【正文】 單片機 AT89C51 的選擇 本設(shè)計選用的 AT89C51 是具有高性能的 8 位單片微型計算機，比原來的 48 系列結(jié)構(gòu)更先進、功能更強，它的基本特點為： 1． 8 位 CPU 2． 128 個字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 3．片內(nèi)帶振蕩器，振蕩頻率 f 范圍為 ,可有時鐘輸出 字節(jié)的片內(nèi)程序存儲器 個 8 位并行 I/O 接口 :P0、 P P P3 個 16 位定時器 /計數(shù)器 斷系統(tǒng)有 5 個中斷源 ,可編程為兩個優(yōu)先級 +5V 電源 概述 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。 片機是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機，這些部件包括中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存儲器 RAM、程序存儲器 ROM、定時器 /計數(shù)器和多種 I/O 接口電路。 8031 片內(nèi)無 ROM 程序存儲器； 8051 片內(nèi)有 4KB ROM 程序存儲器； 8751 片內(nèi)有 4KB EPROM 程序存儲器；89C51 片內(nèi)有 4KB FLASH E2PROM 程序存儲器。片內(nèi)帶掩膜型 ROM 適合于定型大批量應(yīng)用產(chǎn)品的生產(chǎn)；片內(nèi)帶 EPROM 適合于研制產(chǎn)品樣機；外接 EPROM 的方式適用于研制新產(chǎn)品。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計 8 4 系統(tǒng)硬件電路的模塊設(shè)計 系統(tǒng) CPU 選擇 單片機開發(fā)系統(tǒng)的介紹 MCS－ 51 等系列單片機每一類芯片的 RAM 和 ROM 根據(jù)工藝的許可和用戶的要求，一般有：片內(nèi)帶 掩膜 ROM、片內(nèi)帶 EPROM 和外接 EPROM 的三種形式，這是Intel 公司的首創(chuàng)，現(xiàn)已成為單片機的統(tǒng)一規(guī)范。 （ 3） 采 用數(shù)碼管來顯示結(jié)果，硬件電路簡單，操作者易控制。 20mV,0～ 3A 的穩(wěn)壓電源供電。 綜合以上所有方案的論證，本系統(tǒng)設(shè)計的主要特色是： （ 1） 單片機電源選擇：采用 輸入 AC220V， 輸出電壓 :DC177。主要的問題是合理地獲得 PID 參數(shù)的模糊校正規(guī)則。但 PID 本質(zhì)是線性控制，而模糊控制具有智能性，屬于非線性領(lǐng)域，因此，將模糊控制與 PID 結(jié)合將具備兩者的優(yōu)點。然而，模糊控制的局限性在于對控制系統(tǒng)設(shè)計分析和標準缺乏系統(tǒng)的方法步驟，規(guī)則庫缺乏完整性，沒有明確的控制結(jié)構(gòu)。 方案 3：模糊模型使用模糊語言和規(guī)則描述一個系統(tǒng)的動態(tài)特性及性能指標。 PID控制算法根據(jù)比例、積分、微分系數(shù)計算出合適的輸出控制參數(shù)，利用修改控制變量誤差的方法實現(xiàn)閉環(huán)控制，使控制過程連續(xù)。這種控制由于其結(jié)構(gòu)簡單、實用、 價格低，在廣泛的過程領(lǐng)域內(nèi)可以實現(xiàn)滿意的控制，所以應(yīng)用極其廣泛。己從傳統(tǒng)的 直接控制轉(zhuǎn)變成PID 控制 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等控制方法。由于 控制系統(tǒng) 的工作場所 固定 ， 無須考慮位置移動所需的電力傳輸 和持久 問題， 因而采用此方案。這樣供電比較簡單；但是由于 長時間使用電壓會慢慢減小 ，而且 要經(jīng)常更換電池 ，嚴重時可能造成單片機系統(tǒng)掉電，缺點十分明顯。 電 源模塊的選擇 任何電路的正常運行，都需要穩(wěn)定的電源， 以下兩個方案比較常用。 系統(tǒng)要求顯示溫度 數(shù)值 ， 無需 顯示漢字， 內(nèi)容簡單， 所以選用 LED 數(shù)碼管顯示。但硬件電路復(fù)雜，不易控制， 成本高 。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證 6 顯示模 塊方案的選擇 根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)需要顯示當前爐內(nèi)當前溫度， 經(jīng)過篩選 以下兩個方案比較合適。 溫度檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級有關(guān)。 (3)鉑銠 — 鉑，型號為 WRP，分度號為 S，在 1300℃以下的溫度可長期 使用，短期可測 1600℃。 (1)鎳鉻 — 鎳 鋁 ，型號為 WRN，分度號為 K，測溫范圍 01000℃，短期可 測 1200℃。 綜合比較方案 1 和方 案 2，本次設(shè)計預(yù)設(shè)定溫度為 200 攝氏度，超出了方案 2 的測量范圍， 并且從實用性以及耐久性考慮， 所以我們 采用 熱電偶傳感器檢測系統(tǒng)。它具有直接輸出數(shù)字信 號和數(shù)據(jù)處理，并且它和單片機接口只需要一位 I/O 口，因此由它構(gòu)成的系統(tǒng)簡單使用，由于 DS18B20，按照工業(yè)設(shè)計要求設(shè)計，抗干擾性能強。 