基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)（畢業(yè)設(shè)計(jì)）

1、湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文摘 要隨著社會(huì)的發(fā)展，自動(dòng)控制越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),自動(dòng)調(diào)節(jié)電阻爐溫度系統(tǒng)也備受關(guān)注-。其中微機(jī)及其應(yīng)用已經(jīng)成為高、新科學(xué)技術(shù)的重要內(nèi)容和標(biāo)志之一，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域正在發(fā)揮著引人注目的作用。微機(jī)控制的電阻爐溫度控制系統(tǒng)實(shí)際上就是一個(gè)智能控制系統(tǒng)，是一種能耗相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低的溫度控制系統(tǒng)。本人采用at89c51單片微機(jī)對(duì)電阻爐的加熱過(guò)程進(jìn)行控制。使用熱電偶作為溫度傳感器把熱信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)再經(jīng)過(guò)放大，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換再輸入到cpu?？刂破鞑捎胮id控制算法，溫度控制的原理是通過(guò)調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)加熱主回路的有效電壓,從而達(dá)到溫度控制的目的。系統(tǒng)由

2、at89c51單片微機(jī)、溫度傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)及顯示電路、晶閘管觸發(fā)電路等組成的控制器和被控對(duì)象電阻爐構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)1。系統(tǒng)控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要包括主程序、中斷服務(wù)子程序、控制算法子程序等。系統(tǒng)采用過(guò)零觸發(fā)等技術(shù)，省去了傳統(tǒng)的d/a轉(zhuǎn)換元件，簡(jiǎn)化了電路，并且提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)控制電阻爐的實(shí)際溫度。關(guān)鍵詞 ：at89c51； 熱電偶； 晶閘管； pidiiabstractwith the development of the society，the autocontrol becomes more and more important.the aut

3、ocontrol of the resistance furnace is highly anticipated.microcomputer and its application has become one of the most important contents and signs in the field of high-scientific technology and new scientific technology, which plays an attractive role in every field in our national economy.as a matt

4、er of fact, resistance temperature control system which is operated by microcomputer is an intellectual control system.in other words，it is a temperature control system which consumes less than others.the at89c51 single microcomputer is adopted to control the heating process of resistance，use as a t

5、emperature transducer to turn the heating single into electing single，enlarge the electrical single，transformed through simulate numbers，then input cpu.controllers use pid control calculation.the principle of temperature control is to adjust and heat the effective voltage of the main circuit through

6、 regulate the diversified time of transistor，therefore，it carries out the purpose of controlling the temperature.system as controlled resistance makes up an cycle control system.control procedure of system adopts the structure of designing module，including main procedure，subsiding of suspending serv

7、es and subsidiary of control calculation etc.system adopt a.c、passes through zero etc technologies，omit traditional d/a transform components，simplify the circuit，and improve the dependability of system.meanwhile，system also can control the real temperature of resistance at the right moment.keywords：

8、 at89c51； thermocouple； thyristor； pid 目 錄第一章 緒論11.1課題研究的背景及意義1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 1.3 本文的主要內(nèi)容3 第二章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案4 2.1系統(tǒng)原理4 2.2方案比較5 2.3 系統(tǒng)方案的論證.6第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1 溫度檢測(cè)電路83.1.1 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償93.1.2 測(cè)量放大電路93.1.3 保護(hù)電路103.2 單片機(jī)的選型10 3.3 eeprom存儲(chǔ)器的擴(kuò)展設(shè)計(jì)11 3.4 a/d轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)133.4.1隔離放大器的設(shè)計(jì) 14 3.4.2 dac7521數(shù)模轉(zhuǎn)換接口15 3.5 鍵盤(pán)及

9、顯示電路設(shè)計(jì)163.5.1 鍵盤(pán)接口電路設(shè)計(jì)163.5.2 顯示電路設(shè)計(jì) 17 3.6 可控硅調(diào)功控溫 18 3.6.1 過(guò)零觸發(fā)調(diào)功器的組成18 3.6.2 可控硅調(diào)功主要電路介紹 193.7 與上位機(jī)通信模塊20 3.7.1 通信接口max48521 3.7.2 下位機(jī)通信接口電路 22 3.8 掉電檢測(cè)與保護(hù)電路23 3.9 晶閘管過(guò)零檢測(cè)與觸發(fā)電路.23 3.10 看門(mén)狗電路的設(shè)計(jì)24第四章 控制算法研究274.1 傳統(tǒng)的pid算法27 4.2 積分分離pid算法28 4.3 系統(tǒng)仿真分析 29 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)315.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 315.2 系統(tǒng)的控制程序335.3 積分

10、分離pid控制345.4 采樣子程序 35結(jié)論37 致謝38參考文獻(xiàn) 39 附錄40第一章 緒論熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段。近年來(lái)隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無(wú)公害方向發(fā)展。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，這樣加熱時(shí)均溫過(guò)程的測(cè)量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)，促使人們更加積極地研究控制熱加工工藝過(guò)程的方法。電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)爐門(mén)、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程，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。因此本文將積分分離pid控制算法引入傳統(tǒng)的加

11、熱爐控制系統(tǒng)，構(gòu)成智能控制系統(tǒng)。1.1課題研究的背景及意義電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通過(guò)布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能并借助輻射與對(duì)流的傳熱方式加熱工件。熱處理是提高金屬材料及其制品性能的工藝。根據(jù)不同的目的，將材料及其制件加熱到適宜的溫度，保溫，隨后用不同的方法冷卻，改變其內(nèi)部組織，以獲得所要求的力學(xué)性能，通過(guò)熱處理可以提高制件的使用效能或壽命。目前，我國(guó)電阻爐控制設(shè)備的現(xiàn)狀是一小部分比較先進(jìn)的設(shè)備和大部分比較落后的設(shè)備并存。整體上，我國(guó)的電阻爐控制系統(tǒng)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較落后。占主導(dǎo)地位的是儀表控制，這種系統(tǒng)的控制參數(shù)由人工選擇，需要配置專門(mén)的儀表調(diào)試人員，費(fèi)時(shí)、費(fèi)

