【正文】 是目前應(yīng)用比較廣的方法之一。在數(shù)字控制系統(tǒng)中則是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來代替模擬調(diào)節(jié)器，按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，是連續(xù)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)器。但是，常規(guī) PID 調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)的整定一般需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員來完成，步驟繁瑣復(fù)雜，既耗時(shí)又耗力。在這種情況下，采用常規(guī) PID 調(diào)節(jié)器，三個(gè)參數(shù)的整定比較困難，為此本文提出了采用歸一參數(shù)整定法，即只整定一個(gè)參數(shù)，這樣減少了許多工作量，提高了工作效率，為實(shí)現(xiàn)簡易的自整定控制帶來方便。熱電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲，常規(guī)方式大多采用模擬儀表測量溫度，并通過控制交流接觸器的通斷時(shí)間比例來控制加熱功率。而采用微機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可大大提高）5控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文提出的爐溫控制系統(tǒng)采用高精度放大器及 A/D 轉(zhuǎn)換器以獲得較高的測溫精度，并采用溫度傳感器對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，利用單片機(jī) 8051 實(shí)現(xiàn)控制算法，按設(shè)定值、所測溫度值、溫度變化速率，自動(dòng)進(jìn)行 P 參數(shù)自整定和運(yùn)算，按程序設(shè)定溫度曲線升溫，具有鍵盤輸入及顯示功能，使用雙向?qū)煽毓鑼?shí)現(xiàn)加熱功率的控制，顯著提高了測量精度。1℃。 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本主要由溫度檢測系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)，輸入輸出系統(tǒng)，輸出控制系統(tǒng)四部分組成。在信號(hào)處理系統(tǒng)原理上無外乎是信號(hào)的放大，數(shù)模轉(zhuǎn)換，微機(jī)處理一系列環(huán)節(jié)，根據(jù)不同的要求其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同，但基本都是遵循這條原則。通常都是選用雙向可控硅來實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié),這樣能更好的控制溫度，提高精度。1℃3. 保溫精度：℃第 2 章 方案論證系統(tǒng)的組成及工作原理：溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一，如冶金、機(jī)械、食品、化工各類專業(yè)中廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對(duì)工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制。具體包括:，即爐溫按預(yù)定的溫度一時(shí)間關(guān)系變化，這主要在控制程序中考慮。、超調(diào)量等指標(biāo)，這涉及到 A/D 轉(zhuǎn)換精度、控制規(guī)律的選擇等。為了便于與上級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)成兩級(jí)控制系統(tǒng)，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中還加入了通信功能。系統(tǒng)的測量值和所有設(shè)定參數(shù)均由 LED 數(shù)碼管直接顯示，讀數(shù)清晰，直觀。系統(tǒng)采用 MCS51 系列的單片機(jī) 8051，MCS51 單片機(jī)是美國 INTE 公司于1980 年推出的產(chǎn)品，與 MCS48 單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達(dá) 111 條，MCS51 單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS51 系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與 MCS51 單片機(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。 溫度傳感器的選擇 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。各種不同的物體有著不同的溫度范圍，從總體來說，溫度分布范圍極廣，加上被控對(duì)象的種類繁多，雖然溫度的傳感器種類很多，但至今沒有一種溫度傳感器能覆蓋整個(gè)溫度范圍，而又能滿足一定的測量精度。 熱電阻熱電阻材料一般有兩類：貴金屬和非金屬。熱電阻的受熱部分（感溫元件）是用細(xì)金屬絲均勻的纏繞在絕緣材料制成的骨架上，當(dāng)被測介質(zhì)中有溫度梯度存在時(shí)，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。其中鉑熱電阻的測量精確度最高。 集成溫度傳感器集成溫度傳感器是把溫度傳感器與放大電路等后續(xù)，利用集成化技術(shù)制作在同一芯片的功能器件。由于感溫元件與全部其他電器都集中在一個(gè)小芯片，所以傳感器的功耗及自然效應(yīng)，以及在工作溫度范圍內(nèi)電路元件的熱穩(wěn)定性，是影響這種傳感器性能的主要因素。 熱電偶熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。因熱電偶直接與被測對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。常用的熱電偶從50℃～+1600℃均可持續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢錸）。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。