基于單片機(jī)的爐溫自動(dòng)檢控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

1、基于單片機(jī)的爐溫自動(dòng)檢控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)論文題目學(xué)生姓名 所在院系 機(jī)電學(xué)院所學(xué)專業(yè) 導(dǎo)師姓名 完成時(shí)間 摘 要本文介紹了電阻爐爐溫單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制原理硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)以單片機(jī)89C51為核心以加熱爐為智能模糊控制系統(tǒng)控制對(duì)象深入研究了規(guī)那么自尋優(yōu)的模糊控制算法論文中主要完成了對(duì)以單片機(jī)為控制中心的爐溫控制系統(tǒng)的根本框圖工作原理程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的抗干擾措施的設(shè)計(jì)與仿真該系統(tǒng)可對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行控制且工作穩(wěn)定可靠可實(shí)現(xiàn)控制精度的要求仿真結(jié)果說明該系統(tǒng)控制效果好穩(wěn)態(tài)精度高超調(diào)量小到達(dá)了控制系統(tǒng)的各種指標(biāo)要求關(guān)鍵字Temperature Control System o

2、f Heating Furnace Based on Single Chip ComputerAbstractThe paper presents control principlehardware structure and software design of the resistance furance temperature system controlled by single-chip computerBased on single chip computer 89C51a temperature fuzzy control system of heating furnace is

3、 presented The rule self-seeking-optimization fuzzy control algorithm is also studied in this paperThe article introduces a new electric cookers tempture controlled systemIt has also told the systems basic constructworking-principles and procedure designincluding its measures to eliminate disturbs T

4、he system has been testified it works steady and reliable its precision has also been reached The simulated results show that this system has high static accuracy and small overshootKey words目 錄1 緒論12 國內(nèi)外爐溫檢控系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀121國外爐溫檢控系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀122國內(nèi)爐溫檢控系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀13硬件電路的設(shè)計(jì)231 傳感器局部432 AD轉(zhuǎn)換局部433 89C51單片機(jī)534 鍵盤輸入電路635

5、 LED顯示電路74固態(tài)繼電器控制方法841 固態(tài)繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)842 PWM控制原理943控溫接口電路95 控制算法的選擇1051模糊控制算法概述1152 控制規(guī)那么116 輔助電路1261 復(fù)位電路1262 報(bào)警電路137 軟件的設(shè)計(jì)1371 系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)的組成1472 模糊運(yùn)算程序流程圖1473 主程序流程圖158 抗干擾措施159 結(jié)束語16致謝16參考文獻(xiàn)17附錄 181 緒論電力資源的匱乏是制約我國經(jīng)濟(jì)快速健康開展的一個(gè)突出問題在現(xiàn)存資源有限的情況下為了防止對(duì)資源的過度開發(fā)我們只有提高資源的使用效率才能緩解這一問題取得經(jīng)濟(jì)效益與資源保護(hù)的雙豐收電加熱爐是工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的必不可

6、少的設(shè)備然而在一些企業(yè)特別是一些小型企業(yè)和作坊式企業(yè)由于技術(shù)落后在利用電加熱爐時(shí)不僅不能精確地滿足加熱工藝曲線的要求而且對(duì)電力資源造成了巨大的浪費(fèi)導(dǎo)致這種局面的原因主要由以下兩點(diǎn)一 基于PLC或計(jì)算機(jī)控制的電加熱系統(tǒng)造價(jià)昂貴很多小型企業(yè)不愿接受二 現(xiàn)行的爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)往往具有算法復(fù)雜要求操作人員具有一定的自動(dòng)控制技術(shù)所以要想改善這種狀況必須要設(shè)計(jì)出一種操作簡(jiǎn)單控制精確造價(jià)廉價(jià)的爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)單片機(jī)是典型的嵌入式系統(tǒng)從體系結(jié)構(gòu)到指令結(jié)構(gòu)都是按照嵌入式應(yīng)用特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的能最好地滿足對(duì)控制對(duì)象應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入現(xiàn)場(chǎng)的可靠運(yùn)行以及非凡的控制品質(zhì)要求特別是89C51單片機(jī)內(nèi)部具有4KB的閃速E2PROM

7、基于單片機(jī)控制的溫控系統(tǒng)就是1 國外爐溫檢控系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀當(dāng)前隨著電氣信息技術(shù)在中的應(yīng)用興旺國家如美國澳大利亞等成功開發(fā)了一系列用途廣泛功能極強(qiáng)的控制器隨著資源的日趨緊張及信息技術(shù)的開展開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)不僅具有廣闊的市場(chǎng)前景而且具有巨大的社會(huì)效益國外在自動(dòng)控制技術(shù)和設(shè)備的研究上開展迅速美國微型電子計(jì)算機(jī)普及和的應(yīng)用使自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)生了根本的變化因而到達(dá)了較高的自動(dòng)化程度現(xiàn)在已有許多由控制的儀器設(shè)備使和完全自動(dòng)連續(xù)的進(jìn)行是世界上技術(shù)最先進(jìn)的國家之一實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化都由或PLC 控制2 國內(nèi)爐溫檢控系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀在我國節(jié)約電力資源的潛力非常大據(jù)有關(guān)國際組織發(fā)表的資料顯示中國的單位國民