12、力且不準(zhǔn)確。控制精度依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié)，控制精度不高，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設(shè)置。操作不方便，控制數(shù)據(jù)無(wú)法保存。因而，對(duì)生產(chǎn)工藝的研究很困難，因此造成產(chǎn)品質(zhì)量低、廢品率高、工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率低，這些都影響了企業(yè)的效益。近年來(lái) ，雖然引進(jìn)了國(guó)外的一些控制器，如日本島電的r四3型40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。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的迅速發(fā)展，熱處理設(shè)備的控制精度越來(lái)越重要，而溫度對(duì)熱處理工件質(zhì)量具有重要影響，因此爐溫控制顯得尤為重要。由于一般的爐溫控制系統(tǒng)是參數(shù)時(shí)變、非線性、大滯后系統(tǒng)，在許多應(yīng)用實(shí)例中已證明，與傳統(tǒng)

13、的pid控制相比，采用fuzzy控制有較快的響應(yīng)和更小的超調(diào)，非線性因素的影響小，具有很好的魯棒性。但控制精度不夠高，在大滯后系統(tǒng)中還可能出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種帶積分分離的pid控制器，既考慮了抗擾性又考慮到跟蹤性，獲得了良好的控制效果。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自1980年以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)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)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外溫度測(cè)控系統(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。在這方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)家技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化、性能優(yōu)異的溫度控制儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。其

14、特點(diǎn)是適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度測(cè)控系統(tǒng)，具有參數(shù)自整定功能和自學(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。溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，國(guó)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。微處理技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用，在控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一系列新的技術(shù)課題之一的被控對(duì)象動(dòng)靜態(tài)參數(shù)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)發(fā)生較大范圍變化的情況下，控制系統(tǒng)仍能滿足給定的品質(zhì)指標(biāo)，這是自適應(yīng)控制的最基本特征， 自適應(yīng)pid 控制可以在線不斷整定參數(shù)，克服干擾，跟蹤系統(tǒng)的時(shí)變特性，使

15、控制對(duì)象達(dá)到一定的目標(biāo)2。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)展與深入，為控制復(fù)雜無(wú)規(guī)則系統(tǒng)開(kāi)辟了新途徑，逐步弱化或取消了對(duì)受控對(duì)象數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)不變的限制。電阻爐溫度控制技術(shù)發(fā)展日新月異，從模擬pid、數(shù)字pid到最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，在發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。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。目前我國(guó)在測(cè)控儀表研究與生產(chǎn)應(yīng)用中，總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器及測(cè)溫儀表來(lái)說(shuō)，總體發(fā)展水平仍然不高。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

16、以控制復(fù)雜的大滯后時(shí)變溫度系統(tǒng)。目前，我國(guó)在溫度測(cè)控儀表業(yè)與國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:（1） 行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，導(dǎo)致研發(fā)能力不強(qiáng)，制約技術(shù)發(fā)展。（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(guó)外差距較大。目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)復(fù)雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)大多采用進(jìn)口溫度控制儀表。（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(guó)外滯后。例如:在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外己有較多的成熟產(chǎn)品，但由于我國(guó)開(kāi)發(fā)上的滯后，還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出性能可靠的自整定軟件，控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定。這些差距我們必須努力克服。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及

17、加入wto帶來(lái)的契機(jī)，政府及企業(yè)對(duì)于高新技術(shù)的發(fā)展都非常重視，對(duì)相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國(guó)家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過(guò)合資、技術(shù)合作等方式，組建了一批合資、合作及獨(dú)資企業(yè)，使我國(guó)溫度等測(cè)試儀表行業(yè)得到迅速的發(fā)展。1.3 本文的主要內(nèi)容由于本文是本科學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，在一定程度上展示了在大學(xué)學(xué)習(xí)的成果，也展現(xiàn)了當(dāng)代大學(xué)生獨(dú)立完成設(shè)計(jì)工作一定的能力。它不僅僅是學(xué)習(xí)的需要，對(duì)于即將走上工作崗位的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，要想在將來(lái)的工作中如魚(yú)得水，就要在現(xiàn)在作好各種準(zhǔn)備，因此說(shuō)，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)也是以后走上工作崗位前的一個(gè)預(yù)演。所以本文應(yīng)要詳細(xì)地介紹設(shè)計(jì)步驟，以及各個(gè)模塊的電路和詳細(xì)說(shuō)明，并要有系統(tǒng)設(shè)計(jì)

18、的電路總圖。下面將就本文各個(gè)章節(jié)計(jì)劃完成的功能和主要工作做一下簡(jiǎn)單介紹。本文的主要工作如下：第一章：主要介紹了電阻爐溫度控制系統(tǒng)研究意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第二章：電阻爐溫度控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案介紹。主要是介紹一下電阻爐溫度控制系統(tǒng)的主要硬件構(gòu)成部分且給出了電阻爐溫度控制系統(tǒng)方案的確定，并且畫(huà)出其方框圖。第三章：本章是設(shè)計(jì)的重要部分，即硬件設(shè)計(jì)。在這一章中主要介紹系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊和它們的電路圖，它是在第二章的基礎(chǔ)上更加細(xì)致地介紹爐溫控制的各個(gè)組成部分，簡(jiǎn)要分析電路圖的工作過(guò)程及功能。開(kāi)發(fā)了一個(gè)能進(jìn)行較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，能完成復(fù)雜的控制功能的智能控制器，以at89c51單片機(jī)為主體，對(duì)它的存儲(chǔ)功

