【正文】 器的拋物線特性。斜坡式累加器用來補(bǔ)償感溫振蕩器的非線性，以期在測(cè)溫時(shí)獲得比較高的分辨力。因此，要想獲得所需的分辨力，必須同時(shí)知道在給定溫度下計(jì)數(shù)器的值和每一度的計(jì)數(shù)值。溫度以16bit 帶符號(hào)位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式讀出，表1 給出了溫度值和輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系。DS18B20測(cè)溫范圍55℃~+125℃，℃遞增。 DS18B20與單片機(jī)接線用DS18B20與單片機(jī)組成測(cè)溫電路，主要完成對(duì)溫度信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換工作，由DS18B20及其與單片機(jī)的接口部分組成。 電源電路由于本系統(tǒng)所用到的一系列芯片的電源都是直流電源，而現(xiàn)實(shí)中用的都是交流電，故要把交流電整流成直流電，本設(shè)計(jì)運(yùn)用的是橋式整流法把交流電整流成直流電，從而滿足系統(tǒng)的要求?？紤]到數(shù)碼管顯示過于單調(diào)，因此采用采用液晶顯示。本設(shè)計(jì)中采用了SMC1602A型點(diǎn)陣式液晶顯示模塊。SMC1602A型點(diǎn)陣式液晶顯示模塊內(nèi)部有字符產(chǎn)生存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由單一的+5V的電源供電，數(shù)據(jù)傳送方式有4位和8位兩種選擇。其具體的技術(shù)參數(shù)如下。表4 SMC1602A接口信號(hào)說明編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地9D2Data I/O2VDD電源正極10D3Data I/O3V0LCD偏壓輸入11D4Data I/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5Data I/O5R/W讀寫控制信號(hào)13D6Data I/O6E使能信號(hào)14D7Data I/O7D0Data I/O15BLK背光源負(fù)極8D1Data I/O16BLA背光源正極（1）基本操作時(shí)序讀狀態(tài)：輸入：RS=L，RW=H，E=H 輸出：D0~D7狀態(tài)字寫指令：輸入：RS=L，RW=L，D0~D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：無讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=H，E=H 輸出：D0~D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=L，D0~D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖 輸出：無（2）狀態(tài)字說明表5狀態(tài)字說明表STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0D7D6D5D4D3D2D1D0STA06當(dāng)前數(shù)據(jù)地址指針的豎直STA7讀寫操作使能1：禁止 0：允許 SMC1602A的操作指令對(duì)SMC1602A顯示字符控制，通過訪問SMC1602A內(nèi)部RAM地址實(shí)現(xiàn)，SMC1602A內(nèi)部控制器具有80*8位（80字節(jié)）的RAM緩沖區(qū)，RAM地址與字符位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖311所示：圖311 RAM地址映射圖SMC1602A的指令控制分為初始化設(shè)置、數(shù)據(jù)控制和初始化過程（復(fù)位過程）。S=0 當(dāng)寫一個(gè)字符，整屏顯示不移動(dòng)（2）數(shù)據(jù)控制控制器內(nèi)部設(shè)有一個(gè)數(shù)據(jù)地址指針，用戶可通過它們來訪問內(nèi)部的全部80字節(jié)RAM。RS、E 兩控制端口和單片PCPC5連接。接線如圖313圖313 鍵盤電路圖4個(gè)按鍵分別連接到單片機(jī)PD0PD3，另一端都接地，通過查詢方式確定是否有按鍵按下，并確定鍵值。 控制執(zhí)行電路控制電路分為兩個(gè)部分，原理圖314所示?？煽毓栌|發(fā)交流接觸器的兩道開關(guān)加熱電阻圖314 控制電路原理圖 交流接觸器工作原理交流接觸器是廣泛用作電力的開斷和控制電路。主接點(diǎn)一般只有常開接點(diǎn)，而輔助接點(diǎn)常有兩對(duì)具有常開和常閉功能的接點(diǎn)，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。 交流接觸器主要有四部分組成(1) 電磁系統(tǒng),包括吸引線圈、動(dòng)鐵芯和靜鐵芯；(2)觸頭系統(tǒng),包括三副主觸頭和兩個(gè)常開、兩個(gè)常閉輔助觸頭,它和動(dòng)鐵芯是連在一起互相聯(lián)動(dòng)的；3)滅弧裝置,一般容量較大的交流接觸器都設(shè)有滅弧裝置,以便迅速切斷電弧,免于燒壞主觸頭；(4)絕緣外殼及附件,各種彈簧、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、短路環(huán)、接線柱等。當(dāng)線圈斷電時(shí),吸力消失, 動(dòng)鐵芯聯(lián)動(dòng)部分依靠彈簧的反作用力而分離,使主觸頭斷開,切斷電源。所謂調(diào)功控溫就是在給定周期內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變加熱功率，來實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。移相觸發(fā)方式調(diào)功實(shí)際上是控制可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，此方式易造成電磁干擾且電路復(fù)雜。時(shí)，產(chǎn)生的二次諧波電流為基波電流的50%，五次諧波也可達(dá)基波的1/6。為此，人們研究了各種避免電壓瞬時(shí)大幅度下降和抑制高次諧波的方法，過零觸發(fā)方式很好地解決了此類問題，它可把可控硅導(dǎo)通的起始點(diǎn)限制在電源電壓過零點(diǎn)，從而大大降低了諧波分量。實(shí)現(xiàn)可控硅調(diào)功控溫需解決3個(gè)技術(shù)關(guān)鍵:（3）獲取工頻交流電源的過零觸發(fā)脈沖，作為觸發(fā)雙向可控硅的同步脈沖。