8、經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值所消耗的電是美國的4倍左右由于我國人口基數(shù)大所以人均占有資源量相對(duì)很少在我國一方面電力供給緊張而另一方面電的浪費(fèi)十分嚴(yán)重特別是用于傳統(tǒng)工業(yè)電熱爐加熱方面對(duì)電力資源的利用極為不合理在對(duì)目前幾種傳統(tǒng)電加熱方式做比擬后我們發(fā)現(xiàn)它們各有優(yōu)缺點(diǎn)1電磁繼電器控制即操作人員通過電磁繼電器來控制加熱爐電源開關(guān)的閉合來控制加熱爐的加熱過程它要求操作人員對(duì)加熱爐溫度和工作狀態(tài)實(shí)行實(shí)時(shí)檢測(cè)這種方式開關(guān)速度慢溫度變化慣性大控制效果不理想不僅效率低浪費(fèi)大量的人力資源和電力資源而且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制這種方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)可靠性高2常規(guī)智能控制系統(tǒng) 目前應(yīng)用比擬廣泛的是在以單片機(jī)或PLC為核心的控制系統(tǒng)中采用

9、常規(guī)算法如PID算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的智能控制這種系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高然而由于加熱爐具有大慣性純滯后等非線性以及時(shí)變的特點(diǎn)爐門的開關(guān)及電網(wǎng)電壓等都影響著控制過程而基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以滿足加熱工藝曲線的要求縱觀國際和國內(nèi)爐溫自動(dòng)控制技術(shù)的開展?fàn)顩r國外在爐溫自動(dòng)控制技術(shù)方面的研究比擬深入憑借雄厚的科技實(shí)力先進(jìn)的生產(chǎn)工藝嚴(yán)格的質(zhì)量控制和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的刻意追求和先進(jìn)的技術(shù)因地制宜的解決方案豐富的工業(yè)知識(shí)其產(chǎn)品遍布世界幾十多個(gè)國家和地區(qū)國外一些溫控系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜控制的量比擬多本錢較高安裝維護(hù)過程都很復(fù)雜很不適合在我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)使用而我國國內(nèi)制造的加熱設(shè)備本錢相對(duì)低廉所控制的量比擬少能實(shí)現(xiàn)根本量的控制但

10、是由于絕大多采用是的普通的繼電器控制系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)困難靈敏度不夠高不能實(shí)現(xiàn)定時(shí)精確控制而且產(chǎn)品先天性缺乏使用壽命短其產(chǎn)品市場(chǎng)占有率很低本文采用的基于單片機(jī)的自動(dòng)化控制加熱系統(tǒng)是將自動(dòng)控制與電加熱系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來使加熱系統(tǒng)在無人干預(yù)的情況下通過控制器按規(guī)定的程序或指令實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱爐的自動(dòng)控制以單片機(jī)為核心的小型自控系統(tǒng)具有造價(jià)低廉可靠性高適用于各種環(huán)境條件下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)并且在系統(tǒng)硬件組成不變的情況下通過更改軟件設(shè)置來適應(yīng)多種運(yùn)行方式的需要是傳統(tǒng)繼電器控制的理想替代品尤其在中小規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)無人值守或半無人值守具有廣闊的應(yīng)用前景和使用價(jià)值3 硬件電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要由89C51單片機(jī)鍵盤顯示電路

11、溫度檢測(cè)電路過零檢測(cè)及觸發(fā)電路等幾大局部組成本文是基于先進(jìn)的單片機(jī)控制技術(shù)在低耗能下可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的精確控制點(diǎn)加熱爐控制的技術(shù)路線如下計(jì)算機(jī)定時(shí)對(duì)爐溫進(jìn)行測(cè)量即溫度采樣把測(cè)量的溫度經(jīng)放大送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片換算成相應(yīng)的數(shù)字量后送入到計(jì)算機(jī)按預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行判別和運(yùn)算從而得到控制量該控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路作為可控硅的門觸發(fā)信號(hào)用來控制可控硅的功率以到達(dá)爐溫控制曲線的要求完成生產(chǎn)的預(yù)期指標(biāo)當(dāng)爐溫超出設(shè)置的上下限溫度時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)使操作者及時(shí)進(jìn)行調(diào)整保證生產(chǎn)順利進(jìn)行該系統(tǒng)具體的工作原理是這樣的單片機(jī)定時(shí)對(duì)爐溫進(jìn)行檢測(cè)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)的數(shù)字量送到計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)依據(jù)給定的控制規(guī)那么算法進(jìn)行判斷

12、和運(yùn)算得到應(yīng)有的控制量去控制加熱系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制選用89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo) 1 控制溫度可設(shè)定 2 精度為±2 3 實(shí)時(shí)顯示被測(cè)溫度 4 故障報(bào)警溫度智能控制系統(tǒng)的原理方框圖如下所示計(jì)算機(jī)通過程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)被控對(duì)象-電熱爐的控制圖1 溫度模糊控制器的硬件框圖計(jì)算機(jī)輸出脈沖觸發(fā)電路通過過零觸發(fā)電路去驅(qū)動(dòng)雙向可控硅從而控制電阻爐的加溫電阻的功率這就是前向通道同時(shí)由測(cè)溫傳感器測(cè)量出電阻爐的溫度經(jīng)濾波放大和AD變換器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量反應(yīng)給計(jì)算機(jī)形成反應(yīng)通道并使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)本系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集溫度顯示爐溫控制故障檢測(cè)以及報(bào)警功能智能模糊控制器由單片機(jī)完成采用規(guī)那么自尋優(yōu)的控制算法進(jìn)行

