【正文】 .............................................................................................. 32 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................ 33 附錄 .......................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。具體 方法是使用 鎳鉻 /鎳鋁 熱電偶進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過放大和濾波電路進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的值根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分度表再轉(zhuǎn)換成溫度值，同時(shí)顯示出來 并發(fā)出信號(hào)控制 繼電器通斷 。 本論文結(jié)合工廠中如何實(shí)現(xiàn) 電爐的 恒溫控制，討論大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)情況下對(duì)溫度進(jìn)行有效控制的一種方法。本文研究的 電爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。 溫度控制在熱處理 工藝過程中 ,是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。本文主要介紹單片機(jī)在熱處理爐溫度控制中的應(yīng)用，對(duì)溫度控制模塊的組成及主要所選器件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 I 摘 要 單片微型計(jì)算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，把單片機(jī)應(yīng)用于溫度控制中，采用單片機(jī)做主控單元，無觸點(diǎn)控制，可完成對(duì)溫度的采集和控制的要求。所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、機(jī)器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。 并根據(jù)具體的要求本文編寫了適合本設(shè)計(jì)的軟件程序。控制精度直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。因此本文將模糊控制算法引入傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)構(gòu)成智能模糊控制系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)包括 89C51單片機(jī)、橋式冷端補(bǔ)償電路、 并行接口芯片 815 5G14433 A/D轉(zhuǎn)換芯片 、 MOC3062可控硅驅(qū)動(dòng)電路 、 LED數(shù)碼顯示 和復(fù)位 電路等。 本設(shè)計(jì)適用于 O1000℃的溫度范圍并詳細(xì)闡述了具體的處理方法。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 1 緒 論 工業(yè)生產(chǎn)中使用的熱處理設(shè)備種類繁多，如窖爐、鼓風(fēng)爐、烘爐、退火爐、鍋爐等。電功率調(diào)節(jié)一般采用 接觸器通斷控制、晶閘管移相觸發(fā)或通斷控制。 燃料爐 這類設(shè)備通過燃燒燃料發(fā)熱而升溫，調(diào)節(jié)加入爐子的燃料量則改變爐內(nèi)的溫度。常用燃料有煤、煤氣、重油等。這類設(shè)備在工廠中也占有較大比例 。 電爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通過布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能 ,借助輻射與對(duì)流的傳熱方式加熱工件。 溫度控制在熱處理工藝過程中 ,是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。根據(jù)不同的目的，將材料 及其制件加熱到適宜的溫度。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 2 無論你生活在哪里，從事什么工作，無時(shí)無刻不在與溫度打著交道。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎 80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素 ，所以 說利用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)及控制 ，一方面提高了生產(chǎn)效率，最重要的是使 工業(yè)生產(chǎn)的工藝在計(jì)算機(jī)的幫助下有了質(zhì)的飛躍，極大的解放了生產(chǎn)力， 在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中有著 極為 重要的意義 。 （ 1）玻璃溫度計(jì)（ 2）雙金屬溫度計(jì)（ 3）壓力式溫度計(jì) 溫度檢測(cè)元件 利用此技術(shù)制成的溫度檢測(cè)元件主要是熱電偶。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、測(cè)量范圍寬、精度高、熱慣性小等特點(diǎn)。 （ 1）電阻測(cè)溫元件（ 2）導(dǎo)體測(cè)溫元件（ 3）陶瓷熱敏元件 熱輻射高溫計(jì)通常分為兩種。而受熱物體放 出的輻射能的多少，與它的溫度有一定的關(guān)系。 5．利用紅外測(cè)溫技術(shù) 紅外測(cè)溫技術(shù)是通過檢測(cè)物體表面能量來檢測(cè)物體溫度的。利用先進(jìn)技術(shù)手段監(jiān)測(cè)各種復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境的被控參數(shù)（如溫度、流量及壓力等），可以有效地提高生產(chǎn)和管理的自動(dòng)化水平。