19、能、i/o口、a/d轉(zhuǎn)換等進(jìn)行擴(kuò)展，并加些電源、保護(hù)、可控硅觸發(fā)電路等構(gòu)成觸發(fā)電路。第四章：本章是控制算法研究部分。是為了達(dá)到滿意的控制效果，研究具有良好控制狀況的控制算法。第五章：本章是軟件設(shè)計(jì)部分。在本章要畫(huà)出設(shè)計(jì)所用到的程序的流程圖，寫(xiě)出部分程序的源代碼。另外還有仿真部分環(huán)節(jié)也將在下文中介紹。第二章 爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)原理本系統(tǒng)是由at89c51單片機(jī)，溫度檢測(cè)放大電路，a/d轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)及顯示電路、晶閘管觸發(fā)電路等組成的控制器和被控對(duì)象電阻爐構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。見(jiàn)圖2-1。反應(yīng)爐溫的電熱偶電勢(shì)，經(jīng)冷端補(bǔ)償后送至運(yùn)算放大器放大，其電壓范圍是05v。將此電壓送入at89

20、c51內(nèi)的采樣保持器和a/d轉(zhuǎn)換電路后得到與爐溫相應(yīng)的數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波，線性化處理、標(biāo)度變換后，通過(guò)led顯示爐溫。當(dāng)采樣周期到達(dá)時(shí)，與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，再作pid運(yùn)算。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，通過(guò)i/o口去改變控制脈沖寬度，從而改變雙向晶閘管在一個(gè)固定的控制周期tc內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間。即改變電爐的平均輸入功率，以此來(lái)達(dá)到控溫目的。單片機(jī)系統(tǒng)at89c51鍵盤(pán)過(guò)零檢測(cè)led顯示掉電保 護(hù)a/d溫度檢測(cè)和補(bǔ)償放大電阻爐自動(dòng)/手動(dòng)切換通信接口輸入功率電源光電隔離可控硅調(diào)功控溫存儲(chǔ)器 圖2-1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本課題的下位機(jī)為自行開(kāi)發(fā)的通用智能控制器。此智能控制器可作為一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)控制系統(tǒng)，

21、又可以與微機(jī)配合構(gòu)成控制系統(tǒng)，具有較高的靈活性和可靠性。單片機(jī)是控制器的主體，它與一些擴(kuò)展電路（程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、地址鎖存器、地址譯碼器等）構(gòu)成處理器模塊。電阻爐溫度控制系統(tǒng)主要有溫度信號(hào)的檢測(cè)與傳送部分；at89c51為核心的單片機(jī)系統(tǒng)及接口電路；掉電檢測(cè)與保護(hù)電路。在這個(gè)系統(tǒng)中，反映爐溫的熱電偶電勢(shì)經(jīng)冷端補(bǔ)償放大成110 v 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換電路之后進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令進(jìn)行智能算法得到控制量輸出脈沖觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)過(guò)零觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)雙向可控硅，單片機(jī)通過(guò)i/o口改變控制脈沖寬度，也即改變了可控硅在一個(gè)固定控制周期tc內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，這樣電阻爐的溫度就隨著電阻爐的平

22、均輸入功率改變而變化，也即達(dá)到了控溫目的。另外，此智能控制器還包括與上位機(jī)的通訊接口，故障檢測(cè)電路，數(shù)據(jù)顯示電路等。2.2 方案比較基于可編程序控制器(簡(jiǎn)稱plc)的爐溫多級(jí)模糊控制plc 模糊控制 優(yōu)化 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)溫度控制品質(zhì)要求的日益提高，一些控制精度差且難以管理的老式電阻爐必須用新技術(shù)進(jìn)行改造，其中控制算法研究處于至關(guān)重要的地位。本文主要介紹基于 plc的新的控制策略原理與實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)控制算法采用變化例因子與量化因子的多級(jí)模糊控制，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)引入偏移量函數(shù)。該方法在plc多段電阻爐系統(tǒng)中反復(fù)運(yùn)行證明爐溫上升快，控制溫度高，達(dá)到了很好的控制效果。多級(jí)模糊控制的優(yōu)化 由于一般模糊控制器是

23、以e和e作為輸入量，即只具而比例微分作用，缺少積分控制，模糊控制器動(dòng)態(tài)性能好；但穩(wěn)態(tài)誤差較大，消除時(shí)間長(zhǎng)，采用多級(jí)模糊控制仍然存在穩(wěn)態(tài)誤差。因此根據(jù)前饋控制原理引入了函數(shù)ug。ug是給定溫度值r的函數(shù)，ug與r的關(guān)系隨系統(tǒng)變化而變化，ug的取值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度也而很大影響。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，取ug=r/k（k為對(duì)象的放大倍數(shù)，實(shí)際應(yīng)用可估計(jì)為穩(wěn)態(tài)溫度值與輸出通斷率的比值）3。同時(shí)為保證ug的跟隨性，采用在線修改方法，依據(jù)下式進(jìn)行： ug(k)=ug*+kgu(k) (1) 式中，kg為經(jīng)驗(yàn)值，取為0.8，u（k）為多級(jí)模糊控制器中采樣時(shí)刻kt的輸出量，ug*為偏移量函數(shù)。實(shí)際運(yùn)用中需對(duì)ug進(jìn)行限幅，

24、可取ugmax=r/(k-0.3),ugmin=r/(k+0.3)。本系統(tǒng)的精確輸出量表達(dá)式如下： u= round(u*+ug)=round(kuu+ug*+kgu) (2)式中，round( )為plc指令中的取整操作。 實(shí)踐證明，優(yōu)化后的多級(jí)模糊控制大大改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)精度plc及高集成化元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾性好，控制算法滿足快速性與高精度控制的要求，調(diào)整方便，具有普遍應(yīng)用意義和推廣前景。超塑成形/擴(kuò)散連接爐溫的模糊控制方法超塑成形/擴(kuò)散連接(spf/db)是近年發(fā)展起來(lái)的航空制造技術(shù)。超塑成形/擴(kuò)散連接加熱爐的爐溫控制在spf/db工藝技術(shù)中占有重要的地位。由于spf/db制