這種系統(tǒng)具有測量溫度范圍可以從零下一百度到零上千攝氏度，有較 多熱電偶 可供選擇且 精度 比較 高 等優(yōu)點 。 溫度采集方案選擇 溫度采集模塊方面關(guān)鍵問題在與選用哪種溫度檢測系統(tǒng) ， 查閱相關(guān)資料， 篩選出以下兩個方案比較 符合 本設(shè)計要求 方案 1： 熱電偶傳感器溫度 檢測系統(tǒng) 此方案 的溫度檢測部分采用熱電偶 為測量元件 ，它需要冷端補償電路與其 配套，并且熱電偶輸出電壓只有幾毫伏，必須經(jīng)過放大處理以及 A/D 轉(zhuǎn)換 后可將數(shù)據(jù)送入單片機處理 。 系統(tǒng)組成框圖 圖 21 電爐溫度控制系統(tǒng) 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證 5 3 系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證 根 據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是實現(xiàn)對電爐內(nèi) 溫度升溫、恒溫控制 并顯示當前溫度， 整個系統(tǒng)主要包括： 數(shù)據(jù)采集模塊、 溫度控制模塊 、 鍵盤及 顯示模塊、電源模塊 。 在升溫過程中要求單片機配合外圍設(shè)備不斷檢測爐內(nèi)溫度 ，以至達到用戶 的 預(yù)定溫度 。當系統(tǒng)檢測到爐內(nèi)溫度超過下限溫度時單片機利用 PID 算法控制使得電熱絲間斷加熱 ，以至爐溫緩慢的接近用戶設(shè)定的穩(wěn)定值。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計 4 2 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)和要求 設(shè)計一個基于 AT89C51 單片機的電爐恒溫控制器，當用戶設(shè)定一個 預(yù)定 溫度 （本文以 200℃ 為例 ） ，另外一個下限溫度 （ 190℃） 和一個上限溫度 （ 210℃） 。利用此差值 輸出控制信號給執(zhí)行機構(gòu)，去調(diào)節(jié)電阻爐 中電熱絲的加熱開關(guān) ，從而控制爐內(nèi)溫度 上升 ，從而達到用戶所設(shè)定溫度 。 爐內(nèi)溫度控制部分，采用一套 PID 閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，由 熱電偶 檢測爐內(nèi)溫度， 微弱的電信號經(jīng)過冷端補償后送入放大器件進行放大后傳輸給 A/D 轉(zhuǎn)換器件，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送給單片機 ，并在 LED 數(shù)碼管 中顯示。 預(yù)期的成果 本文所要研究的課題是基于單片機控制的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計，介紹了對 電爐溫度的顯示、控制及報警 。具體設(shè)計方案如下：采用溫度傳感器完成對溫度的數(shù)據(jù)采集，并把溫度值轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)過放大、 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進入單片機控制系統(tǒng)，與單片機中預(yù)置的參量進行比較后，得到誤差量，并與上一次采集的誤差量進行比較，得到誤差的變化量，把誤差量和誤差的變化量作為模糊 PID 控制器的輸入，經(jīng)過軟件進行處理，輸出控制量 控制驅(qū)動電路 。處理器利用 PID 算法計算出 需要的控制量， 輸出到固態(tài)繼電器，由固態(tài)繼電器控制加熱爐進行加熱， 從而達到恒溫控制的目的 。 課題研究的主要內(nèi)容 課題的主要內(nèi)容 本文以電爐為研究對象， 使用熱電偶進行溫度測量 。通過分析數(shù)據(jù)，生產(chǎn)人員可以保證產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量、解決產(chǎn)品存在問題、優(yōu)化生產(chǎn)工藝路線及節(jié)約能耗。溫度追蹤測量是一種利用微機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊傳輸和數(shù)據(jù)分析處理的一門新技術(shù)，追蹤測量得到的數(shù)據(jù)被顯示為圖表或數(shù)字。 要實現(xiàn)這些功能，必須借助于工業(yè)計算機、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)及開放的工業(yè)數(shù)據(jù)庫。熱輻射式高溫計就是根據(jù)這種熱輻射原理制成的。一種是單色輻射高溫計，一般稱光學(xué)高溫計；另一種是全輻射高溫計，它的原理是物體受熱輻射后，視物體本身的性質(zhì)，能將其吸收、透過或反射。 用此技術(shù)制成的溫度計大致可分成以下幾種。熱電偶發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應(yīng)用最廣泛的檢測元件。 