這個(gè)過程最簡(jiǎn)單的形式就是它可以告訴生產(chǎn)者所生產(chǎn)的產(chǎn)品 的溫度、保持這個(gè)溫度有多長時(shí)間以及在什么時(shí)間達(dá)到了什么溫度。無論是在電東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 3 子產(chǎn)品的生產(chǎn)、食品加工 還是 其它工業(yè)生產(chǎn) 中 ，溫度 都 是重要的控制指標(biāo)，溫度檢測(cè)技術(shù) 具有非常廣闊的應(yīng)用前景。測(cè)量后的信號(hào)經(jīng)由 冷端補(bǔ)償、放大電路放大后 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的值進(jìn)行標(biāo)量轉(zhuǎn)換后送入處理器處理。 擬解決的關(guān)鍵性問題 本設(shè)計(jì)的主要解決的問題是通過單片機(jī)控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的智能控制。從而控制電爐的溫度，實(shí)現(xiàn) 溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。電爐 溫控制部分，提出了用 熱電偶 、 AT89C51 單片機(jī)及 LED的 組成的 硬件電路完成對(duì) 電爐溫度 的實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示，利用 熱電偶 與單片機(jī)連接 并 由軟件與硬件電路配合來實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱電阻絲的實(shí)時(shí)控制及超出設(shè)定的上下限溫度 值 的報(bào)警系統(tǒng) 。 利 用 PID 算法對(duì)檢測(cè)信號(hào) 進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換后 和設(shè)定值 進(jìn)行比較，得出二者的 差值 。 它具有微型化、低功耗、高性能、 測(cè)量范圍廣、 抗干攏能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn) 。 當(dāng)爐內(nèi)溫度低于下限溫度 時(shí)單片機(jī)控制電熱絲通電 并加以最大功率使?fàn)t內(nèi)溫度上升。使 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到爐內(nèi)溫度達(dá)到甚至超過預(yù)定溫度時(shí)系統(tǒng)立刻控制電熱絲停止加熱。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 溫度控制系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機(jī) ，實(shí)現(xiàn)爐溫的 升溫、 恒溫控制，單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，并通過軟件程序來完成溫度的控制；爐溫 控制模塊主要根據(jù)單片機(jī)傳 出 的信號(hào)控制 繼電器使得 電熱絲通斷電； 利 用 LED 數(shù)碼管完成溫度信息 的 顯示。下面對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的方案進(jìn)行論證。由于熱電偶屬于非線性器件，因此每個(gè)溫度值都必須通過分度表查表獲得，這給軟件編程和數(shù)據(jù)處理增加了難度。 方案 2： 數(shù)字溫度傳感器 溫度 檢測(cè) 系統(tǒng) 用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，它的最高分辨率為 12 位，可識(shí)別 攝氏度的溫度。但溫度測(cè)量范圍從 55 攝氏度 — 125 攝氏度 ，量程較小，不適宜日后測(cè)量更高的溫度，適用的范圍比較窄 。 熱電偶種類繁多，以下幾種比較常用 。 (2)鎳鉻 — 康銅，型號(hào)為 WRK，分度號(hào)為 F，測(cè)溫范圍 06000,短期可測(cè) 800℃。 (4)鉑銠 30— 鉑銬 6，型號(hào)為 WRR，分度號(hào)為 B，測(cè)溫范圍 3001600℃， 短期可測(cè) 1800℃。 本文選擇鎳鉻 /鎳鋁熱電偶 作為溫度檢測(cè)元件， 鎳鉻 /鎳鋁熱電偶適用于 0℃ 1000℃ 的溫度檢測(cè)范圍，相應(yīng)輸出電壓為 ，符合設(shè)計(jì)任務(wù) 。 方案 1： 采用 1602 液晶顯示器 ， 液晶顯示器不但能顯示數(shù)字還能顯示漢字，給人以清晰，完善的解釋。 方案 2： 采用 LED 數(shù)碼 管 顯示 ，數(shù) 碼管只能顯示數(shù)字， 所以 其硬件電路簡(jiǎn)單，操作者易控制， 能在 短時(shí)間內(nèi)完成題目的要求，選擇數(shù)碼 管 顯示是非常明智和必要的。一方面節(jié)約了成本，另一方面避免造成了資源浪費(fèi)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。 方案 1： 所有器件采用單一電源（ 4 節(jié) AA 電池）。 方案 2： 穩(wěn)壓電源，只要外接 220V 電源 ， 穩(wěn)壓電源 輸出直流 5V， 這樣就可以長期工作，電壓穩(wěn)定 且 使用方便。 溫度 控制模塊 選擇 最近十年來，在溫度控制方法上有了快速的發(fā)展。 方案 1： .PID 控制即比例、積分、微分控制。該方法通過溫控系統(tǒng)將熱電偶實(shí)時(shí)采集的溫度值與設(shè)定值比較，差值作為 PID 功能塊的輸入。 方案 2： 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前主要的、也是重要的一種人工智能技術(shù)，是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié) 構(gòu)及對(duì)信息的記憶和處理而構(gòu)成的信 息處理東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與論證 7 方法 它用大量簡(jiǎn)單的處理單元廣泛連接形成各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法各異，其中誤差反向傳播算法 (即 BP 算法 )應(yīng)用最為廣泛。