25、造的產(chǎn)品形狀復(fù)雜，性能要求高，工藝過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，加熱爐內(nèi)的spf/db成形模具的溫度測(cè)量滯后性較大并具有非線性特點(diǎn)，建立精確的數(shù)學(xué)模型比較困難，因此，采用模糊控制比較適宜。它對(duì)縮短試驗(yàn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源及原材料、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度將起到重要作用我們知道偏差和偏差變化率模糊集的定義和模糊控制規(guī)則及其修正均需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)才能獲得更實(shí)用的數(shù)據(jù)固態(tài)繼電器在爐溫控制在工廠生產(chǎn)中用于工件烘干及熱處理的設(shè)備很多。如箱式電爐、紅外線加熱爐、熔化爐、干燥箱、井式回火爐、淬火爐、高溫鹽爐、中溫鹽爐和油爐等，其工作溫度在01200之間。此類設(shè)備有的外購(gòu)，有的系公司自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，大多設(shè)備控制柜老化嚴(yán)重，使用時(shí)間

26、近20年。此類設(shè)備均采用記錄儀直接控制接觸器通斷進(jìn)行加熱，控制精度較低，一般在士5之間，而且噪音大、耗能高。隨著公司制造能力及技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在對(duì)工件表面處理要求越來(lái)越高，控溫要求也越來(lái)越高。在“十一五”期間公司投入部分資金進(jìn)行系統(tǒng)改造。在改造過(guò)程中借鑒國(guó)外技術(shù)，新系統(tǒng)采用三表分離，測(cè)溫點(diǎn)采樣多，分布均勻，控溫精度高，一般在-4-2以內(nèi)。特別是采用固態(tài)繼電器以后，既降低了噪音又降低了空載損耗。固態(tài)繼電器有優(yōu)勢(shì)，但也存在導(dǎo)通壓降較大，有斷態(tài)漏電流等缺點(diǎn)固態(tài)繼電器在爐溫控制相互之間可互換，通用性強(qiáng)，維護(hù)方便。而且控溫精度高，噪音低，節(jié)省能源2.3 系統(tǒng)方案的論證無(wú)論是工業(yè)生產(chǎn)中，還是日常生活中，對(duì)溫

27、度的檢測(cè)和控制都是必不可少的，對(duì)于溫度的檢測(cè)通常是采用熱敏電阻在通a/d（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，但由于信號(hào)的采集對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響很大，如果采樣精度不高，會(huì)使這個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性下降。而對(duì)于電阻爐溫度控制的方法也有很多：如單片機(jī)控制、plc控制、pid控制等等。綜合各方面的意見(jiàn)，本設(shè)計(jì)采用基于積分分離pid算法控制的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度的控制。方案一：利用基于積分分離pid的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度控制系統(tǒng)利用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度恒定的控制，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。系統(tǒng)主要有at89c51單片機(jī)，溫度檢測(cè)放大電路，a/d轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)及顯示電路、晶閘管觸發(fā)電路等組成的控制器和被控對(duì)象電阻爐構(gòu)成

28、一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度采集電路以數(shù)字量形式將現(xiàn)場(chǎng)溫度傳至單片機(jī)。單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度與用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度，按照已經(jīng)編程固化的控制算法計(jì)算出實(shí)時(shí)控制量，而此控制算法在傳統(tǒng)的pid基礎(chǔ)上有了改進(jìn)，改進(jìn)的pid算法-積分分離pid。其主要用途是當(dāng)被控制量與系統(tǒng)設(shè)定值偏差較大時(shí),能取消積分作用,避免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,超調(diào)量增加;當(dāng)被控量接近設(shè)定值時(shí),引入積分控制,以消除系統(tǒng)靜差,提高系統(tǒng)控制精度4。以此控制量控制固態(tài)繼電器開(kāi)通和關(guān)斷，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使溫度逐步穩(wěn)定于用戶設(shè)定的目標(biāo)值。在溫度到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時(shí)，單片機(jī)通過(guò)采樣回的溫度與設(shè)置的目標(biāo)溫度比較，

29、作出相應(yīng)的控制，開(kāi)啟加熱器。當(dāng)用戶需要比實(shí)時(shí)溫度低的溫度時(shí)，此電路可以利用風(fēng)扇降溫。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種狀態(tài)參量均可由數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。方案二：利用plc實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度控制系統(tǒng)利用plc實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的控制是采用plc控制實(shí)現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自動(dòng)控制方式，來(lái)達(dá)到溫度的穩(wěn)定。智能型電偶溫度表將置于被測(cè)對(duì)象中，熱電偶的傳感器信號(hào)與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，生成溫差電壓vt，plc自適應(yīng)恒溫控制電路，根據(jù)vt的大小計(jì)算出全通、間接導(dǎo)通和全斷的自適應(yīng)溫度控制電路，并將占空比可調(diào)的控制電平經(jīng)輸出隔離電路去控制可控硅門(mén)極的通斷，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的爐溫控制。若溫度升的過(guò)快，pl

30、c也將輸出關(guān)斷電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為可控硅電路相匹配的輸入信號(hào)。對(duì)于方案一，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度控制，該方案成本低，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，但對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合是不合適的；而我們?cè)诨趐id控制原理給出了積分分離pid控制器的具體實(shí)現(xiàn)方法。其基本設(shè)計(jì)思想是將積分分離和pid控制結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)。所以確定這個(gè)方案可行。而對(duì)于方案二，采用plc實(shí)現(xiàn)恒溫控制，由于plc成本高，且plc是外圍系統(tǒng)配置復(fù)雜，不利于我們的設(shè)計(jì)。第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 溫度檢測(cè)電路溫度檢測(cè)電路如圖3-1所示。圖3-1 溫度檢測(cè)電路本系統(tǒng)溫度傳感器選用鎳鉻-鎳硅熱電偶， 其測(cè)溫范圍適中，線性度較好，

