【正文】 ............. 26 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 27 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) III 附錄 ............................................................................................................................................... 28 附錄 1 ......................................................................................................................................... 28 附錄 2 ......................................................................................................................................... 29 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 1 緒論 技術(shù)指標(biāo) 溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的控制，有些工藝過(guò)程對(duì)其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量，因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。溫度控制采用 PID 數(shù)字控制算法，顯示采用 3 位 LED 靜態(tài)顯示。 電烤箱的具體指標(biāo)如下： （ 1） 電烤箱為一封閉長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)， （ 2）烤箱內(nèi)尺寸： 。 （ 4）從室溫開(kāi)始升溫到 100℃系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間 ts≤ 5 分鐘，超調(diào)量≤ 10%。 （ 6）顯示實(shí)時(shí)溫度，顯示精確到 1℃。設(shè)計(jì)目的是要對(duì)它的溫度進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量 ≤10%的技術(shù)要求。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ： 電加熱裝置是一個(gè)具有自平衡能力的對(duì)象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述。因而一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述溫控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 目前工程上常用的方法是對(duì)過(guò)程對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)，測(cè)取過(guò)程對(duì)象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過(guò)程的近似傳遞函數(shù)。 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2 給定輸入階躍信號(hào) 200℃ ，用溫度計(jì)測(cè)量電烤箱的溫度，每半分鐘采一次點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表 21： 表 21 烤箱模型的溫度數(shù)據(jù) CohnCoon公式如下： MCK ??? / )( ttT ?? )31( tt ??? 式 () 式 中 △ M—— 系統(tǒng)階躍輸入； △ C—— 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)； —— 對(duì)象飛升曲線為 △ C 時(shí)的時(shí)間（分）； —— 對(duì)象飛升曲線為 △ C 時(shí)的時(shí)間（分）。他采 用了可編程序的儲(chǔ)存器，用來(lái)在其內(nèi)部?jī)?chǔ)存執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)算和算術(shù)操作的面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字化或模擬式的輸入 /輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 1. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)： PLC 用軟件取代了繼電器控制系統(tǒng)中打量的仲堅(jiān)繼電器和時(shí)間繼電器，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的十分之一以下，大大減少了因?yàn)橛|點(diǎn)接觸不良造成的故障。 3. 編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)： 梯形圖是使用的最多的 PLC 編程語(yǔ)言，其電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相時(shí)間 t(m) 0 溫度 T(℃ ) 20 31 52 78 104 126 148 168 182 198 200 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 3 似，梯形圖語(yǔ)言形象直觀，易學(xué)易用，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只需花幾天時(shí)間就可以熟悉梯形圖語(yǔ)言，并用來(lái)編制用戶程序。 PLC 的梯形圖程序可以用順序控制設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)。可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試 PLC 的程序，用小開(kāi)關(guān)來(lái)模擬輸入信 號(hào)，通過(guò)個(gè)輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管的狀態(tài)來(lái)觀察輸出信號(hào)的狀態(tài)，調(diào)試的時(shí)間比繼電器系統(tǒng)少得多。