13、過程控制加熱爐采用雙向可控硅控制由單片機(jī)輸出通斷率控制信號(hào)產(chǎn)生可控硅的過零觸發(fā)脈沖31 傳感器局部目前測(cè)量溫度通常采用熱電式傳感器其中將溫度量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)大小的熱電式傳感器叫熱電偶它是由兩種不同的導(dǎo)體 或半導(dǎo)體 AB組成的閉回路A B之間形成的電位差稱為接觸電勢(shì)其大小取決于兩1在應(yīng)用中常采用補(bǔ)償導(dǎo)線法冷端溫度校正法冰浴法及補(bǔ)償電橋法等四種方法保持冷端溫度恒定在該設(shè)計(jì)中采用冷端溫度校正法對(duì)于冷端溫度的測(cè)量該設(shè)計(jì)采用的是AD590JH溫度轉(zhuǎn)換器它具有靈敏度高體積小重量輕熱慣性小壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用十分廣泛它是一種三引腳器件正負(fù)電源端和電流輸出端電壓輸入范圍4一30V溫度范圍55 - 155電流輸出1K

14、AD590JH在爐溫測(cè)量?jī)x中32 AD轉(zhuǎn)換局部串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器187具有12位分辨率 由單5V電源供電可以接受05V的模擬輸入它有逐次逼近ADC一個(gè)快速 跟蹤保持3線串行接口圖為187的引腳圖其中vdd為5V±5 的電源電Ain為采樣范圍0VVref的模擬輸入端拉低關(guān)閉187l0A 以下在麗麗拉高或懸空情況下187拉高使內(nèi)部基準(zhǔn)源REF為基準(zhǔn)電壓端以確定模擬電壓范圍和187作為4096V基準(zhǔn)電REF也可輸入4-25VVDD的電壓作為187 內(nèi)部基準(zhǔn)源不起作用 的精確基準(zhǔn)源假設(shè)用內(nèi)471pF旁路電容假設(shè)不用那么用01pF電GND為模擬和數(shù)字地DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出SCLK的下降沿?cái)?shù)據(jù)改變

15、狀態(tài)為片選端低DOUT為高阻SCLK為串行時(shí)鐘輸入端數(shù)據(jù)輸出速率可達(dá)5MHz187的采樣速率為75kbps外部時(shí)鐘從串行接 沒有拉低那么20ms后187隨時(shí)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換要拉低 在西的下降沿TH進(jìn)入其保持狀態(tài)并且啟動(dòng)85gs轉(zhuǎn)換周期后轉(zhuǎn)換結(jié)束 EOC 由DOUT變?yōu)楦唠娖綐?biāo)識(shí)DOUT進(jìn)出頓先的高M(jìn)SB隨之33 89C51單片機(jī)ATMELPHILPS和SST等公司生產(chǎn)的與80C51兼容的低功耗高性能8位89C51單片機(jī)具有比80C31更豐富的硬件資源給單片機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用帶來了很大的方便它采用了CMOS工藝和高密度非易失性存儲(chǔ)器NURAM技術(shù)而且其輸出引腳和指令都與MCS-51兼容片內(nèi)

16、的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用非易失性存儲(chǔ)器編程器來編程2因此89C51是一種功能強(qiáng)靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)近年來得到了及其廣泛的應(yīng)用一片89C51單片機(jī)等于80C31373和2732功能的總和為了確保爐溫監(jiān)控系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性本系統(tǒng)中決定采用89C51作為其核心控制器件這樣不僅提高了系統(tǒng)的整體性能而且降低了本錢圖4 溫度采集電路34 鍵盤輸入電路鍵盤是一組按鍵的集合它是最常用的單片機(jī)輸入設(shè)備操作人員可以鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信按鍵是一種常開型按鈕開關(guān)平時(shí)常態(tài)時(shí)按鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)按下鍵時(shí)它們才閉合短路本系統(tǒng)采用4×4的十六位非編碼鍵盤其中0

17、9為數(shù)字鍵A設(shè)置B爐溫顯示或爐溫設(shè)定C停止D運(yùn)行為功能鍵EF鍵未用判斷閉合的鍵是否釋放鍵閉合一次僅進(jìn)行一次鍵功能操作當(dāng)判斷有鍵按下時(shí)那么取鍵值鍵值N 行號(hào)列號(hào)取得鍵值后判斷它是否大于9假設(shè)大于9那么說明該鍵是功能鍵經(jīng)過散轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向相應(yīng)的功能處理程序否那么轉(zhuǎn)為數(shù)字鍵處理程序系統(tǒng)采用的是中斷掃描方式的一種簡(jiǎn)易的鍵盤接口其電路結(jié)構(gòu)如下圖5鍵盤接口電路該鍵盤直接由89C51單片機(jī)的P1口構(gòu)成鍵盤的列線與P1口低四位相接鍵盤的行線通過二極管接到P1口的高4位因此P14P17行輸出線P10P13作掃描輸入線其中四輸入與門是為中斷掃描方式而設(shè)計(jì)的其輸入端分別與各列線相連輸出端接單片機(jī)外部中斷輸入INT1初始化時(shí)

