【正文】 ............................................. 33 人機(jī)交換模塊 ................................................. 34 第 5 章 總 結(jié) ....................................................... 35 致 謝 .............................................................. 37 參考文獻(xiàn) ........................................................... 38 附 錄 .............................................................. 39 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 1 第 1 章 緒 論 概述 電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者融化工件和物料的熱加工設(shè)備。 溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。 因而，電阻爐是工業(yè)、實驗中常用的加熱設(shè)備，其溫度控制是很有意義的。 溫度測控技術(shù)包括溫度測量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個方面。 但由于檢測元件熱慣性的影響，響應(yīng)時間較長，對熱容量小的物體難以實現(xiàn)精確的測量，并且該方法不適宜于對腐蝕性介質(zhì)測溫，不能用于超高溫 測量，難于測量運(yùn)動物體的溫度。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴等缺點(diǎn)。 溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類 :動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場合需要實現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等 ； 恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動幅度 (即穩(wěn)態(tài)誤差 )不能超過某允許值。 從工業(yè)控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種 。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開動制冷裝置 ； 若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時關(guān)斷制冷器。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。 PID 線性控溫法 PID 線性 控溫法是基于經(jīng)典控制理論中的 PID 調(diào)節(jié)器控制原理， PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng) 。其具體控制電路可以采用模擬路或計算機(jī)軟件方法來實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)功能。其中 數(shù)字 PID 控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 3 活性，可以得到較好的控制效果。只要 PID 參數(shù)選取的正確，對于一個確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。 智能溫度控制法 為了克服 PID 線性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動調(diào)整 PID 參數(shù)的方法，如 PID 參數(shù)的自 學(xué)習(xí) 、 自整定等等 ， 并通過將智能控制與 PID 控制相結(jié)合，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。 目前國內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對國外而言在性能方面還存在 一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 本論文所討論的是某型號 加熱電阻爐 的溫度控制系統(tǒng)， 是閉合的反饋系統(tǒng)。 其目的是對 電阻爐 的溫度進(jìn)行恒值溫度控制。 3℃。 下面討論系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，包括 :系統(tǒng)的性能要求及特點(diǎn)以及系統(tǒng)的軟、硬件方案分析。 (2)系統(tǒng)特點(diǎn) : 鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應(yīng)具有的體積小、成本低、功能強(qiáng)、抗干擾并盡可能達(dá)到更高精度的要求。作為與 MCS51 系列兼容的 微控制器 ，無論在運(yùn)算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。 為了簡化系統(tǒng)硬件， 采集溫度使用 K型熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器 MAX6675 作為輸入，在硬件設(shè)計可以得到簡化，省去 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計； 控制量采用雙向晶閘管輸出，這樣就省去了 D/A 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。 模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運(yùn)算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。根據(jù)計算機(jī)控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的響應(yīng)特性。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來實現(xiàn)控制算法，很難實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。由此可見，采用 微控制器 設(shè)計控制系統(tǒng)，不僅可降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。目前，市面上的 微控制器 不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長。本系統(tǒng)選擇 AT89S51 為核心器件組成的控制系統(tǒng)。與匯編語言相比， C語言具有以下的特點(diǎn) : （ 1） 具有結(jié)構(gòu)化控制語句 結(jié)構(gòu)化控制語言的顯著特點(diǎn)是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。目前，主流的 CPU 和常見的 MCU 都有 C 編譯器。所以，本系統(tǒng)的軟件選擇使用 C語言開發(fā)。 溫度控制算法方面，結(jié)合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經(jīng) 典的 PID 控制算法，這主要是由于 PID 控制相對來說算法簡單、魯棒性好和可靠性高。 本文主要工作及章節(jié)安排 本文主要工作 ： (l)在對溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)控制要求進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，選擇了整個控制系統(tǒng)的控制方案 ； (2)完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括 溫度檢測電路 、 微控制器 運(yùn)行 電路、 控制電路 等等的設(shè)計 ； (3)完成該系統(tǒng)的軟件設(shè)計，包括主程序模塊、控制運(yùn)算模塊、數(shù)據(jù)輸入輸出及處理模塊等一些子功能模塊的設(shè)計 ； (4)研究了該系統(tǒng)的控制策略。 