（1）隔離工頻交流電源強(qiáng)電對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)和控制電路弱電的干擾。圖315為其構(gòu)成的可控硅基本驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)P為電阻爐全導(dǎo)通時(shí)功率，n為導(dǎo)通周期數(shù)，為電阻爐平均輸出功率，則當(dāng)U（K）不等于0，經(jīng)轉(zhuǎn)換的N也不為0，在外部中斷0服務(wù)程序中將PB1為“1”，使MOC3041的2引腳導(dǎo)通，由于這時(shí)正好是電壓的這零點(diǎn)，由此使MOC3041自帶的過零檢測(cè)器有效，使MOC3041的6端導(dǎo)通，此時(shí)CON為“1”，發(fā)光二極管LED亮燈，從而使晶閘管導(dǎo)通。當(dāng)U（K）為100時(shí)，控制周期中的100個(gè)周波全導(dǎo)通。圖中有關(guān)兀件功能如下:Rs, Cs為吸收電路用。一般Cs , Rs取值靠經(jīng)驗(yàn)確定，暫無一套完整的計(jì)算方法。雙向可控硅實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)反并聯(lián)的單向可控硅，是由NPNPN五層半導(dǎo)體形成四個(gè)PN結(jié)構(gòu)成、有三個(gè)電極的半導(dǎo)體器件。雙向可控硅第一陽極A1與第二陽極A2間，無論所加電壓極性是正向還是反向，只要控制極G和第一陽極A1間加有正負(fù)極性不同的觸發(fā)電壓，就可觸發(fā)導(dǎo)通呈低阻狀態(tài)。雙向可控硅一旦導(dǎo)通，即使失去觸發(fā)電壓，也能繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)。第二部分是由交流接觸器LC1 D0910和上述電路配合完成，由可控硅觸發(fā)電路來控制交流接觸器的通斷從而來控制整個(gè)電路的通斷。同時(shí)片內(nèi)還設(shè)有一個(gè)由反向放大器所構(gòu)成的OSC (Oscillator)振蕩電路，外圍引腳XTAL1和XTAL2分別為OSC振蕩電路的輸入端和輸出端，用于外接石英品體等，構(gòu)成高精度的或其它標(biāo)稱頻率的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)。系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率是單片機(jī)的重要性能指標(biāo)之一。Atmega8最高的工作頻率為16M (16MIPS)，在8位單片機(jī)中算是佼佼者。因此，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的需要，盡量采用較低的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，這樣不僅能降低了功耗，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。如圖317，在XTAL1和XTAL2引腳上加上由石英晶體和電容組成的諧振回路，與內(nèi)部振蕩電路配合就能產(chǎn)生系統(tǒng)需要時(shí)鐘信號(hào)。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。本系統(tǒng)使用按鍵電平復(fù)位，其電路如圖318,所示。圖319 過限報(bào)警電路本系統(tǒng)是一種控制電阻爐溫的系統(tǒng)，在系統(tǒng)對(duì)電阻爐進(jìn)行溫度檢測(cè)和控制之前，必須先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并進(jìn)行一些初步的操作，這部分工作就是在主程序里面完成的。 按鍵程序流程圖鍵盤處理子程序完成功能：當(dāng)有滿足中斷條件時(shí)進(jìn)入中斷服務(wù)狀態(tài)，即鍵盤處理。流程圖如下初始化調(diào)鍵盤掃描消抖再調(diào)掃描有鍵按下嗎？建立無效標(biāo)志判斷鍵值確定鍵處理返回NY圖42 按鍵流程框圖若1鍵被按下，則KEY_PIN將為0x01，若2鍵被按下，則KEY_PIN將為0x02，若3鍵被按下，則KEY_PIN將為0x04，若4鍵被按下，則KEY_PIN將為0x08。 PID控制算法 PID控制原理 PID控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。隨著科學(xué)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進(jìn)的控制方法，然而直到現(xiàn)在，PID控制仍是最廣泛應(yīng)用的控制方式之一。系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)象組成。 積分時(shí)間常數(shù)。可見，溫度 PID 調(diào)節(jié)器有三個(gè)可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。在使用 PID 控制器中，放大比例系數(shù)可改變系統(tǒng)的響應(yīng)速度，比例系數(shù)選擇必須適當(dāng)，增大比例系數(shù) Kp，可減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)偏差，但調(diào)節(jié)過程會(huì)趨于振蕩，減小比例系數(shù) Kp，可減少系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的振蕩，但又增加了穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)偏差。因此，由于積分作用易造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的振蕩，只有在控制對(duì)象和系統(tǒng)的慣性和滯后都很小時(shí)才能使用積分調(diào)節(jié)器。在 PID 中，微分環(huán)節(jié)的作用是對(duì)系統(tǒng)輸出和偏差的變化有一定的預(yù)見作用，微分調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量偏差變化速度成正比，在調(diào)節(jié)過程開始階段，被調(diào)量離給定值小，但變化速度較大，如果采用比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)作用都很弱，而采用微分作用，其效果卻很強(qiáng)，它使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個(gè)很大的位移，微分作用具有超前特性，能限制控制偏差的進(jìn)一步增大，可有效地減小動(dòng)態(tài)偏差。