31、價(jià)格便宜，有較強(qiáng)的抗氧化性和抗腐蝕性，輸出熱電勢(shì)較大，便于測(cè)量放大器選配。熱電偶是由兩種不同金屬焊接在一起組成的，當(dāng)熱端與冷端存在溫差時(shí)，兩金屬的自由端間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其大小決定于組成熱電偶的材料和冷熱兩端的溫差。所以要用熱電偶首先要使冷端溫度固定不變，也即進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償5。同時(shí)，熱電偶是由貴重金屬制作的，而一般熱端和冷端有相當(dāng)?shù)木嚯x，為了降低成本，實(shí)際使用時(shí)熱電偶自身很短，而選用與熱電偶性能相近，價(jià)格低廉的導(dǎo)線來(lái)延伸中間距離。3.1.1 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償熱電偶冷端溫度補(bǔ)償采用集成溫度傳感器ad590，ad590是美國(guó)anlog devices公司生產(chǎn)的單片集成的二端式溫度敏感電流源，具有溫

32、度響應(yīng)速度快、體積小、壽命長(zhǎng)、精度高、線性度好、能進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)；并且有寬的激勵(lì)電壓，在+ 4 +30 v之間任何值電壓下都產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的(1 a)輸出，可以用它產(chǎn)生的溫度敏感電流形成補(bǔ)償電壓，而且接法簡(jiǎn)單。圖3-1虛線框內(nèi)利用ad590 作為熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)碾娐吩?。ad590 作為熱電偶冷端溫度補(bǔ)償測(cè)溫元件，安置在冷端附近，使之與冷端處于同一溫度下，其輸出電流隨冷端溫度而改變。以k型熱電偶為例，以 i表示與(173 +0)溫度相對(duì)應(yīng)的電流流過(guò)ad590的電流，流過(guò)ad590的電流 （3-1）式中 0-熱電偶冷端溫度負(fù)載電阻r上輸出電壓 （3-2）選擇r1使v0在a/d允許輸入范圍內(nèi)，

33、本系統(tǒng)選r1=10k。利用公式（3-1）可方便地求出任意時(shí)刻的冷端溫度0， 經(jīng)過(guò)處理之后就可得到該溫度的補(bǔ)償電勢(shì)6。這種測(cè)量方法，不需對(duì)冷端溫度作嚴(yán)格限制，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，補(bǔ)償精度高，可在冷端溫度變化不大的情況下予以準(zhǔn)確補(bǔ)償，克服了常規(guī)方法補(bǔ)償誤差大和不方便的缺點(diǎn)。3.1.2 測(cè)量放大電路實(shí)際電路中，從熱電偶輸出的熱電勢(shì)信號(hào)最多不過(guò)幾十毫伏(一般為056 mv)，信號(hào)需經(jīng)運(yùn)放放大100倍左右；且其中包含工頻、靜電和磁耦合等共模干擾，對(duì)這種電路放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此宜采用測(cè)量放大電路。測(cè)量放大器的輸入阻抗高，易與各種信號(hào)源匹配，并且輸入失調(diào)電壓和輸

34、入失調(diào)電流及輸入偏置電流小，溫漂也較小，因而其穩(wěn)定性好。如圖3-1所示由三運(yùn)放組成測(cè)量放大器，熱電偶差動(dòng)輸入端分別接到a1和a2的同相端。輸入阻抗很高，采用對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測(cè)信號(hào)直接加到輸入端，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。a3實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器，其增益近似為1， 主要完成反向功能。測(cè)量放大器的放大倍數(shù)為 （3-3） （3-4）在此電路中,只要運(yùn)放a1和a2性能對(duì)稱(主要指輸入阻抗和電壓增益),其漂移將大大減小,具有高輸入阻抗和共模抑制比,對(duì)微小的差模電壓很敏感,適宜于測(cè)量遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào),因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用7。r w是用來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，在此用多圈

35、電位器，參數(shù)應(yīng)滿足a v大于100。本文電路中a1、a2采用低漂移高精度運(yùn)放op-07芯片，其輸入失調(diào)電壓溫漂和輸入失調(diào)電流溫漂都很小，廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密加法、比校檢波和微弱信號(hào)的精密放大等。op-07要求雙電源供電。使用溫度范圍070，一般不需調(diào)零，如果需要調(diào)零可用rw進(jìn)行調(diào)整。后級(jí)運(yùn)放a3則可用較廉價(jià)的a741芯片，要求雙電源供電，供電范圍為（318）v，典型供電為15v，一般應(yīng)大于或等于5v，其內(nèi)部含有補(bǔ)償電容，不需外接補(bǔ)償電容。3.1.3 保護(hù)電路為防止熱電偶由于溫度超出范圍產(chǎn)生過(guò)大的電勢(shì)對(duì)后繼電路的破壞，在熱電偶接入第一級(jí)運(yùn)放前要接入一緩沖電路，如圖3-1所示的輸入端電容c1

36、c2 是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，鉗位二極管起保護(hù)作用，避免輸入線路故障時(shí)瞬態(tài)尖峰干擾損壞運(yùn)放和后級(jí)電路。兩路輸入電壓送入采樣保持、a/d 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。熱電偶的電勢(shì)溫度特性是非線性的，需要進(jìn)行非線性校正，其線性化可通過(guò)硬件、軟件來(lái)完成。在微機(jī)化智能儀器和控制系統(tǒng)中，常采用軟件代替硬件進(jìn)行非線性校正。3.2 單片機(jī)的選型隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)發(fā)展很快，單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)的一個(gè)獨(dú)特的分支，以其體積小、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。在單片機(jī)的選型上，考慮單片機(jī)本身的性能以及本設(shè)計(jì)的需要，選用mcs-5

