【正文】 0段 (步 )可編程 PID 調(diào)節(jié)器，全部操作窗口按功能分為 6 個(gè)窗口群，共 95 個(gè)子窗口，其設(shè)置仍然繁雜。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 自 1980 年以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)化控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，尤其是控制方面在智能化，自適應(yīng)，參數(shù) 自整定等方面取得顯著成果。 其特點(diǎn)是適應(yīng)于大慣性，大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)，具有參數(shù)自整定功能個(gè)自學(xué)習(xí)功能，即溫控器對(duì)控制對(duì)象、控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定，并根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。目前，國內(nèi)外溫度控制儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方向發(fā)展。同時(shí)，隨著現(xiàn)代控制理論（諸如智能控制、自適應(yīng)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等）研究和應(yīng)用的發(fā)展和深入，為控制復(fù)雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了新途徑，逐步弱化或取消了對(duì)受控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)不變的限制。在現(xiàn)有的電加熱爐溫度控制方案中， PID 和模糊控制應(yīng)用最多，也最具代表性。成熟產(chǎn)品主要以 “點(diǎn)位 ”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)測(cè)控，難以控制復(fù)雜的大滯后時(shí)變溫系統(tǒng)。 （ 2） 商品化產(chǎn)品以 PID 控制器為主，智能化儀表少，這方面同國內(nèi)外差距較大。 （ 3）儀表控制用關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)算法及控制軟件方面的研究較國外滯后。這些差距我們必須努力克服。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 設(shè)計(jì)要求 對(duì)化工合成裝置的溫度進(jìn)行檢測(cè)，并按工藝要求控制最高加熱溫度。 加入觸媒后的溫度采用恒值控制?？刂凭葹?177。 最高 溫度連續(xù)三次達(dá)到 400℃ 時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào) 。 留有擴(kuò)充余地，以實(shí)現(xiàn)多回路控制。 加熱爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如 圖 所示?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖 所示。 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 爐溫控制系統(tǒng)硬件電路原理圖見附錄 Ⅰ 所示，以下是各個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)模塊分別介紹。雖然現(xiàn)在的微型計(jì)算機(jī)種類很多，但是所選的微型計(jì)算機(jī)必須符合本次設(shè)計(jì)的具體要求。相對(duì)而言，單片機(jī)體積小，重量輕、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，并且價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好，開發(fā)較為容易。 本次設(shè)計(jì)的溫度控制系 統(tǒng)精度較高，需要的 I/O 接口也比較多，因此采用 AT89S51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的微處理器。片內(nèi)含 4Kbytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM),可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。因此此單片機(jī)完全能滿足溫度控制系統(tǒng)的要求。 AT89S51 的主要特性如下： ? 壽命達(dá) 1000 寫 /擦循環(huán) ? 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ? 全靜態(tài)工作： 0Hz33Hz ? 4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲(chǔ)器 ? 1288 位內(nèi)部 RAM 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 ? 32 可編程 I/O 線 ? 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ? 6 個(gè)中斷源 ? 可編程串行通道 ? 低功耗閑置和掉電模式 ? 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 ? 看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 ? 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ? 的工作電壓范圍 ? 全雙工串行 UART 通道 ? 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) 圖 AT89S51 引腳圖 AT89S51 單片機(jī)的引腳功能： 1. 主電源引腳 GND 和 VCC GND：接地。 2. 時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 XTAL1：接外部晶體的一端。在采用外時(shí)鐘時(shí)，外部時(shí)鐘振蕩信號(hào)直接送入此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。它是片內(nèi) 振蕩器反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。 3. 控制信號(hào)引腳 RST、 ALE/ PROG 、 PSEN 、 EA /VPP ? RST：復(fù)位輸入端。 ? ALE/ PROG ：地址鎖存允許輸出 /編程脈沖輸入端。在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 作為鎖存擴(kuò)展地址 低位字節(jié)的輸出控制信號(hào)（稱允許鎖存地址）。 