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比。 為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項(xiàng)。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，在一定范圍內(nèi)，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以對(duì)于有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。積分作用可消除被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會(huì)使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效的減小動(dòng)態(tài)偏差。雖然 PID 調(diào)節(jié)器在大多數(shù)的場(chǎng)合,只要參數(shù)選擇適當(dāng),都能取得較好的控制效果。PID控制具有以下優(yōu)點(diǎn):原理簡(jiǎn)單，使用方便 PID控制是由P, I, D三個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合而成。適應(yīng)性強(qiáng) 可以廣泛用十化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各生產(chǎn)部門。在具體實(shí)現(xiàn)上它們經(jīng)歷了機(jī)械式、液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電子式等發(fā)展階段，但始終沒有脫離PID控制的范疇。魯棒性強(qiáng)由十這些優(yōu)點(diǎn)，在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制領(lǐng)域仍有近90%的回路在應(yīng)用PID控制策略。小到家用空調(diào)機(jī)、電冰箱溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)等等都離不開PID的身影。我們變換式(2)得:把，代入上式得:在自由升溫段，希望升溫越快越好，因此，自由升溫段控制方程為： U(n)=1 (T ≤ T0 )(在實(shí)際程序中，U(n)=1表示全導(dǎo)通時(shí)的數(shù))。在溫度恒定階段，交流接觸器斷開，由晶閘管觸發(fā)電路來進(jìn)行PID控制電路以此穩(wěn)定溫度到達(dá)設(shè)定值。 PID參數(shù)的整定表8 PID整定參數(shù)表性能指標(biāo)參數(shù)階躍響應(yīng)曲線δ%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd2004060圖4447012510004060圖45811315020040300圖46325030020020060圖47060100圖44圖45圖46圖47通過仿真多組數(shù)據(jù)，最終得出值為：KP=200，KI=200，KD=60。每次采樣計(jì)算一次e(n)、U(n)，并將e(n)、U(n)保存起來，變成e(n－1)、e(n2)、U(n－1)，供下一次采樣時(shí)刻使用。在INT0 中斷服務(wù)程序中對(duì)U(n)進(jìn)行操作，以控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，達(dá)到控制輸出功率的目的。初始化控制步數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)Point初始化ek，ek1，ek2，uk初始化系統(tǒng)輸出希望值start使硬件被控對(duì)象初始值輸出等于0采集硬件被控對(duì)象的輸出inputf inputf浮點(diǎn)化求ek＝start－inputfuk=pek+kiek2+kd(ekek1)判斷uk是否超上下限輸出ukek1＝ek ek2＝ek2＋ek畫被控對(duì)象第J點(diǎn)輸出inputfJ+1++Jpoint結(jié)束判斷積分分離項(xiàng)Uk=kpek+kd(ekek1)圖44 PID軟件流程圖5. 結(jié)論畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)階段所學(xué)知識(shí)的一個(gè)總結(jié)，可以提高自己的綜合解決問題以及應(yīng)用知識(shí)的能力。本設(shè)計(jì)詳細(xì)的介紹了電加熱爐溫度智能控制系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成，將被測(cè)溫度信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，利用單片機(jī)系統(tǒng)達(dá)到高精度控制要求。由于本身知識(shí)水平以及時(shí)間有限，在本次設(shè)計(jì)中的某些問題難免存在錯(cuò)誤和設(shè)想不夠周全。參考文獻(xiàn)[1] :北京航空航天大學(xué)出版社[M].2008[2] :北京航空航天大學(xué)出版社[M].2008 [3] 李紅欣，薛亮，[J].電工技術(shù)，2006,(9): 032[4] 江世明，[J].邵陽學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004,1(4)[5] [J].工業(yè)爐,2007,29(3):3033[6] 張志強(qiáng),王順晃,[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),1994,20(5):622626[7] [J].電氣控制,2009,28(30):5052[8] [J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),1995,9(2):5054[9] [J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,7(2):106109[10] 蘇小紅,陳惠鵬,[M],北京:電子工業(yè)出版社,2004年[11] 高鋒主編,單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M],北京:科學(xué)出版社,2008年[12] 顧德英,羅云林,馬淑華編,計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M],北京:北京郵電大學(xué)出版社,2008年[13] 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