18、使鍵盤行輸入口全部為0當(dāng)有鍵按下時(shí)INT1端為低電平向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求進(jìn)入中斷效勞程序執(zhí)行掃描式鍵盤輸入子程序35 LED顯示電路單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要是發(fā)光二極管顯示器簡(jiǎn)稱LEDLED顯示器有靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示兩種方式本系統(tǒng)中采用靜態(tài)顯示方式靜態(tài)顯示器就是當(dāng)顯示器顯示某個(gè)字符時(shí)相應(yīng)的段發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止直到顯示另一個(gè)字符為止例如7段顯com導(dǎo)通其余段和小數(shù)點(diǎn)恒定截止時(shí)顯示7當(dāng)要顯示8時(shí)顯示器的abcdefg段恒定導(dǎo)通dp截止LED顯示器工作于靜態(tài)工作方式時(shí)各位的共陰極接地假設(shè)為共陽極公共端那么接5V電源每位的段選線分別與一個(gè)8位鎖存器的輸出口相連顯示器中的各位相互獨(dú)立而且

19、各位的顯示字符一經(jīng)確定相應(yīng)所存的輸出將維持不變正因?yàn)槿绱遂o態(tài)顯示器的顯示亮度較高這種顯示方式編程容易管理也較簡(jiǎn)單所以本系統(tǒng)選用這種顯示方式其電路結(jié)構(gòu)如下 圖6 LED顯示電路原理圖上圖給出了四位共陰性數(shù)碼管的靜態(tài)顯示應(yīng)用電路電路采用MC14495作為每位LED的驅(qū)動(dòng)接口MC14495是BCD7段十六進(jìn)制鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)芯片P07P04用于輸出段碼P02控制2-4譯碼器的使能端低電平有效P00P01為位選碼輸出工作中在需要改變顯示數(shù)據(jù)時(shí)單片機(jī)才通過P0口送出相應(yīng)的數(shù)據(jù)平時(shí)不需要刷新4 固態(tài)繼電器控制方法控制電阻爐的溫度只需控制電阻爐電流的大小而不必考慮電流方向控溫采用可控硅電路它的任務(wù)是通過調(diào)壓來實(shí)

20、現(xiàn)交流調(diào)功通常用可控硅實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓的方式有兩種一是改變負(fù)載電壓波形的導(dǎo)通角稱為調(diào)相另一個(gè)是負(fù)載電壓波形不變而改變其電壓波形在時(shí)間段內(nèi)的出現(xiàn)次數(shù)稱為脈沖調(diào)功就觸發(fā)方式而言調(diào)相調(diào)功采用移相觸發(fā)脈沖調(diào)功采用過零觸發(fā)過零觸發(fā)就是指當(dāng)可控硅的門級(jí)接收到有效控制信號(hào)后可控硅總是在交流電源為零電壓附近導(dǎo)通這種觸發(fā)方式不對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染和干擾其它用電設(shè)備是應(yīng)用較為廣泛的一種方法41 固態(tài)繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)交流固態(tài)繼電器為四端元件兩個(gè)輸出端兩個(gè)輸入端輸入輸出之間采用光電隔離沒有電氣聯(lián)系控制電路和輸出電路之間不會(huì)互相干擾3其輸入端僅要求很小的控制電流輸出回路采用雙向可控硅來通斷負(fù)載電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示其工作原理

21、為當(dāng)有效控制信號(hào)從12端輸入時(shí)光耦GD的二極管導(dǎo)通通過光電耦合的作用GD的三極管導(dǎo)通造成T1截止T1的集電極輸出高電平此時(shí)SCR的工作還取決于T2的狀態(tài)T2在這里是負(fù)載電源的零點(diǎn)檢測(cè)負(fù)載電壓通過電橋加在R4和R5上只要R5R4的分壓超過T2的BE級(jí)的壓降T2將飽和導(dǎo)通那么SCR的控制級(jí)被箝位為低電平SCR不導(dǎo)通圖7 固態(tài)繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖T1和T2組成的是與門電路與門的輸出端為SCR的控制級(jí)只有當(dāng)有效控制信號(hào)參加T1截止同時(shí)負(fù)載電壓又處于零電壓附近來不及使T2進(jìn)入飽和導(dǎo)通此時(shí)SCR的門級(jí)才能注入控制電流而導(dǎo)通使得雙向可控硅BCR的控制級(jí)得到觸發(fā)脈沖雙向可控硅BCR導(dǎo)通負(fù)載接通電源當(dāng)輸入的控制信號(hào)

