【正文】 ........................................ 23 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） V 報(bào)警子程序 ...................................................................................................... 25 PID 子程序 ........................................................................................................ 25 顯示流程圖 ...................................................................................................... 28 鍵盤掃描流程圖 .............................................................................................. 29 鍵盤處理流程圖 .............................................................................................. 30 D/A 轉(zhuǎn)換子程序流程圖 ................................................................................... 31 第五章 調(diào)試結(jié)果 .................................................................................................................... 33 硬件調(diào)試 ..................................................................................................................... 33 軟件調(diào)試 .................................................................................................................... 33 聯(lián)機(jī)調(diào)試 .................................................................................................................... 33 總結(jié) .......................................................................................................................................... 37 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 38 附錄 A：硬件原理圖 .............................................................................................................. 40 附錄 B：程序 ........................................................................................................................... 41 致謝 .......................................................................................................................................... 51 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 1 第一章 緒論 課題研究的背景及意義 20 世紀(jì) 20 年代以來，電阻爐就在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛地應(yīng)用。在這些工業(yè)生產(chǎn)中，溫度的測(cè)量及控制影響著生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，電阻爐溫度控制的穩(wěn)定性、精度、可靠性等要求也逐步提高。 基于此，設(shè)計(jì)一種智能化的電阻爐溫度控制系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用前景及實(shí)際意義。它的特點(diǎn) 是 ： ① 電路簡(jiǎn)單； ② 對(duì)爐料種類的限制 較 少；（小型電阻爐可 用來 加熱食品、干燥木材）； ③ 爐溫控制精度高 ； ④ 容易在真空中加熱等特點(diǎn)。 電阻爐的參數(shù)有工作空間尺寸 、 額定溫度 、 額定電壓、額定功率。 電阻爐的溫度控制主要有： 傳統(tǒng) PID 控制； 智能控制。 PID 控制對(duì)于確定了的溫度系統(tǒng)控制效果較好，但是對(duì)控制大慣性、大滯后、時(shí)變性 溫度系統(tǒng)則難以保證其控制品質(zhì)。目前國內(nèi)較成熟的電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，以 PID 控制器為主。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 2 智能控制是一 種不 需 要人操作就能 驅(qū)動(dòng)智能機(jī)械 來實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。 被 廣泛應(yīng)用的溫度智能控制方法有 ：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)等。 