熱電偶標(biāo)準(zhǔn)我國從 1988 年 1 月 1 日起制定，熱電偶和熱電阻全部按 IEC 國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 B、S、K、E、J 等幾種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測溫的影響，不起補(bǔ)償作用。 在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過 100℃。 檢測放大電路的選擇放大是最基本的模擬信號(hào)處理功能，它是通過放大電路實(shí)現(xiàn)的，大多數(shù)模擬電子系統(tǒng)都應(yīng)用了不同類型的放大電路。通常必須把它們放大到一定的數(shù)量級(jí)，才能被數(shù)字儀表或傳統(tǒng)的指針式儀表顯示出來。 電壓比較器方案電壓比較器的功能是比較兩個(gè)電壓的大小，例如將一個(gè)信號(hào)電壓 和一個(gè)參iU考電壓 進(jìn)行比較，在 和 兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個(gè)rUirUir不同的電平，即高電平和低電平。 使用普通集成運(yùn)算放大電路集成電路是 60 年代發(fā)展起來的新型電子器件，它是以單晶硅為基礎(chǔ)材料，以制造硅平面晶體管的平面工藝為基本工藝，將三極管、二極管、電阻、電容等制造在同一硅片上，并連接成能夠完成各種功能的電子線路。具有體積小、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，為電子技術(shù)的應(yīng)用開辟了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。模擬集成電路品種繁多，其中集成運(yùn)算放大電路（簡稱集成運(yùn)放）具有通用性強(qiáng)，使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。集成運(yùn)放電路由四部分組成，包括輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí)和偏置電路。中間級(jí)是整個(gè)放大電路的主放大器，其作用是使集成運(yùn)放具有較強(qiáng)的放大能力，輸出級(jí)具有輸出電壓線性范圍寬，輸出電阻小，失真小的特點(diǎn)，偏置電路用于設(shè)置集成運(yùn)放各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。因此在本系統(tǒng)中采用集成運(yùn)放作為信號(hào)放大電路 [8] 。此外，它的應(yīng)用電路簡單，外圍元件性能要求不高，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換速度高，且價(jià)格低廉，因此 V/F 轉(zhuǎn)換技術(shù)廣泛用于 A/D 過程中。雖然 V/F 轉(zhuǎn)換器有以上的優(yōu)點(diǎn),但是 V/F 轉(zhuǎn)換器的外部接線比較復(fù)雜,本系統(tǒng)的應(yīng)用是在實(shí)際的工廠中,環(huán)境比較復(fù)雜,各種干擾比較多,所以為了保持測量的精度,本系統(tǒng)不采用 V/F 轉(zhuǎn)換器作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。 采用逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574A12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574A。轉(zhuǎn)換速度最大為 35us，轉(zhuǎn)換精度≤，是目前我國應(yīng)用最廣泛、價(jià)格適中的 A/D 轉(zhuǎn)換器。由于 AD574A 片內(nèi)包含高精度的參考電壓和時(shí)鐘電路，這使它在不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)的情況下完成一切 A/D 轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便 [1]。鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的矩陣開關(guān)，它是最簡單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)對(duì)話 [5]。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵按下了。但每個(gè)按鍵需要占用一個(gè)輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。 矩陣式鍵盤接口鍵盤上閉合鍵的識(shí)別是由專用硬件實(shí)現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實(shí)現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。44 的鍵盤結(jié)構(gòu)如圖 22 所示，按鍵設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。無按鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線的電平?jīng)Q定。這一點(diǎn)是識(shí)別行列式鍵盤按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。因此各按鍵彼此將相互發(fā)生影響，所以必須將行、列線信號(hào)配合起來并作適當(dāng)?shù)奶幚恚拍艽_定閉合鍵的位置。 ）14t0 t1t2t3 t4圖 22 鍵盤結(jié)構(gòu)當(dāng) 3 號(hào)鍵按下時(shí)，與 3 號(hào)鍵相連的行線電平將由與此鍵相連的列線電平?jīng)Q定，而行線電平在無按鍵按下時(shí)處與高電平狀態(tài)。但還不能確定是鍵 3 被按下，因?yàn)槿绻I 3 不被按下，而同一行的鍵 1 或 0 之一被按下，均會(huì)產(chǎn)生同樣的效果。為進(jìn)一步判定到底是哪一列的鍵被按下，可采用掃描法來識(shí)別。當(dāng)?shù)?1 列仍處于高電平狀態(tài)；而當(dāng)?shù)?2 列為低電平，而其余各列為高電平時(shí)，同樣我們會(huì)發(fā)現(xiàn)第 1 行仍處于高電平狀態(tài)；直到讓第 4 列為低電平，其余各列為高電平時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí) 3 號(hào)鍵被按下，所以第 1 行的電平將由高電平轉(zhuǎn)換到第 4 列所處的低電平，據(jù)此可判斷第 1 行第 4 列交叉點(diǎn)處的按鍵，即 3 號(hào)鍵被按下。