國內(nèi)外有關(guān)課題的研究動態(tài) 在溫度檢測方面 隨著國內(nèi)外工業(yè)的日益發(fā)展，溫度檢測技 的 術(shù)也有了不斷的進步，目前的溫度檢測使用的方法種類繁多，應(yīng)用范圍也較廣泛，大致包括以下幾種 利用此原理制成的溫度計大致分成三大類。自 18 世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。對于不同生產(chǎn)情況和工 藝要求下的溫度控制，所采用的加熱 控制方案也有所不同。 研究的意義 在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色?？刂凭戎苯佑绊懼a(chǎn)品質(zhì)量的好壞。通常可用以下公式定性描述 ? ?02 ???? tKVXdtdXT （ 11） 式中 X—— 電爐內(nèi)溫升（指爐內(nèi)溫度與室溫溫差 ) K—— 放大系數(shù) t—— 加熱時間 T—— 時間系數(shù) V—— 控制電壓 τ 0—— 純滯后時間 但在實際熱力過程中，由于被加熱金屬的導(dǎo)熱率、裝入量以及加熱溫度等因素的不同，直接影響著 K 、 T 、τ 0 等參數(shù)的變化，因此電爐本身具有很大的不確定性。 熱處理設(shè)備雖然種類繁多，控制方法各有差異，但對他們采用微機控制時，控制原理和方法是基本相同的。燃料量的調(diào)節(jié)通常利用閥門、翻板等實現(xiàn)。如鍋爐、焦爐等。這一類設(shè)備在工廠占有相當大的比例。如果按加溫方法分類，可將熱處理設(shè)備分為兩大類 ： 電熱爐 這類設(shè)備通過電熱元件通電發(fā)熱而升溫，調(diào)節(jié)加入爐子的電功率則改變爐內(nèi)的溫度。 關(guān)鍵詞： MCS51 單片機 ； 溫度檢測 ； 模糊 PID 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） ABSTRACT II Abstract The single slice of microputers emerges with development of very large scale integration technology, because it has small , the function is strong , high characteristic of cost performance, applies the onechip puter to temperature control, adopt the onechip puter to do the top management unit, control co tactlessly , can finish the requisition for collection and control of temperature . So apply to such a great deal of fields as electronic instrument , household appliances , energyconservation fitting , the robot , industrial control ,etc. extensively, make the products miniaturized , intelligence , has already improved the function and quality of the products, have lower costs again, has simplified and designed. This text introduces the application of the onechip puter in the temperature control of heattreatment furnace mainly, position and selecting to introduce the detailed one with device mainly of the temperature control module. And has written the suitable software procedure originally designed according to the concrete demand this text. Temperature in heat treatment craft is very important. Control precision effect directly the quality of the product. The electric stove is a kind pure great inertia system, and the traditional heat control system is based on some certain model, so is hard to satisfy the technological requirement. This paper will adopt fuzzy control algorithm to build an intelligent fuzzy control system. In this paper, how to bine plants in the electric furnace temperature control, to discuss the situation of the majority of industrial production under the effective control of the temperatu