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性價(jià)比。 6. 維修工作量小，方便維修 : PLC 的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。 單片機(jī)系統(tǒng) （ 1)單片機(jī)的定義 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器、 RAM、只讀存儲(chǔ)器、 ROM 多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算系統(tǒng)。 ，體積小，可靠性好。 ，低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。 目前，應(yīng)用廣泛的主流機(jī)型是 80C51 系列 8 位單片機(jī)。 選擇最優(yōu)方案 通過(guò)比較單片機(jī)和 PLC 的性價(jià)比，本文電烤箱的溫度控制為模型，設(shè)計(jì)了以 AT89C51單片機(jī)為檢測(cè)控制中心的溫度控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制算法新穎，控制精度高，有較強(qiáng)的通用性。就溫度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性來(lái) 講，基本上都是具有純滯后的一階環(huán)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)精度及溫控的線性性能要求較高時(shí)，多采用 PID 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。從技術(shù)指標(biāo)可以看出，系統(tǒng)對(duì)控制的精度要求不高，對(duì)升降溫過(guò)程的線性也沒(méi)有要求，因此，系統(tǒng)采用最簡(jiǎn)單的通斷控制方式，即當(dāng)烘干箱溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)斷開(kāi)加熱電爐，當(dāng)溫度降低到低于某值時(shí)接通電爐開(kāi)始加熱，從而保持恒溫控制。 圖 21 電烤箱溫度控制結(jié)構(gòu) C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(jī)。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了 一種靈活性高且價(jià)廉的方案。是計(jì)算機(jī)的控制指揮的中心。 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部 CPU包括控制器和運(yùn)算器。有累加器 ACC、寄存器 B、暫存器 暫存器 程序狀態(tài)寄存器 PSW和布爾處理機(jī)共同組成。運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)由程序寄存器 PSW 保存。而且還能對(duì) 8 位變量進(jìn)行邏輯“與”“或”“異或”循環(huán)位移等邏輯的運(yùn)算。專門存放操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果。用于存放標(biāo)志的寄存器。 PSW 各位的狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行的過(guò)程中自動(dòng)設(shè)置。狀態(tài)寄存器共有進(jìn)位標(biāo)志位 CY、輔助進(jìn)位標(biāo)志位（或稱半進(jìn)位） AC、用戶自定義標(biāo)志位 F0、工作寄存器組選擇位 RS RS0、溢出標(biāo)志位 OV、奇偶標(biāo)志位 P. C. 控制器 控制部件是單片機(jī)的神經(jīng)中樞。它先以主振頻率為基準(zhǔn)發(fā)出 CPU的時(shí)序?qū)χ噶钸M(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)。用來(lái)協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分的正常工作 [1]。 AT89C51 單片機(jī) 40 個(gè)引腳及總線結(jié)構(gòu)圖如下所示。但為 44 個(gè)引腳，其中 4 個(gè)引腳是不使用的。同時(shí)受到引腳數(shù)目的限制，所以有部分引腳具有第二功能。 XTAL1:接外部石英體和微調(diào)電源一端。 其中，對(duì)用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于 HMOS 單片機(jī) ,XTAL1 腳接地， XTAL2 腳作為外部振 蕩信號(hào)輸入端。 1）引腳功能 I\O 引腳共 32 根。 P0 口即可作為地址 /數(shù)據(jù)總線使用，又可作為通用的 I/O 口線。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O 時(shí)， P0 口分時(shí)復(fù)用為低 8 位地址總線和雙向數(shù)據(jù)的總線。是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線。 C． P2 口： 統(tǒng)稱為 P2 口。 P2 口即可作為通用的 I/O口使用。與 P0 口組成 16 位片外存儲(chǔ)器單元地址。 A： ALE/PROG 地址鎖存有效信號(hào)輸出率。 C： RST/VPD 復(fù)位信號(hào)備用電源輸入信號(hào)。 3） AT89C51 單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) AT89C51 單片機(jī)的存儲(chǔ)器物理結(jié)構(gòu)上分為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器等 4 個(gè)存儲(chǔ)空間。 各端口的功能不同，結(jié)構(gòu)上也有差異，但是每個(gè)端口的 8 位結(jié)構(gòu)是完全相同的。 口， P1 口為準(zhǔn)雙向口，它在結(jié)構(gòu)上與 P0 口的區(qū)別在與輸出驅(qū)動(dòng)部分。 口， P2 口也為準(zhǔn)雙向口。 口 P3 口的輸出驅(qū)動(dòng)由與非門 3 和 V1 組成，比 P0、 P P2 口結(jié)構(gòu)多了一個(gè)緩沖器 4。 