22、撤除之后GD的三極管截止T1飽和SCR截止雙向可控硅保持導(dǎo)通直到負(fù)載電流隨外部電壓減小到小于雙向可控硅的維持電流為止此時(shí)雙向可控硅才截止負(fù)載斷開電源42 PWM控制原理可以由單片機(jī)輸出一個(gè)周期固定脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào) PWM 來作為固態(tài)繼電器的控制信號(hào)控制原理如圖8所示在控制脈沖的高電平期間固態(tài)繼電器接通電阻爐電源電阻爐加熱在控制脈沖的低電平期問固態(tài)繼電器斷開電阻爐電源通過調(diào)節(jié)PWM的占空比可以調(diào)節(jié)控制脈沖的高電平持續(xù)時(shí)間即調(diào)節(jié)脈沖周期內(nèi)電阻爐上的交流電壓周波的個(gè)數(shù)從而調(diào)節(jié)電阻爐在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的電壓的平均值到達(dá)調(diào)溫的目的4 圖8 PWM控制固態(tài)繼電器的電壓波形圖43 控溫接口電路執(zhí)行元件選用交

23、流過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器SSR控制方法采用過零觸發(fā)當(dāng)控制信號(hào)輸入后SSR在交流電源為零電壓附近導(dǎo)通控溫電路框圖如下所示圖9 控溫電路框圖由AT89S51的P20引腳輸出控制脈沖信號(hào)脈沖周期為1S經(jīng)反相器光電隔離功率放大后加到雙向可控硅上通過控制采樣周期T內(nèi)的可控硅導(dǎo)通的周波個(gè)數(shù)也就是n值從而到達(dá)控制電阻絲的加熱功率的目的電熱絲的功率和n關(guān)系可描述為式中P一負(fù)載輸入功率N采樣周期T內(nèi)的周波數(shù) 本系統(tǒng)取T 2秒那么N 100 n一采樣周期T內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)R一負(fù)載電阻 本系統(tǒng)采用的電熱絲額定功率為2KW I一在采樣周期T內(nèi)電流全導(dǎo)通時(shí)流過R的電流有效值對(duì)于電阻爐額定功率為P額定電壓為U那么額定電流為P

24、 2KWU 220V選用的SSR的最大輸入電壓應(yīng) 2U 440V額定輸出電流應(yīng)高于電熱絲額定電流30以上本系統(tǒng)采用的SSR是TOSHIBA的TSS16J41S它的參數(shù)如下表所示表2 TSS16j41s的參數(shù)表輸入?yún)?shù)名稱參數(shù)符號(hào)參數(shù)值單位最大輸出電壓Udrm600V額定輸出電流I rms 16A控制輸出電壓Vf in 5Mv控制輸入電流If in 60Ma工作頻率F45-65HZ工作溫度Top-30-80接通時(shí)間Ton12周期關(guān)斷時(shí)間Toff12周期5 控制算法的選擇本課題的目的是進(jìn)行爐溫控制模糊算法在溫度控制上有許多成功的例子取得效果良好借鑒這些成功的經(jīng)驗(yàn)所以本課題在爐溫控制中采用模糊控制算

25、法來完成一個(gè)模糊控制系統(tǒng)一般可以分為四個(gè)組成局部模糊控制器輸入輸出接口裝置對(duì)象和傳感器本課題模糊控制器的控制對(duì)象是爐溫采用測(cè)溫電路對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行觀測(cè)由控制器 單片機(jī) 將觀測(cè)到的實(shí)際溫度與給定溫度比擬求出偏差并按一定的控制規(guī)那么作出響應(yīng)將控制量送給執(zhí)行元件51 模糊控制算法概述熱處理加熱爐具有大慣性純滯后等非線性以及時(shí)變的特點(diǎn)爐門的開關(guān)加熱材料環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響著控制過程基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制 如PID控制 難以滿足加熱工藝曲線的要求作為非線性控制的一大分支模糊控制在上述溫度控制系統(tǒng)中可以得到較好的應(yīng)用模糊控制是智能控制的分支之一它具有以下特點(diǎn)它是一種非線性控制方法工作范圍寬適用范

26、圍廣特別適合于非線性系統(tǒng)的控制5它不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型對(duì)無法建?；蚝茈y建模的復(fù)雜對(duì)象可以利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來設(shè)計(jì)模糊控制器從而完成控制任務(wù)而不象傳統(tǒng)的控制方法那樣需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型才能設(shè)計(jì)控制器它具有內(nèi)在的并行處理機(jī)制表現(xiàn)出極強(qiáng)的魯棒性對(duì)被控對(duì)象的特性變化不敏感模糊控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)容易選擇調(diào)整算法簡(jiǎn)單執(zhí)行快容易實(shí)現(xiàn)不需要很多的控制理論知識(shí)52控制規(guī)那么 本系統(tǒng)的對(duì)象熱處理加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)用基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以滿足加熱工藝曲線的要求6為此選用模糊控制算法中的規(guī)那么自尋優(yōu)算法規(guī)那么自尋優(yōu)算法采用由解析表達(dá)式描述的控制規(guī)那么它簡(jiǎn)單方便易于處理二維控制規(guī)那么自尋優(yōu)算法可

27、以用解析表達(dá)式概括為U aE 1a 其中ECU為經(jīng)過量化和模糊化的模糊變量相應(yīng)的論域分別為誤差誤差變化率及控制量a為調(diào)整因子由上式描述的控制規(guī)那么可看出控制作用取決于誤差及誤差變化率且通過調(diào)整a的大小可以改變對(duì)誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度a值一旦確定在整個(gè)控制過程中就不再改變圖10 加熱爐模糊控制系統(tǒng)的原理圖模糊控制規(guī)那么的設(shè)計(jì)原那么是當(dāng)誤差E較大時(shí)控制量U的變化應(yīng)使誤差E迅速減小為目的當(dāng)誤差E較小時(shí)應(yīng)當(dāng)在消除誤差E的同時(shí)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性預(yù)防超調(diào)甚至振蕩例如當(dāng)誤差為正大或正中時(shí)如果誤差變化為正說明誤差正在不斷地增大為了使誤差迅速減少應(yīng)將控制量迅速減少取負(fù)大當(dāng)誤差E為正而誤差變化EC為負(fù)說明系統(tǒng)

