計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)--基于數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制講述課程設(shè)計(jì)任務(wù)書I計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目：基于數(shù)字題目：基于數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容電阻加熱爐用于合金鋼產(chǎn)品熱力特性實(shí)驗(yàn)，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預(yù)定的時(shí)問(wèn)內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。在木控制對(duì)象電阻加熱爐功率為 8Kw ，由 220V 交流電源供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)針對(duì)一個(gè)溫區(qū)進(jìn)行溫度控制，要求控制溫度范困 50-350 ，保溫階段溫度控制精度為土 l 選擇和合適的傳感器，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過(guò)雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓。其對(duì)象溫控?cái)?shù)學(xué)模型為：

2、1)(sTeKsGdsd其中：時(shí)間常數(shù) Td= 350 秒放大系數(shù) Kd = 50 滯后時(shí)間 Td = 10 秒控制算法選用 PID 控制。設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟一、總體方案設(shè)計(jì)一、總體方案設(shè)計(jì)二、控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)二、控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)三、硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)三、硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1、選擇計(jì)算機(jī)機(jī)型（采用 51 內(nèi)核的單片機(jī)） ；2、 設(shè)計(jì)支持計(jì)算機(jī)工作的外圍電路（ EPROM , RAM 、I/O 端口 、鍵盤、顯示接口電路等）3、設(shè)計(jì)輸入信號(hào)接口電路；4、設(shè)計(jì) D/A 轉(zhuǎn)換和電流驅(qū)動(dòng)接口電路；5、其它相關(guān)電路的設(shè)計(jì)或方案（電源、通信等）四、軟件設(shè)計(jì)四、軟件設(shè)計(jì)1、分配系統(tǒng)資源

3、，編寫系統(tǒng)初始化和主程序模塊框圖；2 編寫 A/D 轉(zhuǎn)換和溫度檢測(cè)子程序樞圖；3、編寫控制程序和 D/A 轉(zhuǎn)換控制子程序模塊粗圖；4、其它程序模塊（顯示與鍵盤等處理程序）樞圖。五、編寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖（五、編寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖（ A3 幅面）幅面） 。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求1 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)書寫認(rèn)真字跡工稚，論文格式參考國(guó)家正式出版的書籍和論文編排。 2 論理正確、邏輯性強(qiáng)、文理通顧、層次分明、表達(dá)確切，并提出自己的見解和觀點(diǎn)。 3 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)有目錄、摘要、序言、主干內(nèi)容（按章節(jié)編寫） 、主要結(jié)論和參考書，附錄應(yīng)有系統(tǒng)方樞圖和電路原理圖。計(jì)算機(jī)控制講

4、述課程設(shè)計(jì)任務(wù)書II 4 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)包括按上述設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)的分析和思考內(nèi)容和引用的相關(guān)知識(shí)摘要I摘要摘要單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來(lái)使用，僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。 本設(shè)計(jì)從和軟件兩方面來(lái)講述加熱爐動(dòng)控制過(guò)程,在控制過(guò)程中主要應(yīng)用AT89C51、ADC0809、LED 顯示器，通過(guò) DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機(jī)為核心控制部件，并通過(guò)四位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度的一種數(shù)字溫度計(jì)。軟件方面采用匯編語(yǔ)言

5、來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲(chǔ)空間。為了便于擴(kuò)展和更改，軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系更加簡(jiǎn)潔明了，使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運(yùn)作。 而系統(tǒng)的過(guò)程則是：首先,通過(guò)設(shè)置按鍵,設(shè)定恒溫運(yùn)行時(shí)的溫度值，并且用數(shù)碼管顯示這個(gè)溫度值.然后,在運(yùn)行過(guò)程中將采樣的溫度模擬量送入 A/D 轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，最后用單片機(jī)來(lái)控制加熱器,進(jìn)行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；溫度；加熱爐ABSTRACTIIABSTRACTThe application of SCM is to keep

6、 at the same time, traditional control testing update on Crescent benefits. In real-time detection and automatic control system of single-chip applications, often as a single-chip core component to use only single-chip is not enough knowledge, but also the specific hardware structure and the specifi

7、c features of application software objects combine to make perfect. In this paper, both hardware and software for automatic control of water temperature on the process, in the control of the main application of the process of AT89C51, ADC0809, LED display, through the digital temperature sensor DS18