ALE 端得負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為 8 個(gè) LSTTL（低功耗高速 TTL）。 ? PSEN ：片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)端。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)不出現(xiàn)。 ? EA /VPP：為內(nèi)、外程序存儲(chǔ)器選擇 /編程電源輸入端。 當(dāng) EA 端接高電平時(shí)， CPU 從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址 0000H 單元開始執(zhí)行程序。 4. 輸入 /輸出引腳（ P0、 P P2 和 P3 端口引腳） ? ~： P0 口的 8 位 I/O 端口。在不做總線時(shí)，也可以作為普通 I/O 口使用。 ? ~： P1 口的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 表 21 P1 口各位的第二功能 P1口的各位 第二功能的名稱及作用 T2（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入 /時(shí)鐘輸出） T2EX（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的捕獲觸發(fā)和雙向控制） MOSI（主機(jī)輸出線，用于在系統(tǒng)編程） MISO（主機(jī)輸入線，用于在系統(tǒng)編程） SCK（串行時(shí)鐘線，用于在系統(tǒng)編程） 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 ? ~： P2 口的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。在不做總線時(shí)，也可以作為普通 I/O 口使用。 ? ~： P3 口的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 表 22 P3 口各位的第二功能 P3口的各位 第二功能的名稱及作用 RXD（串行口輸入） TXD（串行口輸出） 0INT （外部中斷 0 輸入） 1INT （外部中斷 1 輸入） T0（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 的外部 輸入） WR（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通控制輸出） RD（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通控制輸出） 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊的一拍一拍地工作。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式：一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式，如圖 所示。 AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。 圖 時(shí)鐘電路 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 上位機(jī)通信設(shè)計(jì) 以單片機(jī)為主體構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，以附加電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中。使用這些串行通信接口和 RS485 接口驅(qū)動(dòng)芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)，從而將多臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。目前，在很多的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，為了克服單片機(jī)的功能不足，都引入了PC 機(jī)，并采用主從式結(jié)構(gòu)模式，即以 PC 機(jī)為主機(jī)，分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)為從機(jī)而組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此， 150pF/m 的通信電纜的最大通信距離為 15m，若每米電纜的電容量有所減少，則通信距離即可增長。 而對(duì)于大多數(shù)分布式控制系統(tǒng)來說，其通信距離一般為幾十米到幾千米不等，顯然， RS232 接口不能滿足此類系統(tǒng)的要求，目前廣泛采用的是 RS485 收發(fā)器。 該系統(tǒng)的擴(kuò)展通信接口電路如圖 所示。 LED 數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的 1 種新型顯示器件。 LED 數(shù)碼顯示器有兩種連接方法 [2]：（ 1）共陽極接法。當(dāng)陰極端輸入低電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平時(shí)則不點(diǎn)亮。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時(shí)公共陰極接地。當(dāng)陽極端輸入高電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平時(shí)則不點(diǎn)亮。 本設(shè)計(jì)顯示接口電路由 4 個(gè)共陽極 LED 數(shù)碼顯示管、 4 個(gè) 9012 三極管和限流電阻組成。單片機(jī)的輸出端口P0 口通過限流電阻與數(shù)碼管的陰極相連，用于控制數(shù)碼管的字形顯示。當(dāng)端口輸出低電平時(shí)，相應(yīng)的三極管導(dǎo)通，使相應(yīng)的數(shù)碼管選通。硬件接口電路如圖 所示。電源電路的穩(wěn)定性決定著整個(gè)電路的可靠程度 。把市電交流 380V 經(jīng)過變壓器降壓為交流 12V，在通過二極管整流、電容濾波、三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出 +5V 直流電壓。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 D3D1 D2D4D6P o w e r1 2J1 ~ 2 2 0 VD5C12 2 0 0 u FV in1GND2V o u t3U1C W 7 8 0 5C20 .1 u FC31 0 u FC42 2 0 u FR15 1 0T13 8 0 :1 2+ 5 V 圖 電源電路 外部復(fù)位電路設(shè)計(jì) AT89S51 單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。 