37、1系列單片機(jī)at89c51。at89c51是一個(gè)低功耗、高性能cmos 8位單片機(jī)，可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。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(xiě)的flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。at89c51主要功能特性（1）兼容mcs51指令系統(tǒng)；（2）且有布爾代數(shù)的運(yùn)算能力；（3）32條雙向且可被獨(dú)立尋址的i/o口；（4）芯片內(nèi)有128字節(jié)可供儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的ram；（5）內(nèi)部有兩組16位定時(shí)器；（6）具有全雙工傳輸信號(hào)uart；（7）5個(gè)中斷源，且具有兩級(jí)(高/低)優(yōu)先權(quán)順序的中斷結(jié)構(gòu)；（8）芯片內(nèi)有4kb的程序存儲(chǔ)器(rom)；（9）芯片內(nèi)有時(shí)鐘(cloc

38、k)振蕩器電路；（10）程序存儲(chǔ)器可擴(kuò)展至64kb(rom)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可擴(kuò)展至64kb(ram)。at89c51單片機(jī)的接口電路有mcm2814和ad574、dac7521等芯片。mcm2814作為at89c51的掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能，ad574作為溫度檢測(cè)電路的輸入接口，dac7521是模數(shù)轉(zhuǎn)化接口。3.3 eeprom存儲(chǔ)器的擴(kuò)展設(shè)計(jì)eeprom可完成掉電數(shù)據(jù)保存功能，但常見(jiàn)的2816，2817，2864等芯片，一方面容量太大（價(jià)格，體積也大），另一方面可靠性也低，如不采取措施，在開(kāi)機(jī)，關(guān)機(jī)時(shí)常會(huì)丟失數(shù)據(jù)。為此，本文選用一種廉價(jià)，體積很小的串行接口eeprommcm2814，它的容量為256

39、*8，適合做本文的數(shù)量存儲(chǔ)。mcm2814的基本特性：8腳芯片，采用hcmos技術(shù)制造，功耗低，備用狀態(tài)電流1m，工作電流小于1ma。存儲(chǔ)器容量為256字節(jié)?？勺止?jié)編程，最多可一次編程4字節(jié)。片內(nèi)有編程電壓發(fā)生器，不需外接編程電壓。支持兩種串行接口：雙線串行接口，m-bus（與i2c兼容）四線串行口，spi。具有保護(hù)1/4，1/2，或3/4的eeprom不被任意改寫(xiě)的功能。讀或?qū)憯?shù)據(jù)時(shí)存儲(chǔ)器地址可自動(dòng)加1。電源電壓：讀出時(shí)為36v；編程時(shí)為4.56v。時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入上加有數(shù)字濾波，可提高抗干擾能力。編程時(shí)只對(duì)新舊不同的位進(jìn)行改寫(xiě)，而不需要先擦除整個(gè)字節(jié)。上電后芯片進(jìn)入數(shù)據(jù)保護(hù)狀態(tài)。寫(xiě)入/擦除次

40、數(shù)大于10000個(gè)周期，數(shù)據(jù)保存時(shí)間大于10年。（1）引腳說(shuō)明： vdd：電源供給端。 vss：地線端。 test：它連接到片內(nèi)編程電壓發(fā)生器上，可浮空或外部對(duì)地接一個(gè)電容，也可外接編程電壓。 mode：方式選擇，它決定芯片的串行接口方式和其他引腳的功能。（2）mode=1；即是spi方式。 spiss：從機(jī)選擇輸入，低電平有效。它為高電平時(shí)，不從spiss輸入數(shù)據(jù)，spiso處于高阻狀態(tài)。 spiso：串行數(shù)據(jù)輸出端。 spisi：串行數(shù)據(jù)輸入端。 spick：串行時(shí)鐘輸入，最高時(shí)鐘頻率125khz，時(shí)鐘為0或1的時(shí)間分別應(yīng)大于等于4s。mcm2814可擦除存儲(chǔ)器具有保護(hù)功能，具體如下，它可

41、以保護(hù)存儲(chǔ)器內(nèi)部單元的安全，在控制信號(hào)的控制之下，它可以有效保護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)的安全，不受外部影響，在不供電或誤操作的情況下都可以保護(hù)數(shù)據(jù)的安全，保護(hù)位不受影響8。（3）陣列寫(xiě)入保護(hù)：字節(jié)地址255（ff）包含具有特殊功能的eeprom位。對(duì)它們進(jìn)行編程后可禁止對(duì)某些區(qū)域eeprom的編程操作。地址ff的數(shù)據(jù) 保護(hù)的地址區(qū)域 保護(hù)字節(jié)數(shù) 00 無(wú)保護(hù) 0 01 c0fb 60 11 40fb 188注：=不關(guān)心位。在對(duì)地址255（ff）的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改后，可出去保護(hù)。mode=1：即是spi串行連接方式的連接圖如圖3-2所示： 圖3-2 單片機(jī)與mcm-2814的連接圖3.4 a/d轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)adc

42、電路有兩大類：直接轉(zhuǎn)換型(通過(guò)基準(zhǔn)電壓與采樣-保持電路的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量)、 間接轉(zhuǎn)換型(將采樣-保持電路輸出的信號(hào)首先轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再將時(shí)間或頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量)。 直接轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證；間接轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換速度低，轉(zhuǎn)換精度可以做的較高，對(duì)干擾抑制能力強(qiáng)，在測(cè)試儀表中應(yīng)用廣泛。本系統(tǒng)主要用于控制，所以使用直接轉(zhuǎn)換型中的逐次逼近型adc，有較高控制精度，而且在單片集成adc中采用逐次逼近型電路的較多。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間要求不高，但要求一定的轉(zhuǎn)換精度，所以選用12 位逐次逼近型ad574 芯片。 ad574 是analog device 公司的產(chǎn)品，其位