28、本身已經(jīng)有減少誤差的趨勢(shì)為盡快消除誤差E且又不超調(diào)應(yīng)取較小的控制量例如假設(shè)誤差為正大時(shí)誤差的變化為負(fù)小說明誤差正在慢慢減小應(yīng)保持誤差繼續(xù)減小控制量適當(dāng)取負(fù)中假設(shè)此時(shí)誤差變化為負(fù)中或負(fù)大時(shí)說明誤差正在快速減小為了預(yù)防超調(diào)控制量不宜變化取零當(dāng)誤差為正小時(shí)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)假設(shè)誤差變化也為正選擇控制量變化為正中來抑制誤差向正的方向變化假設(shè)誤差變化為負(fù)時(shí)系統(tǒng)本身有消除正小誤差的趨勢(shì)控制量取正小當(dāng)誤差為正小時(shí)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)假設(shè)誤差變化也為正選擇控制量變化為正中來抑制誤差向正的方向變化假設(shè)誤差變化為負(fù)時(shí)系統(tǒng)本身有消除正小誤差的趨勢(shì)控制量取正小通過模糊決策去模糊化后得到控制表和輸出量表如下表3 模糊控制表-6-5-

29、4-3-2-10123456-66666666422000-56666666422000-46666666422000-36666666444-2-2-2-24445422100-2-2-2-24445444100-2-2-23-2-104442235364-4-4-412222542222-4-4-421212561243-4-4-430000-4-4-6-6-6-6-6-6-64000-2-4-4-6-6-6-6-6-6-65000-2-4-4-6-6-6-6-6-6-66000-2-4-4-6-6-6-6-6-6-66 輔助電路一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)除了需要上述各

30、功能電路以外還需要時(shí)鐘信發(fā)生電路復(fù)位電路等輔助電路本系統(tǒng)中還需要參加報(bào)警電路以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性及平安性61 復(fù)位電路 復(fù)位電路是單片機(jī)中必不可少的所謂的復(fù)位就是將單片機(jī)重新啟動(dòng)這時(shí)單片機(jī)內(nèi)部的所有存放器都回到初始狀態(tài)復(fù)位電路有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式本系統(tǒng)中采用手動(dòng)復(fù)位圖11 手動(dòng)復(fù)位電路62 報(bào)警電路為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及平安性我們必須要對(duì)電阻爐的溫度有一個(gè)上下限溫度的設(shè)定當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出爐溫高于或低于其上下限設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)立即向操作人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)以便能夠及時(shí)地采取應(yīng)對(duì)措施該系統(tǒng)中采取了簡(jiǎn)單可靠的聲光報(bào)警電路其結(jié)構(gòu)如下圖12 報(bào)警電路當(dāng)爐溫越過設(shè)定的上下限時(shí)單片機(jī)P12口輸出低電平使三極管

31、導(dǎo)通有電流通過揚(yáng)聲器即起到了報(bào)警的作用7 軟件的設(shè)計(jì)軟件包括兩個(gè)方面一是初始化系統(tǒng)二是數(shù)據(jù)采集并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理這兩方面的操作分別在主程序和中斷處理效勞程序中來進(jìn)行程序采用模塊化的結(jié)構(gòu)這樣程序結(jié)構(gòu)清楚易編程和易讀性好也便于調(diào)試和修改模糊控制器的主程序包括初始化鍵盤管理及控制模塊和顯示模塊的調(diào)用軟件的主要流程是利用89C51單片機(jī)的定時(shí)器T0和軟件計(jì)數(shù)產(chǎn)生采樣周期周期到程序就轉(zhuǎn)入控制模塊調(diào)AD轉(zhuǎn)換數(shù)字濾涉及標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊得到爐溫的反應(yīng)信號(hào)根據(jù)偏差和偏差的變化率計(jì)算控制量輸出脈沖信號(hào)控制過零觸發(fā)器啟動(dòng)停止以及輸入給定值皆通過鍵盤利用外部中斷產(chǎn)生有按鍵輸入時(shí)那么調(diào)用中斷效勞程序71 系統(tǒng)應(yīng)用程序

32、組成溫度控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下問題 I 鍵盤掃描鍵盤識(shí)別溫度顯示 2 爐溫采樣數(shù)字濾波 3 越限報(bào)警和處理 4 模糊控制程序溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換通常符合上述功能的溫度控制程序由主程序和中斷效勞程序組成圖13 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)總圖72 模糊運(yùn)算程序流程圖圖14 加熱爐模糊控制程序流程圖73 主程序流程圖模糊控制器的程序固化在89C51內(nèi)部的flash存儲(chǔ)器中分為主程序和假設(shè)干個(gè)子程序主程序的功能是系統(tǒng)初始化管理和調(diào)用各個(gè)子程序其流程圖如下停止 啟動(dòng) 啟動(dòng) 停止圖15 主程序流程圖8 抗干擾措施為防干擾在系統(tǒng)中還采用 1 用光電耦合器把各種模擬負(fù)載與數(shù)字信息源隔離開來也就是把模擬地和數(shù)字地?cái)嚅_杜絕強(qiáng)電脈