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 圖 22 單片機(jī)引腳圖 AT89C51 單片機(jī)時(shí)鐘電路及時(shí)序 圖 23 AT89C51 單片機(jī)時(shí)鐘電路圖 ⑴ 時(shí)鐘周 期。 ⑵ 機(jī)器周期。 機(jī)器周期是時(shí)鐘周期的 12 倍。 AT89C51 單片機(jī)復(fù)位電路 圖 24 AT89C51 單片機(jī)復(fù)位電路圖 復(fù)位是通過(guò)某種方式，使單片機(jī)內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作 復(fù)位條件： RST 引腳保持 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平。 溫度傳感器 定義：利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。溫度傳感器是 溫度測(cè)量?jī)x表 的核心部分，品種繁多。 種類：目前， 國(guó)際電工委員會(huì) （ IEC）推薦了 8 種類型的熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即為 T 型、 E 型、 J 型、 K 型、 N 型、 B 型、 R 型和 S 型。因此我們需要一種， 電阻溫度系數(shù) 要大而且穩(wěn)定，電阻值與溫度之間應(yīng)具有良好的線性關(guān)系。在測(cè)溫范圍內(nèi)化學(xué)物理特性穩(wěn)定的熱電偶，通過(guò)查閱資料，品牌 :EL 型號(hào) :NTC 的熱敏電阻 符合我們的要求： (1)該產(chǎn)品為電烤箱專用溫度傳感器 (2)具有反應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定、安裝方便等特點(diǎn)。 (4)電阻值范圍： R＝ 1K～ 2021KΩ。（通常使用參數(shù)： R25℃＝ 50K177。 1％； (6)R25℃＝ 100K177。 1％）。 (8)熱時(shí)間常數(shù)：＜ 10 秒。 (10)耐電壓： AC1500V、 5mA、 5S。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 時(shí)，則稱為變送器。 A/D 轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換的基本概念： A/D轉(zhuǎn)換器是用來(lái)通過(guò)一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)?N位 數(shù)字量。但在 A/D 轉(zhuǎn)換前，輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。 )1( m i nm a x2l o g ??? a AAN 式（ ） 式中 N —— 表示 AD 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)； maxA —— 表示模擬量的最大值； minA —— 表示模擬量的最小值； a —— 表示轉(zhuǎn)換的精度 。由于常用的 8 位分辨率的 AD 轉(zhuǎn)換芯片有 ADC080 ADC0832 等。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)： ⑴ 轉(zhuǎn)換精度。 ①分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。 ②量化誤差。 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 11 ⑵ 轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，適應(yīng)輸入信號(hào)快速變化能力越強(qiáng)。 圖 25 ADC0809 圖 圖 26 ADC0809 與 51 單片機(jī)連接圖 ADC0809 引腳功能和典型連接電路 ⑴ IN0～ IN7： 8 路模擬信號(hào)輸入端。 與低 8 位地址中 A0～ A2 連接。 ⑶ CLK：外部時(shí)鐘輸入端。允許范圍為 10～ 1280KHz 。 ⑷ D0～ D7：數(shù)字量輸出端。 OE=1，允許將 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果從 D0～ D7 端輸出。 ⑹ ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。 ⑺ START：?jiǎn)?dòng) A/D 轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端。 START 端與 ALE 端連在一起，由 80C51WR 與 0809 片選端（例如 ）通過(guò)或非門相連。 ⑼ UREF（ +）、 UREF（ ）：正負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端。 GND：接地端。這里采用 ADC0809 作為 A/D 轉(zhuǎn)換器。 溫度控制電路設(shè)計(jì) 可控硅，是可控硅 整流 元件的簡(jiǎn)稱：是一種具有三個(gè) PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體 器件 ，亦稱為晶閘管。該器 件被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和 電子產(chǎn)品 中，多用來(lái)作可控整流、逆變、變頻、調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。因?yàn)?BG1 集電極與 BG2 基極相連， IC1 又是 BG2 的基極 電流 Ib2。如此 循環(huán) 放大，直到 BG BG2 完全導(dǎo)通。導(dǎo)通的時(shí)間主要決定于可控硅的性能。此時(shí)觸發(fā)信號(hào)即使消失，可控硅仍保持導(dǎo)通狀態(tài)只有斷開(kāi) 電源 Ea 或降低 Ea，使 BG BG2 中的集電極電流小于維持導(dǎo)通的最小值時(shí)，可控硅方可關(guān)斷。這時(shí)，即使輸入觸發(fā)信號(hào)，可控硅也不能工作。另外，如果不加觸發(fā)信號(hào)，而正向 陽(yáng)極 電壓大到超過(guò)一定值時(shí)，可控硅也會(huì)導(dǎo)通，但已屬于非正常工作情況了。要控制交流負(fù)載，必須將兩只晶閘管反極性并聯(lián)，讓每只 SCR 控制一個(gè)半波，為此需兩套獨(dú)立的觸發(fā)電路，使用不夠方便。 由于電阻絲是與 220V市電直接接通的，因此選擇采飛利浦公司的 BT138600E 雙向可控硅作為通斷