本文以電阻爐為控制對(duì)象，以單片機(jī) STC89C52 為硬件核心元件，采用 PID 控制，該系統(tǒng) 硬件電路 設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單、控制算法 成熟穩(wěn)定、系統(tǒng)性能優(yōu)良 ?？刂凭纫蕾囉?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，操作不方便，控制數(shù)據(jù)無法保存。 目前在控制領(lǐng)域，電阻爐控制系統(tǒng)的水平在很大程度上取決于測(cè)控水平的高低。這也使得生 產(chǎn)過程自動(dòng)控制技術(shù)得到了不斷的發(fā)展。從控制系統(tǒng)的角度講，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了直接數(shù)字控制系統(tǒng) (DDC)、分散控制系統(tǒng) (DCS)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) (FCS)三個(gè)階段。分散控制系統(tǒng)中有以可編程 序控制器為中心或以微型計(jì)算機(jī)為中心的兩種主要形式，二者的設(shè)計(jì)思想及方法均有較大差別。而我國在先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)方面，基本上依賴進(jìn)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 3 口。而單片機(jī)以其功能強(qiáng)、性價(jià)比高、小巧靈活、可靠性好、適應(yīng)溫度范圍寬而成為工業(yè)控制系統(tǒng)的首選。由生產(chǎn)實(shí)踐可知電阻爐溫度控制系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù) 大、純滯后長 。 PID控制器簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高，普通 PID控制器常用于一些線性定常系統(tǒng) 的控制，但對(duì)于非線性、時(shí)變 系統(tǒng)難以取得預(yù)期的效果 [3]。另外采用常規(guī) PID控制，使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)差，超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長，系統(tǒng)的跟蹤性差。為了適應(yīng)工業(yè)要求，己有不少 公司 研究了一些先進(jìn)控制策略，實(shí)現(xiàn)了許多相對(duì)復(fù)雜的高級(jí)控制算法。通過 PID調(diào)節(jié) 不斷重復(fù)該過程，使溫度 值 始終保持在上下限溫度之間 ，并且使 LED顯示器 即時(shí)顯示溫度?！?； 可 連續(xù)可調(diào)，精度為 177。 設(shè)計(jì)方案選擇 在選擇控制器的時(shí)候，有下面幾種方案。 使用最為 常用 的器件 ADC0809作模數(shù)轉(zhuǎn)換 ， 使用對(duì)電阻絲加電使 爐 升溫。 方案二：采用比較流行的 STC89C52為電路的控制核心 ， STC89C52是一種 低功耗、高性能 CMOS8位 單片機(jī) 。可應(yīng)用于 多 種領(lǐng)域、各種環(huán)境的 智能 化測(cè)試和控制系統(tǒng) ， 精度高 ， 使用方便靈活 ， 優(yōu)于 大多傳統(tǒng)的溫度測(cè)控設(shè)備。這種方案具有和方案二 相同 的控制精度，而且整個(gè)電路比方案二的穩(wěn)定性更高，但是單片機(jī)的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn) 低 于 PLC，考慮到價(jià)格因素， 并 不適合大批量的生產(chǎn)，所以此種方案不大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 5 選擇。 系統(tǒng)由單片機(jī) STC89C5鍵盤、溫度檢測(cè)電路、 顯示電路 等部分組成。 采用 四 位 LED 數(shù)碼管顯示。硬件電路的連接也 很 簡(jiǎn)單，只需要有相應(yīng)的 四 個(gè) 74ls164 芯片 作為驅(qū)動(dòng)器件，就能使 檢測(cè) 溫度值直觀的顯示出來。 采用液晶顯示器 LCD（ Liquid Crystal Display）。液晶 顯示 器 可以顯示 不同的圖形 與 符號(hào)，但顯示這些圖形符號(hào)使得軟件 編程 變的復(fù)雜，不太容易 實(shí)現(xiàn) 。 比較之后，無論從價(jià)格方面，還是方便實(shí)用的方面，使用 LED 顯示器都較使用 LCD好一些，所以本設(shè)計(jì)的溫度顯示部分采用 LED 顯示器。 其中，測(cè)溫元件用 K 型熱電偶，用來檢測(cè)爐內(nèi)溫度，將爐中溫度的物理量值轉(zhuǎn)換成毫伏信號(hào)輸出，經(jīng) MAX6675 進(jìn)行處理后，爐溫給定值的電壓信號(hào)和所檢測(cè)到的爐溫電壓信號(hào)都轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行比較，得到實(shí)際爐溫與給定爐溫的差值。其 方案 圖如圖 所示： 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 6 單片機(jī)電阻爐溫 度 轉(zhuǎn) 換 傳 感 器晶 閘 管報(bào) 警L E D 顯 示鍵 盤時(shí) 鐘 電 路 圖 系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì)方案 圖 單片機(jī)：該部分的功能包括向讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理， 并且 還要對(duì)執(zhí)行單元進(jìn)行控制。 溫度信號(hào)采集與 處理 ：本部分的主要是用傳感器檢測(cè)溫度信號(hào)，溫 度傳感器 里的 電流 會(huì) 隨環(huán)境溫度值 的變化而 變化。 人機(jī)交互及串口通信：人機(jī)交 互主要 是為了提高系統(tǒng)的 友好性 和實(shí)用性。輸出顯示 進(jìn)行 數(shù)據(jù)的顯示輸出 ， 通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而串口通信的主要 作用 是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信。 