為了保證 CPU 對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵有效，在軟件中必須設(shè)置去除抖動(dòng)，在鍵的穩(wěn)定閉合或斷開時(shí)讀鍵的狀態(tài)，并判斷出健由閉合到釋放時(shí)，再作鍵輸入處理矩陣式鍵盤（也稱行列式鍵盤）適用于按鍵數(shù)目較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交點(diǎn)上。同理，一個(gè) 44 的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè) 16 鍵的鍵盤，很明顯，在按鍵數(shù)量較多的場合，矩陣式鍵盤與獨(dú)立式鍵盤相比，要節(jié)省很多的 I/O 口線。行線通過上拉電阻接到+5V 上。列線電平如果為低電平，則行線電平為低電平，列線電平如果為高電平，則行線電平為高電平。由于矩陣鍵盤中行列線為多鍵公用，各按鍵均影響該鍵所在行列的電平。 顯示器的選擇本系統(tǒng)中，采用 LED 顯示器。它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮。常用的 LED 顯示器有 7 段和“米”字段之分。如圖 24 所示。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。圖 24 中的兩個(gè)顯示器都有 dp 顯示段，用于顯示小數(shù)點(diǎn)。(a)共陰極 (b)共陽極 圖 24 8 段 LED 結(jié)構(gòu)及外形表 21 8 段 LED 段碼）17LED 的顯示方式有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。這種顯示方式每一位都需要有一個(gè) 8位輸出口控制。靜態(tài)顯示時(shí)，較小的電流能得到較高的亮度且字符不閃爍，所以可由 I/O 接口芯片（如 8255A 的 A、B、C 口）的輸出口直接驅(qū)動(dòng)。用靜態(tài)顯示所需的 I/O 太多，一般采用動(dòng)態(tài)顯示方法。利用人的視覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。8255 的 A 口作為掃描口，經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器 74LS164 接顯示器公共極，B 口顯示字符 共陽極字符碼 共陰極字符碼 顯示字符 共陽極字符碼 共陰極字符碼0 3FH C0H C 39H 06H1 06H F9H D 5EH A1H2 5BH A4H E 79H 86H3 4FH B0H F 71H 8EH4 66H 99H P 73H 8CH5 6DH 92H U 3EH C1H6 7DH 82H T 31H CEH7 07H F8H y 6EH 91H8 7FH 80H H 76H 89H9 6FH 90H L 38H C7HA 77H 88H “滅” 00H FFHb 7CH 83H ． ． ． ． ． ． ． ． ．）18作為段數(shù)據(jù)口，經(jīng)同相驅(qū)動(dòng)器 74LS164 接顯示器的各個(gè)極。8255A 引腳如 25 圖所示：圖 25 8255A 引腳8255A 共有 40 個(gè)引腳，采用雙列直插式封裝，各引腳功能如下：D7～D0：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線連接，用來傳送數(shù)據(jù)信息。CSPA3 PA42 51 6PA0 PA7RD WRCS ESTGN D0A1 10 2PC7 D36 45 5PC4 D63 72 VcPC1 PB70 6B 5P1 PB42 385A12345678912134516781920 2124532829034353890）19：讀出信號(hào)線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的讀出。WVCC：+5V 電源。PB7～PB0：B 口輸入/輸出線。RESET：復(fù)位信號(hào)線。8255A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括三個(gè)并行數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，二個(gè)工作方式控制電路，一個(gè)讀/寫控制邏輯電路和 8 位數(shù)據(jù)總線緩沖器。都可以選擇作為輸入輸出工作模式，但在功能和結(jié)構(gòu)上有些差異。2)PB 口：一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器；一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸入緩沖器（輸入不鎖存） 。通常 PA 口、PB 口作為輸入輸出口，PC 口作為輸入輸出口，也可在軟件的控制下，分為兩個(gè) 4 位的端口，作為端口 A、B 選通方式操作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)。A組控制 PA 口和 PC 口的上半部（PC7～PC4） ；B 組控制 PB 口和 PC 口的下半部（PC3～PC0） ，并可根據(jù)“控制字”對(duì)端口的每一位實(shí)現(xiàn)按位“置位”或“復(fù)位” 。⑷讀/寫控制邏輯電路）20讀/寫控制邏輯電路接收 CPU 發(fā)來的控制信號(hào) 、 、RESET、地址信號(hào)RDWA1～A0 等，然后根據(jù)控制信號(hào)的要求，將端口數(shù)據(jù)讀出，送往 CPU，或者將 CPU送來的數(shù)據(jù)寫入端口。在這種方式下，三個(gè)端口都可以由程序設(shè)置為輸入或者輸出，沒有固定的用于應(yīng)答的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。(2)方式 1方式 1 是一種選通式輸入/輸出工作方式。在方式 1 下，8255A 的 A 口和 B 口通常用于傳送和它們相連外設(shè)的 I/O數(shù)據(jù)，C 口用作 A 口和 B 口的應(yīng)答聯(lián)絡(luò)線，以實(shí)現(xiàn)中斷方式傳送 I/O 數(shù)據(jù)。(3)方式 2方式 2 只有 A 口才能設(shè)定。）21第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 主控制器 8051 單片機(jī)