其特點(diǎn)是不須知道被控對(duì)象的精確模型，易于控制不確定對(duì)象和非線性對(duì)象，對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化有強(qiáng)魯棒性，對(duì)控制系統(tǒng)干擾有較強(qiáng)抑制能力。 PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，明確，能滿足大量工業(yè)過程的控 制要求，特別是其強(qiáng)魯棒性能較好適應(yīng)過程工況的大范圍變動(dòng)。即用過程的運(yùn)行狀態(tài) (溫度偏差及溫度變化率 )確定 PID 控制器參數(shù)，用 PID 控制率確定控制作用。其實(shí)質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié) PID 參數(shù)的自適應(yīng)控制，即在一般 PID 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上一個(gè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié) 方案 2 和方案 3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)過程比較復(fù)雜，綜合比較方案一 只適合 一般 的實(shí)時(shí)溫度控制，所以我們選擇方案 一 ， 方法簡(jiǎn) 單，完全滿足設(shè)計(jì)需要 。 5V177。 （ 2）溫度采集器件選擇的是鎳鉻 /鎳鋁熱電偶 。 （ 4） 溫度控制模塊選用 模糊 PID 控制系統(tǒng)。最近 Intel 公司又推出片內(nèi)帶 E2PROM型的單片機(jī)。 MCS－ 51 的典型產(chǎn)品有： 803 805 875 89C51。除此之外，四者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。 MCS51 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 411 所示： 圖 41 MCS51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu) MCS51 系列單片機(jī)是 Intel 公司推出的通用型單片機(jī)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下： （ 1） 8 位 CPU； （ 2）片內(nèi)震蕩及時(shí)鐘電路； （ 3） 32 根 I/O 線； 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計(jì) 9 （ 4）外部存儲(chǔ)器尋址范圍 ROM、 RAM 各 64K； （ 5） 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； （ 6） 5 個(gè)中斷源， 2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)； （ 7）全雙工串行接口。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 主要功能特性 （ 1） AT89C51 與 MCS51 兼容 ； （ 2） 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ； （ 3） 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) ； （ 4） 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ； （ 5） 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； （ 6） 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ； （ 7） 128*8 位內(nèi)部 RAM； （ 8） 32 可編程 I/O 線 ； （ 9） 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； （ 10） 5 個(gè)中斷源 ； 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計(jì) 10 （ 11） 可編程串行通道 ； （ 12） 低功耗的閑置和掉電模式 ； （ 13） 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 。其將通用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40AT89C51 圖 42 AT89C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 芯片外部引腳功能說明 ： VCC 接 +5V 電源正端 ,VSS 接 +5V 地端。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。在 FIASH編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高， 可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 （ 3） P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部 八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 （ 4） P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流 。 如表格 41 所示： 表 41 引腳 第二功能 RXD （串行 輸入口） TXD （串行輸出口） INT0 （外部中斷 0 請(qǐng)求輸入端） INT1 (外部中斷 1 請(qǐng)求輸入端 ) T0 (定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)脈沖輸入端 ) T1 (定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)脈沖輸入端 ) WR （寫選通信號(hào)輸出端） RD （讀選通信號(hào)輸