在本設(shè)計(jì)中，電源系統(tǒng)輸出 +5 V 的電源。 溫度采集和控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，科研和人民生活的領(lǐng)域 。使用自動(dòng)溫度控制系統(tǒng) ， 可以對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的溫度 ， 進(jìn)行自動(dòng)控制，保證生產(chǎn)順利、安全的 進(jìn)行，從而提高 工廠 的生產(chǎn)效率。傳感器的選擇受到 許 多 方面 的影響， 比如 各種溫度傳感器 本 身 有各自 優(yōu)缺點(diǎn) ， 適應(yīng)于不同的場(chǎng)合；還有現(xiàn)場(chǎng) 的環(huán)境因素各 有 不同， 再 有就是 根據(jù) 系統(tǒng) 要求 的不同，所需 實(shí)現(xiàn)的精度 也不同 ，所以在不同的 場(chǎng)合 當(dāng)中 ， 選擇溫度傳感器的 類型 也將不同。 這 種感溫元件 具有熱電效應(yīng)原理 ， 是利用 把 兩種不同的金屬材料 連在一起 構(gòu)成的。目前 在 工業(yè)與民用產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。 方案二：熱電阻傳感器 熱 電阻傳感器 把 溫度 的 變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化 為 原理。 其 主要特點(diǎn)是：精度高，性能穩(wěn)定。從熱電阻的測(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的 改變 是直接通過熱 敏 電阻阻值的 改變 來 體 現(xiàn)的。熱電阻測(cè)溫系統(tǒng) 大多以 熱電阻、連接導(dǎo)線 以及 顯示儀表組成。這種傳感器精度 較高， 輸出線性 化 好，可以 將 信號(hào)處理電路及 傳感器驅(qū)動(dòng)電路等 與溫度傳感器部分集成 為 同一硅片 。半導(dǎo)體集成模擬溫度傳感器通常用于室溫或 周圍 環(huán)境溫度的檢測(cè)，以便 單片機(jī)系統(tǒng) 對(duì)溫度測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償。 這種 數(shù)字溫度傳感器， 能 與各種 單片機(jī) 的 I/O接口連接，組 成 智能 控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng) 改善了 模擬傳感器與 單片機(jī) 接口 之 時(shí) ， 需要信號(hào) 轉(zhuǎn)換 電路和 A/D變 換 器的弊端， 廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、電子測(cè)溫 等 溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中有代表性的有 DS18B20等 。 DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，采用單總線技術(shù)，可以直接與單片機(jī) I/O口相連。但 它 的測(cè)溫范圍僅限 55℃ ～+125℃ ，而電阻爐的溫度在一千度 上下 ，所以 結(jié) 合精 度要求、測(cè)溫范圍的大小以及價(jià)格等 各 方面因素考慮，選擇 K型熱電偶傳感器。但測(cè)溫部分用 K型熱電偶需經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換、放大電路等一系列措施，使得硬件電路部分顯得冗余，本設(shè)計(jì)使用 能處理 K型熱電偶 輸出信號(hào) 的芯片 MAX6675，該芯片可實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換、放大電路等功能，且可以和單片機(jī)直接通訊，節(jié)約了硬件部分，降低了成本。這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，導(dǎo)體 A、 B 稱為熱電極。 圖 熱電偶原理圖 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 熱電偶的分度表是以冷端溫度 0℃為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而在實(shí)際使用過程中，冷端溫度往往不為 0℃，所以需要對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 溫度 信號(hào)處理芯片 MAX6675 該器件采用 8 位引腳的 SO 封裝，引腳圖如圖 所示。 表 MAX6675 引腳功能表 引腳 名稱 功能 1 GND 接地端 2 T K 型熱電偶負(fù)極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正電源端 5 SCK 串行時(shí)鐘輸入 6 CS 片選信號(hào) 端 7 SO 串行數(shù)據(jù)輸出 8 NC 懸空 不用 MAX6675 的內(nèi)部由精密運(yùn)算放大器 A A基準(zhǔn)電壓源、冷端補(bǔ)償二極管、模擬開關(guān)、數(shù)字控制器及 ADC 等 組成，完成了熱電偶微弱信號(hào)的放大、冷端補(bǔ)償及模 /數(shù)轉(zhuǎn)換功能 [12]。 它將冷端溫度通過冷端補(bǔ)償二極管轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)， MAX6675 內(nèi)部電路將二極管電壓和放大后的熱電偶電勢(shì)同時(shí)送到 ADC 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即能得到測(cè)量端的絕對(duì)溫度值。當(dāng)從 SO 端輸出串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)輸出過程需要 16 個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)的輸出通常在 SCK 的下降沿完成，其中 D15 位是偽標(biāo)志位，始終為 0；