8、B20 collecting ambient temperature to single-chip microcomputer as the core control components, and through four real-time digital display of a digital thermometer temperature. Software using assembly language for programming, so that the implementation of Directive speed, to save storage space. In

9、order to facilitate the expansion and changes to the design of modular software structure, so that the logic of the relationship between program design more concise,Hardware software co-operation under the control of it.And systematic process is: First of all, by setting the button, set the thermost

10、at temperature at the time of operation, and digital display of the temperature. Then, in the running temperature of the process of sampling analog into the A / D converter in the simulation - digital converter, and then converted digital control with digital display, the last single-chip microcompu

11、ter to control the heater used for heating or stop heating until the temperature in the provisions under the constant temperature heating.Key words：Single-chip microcomputer system ；Data Acquisition；ADC；Temperature；heating furnace；目錄III目目 錄錄計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書.I摘要 .II第一章 基于數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).11.1 系統(tǒng)總

12、體設(shè)計(jì).11.2 控制系統(tǒng)的建模.21.3 數(shù)字控制器設(shè)計(jì).5第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).82.1 主電路設(shè)計(jì).82.1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu).82.1.2 系統(tǒng)硬件.82.1.3 選擇計(jì)算機(jī)機(jī)型.92.2 控制電路設(shè)計(jì).202.2.1 顯示單元.202.2.2 按鍵控制單元.202.2.3 溫度采樣單元.212.2.4 電源部分.212.2.5 采樣測(cè)量部分.222.2.6 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分.23第三章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).253.1 軟件結(jié)構(gòu).253.2 算法實(shí)現(xiàn).263.2.1 LED 顯示模塊.263.2.2 報(bào)警模塊.273.2.3 鍵盤模

13、塊.273.2.4 A/D 轉(zhuǎn)換器模塊.283.2.5 通信模塊.28心得體會(huì).30參考書目.31附錄.32第一章 基于數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1第一章第一章 基于數(shù)字基于數(shù)字 PIDPID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)1.11.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)11溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過(guò)程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的被控對(duì)象參數(shù)之一，當(dāng)今計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫度控制系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)化、智能化，比過(guò)去單純采用電子線路進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有很大的提高。溫度是一個(gè)非線性的對(duì)象，具有大慣性的特點(diǎn)，

14、在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。對(duì)于這種溫控對(duì)象，一般認(rèn)為其具有以下的傳遞函數(shù)形式：（11）1sSKSeT采用以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對(duì)溫度控制，可達(dá)到模擬控制所達(dá)不到的效果，并且實(shí)現(xiàn)顯示和鍵盤設(shè)定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。通過(guò)對(duì)機(jī)內(nèi)數(shù)字 PID 參數(shù)的設(shè)置對(duì)受控對(duì)象的精確控制。使得系統(tǒng)所沒得結(jié)果的精度大大提高。第一章 基于數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)21.21.2控制系統(tǒng)的建?？刂葡到y(tǒng)的建模11加熱爐內(nèi)水溫為被控對(duì)象，循環(huán)冷卻水的流量為操縱變量。根據(jù)非穩(wěn)態(tài)下的熱平衡方程可得到：Q= UA（ T -T a）+MC （1-2）dTdTQ-發(fā)熱量，U-總傳熱系數(shù)，

15、A-傳熱面積，Ta -冷卻水平均溫度，T-加熱爐內(nèi)水溫，M-爐內(nèi)水的質(zhì)量，C-水的比熱容把式2-1 整理成一階時(shí)滯模型的形式，即（1-3）MC dTQT+TaUA dTUAMCUA由穩(wěn)態(tài)熱平衡方程，利用對(duì)數(shù)平均溫差的關(guān)系式：（1-4） UAT-TiT-ToT-TiQ=FClnT-TolnT-TiT-ToF 冷卻水流量，Ti 冷卻水入口溫度To 冷卻水出口溫度（1-2）T-TiUA=FClnT-To（1-5）FTiFcTc+ F-Fc To（1-6）FcTi=To- To-TcF（1-7）Q=FcCc To-Tc（1-8）dT+T=KoF t- odt將上式進(jìn)行拉氏變換，得到了過(guò)程傳遞函數(shù)為：（