43、數(shù)為12 位，轉(zhuǎn)換速度為25s， 轉(zhuǎn)換精度為0.05， 廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，且能與cmos 和ttl兼容。本系統(tǒng)檢測(cè)的對(duì)象是一個(gè)電爐溫度信號(hào)，由于爐門(mén)的定時(shí)開(kāi)關(guān)，使?fàn)t內(nèi)溫度信號(hào)變化較大，其變化頻率遠(yuǎn)大于1.55 hz。 由采樣定理知，為了不失真的再現(xiàn)被采樣信號(hào)，采樣頻率fx 應(yīng)滿足fx2 fmax ，其中fmax為被采樣信號(hào)的最高頻率成分。顯然在a/d前應(yīng)加入保持器lm398以滿足采樣定理，具體電路圖如圖3-3所示。 圖3-3 a/d轉(zhuǎn)換接口電路我們知道，若a/d 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)在整個(gè)轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生大于1 lsb的變化，則結(jié)果將產(chǎn)生

44、顯著偏差，必須加入采樣保持s/h，故輸入信號(hào)變化率 （3-5）式中 -adc的滿度值 n 位數(shù)-轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)輸入信號(hào)，則由式（3-5）得 （3-6）則 (設(shè)=) （3-7） 當(dāng)n=12時(shí)，=1.55hz3.4.1隔離放大器的設(shè)計(jì)電子電路抗干擾設(shè)計(jì)的有效方法是利用光電隔離。但是，由于光電隔離器件的電流傳輸系數(shù)是非線性的，直接用來(lái)傳輸模擬量時(shí)，非線性失真較大、精度差，我們利用光電耦合器件與運(yùn)算放大器結(jié)合設(shè)計(jì)一個(gè)線性度較好的模擬量光隔離放大器電路如圖3-4所示。圖3-4 光隔離放大器其中，g1、 g2 是兩個(gè)性能、規(guī)格相同(同一封裝)的光電耦合器，g1、g2 的初級(jí)串連，并用同一偏置電流i1 激勵(lì)，設(shè)

45、g1 和g2 的電流傳輸系數(shù)分別為和，則 （3-8） 則集成運(yùn)放a4具有理想性能，則 （3-9）而輸出電壓u o為 (a5為跟隨器) （3-10）因此，電路的電壓增益可由下式確定 （3-11）將式（3-10）和（3-11）代入上式，則 （3-12）由于g1、g2 是同性能、同型號(hào)、同封裝的光電耦合器(moc8111)，因此g1、g2 的電流傳輸系數(shù) 和 可看作是相等的，所以光耦合放大器的電壓增益為 （3-13）由此可知，如圖所示的光耦放大器增益與g1、g2 的電流傳輸系數(shù)和無(wú)關(guān)。實(shí)際上是利用g1 、g2 電流傳輸系數(shù)的對(duì)稱性補(bǔ)償了它們之間的非線性9。運(yùn)放a5(a741)接成跟隨器形式，以提高電

46、路的負(fù)載能力。運(yùn)放a1連接反饋電容c，用來(lái)消除電路的自激振蕩。由于光電耦合器初級(jí)、次級(jí)之間存在著延遲，使g1 和g2 組成的負(fù)反饋電路之間顯得遲緩，容易引起電路c自激振蕩，連接電容之后，保證了電路對(duì)瞬變信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，提高了電路的穩(wěn)定性。電容c的容量可根據(jù)電路的頻率特性要求來(lái)確定，經(jīng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，電路的非線性誤差小于0.2%，較好地解決了模擬信號(hào)不共地傳輸?shù)膯?wèn)題。3.4.2 dac7521數(shù)模轉(zhuǎn)換接口數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的主要任務(wù)：是將pid控制器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成可控硅過(guò)零觸發(fā)電路所需的模擬控制量。本系統(tǒng)采用的觸發(fā)芯片tl494 的觸發(fā)電壓需調(diào)至010 v， 移相范圍0170， 故每度所需移相電

47、壓 （3-14）控制0.1所需移相電壓增量為5.882。 這里采用12 位dac 7521作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其滿度輸出10 v ，輸出電流經(jīng)運(yùn)放op07變成電壓，分辨率為 （3-15）每個(gè)量化單位可控制的移相角設(shè)為，則，即 （3-16）可見(jiàn)控制器的控制平滑度和精度，都有較大的余量。d/a 轉(zhuǎn)換器的接口邏輯如圖3-5 所示。 圖3-5 數(shù)模轉(zhuǎn)換接口電路dac7521 從at89c51 的8位數(shù)據(jù)線上獲取12位的數(shù)據(jù)必須分兩次進(jìn)行。為了防止d/a 轉(zhuǎn)換書(shū)輸出會(huì)有“毛刺”現(xiàn)象，這里采用了兩級(jí)緩沖器結(jié)構(gòu)。即at89c51 先把低8位送入第一級(jí)緩沖器，然后再送高4 位數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)選通第二級(jí)的兩片74ls3

48、7構(gòu)成的第二級(jí)緩沖器，使12 位數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)在dac7521 的數(shù)據(jù)輸出線上，進(jìn)d/a 轉(zhuǎn)換。d/a 輸出的電流經(jīng)op07 反相后變?yōu)?10 v 的電壓信號(hào)。3.5 鍵盤(pán)及顯示電路設(shè)計(jì)3.5.1 鍵盤(pán)接口電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)鍵盤(pán)顯示器接口采用矢量中斷擴(kuò)充法的方式來(lái)處理鍵盤(pán)。所謂矢量可以理解成一個(gè)地址信息。它的低8位由申請(qǐng)中斷的外設(shè)（中斷源）提供，高8位可由cpu提供。cpu采用這種方法形成中斷服務(wù)程序的入口地址。下面以int0為例說(shuō)明在at89c51中如何利用兩個(gè)外部中斷int0、int1輸入端實(shí)現(xiàn)矢量中斷。設(shè)int1為低電平有效方式。實(shí)現(xiàn)矢量中斷功能擴(kuò)充的電路圖如圖3-6所示。 圖3-6 鍵盤(pán)電路

