng)軟件各主要功能模塊的設(shè)計(jì) ； 第 五 章結(jié)論 是 全文工作的總結(jié)。此外，在設(shè)計(jì)PID 控制器時(shí)，依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)的方法在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)確定 PID 控制器的參數(shù) PK 、IK 、 DK ，然后用代碼實(shí)現(xiàn)了算法。 由于整個(gè)系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，故要求整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結(jié)構(gòu)。加之集成開發(fā)環(huán)境 KEIL編譯生成的代碼效率很高 (僅比匯編語言生成的代碼效率低 10%～ 15%)。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)及調(diào)試 ； 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 (2)適用范圍大和可移植性好 同其他高級(jí)語言一樣， C 語言不依賴于特定的 CPU， 其源程序具有良好的可移植性。 系統(tǒng)軟件方案分析 目前， MCS51 微控制器 的開發(fā)主要用到兩種語言 :匯編語言和 C 語言。 AT89S51 微控制器 是 ATMEL 公司出品的與 MCS51 系列兼容的低電壓、高性能 CMOS 8 位 微控制器 。 從 控制性能， 降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用 微控制器 實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。 微控制器 是把中央處理單元 CPU(CentralproeessingUnit)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM(RandoAcceSSMemory)、只讀存儲(chǔ)器 ROM(ReadonlyMemory)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器以及 I/0(InPut/OutPut)輸入輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它的特點(diǎn)是 :功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，對(duì)溫控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以模擬電路優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。它的最大優(yōu)點(diǎn) 是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 5 系統(tǒng)硬件方案分析 目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路和 微控制器 兩種形式。根據(jù)電阻爐測(cè)溫范圍的要求， 本系統(tǒng)適合采用 K型熱電偶作為溫度傳感器， K型熱電偶在工作溫度范圍內(nèi)具有良好的線性度， 熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好 。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面具有如下特點(diǎn) : 控制主板采用 AT89S51 作為核心芯片。 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 圖 11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)性能要求及特點(diǎn) (l)系統(tǒng)性能要求 : (a)可以人為方便地通過控制面板或 PC 機(jī)設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng) 能自動(dòng)將 電阻爐 加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制 ； (b)