AT89S51 單片機(jī)的外部復(fù)位電 路有 [3]：（ 1）上電復(fù)位。上電復(fù)位是指在給系統(tǒng)上電時(shí)，復(fù)位電路通過電容加到 RST 復(fù)位引腳一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，這個(gè)復(fù)位信號(hào)隨著 VCC 對(duì)電容的充電過程而回落，所以 RST 引腳復(fù)位的高電平維持時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。（ 2）按鍵電平復(fù)位。復(fù)位如圖 所示。 圖 復(fù)位電路 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)電路是本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，是整個(gè)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分。 據(jù)要求，本系統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路主要由溫度傳感器、運(yùn)算放大器、及 A/D 轉(zhuǎn)換器組成。 熱電偶作為一種主要的測(cè)溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè) 溫精度高等特點(diǎn)。 ① 非線性：熱電偶輸出熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此在應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行線性化處理。 ③ 數(shù)字化輸出：與嵌入式系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口，而作為模擬小信號(hào)測(cè)溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個(gè)要求。如果能將上述的功能集成到一個(gè)集成電路芯片中，即采用單芯片來完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡化熱電偶在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)。 1. 性能特點(diǎn) MAX6675 的主要特性如下： ① 簡單的 SPI 串行口溫度值輸出； ② 0℃ ～ 1024℃ 的測(cè)溫范圍； ③ 12 位 ℃ 的分辨率； ④ 片內(nèi)冷端補(bǔ)償 ； ⑤ 高阻抗差動(dòng)輸入 ； ⑥ 熱電偶斷線檢測(cè) ； ⑦ 單一 +5V 的電源電壓； ⑧ 低功耗特性 ； ⑨ 工作溫度范圍 20℃ ～ 85℃ ； ⑩ 2020V 的 ESD 保護(hù)。引腳排列如圖 所示，引腳功能 見 表 23。 K 型熱電偶的測(cè)溫原理是利用轉(zhuǎn)換元件的參數(shù)隨溫度變化的特性，將溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電量變化輸出的裝置。測(cè)量時(shí)，將工作端置于被測(cè)溫度場(chǎng)中，自由端恒定在某 一溫度。 MAX6675 是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 其工作原理如下： K 型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，經(jīng)過低噪聲電壓放大器 A1 和電壓跟隨器 A2 放大、緩沖后，得到熱電勢(shì)信號(hào) U1，再經(jīng)過 S4 送至 ADC。 U1=(41μV/℃ )(TT0) 上式中， U1 為熱電偶輸出電壓（ mV）， T 是測(cè)量點(diǎn)溫度； T0 是周圍溫度。通過冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓 U2 經(jīng) S4 輸入 ADC 轉(zhuǎn)換器。這就是 MAX6675 進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測(cè)量溫度 的原理。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。 ? 冷端補(bǔ)償 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。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。該器件可將周圍溫度通過內(nèi)部的溫度檢測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為溫度補(bǔ)償電壓 ， 為了產(chǎn)生實(shí)際熱電偶溫度測(cè)量值，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)熱電偶的冷端與芯片溫度相等時(shí)， MAX6675 可獲得最佳的測(cè) 量精度。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 MAX6675 內(nèi)部原理圖 ? 熱補(bǔ)償 在測(cè)溫應(yīng)用中，芯片自熱將降低 MAX6675 溫度測(cè)量精度，誤差大小依賴于MAX6675 封裝的熱傳導(dǎo)性、安裝技術(shù)和通風(fēng)效果。 ? 噪聲補(bǔ)償 MAX6675 的測(cè)量精度對(duì)電源耦合噪聲較敏感。 ? 測(cè)量精度的提高 熱電偶系統(tǒng)的測(cè)量精度可通過以下預(yù)防措施來提高：①盡量采用不能從測(cè)量區(qū)域散熱的大截面導(dǎo)線；②如必須用小截面導(dǎo)線， 則只能應(yīng)用在測(cè)量區(qū)域，并且在無溫度變化率區(qū)域用擴(kuò)展導(dǎo)線；③避免受能拉緊導(dǎo)線的機(jī)械擠壓和振動(dòng)；④當(dāng)熱電偶距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)采用雙絞線作熱電偶連線；⑤在溫度額定值范圍內(nèi)使用熱電偶導(dǎo)線；⑥避免急劇溫度變化；⑦在惡劣環(huán)境中，使用合適的保護(hù)套以保護(hù)熱電偶導(dǎo)線；⑧僅在低溫和小變化率區(qū)域使用擴(kuò)展導(dǎo)線；⑨保持熱電偶電阻的事件記錄和連續(xù)記錄。 MAX6675 SO 端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如表 24， MAX6675 SPI 接口時(shí)序如圖 所示。 CS 變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程； CS 變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過程。 表 24 MAX6675 SO 端輸出數(shù)據(jù)的格式 位 空標(biāo)志位 12 位溫度讀 熱電偶