49、如圖3-6所示有5個(gè)中斷源intr4intr0，均為低電平有效；74ls148為8-3優(yōu)先權(quán)編碼器。外部5個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求分別接入74ls148的輸入端in4in0。74ls148對(duì)8個(gè)中斷源的申請(qǐng)進(jìn)行優(yōu)先權(quán)的排隊(duì)，經(jīng)排隊(duì)后產(chǎn)生相應(yīng)的矢量代碼a2a0送至at89c51的p2.2p2.0。其中intr4的優(yōu)先權(quán)最高，intr0最低。當(dāng)有多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，編碼器只對(duì)優(yōu)先權(quán)最高的中斷源做出反應(yīng)，并輸出其矢量代碼。任意一個(gè)中斷源有請(qǐng)求均可通過(guò)74ls148的gs輸出端加到int1引腳上，向cpu發(fā)出中斷請(qǐng)求10。表3-1 5個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)的中斷矢量（74ls148提供）table 3-1 5 int

50、errupt source corresponding interrupt vector (74 ls148 provided)輸入中斷矢量輸入中斷矢量intr403hintr304hintr205hintr106hintr007h3.5.2 顯示電路設(shè)計(jì)由于at89c51沒(méi)有l(wèi)ed數(shù)碼顯示，由于需要，因而必須擴(kuò)展這一功能。選擇直接接8段led數(shù)碼管的方法來(lái)擴(kuò)展這一個(gè)功能，又由于at89c51的輸出電流較小，不能驅(qū)動(dòng)led正常顯示，故用4支npn三極管對(duì)單片機(jī)輸出電流進(jìn)行放大后輸入led，用以驅(qū)動(dòng)led并保證led的亮度。動(dòng)態(tài)掃描顯示由單片機(jī)控制。如圖3-7所示。 圖3-7 顯示電路3.6 可

51、控硅調(diào)功控溫可控硅調(diào)功控溫具有不沖擊電網(wǎng)，對(duì)用電設(shè)備不產(chǎn)生干擾等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用廣泛的控溫方式。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(lái)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。設(shè)采取(控制)周期為t，在t 周期內(nèi)工頻交流電的半周波數(shù)為n， 如全導(dǎo)通時(shí)額定加熱功率為ph，則實(shí)際的平均加熱功率與t 周期內(nèi)實(shí)際導(dǎo)通的半周波數(shù)n成正比，即 （3-17）3.6.1 過(guò)零觸發(fā)調(diào)功器的組成目前,采用可控硅進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的觸發(fā)方式有兩種:過(guò)零觸發(fā)、移相觸發(fā)。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。據(jù)文獻(xiàn)專門(mén)介紹：采用移相觸發(fā)的可控硅交流調(diào)功裝置，往往在

52、可控硅導(dǎo)通的瞬間使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變，當(dāng)控制角為90時(shí)，產(chǎn)生的三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。 這些諧波分量引起電網(wǎng)電壓波形畸變，功率因數(shù)下降，給其它用電設(shè)備和通訊系統(tǒng)的工作帶來(lái)不良影響。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(guò)零觸發(fā)方式很好地解決了此類問(wèn)題，它可把可控硅導(dǎo)通的起始點(diǎn)限制在電源電壓過(guò)零點(diǎn)，從而大大降低了諧波分量。然而，傳統(tǒng)的可控硅過(guò)零觸發(fā)調(diào)功器由同步脈沖產(chǎn)生電路、檢零電路、隔離電路組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件的離散性和溫漂嚴(yán)重影響調(diào)功器控制精度及使用壽命。實(shí)現(xiàn)可控硅調(diào)功控溫需解決3個(gè)技術(shù)關(guān)鍵：獲取工頻交

53、流電源的過(guò)零觸發(fā)脈沖，作為觸發(fā)雙向可控硅的同步脈沖；將控制算法得到的控制量變?yōu)榭煽毓柙谥芷趦?nèi)的導(dǎo)通時(shí)間；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。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)的可控硅調(diào)功控溫電路如圖3-8所示11。該調(diào)功器主要由射隨器、pwm 脈沖形成電路、光隔離/光耦合過(guò)零雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器及電源四部分組成。 圖3-8 可控硅調(diào)功原理圖3.6.2 可控硅調(diào)功主要電路介紹（1）pwm 脈沖形成及脈寬調(diào)制電路 tl494是德克薩斯儀器公司研制的雙端脈寬調(diào)制器。tl494 在開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用較多，在此，利用其脈寬調(diào)制功能構(gòu)成脈沖形成及脈寬調(diào)制電路。將芯片的5、6腳分別接振蕩器的電阻、電容，通過(guò)改變電阻、電容的大小，即可調(diào)節(jié)振蕩器頻率(為了保證振蕩器的穩(wěn)定性應(yīng)采用金屬膜電阻和漏電流的電容)。振蕩器產(chǎn)生的鋸齒形振蕩波被送到pwm 比較器的反相輸入端，脈沖調(diào)寬電壓送到pwm比較器的同相輸入端，通過(guò)pwm比較器進(jìn)行比較，輸出一定寬度的脈沖波。當(dāng)調(diào)寬電壓變化時(shí)，tl494輸出的脈沖寬度也隨之改變，從而改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，達(dá)到調(diào)節(jié)，穩(wěn)定輸出電壓的目的。脈寬調(diào)寬電壓可由3 腳直接送入的電壓來(lái)控制，也可分別從兩個(gè)誤差放大器輸入端送入，通過(guò)比較、放大經(jīng)隔離二極管輸出到pwm比較器的正相輸入端，此時(shí)3 腳應(yīng)接rc網(wǎng)絡(luò)，提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)將兩個(gè)誤差放大器的輸