16、1-9） - oST sKoGo S =eF ss1選擇鍋爐的高為和h=400mm，直徑D=200mm，則傳熱面積A=0.5024 體積V=0.0293。冷卻水入口溫度T i=20，冷卻水出口溫度T o=50。3m帶入已知參數(shù)如下：水的比熱容：C 4.1868 3-1-110 J KgK第一章 基于數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3水的傳熱系數(shù)：U0.6W/mK水的密度：31000kgm爐內(nèi)水的質(zhì)量：2DM= V=() h=75.36kg23MC4.1868 10=100=407.05AU6003C4.1868 10Ko=13.89UA600 0.16 3.1430Ko13.89G

17、(s)=s+14071tossees根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，在 MATLAB 中進(jìn)行仿真7。首先創(chuàng)建 M 文件，輸入Matlab 仿真程序：clc；clear；sysl=tf（13.89,407,1,ioDelay,30） ；step（sys1）然后保存并且運(yùn)行，可加熱爐以得到對(duì)象的響應(yīng)曲線為下圖所示。 圖 1-2 加熱爐溫度對(duì)象開環(huán)階躍響應(yīng)曲線根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，打開 Matlab 中的 Simulink 模塊，選用數(shù)字 PID 控制，第一章 基于數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4完成各組件連接。 圖 1-3 單閉環(huán)控制回路采用工程整定經(jīng)驗(yàn)法10，設(shè)置 PID 的三個(gè)參數(shù)，如下圖 圖 1

18、-4 PID 三個(gè)參數(shù)階躍響應(yīng)閉環(huán)控制效果圖如下 第一章 基于數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)5 圖 1-5 PID 控制階躍響應(yīng)曲線由上述仿真圖可看出，采用數(shù)字PID控制對(duì)電加熱爐溫度對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)單回路控制滯后較大，控制效果不是非常理想，故考慮對(duì)其進(jìn)行串級(jí)控制。1.31.3 數(shù)字控制器設(shè)計(jì)數(shù)字控制器設(shè)計(jì)增量式 PID 控制算法公式為：1211121222(1)(1)kkkkkkpkkkdidddpkpkpkikkkeeeTUuuKeeeTTTTTTTKeKeKeTTTTAeBeCe其中：(1)2(1)dpidpdpTTAKTTTBKTTCKT第一章 基于數(shù)字 PID 的電加熱爐溫

19、度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)6由上式可以看出，如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T，一旦確定A,B,C,k 只要使用前后三資測(cè)量的偏差值，就可以由上式求出控制量。增量式 PID 控制算法與位置式 PID 算法相比，計(jì)算量小得多，因此在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。Typedef struct PIDInt setpoint;Long sumerror;Double proportion;Double integral;Double derivative;Int preverror;第一章 基于數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)7 PID;Static PID sPID;Static PID*spt

20、r=&sPID;Void incPIDinit(void)Sptr-sumerror=0;Sptr-lasterror=0;Sptr-preverror=0;Sptr-proportion=0;Sptr-integral=0;Sptr-derivative=0;Sptr-setpoint=0;Int incPIDdalc(int Nextpoint) register int ierror,iIncpid;Ieror= Sptr-setpoint-nextpoint;iIncpid= Sptr-proportion*ierror- Sptr-integral* Sptr-lasterr

21、or= Sptr-derivative* Sptr-preverror;Sptr-preverror= Sptr-lasterror;Sptr-lasterror=ierror;Return(iIncpid) 第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)8第二章第二章 數(shù)字?jǐn)?shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 主電路設(shè)計(jì)主電路設(shè)計(jì)2.1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)13圖 2-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖2.1.2 系統(tǒng)硬件圖 2-2 系統(tǒng)硬件第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)92.1.32.1.3 選擇計(jì)算機(jī)機(jī)型（采用選擇計(jì)算機(jī)機(jī)型（采用 5

22、151 內(nèi)核的單片機(jī)）內(nèi)核的單片機(jī)）AT89C51 的簡(jiǎn)介及其組成特性14AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。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 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATM

23、EL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖所示圖 2-3 AT89C51功能特性AT89C51 提供以下的功能標(biāo)準(zhǔn)：4K 字節(jié)閃爍存儲(chǔ)器，128 字節(jié)隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，32 個(gè) I/O 口，2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1 個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，1個(gè)串行通信口，片內(nèi)震蕩器和時(shí)鐘電路。另外，AT89C51 還可以進(jìn)行 0HZ 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件的節(jié)電模式。閑散方式停止中央處理器的工作，能夠允許隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼

24、續(xù)工作。掉電方式保存隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其它所第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)10有部件的工作直到下一個(gè)復(fù)位。引腳描述：VCC：電源電壓 GND：地P0 口：P0 口是一組 8 位漏極開路雙向 I/O 口，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時(shí)，每一個(gè)管腳都能夠驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 電路。當(dāng)“1”被寫入 P0 口時(shí)，每個(gè)管腳都能夠作為高阻抗輸入端。P0 口還能夠在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，并在這時(shí)激活內(nèi)部的上拉電阻。P0 口在閃爍編程時(shí)，P0 口接收指令，在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令，需要接電阻。P1 口：P1 口一個(gè)帶

25、內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL電路。對(duì)端口寫“1” ，通過(guò)內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)輸出一個(gè)電流。閃爍編程時(shí)和程序校驗(yàn)時(shí)，P1 口接收低 8 位地址。P2 口：P2 口是一個(gè)內(nèi)部帶有上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL 電路。對(duì)端口寫“1” ，通過(guò)內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時(shí)，可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn) 8

26、位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口線上的內(nèi)容在整個(gè)運(yùn)行期間不變。閃爍編程或校驗(yàn)時(shí)，P2 口接收高位地址和其它控制信號(hào)。P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部電阻的 8 位雙向 I/O 口，P3 口輸出緩沖故可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL電路。對(duì) P3 口寫如“1”時(shí)，它們被內(nèi)部電阻拉到高電平并可作為輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用電阻輸出電流。P3 口除了作為一般的 I/O 口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 2-1 所示：第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)11表 2-1端口引腳第二功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2INT0P3.3INT1P3.4T0P3.5T1P3.6W

27、RP3.7RDP3 口還接收一些用于閃爍存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)震蕩器工作時(shí)，RET 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/ ：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE 以時(shí)鐘震蕩頻率的 1/16 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖時(shí)，閃爍存儲(chǔ)器編程時(shí)，這個(gè)引腳還用于輸入編程脈沖。如果必要，可對(duì)特殊寄存器區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置禁止 ALE 操作。這個(gè)位置后只有一條 MOVX 和 MOVC

28、 指令 ALE 才會(huì)被應(yīng)用。此外，這個(gè)引腳會(huì)微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 無(wú)效。PSEN：程序儲(chǔ)存允許輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使中央處理器僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，EA 端必須保持低電平。需要注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA端為高電平，CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。閃爍存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V 的編程允許電壓 VP

29、P，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓VPP。第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)12XTAL1：震蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：震蕩器反相放大器的輸出端。ADC0809 概述ADC0809 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8 通道，8 位逐次逼近式A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通 8 路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片圖 2-4 ADC0809 管腳圖1主要特性1）8 路輸入通道，8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率為 8

30、位。 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100s(時(shí)鐘為 640kHz 時(shí))，130s（時(shí)鐘為 500kHz 時(shí)） 4）單個(gè)+5V 電源供電 5）模擬輸入電壓范圍 0+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度范圍為-40+85 攝氏度 7）低功耗，約 15mW。 2內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它由8 路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8 位開關(guān)樹型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。 3外部特性（引腳功能）第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)13ADC0809 芯片有 28 條引腳

31、，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說(shuō)明各引腳功能。 IN0IN7：8 路模擬量輸入端。 2-12-8：8 位數(shù)字量輸出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路 ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使 0809 復(fù)位，下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換） 。 EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平） 。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平

32、，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ。 REF（+） 、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一+5V。 GND：地。 ADC0809 的工作過(guò)程首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成，EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng) OE 輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量

33、輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確認(rèn) A/D 轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖 2-5 所示。第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)14圖 2-5 ADC0809 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖中多路開關(guān)可選通 8 個(gè)模擬通道，允許 8 路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì) A、B、C 3 個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)

34、總線相連，表 2-2 為通道選擇表。通道選擇表 2-2MCS-51 單片機(jī)與 ADC0809 的接口ADC0809 與 MCS-51 單片機(jī)的連接如圖所示。電路連接主要涉及兩個(gè)問(wèn)題。一是 8 路模擬信號(hào)通道的選擇，二是 A/D 轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。路模擬通道選擇第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)15圖 2-6 ADC0809 與 MCS-51 的連接如圖所示模擬通道選擇信號(hào) A、B、C 分別接最低三位地址 A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址鎖存允許信號(hào) ALE 由 P2.0控制，則 8 路模擬通道的地址為0FEF8H0FEFFH.此外，通道地址選