33、沖通過1O口串人單片機(jī) 2 阻容濾波網(wǎng)絡(luò)來除去常態(tài)高頻干擾同時(shí)在程序里還加人數(shù)字濾波程序 3 AD數(shù)據(jù)采集采取10次算術(shù)平均有效地防止了誤讀數(shù) 4 為提高精度還對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償對(duì)變送器進(jìn)行了零點(diǎn)偏移 5 程序模塊功能劃清楚確硬件部件相對(duì)獨(dú)立工作系統(tǒng)工作時(shí)各局部之間相互干擾降到最低程度實(shí)驗(yàn)說明該方案滿足控制要求系統(tǒng)工作穩(wěn)定抗干擾能力強(qiáng)效果滿意 9 結(jié)束語接到畢業(yè)課題以后我首先收集和查閱了國內(nèi)外爐溫控制系統(tǒng)的相關(guān)資料仔細(xì)地分析了各種現(xiàn)行的溫控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與缺乏并且在結(jié)合我國內(nèi)地實(shí)際情況的根底上專門針對(duì)在中小企業(yè)或家庭式作坊應(yīng)用比擬普遍的電加熱爐設(shè)計(jì)了以套基于單片機(jī)的爐溫自動(dòng)檢控系統(tǒng)考慮到該系

34、統(tǒng)主要是為一些不具備自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)的人員設(shè)計(jì)那么該系統(tǒng)不僅要本錢低廉而且要具有較高的工作穩(wěn)定性擁有人性化的簡(jiǎn)易的人機(jī)交互平臺(tái)在綜合了各方面因素后該系統(tǒng)決定以89C51單片機(jī)為核心采用智能模糊控制算法本文系統(tǒng)地介紹了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的熱處理加熱爐溫度控制系統(tǒng)由于控制對(duì)象是一種具有純滯后的大慣性環(huán)節(jié)采用智能模糊控制器可以到達(dá)理想的控制效果實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果說明系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)1控制方案合理穩(wěn)態(tài)精度高超調(diào)小2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單調(diào)試方便抗干擾強(qiáng)魯棒性好然而該系統(tǒng)并不適用于要求高度自動(dòng)化的成產(chǎn)過程系統(tǒng)本身有很多需要改良的地方首先它沒有與計(jì)算機(jī)通信的端口不能對(duì)加熱過程的溫度進(jìn)行記錄和分析其次該系統(tǒng)的靈活性較差不能一次設(shè)定加熱

35、過程不同階段的不同溫度這些無疑在很大程度上降低了它的智能化水平致謝本文是在指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下完成的指導(dǎo)老師具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在治學(xué)及做人方面使我受益匪淺衷心感謝老師對(duì)我的關(guān)心指導(dǎo)和幫助通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我們把理論與實(shí)際聯(lián)系起來對(duì)平時(shí)所學(xué)的單片機(jī)傳感器以及電子技術(shù)將這些學(xué)科有機(jī)的聯(lián)系起來進(jìn)行了本次設(shè)計(jì)這次設(shè)計(jì)使我們將大學(xué)這幾年所學(xué)的知識(shí)做了一次很好的總結(jié)也使我們明白了學(xué)習(xí)不再是單一的學(xué)習(xí)而是橫向縱向的去學(xué)習(xí)去考慮問題這為我們以后的工作和學(xué)習(xí)提供了很好的思路和方法也打下了堅(jiān)實(shí)的根底在本次設(shè)計(jì)中同樣碰到了好多的問題指導(dǎo)老師在這些問題上不在是象答疑一樣的幫助我們?nèi)ソ鉀Q問題而是引導(dǎo)我們給

36、我們一個(gè)思路剩下的具體的工作都要自己去進(jìn)行理解和設(shè)計(jì)這讓我們學(xué)會(huì)了自己去進(jìn)行一定范圍內(nèi)的創(chuàng)作同樣我們?cè)趯W(xué)科之間交叉上存在不少的盲點(diǎn)通過這次設(shè)計(jì)使這些學(xué)科都能進(jìn)行聯(lián)系在遇到不懂的問題也學(xué)會(huì)了自己去圖書館和網(wǎng)絡(luò)上找資料使我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉鑒于作者的水平有限難免存在一些錯(cuò)誤和不當(dāng)之處望各位專家批評(píng)指正在此對(duì)大家表示衷心的感謝參考文獻(xiàn)1 楊宏麗 基于單片機(jī)的加熱爐溫度模糊控制系統(tǒng)J電子工程20050456-58200411-363 凌云基于單片機(jī)的真空爐溫控系統(tǒng)J測(cè)控自動(dòng)化20040716- 20035 李平周育才吳奇志熱電偶檢定爐爐溫模型參考自適應(yīng)控制的研究J控制系統(tǒng)2006076