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 8 第 2 章 電阻爐控制系統(tǒng)的硬件部分 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個部分 :微控制器 主 控 模塊、 輸入通道、輸出通道、人機(jī)對話通道 等 組成， 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 如圖 21所示。 其功能是 把傳感器送來的溫度信號 ， 一方面將 電阻爐 的溫度通過控制面板上的 數(shù)碼管 顯示出 來 ， 另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度 值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用 PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過控制雙 向 晶閘管 控制周期內(nèi)的通斷占空比 (即控制電阻爐加熱平均功率的大小 )， 進(jìn)而達(dá)到對電阻爐溫度進(jìn)行控制的目的。目前，市面上的 微控制器 不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。選擇 DIP封裝在搭建實驗電路時會更加方便一些 ； (5)芯片工作溫度范圍符 合工業(yè)級、軍品級還是商業(yè)級，如果設(shè)計戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級芯片 ； (6)微控制器 的工作電壓范圍，例如設(shè)計電視機(jī)遙控器時，使用 2 節(jié)干電池供電，至少選擇的 微控制器 能夠在 V～ V電壓范圍內(nèi)工作 ； (7)微控制器 的抗干擾性能好 ； (8)編程器以及仿真器的價格， 微控制器 開發(fā)是否支持高級語言以及編程環(huán)境要好用易學(xué) ； (9)供貨渠道是否暢通，價格是否低廉，是否具有良好的技術(shù)服務(wù)支持。 AT89S51微控制器 DIP封裝的引腳如圖 22所示 [2]。 AT89S51 具有如下特點(diǎn)： 40個引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 設(shè)計 微控制器 系統(tǒng)中的各個部件是在一個統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下有序地進(jìn)行工作，時鐘電路是 微控制器 系統(tǒng)最基本、最重要的電路。 AT89S51 微控制器 內(nèi)部有一個高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端，如果在引腳 XTAL1和 XTAL2兩端跨接上晶體振蕩器 (晶振 )或陶瓷振蕩器就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩電路，該振蕩器電路的輸出可直接送入內(nèi)部時序電路。外接晶振時， C C2 的值通常選擇為30pF左右； C C2對頻率有微調(diào)作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在 ～12MHz 之間選 擇。由于內(nèi)部時鐘方式外部電路接線簡單， 微控制器 應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用較多 。 本系統(tǒng) 采用的晶體振蕩器頻率為 12MHz，即 fsoc=12 610 Hz。器件本身一般不具有自動上電復(fù)位能力，需要借助外部復(fù)位電路提供的復(fù)位信號才能進(jìn)行復(fù)位操作。 微控制器 復(fù)位后， PC=0000H， CPU 從程序存儲器的 0000H 開始取指執(zhí)行。 上電瞬間，由于電容兩端電壓不能突變， RST 引腳 端 電壓 VR 為 VCC，隨著對電容的充電， RST引腳的電壓呈指數(shù)規(guī)律下降， 經(jīng)時間 t 后 ， VR 降為 ，隨著對電容充電的 進(jìn)行， VR 最后將接近 0 V。 R2 的阻值一般很小，只有幾十歐姆，當(dāng)按下復(fù)位按鍵后，電容迅速通過R2 放電，放電結(jié)束時的 VR 為（ R1 Vcc） /（ R1+R2），由于 R1 遠(yuǎn)大于 R2， VR 非常接近 VCC，使 RST 引腳為高電平，松開復(fù)位按鍵后，過程與上電復(fù)位相同。 時鐘電路和復(fù)位電路如圖 23所示。由于此時的電量電壓 )還是 微控制器 所不能識別的模擬量，所以還需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對應(yīng)的數(shù)字量，提供給 微控制器 判斷和控制。 K 型熱電偶 溫度傳感器 溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度 也各不相同。 K 型熱電偶作為一種溫度傳感器，K 型熱電偶通常和顯示儀表 、 記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。 K 型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中 [4]。 K 型熱電偶的材料主要采用的是鎳鉻 鎳硅合金構(gòu)成，正極 (KP)的名義化學(xué)成分為： Ni： Cr=90： 10，負(fù)極 (KN)的名義化學(xué)成分為： Ni： Si=97： 3，它是一種能測量較高溫度的性價比很高的熱電偶 。因此這種 K型熱電偶可長期測量 1000度的高溫，短期可測到 1200 度。 熱電偶傳感器是利用 塞貝克（ Seeback） 效應(yīng) （ 第一熱電效應(yīng) ）來檢測溫度的。 熱電偶產(chǎn)生的熱電勢（溫差電勢）是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢（ 珀爾帖 電勢 ）和單一導(dǎo)體的溫差電勢（ 湯姆遜電勢 ）組成的 [5]。 K型熱電偶 分度表 如表 41所示。 該器件是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有信號調(diào)節(jié)放大器、 12 位的模擬 /數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補(bǔ)償傳感和校正、數(shù)字? ? ? ?dTTTE TT BAAB ? ?? 00, ??? ? ? ? ? ? ? ?dTTETETTE TT BAABABAB ? ???? 000, ??電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 14 控制器、 1個 SPI 兼容接口和 1 個相關(guān)的邏輯控制。 簡單的 SPI 串行口溫度值輸出； 12位 A/D 轉(zhuǎn)換器 、 ℃的分辨率； 高阻抗差動輸入； 單一 +5V 的電源電壓 ； 工作溫度范圍 20℃ ～ +85℃； MAX6675 采用 8引腳 SO 貼片封裝， 引腳排列如圖 24所 示。 表 22 MAX6675引腳功能 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 串行時鐘輸入 6 CS 片選端， CS為低時、啟動串行接口 7 SO 串行數(shù)據(jù)輸出 8 NC 空引腳 T接 K 型熱電偶的冷端，并從外部接地。 VCC 接電源電四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 15 壓的正極，該端需經(jīng)外部 在 VCC 和 GND 之間用 電容器接地。 圖 25 MAX6675與 AT89S51微控制器 接口電路 在應(yīng)用中， MAX6675 的主要功能如下： [6] MAX6675內(nèi)部具有將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為與 ADC輸入 通道兼容電壓的信號調(diào)節(jié)放大器， T+和 T輸入端連接到低噪聲放大器 A1，以保證檢測輸入的高精度，同時使熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相等價的溫度值之前，它需要對熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是 MAX6675 周圍溫度與 0℃實際參考值之間的差值。上式中， Vout 為熱電偶輸出電壓（ mV）， R t 是測量點(diǎn)溫度； AMBt是周圍溫度 。冷端即安裝 MAX6675的電路板周圍溫度，此溫度在 20℃～+85℃范圍內(nèi)變化。 MAX6675 是通過冷端補(bǔ)償檢測和校正周 圍溫度變化的。該器件內(nèi)部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到 ADC 中轉(zhuǎn)換，以計算熱電偶的熱端溫度。因此在實際測溫應(yīng)用時，應(yīng)盡量避