37、-286沙占友等單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)第二版 北京電子工業(yè)出版社20067 余永權(quán)曾碧單片機(jī)模糊邏輯控制M北京北京航空航天大學(xué)出版社19958 諸靜模糊控制原理及應(yīng)用M北京機(jī)械工業(yè)出版社1995 9卜云峰檢測(cè)技術(shù)M 機(jī)械工業(yè)出版社200510于海生微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M清華大學(xué)出版社200611李朝青單片機(jī)原理及接口技術(shù)M第三版北京航空航天大學(xué)出版社200712 美Brian WKemighan Rob Pike著裘宗燕譯程序設(shè)計(jì)實(shí)踐北京機(jī)械工業(yè)出版社2000813Mallat S G A theory for multi-resolution signal decompositionthe wav

38、elet represen-tationJ IEE -E Trans PAM I 1989 11 7 674693 Bayens M A DAn approach tO the design of a fuzzyselftuning PID controller Automatic Control Joumal A 199536 2 15 Godhwani ABasler M jA di al excitation control system for use on brushhss excited synchronous generatots IEEE Trans On EC 199611

39、3 616620附錄一總原理圖附錄二總程序ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP T00 ORG 001BH LJMP T100 ORG 0030H MAINMOV R07FH MAIN1MOV R000H DJNZ R0MAIN1 MOV SP60H MOV 08H32H MOV 0FH20H MOV 10H20H MOV TMOD11H 使T0工作在方式1 T1工作于方式1 MOV TH00FCH MOV TL018H SETB TR0 SETB ET0 SETB IT0 SETB EX0 SETB EA 開中斷 SETB 2FHBEGIN DIS00 MOV

40、 A09H MOV B64H DIV AB MOV 35HA MOV AB MOV B0AH DIV AB MOV 36HA MOV 37HB MOV A43H CJNE A3aHOUT01 MOV A42H CJNE A98HOUT01 MOV 42H00H MOV 43H00H LCALL SAMP SETB 2FH1 OUT01 JNB 2FH1OUT02 LCALL FILTER CLR 2FH1 SETB 2FH2 MOV R225H MOV R324H LCALL CPL1 LCALL SUM MOV AR2 CJNE A01AHOUT04 LJMP OUT05 OUT04 JC

41、OUT05 SETB P12 LJMP OUT06 OUT05MOV 26H12H MOV 27H1H MOV 28H1H LCALL PID MOV TH12CH MOV TL12DH SETB TR1 SETB ET1 LJMP OUT06 OUT02 MOV A45H CJNE A03HOUT06 MOV A44H CJNE A0E8HOUT06 MOV 44H00H MOV 45H00H MOV TH12CH MOV TL12DH SETB TR1 SETB ET1 OUT06 JB 2FH4OUT07 JNB 2FH2BEG BEGljmp begin OUT07 MOV 24H56

42、H MOV R024H LCALL TRANSF MOV 32HR0 MOV 33HR1 MOV 34HR2 MOV 25H0FFH MOV R025H LCALL TRANSF MOV 35HR0 MOV 36HR1 MOV 37HR2 CLR 2FH2 CLR 2FH4 LJMP BEGIN T100 CLR ET1 PUSH ACC PUSH B PUSH PSW PUSH DPH PUSH DPL CLR P12 POP DPL POP DPH POP PSW POP B POP ACC SETB ET1 RETI KEY1 MOV 30H01H MOV A01H ADD A09H M

43、OV 09HA MOV A00H ADDC A13H MOV 13HA RET KEY2 MOV 30H02H MOV A0AH MOV B09H MUL AB SWAP A ADD AB SWAP A MOV 09HA RET KEY3 MOV 30H03H CLR C MOV A01H XCH A09H SUBB A09H MOV 09HA RET KEY4 MOV 30H04H MOV 09H00H RET T00 CLR EA PUSH ACC PUSH B PUSH PSW PUSH DPH PUSH DPL CLR RS1 SETB RS0 MOV TH00FCH MOV TL02

44、5H MOV DPTR7FFFH MOV A00H MOVX DPTRA MOV DPTR9FFFH MOV A0FFH MOVX DPTRA MOV AR0 MOV DPTRTAB MOVC AADPTR MOV DPTR9FFFH MOVX DPTRA MOV DPTR7FFFH MOV AR7 MOVX DPTRA INC R0 RR A MOV R7A CJNE R038Hscan MOV R032H MOV R720H scan MOV A42H ADD A01H MOV 42HA MOV A43H ADDC A00H MOV 43HA MOV A44H ADD A01H MOV 4

45、4HA MOV A45H ADDC A00H MOV 45HA KEY01 MOV DPTR1FFFH MOV A0FEH MOVX DPTRA JB P17KEY02 INC 4aH MOV A4aH CJNE A0AHKEY02 MOV 4aH00H MOV A46H CJNE A00HKEY02 LCALL KEY2 INC 46H KEY02 JNB P17BECK1 MOV 46H00H BECK1 MOV A0DFH MOVX DPTRA NOP NOP JB P17KEY03 INC R2 INC 4bH MOV A4bH CJNE A0FFHLOOP02 MOV 4bH00H INC 4cH MOV A4cH SUBB A08H JNC LOOP03 LOOP02 CJNE R20AHKEY03 MOV R200H MOV A47H CJNE A00HKEY03 LOOP03 LCALL KEY1 I