35、擇以作寫選通信號(hào)，這一部分電路連接如圖所示。圖 2-7ADC0809 的部分信號(hào)連接 圖 2-8 信號(hào)的時(shí)間配合第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)16從圖中可以看到，把 ALE 信號(hào)與 START 信號(hào)接在一起了，這樣連接使得在信號(hào)的前沿寫入（鎖存）通道地址，緊接著在其后沿就啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。圖 9.19 是有關(guān)信號(hào)的時(shí)間配合示意圖。 啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換只需要一條 MOVX 指令。在此之前，要將 P2.0 清零并將最低三位與所選擇的通道好像對(duì)應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針 DPTR 中。例如要選擇 IN0通道時(shí)，可采用如下兩條指令，即可啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換：MOV DPTR , #FE00H

36、；送入 0809 的口地址MOVX DPTR , A ；啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換（IN0）注意：此處的 A 與 A/D 轉(zhuǎn)換無(wú)關(guān)，可為任意值。2. 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確認(rèn) A/D 轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。（1）定時(shí)傳送方式 對(duì)于一種 A/D 轉(zhuǎn)換其來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如 ADC0809 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 128s，相當(dāng)于 6MHz 的 MCS-51 單片機(jī)共 64 個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定

37、已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（2）查詢方式 A/D 轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如 ADC0809 的 EOC 端。因此可以用查詢方式，測(cè)試 EOC 的狀態(tài)，即可卻只轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（3）中斷方式 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過(guò)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以 信號(hào)有效時(shí)，OE 信號(hào)即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)17DAC0832 簡(jiǎn)介圖 2-9 DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖D0D7：8 位

38、數(shù)據(jù)輸入線，TTL 電平，有效時(shí)間應(yīng)大于 90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò))； ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效； CS：片選信號(hào)輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器） ，低電平有效； WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于 500ns）有效。由ILE、CS、WR1 的邏輯組合產(chǎn)生 LE1，當(dāng) LE1 為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1 的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存； XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號(hào)輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于 500ns）有效； WR2：DAC 寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于 500ns）有效。由WR2、XFER 的邏輯組合產(chǎn)生 LE2，當(dāng)

39、 LE2 為高電平時(shí)，DAC 寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2 的負(fù)跳變時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入 DAC 寄存器并開始D/A 轉(zhuǎn)換。 IOUT1：電流輸出端 1，其值隨 DAC 寄存器的內(nèi)容線性變化； IOUT2：電流輸出端 2，其值與 IOUT1 值之和為一常數(shù)； Rfb：反饋信號(hào)輸入線，改變 Rfb 端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度； * Vcc：電源輸入端，Vcc 的范圍為+5V+15V； VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF 的范圍為-10V+10V； 第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)18AGND：模擬信號(hào)地 DGND：數(shù)字信號(hào)地D/A 轉(zhuǎn)換和控制要實(shí)現(xiàn) D/

40、A 轉(zhuǎn)換，可以采用下面的程序。 （轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放在 1000H 單元中）MOV BX,1000HMOV AL,BXMOV DX,PORTAOUT DX,AL運(yùn)算放大器 LM324本次設(shè)計(jì)所用的運(yùn)算放大器是 LM324，而 LM324 的系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到 3 伏或者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特點(diǎn)是短跑保護(hù)輸出、真差動(dòng)輸入級(jí)、底偏置電流為最大 100mA、每

41、封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器、具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ?、共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列、輸入端具有靜電保護(hù)功能。其管腳連接圖如下圖 2-10：圖 2-10 LM324 管腳連接圖移位寄存器 74LS16474LS164 為串行輸入、并行輸出移位寄存器，其引腳功能如下：A、B串行輸入端;Q0Q7并行輸出端；第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)19MR|清除端，低電平有效；CLK時(shí)鐘脈沖輸入端，上升沿有效。多片 74LS164 串聯(lián)，能實(shí)現(xiàn)多位 LED 靜態(tài)顯示。每擴(kuò)展一片 164 就可增加一們顯示。MR 接+5V,清除。其引腳圖如下。圖 2-11 74LS164 管腳連接圖數(shù)碼顯示管

42、圖 2-12 數(shù)碼管引腳圖LED 顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機(jī)的應(yīng)用上也是被廣泛運(yùn)用的。如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用 LED 數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED 數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單易行。 LED 數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符，常用的 LED 數(shù)碼管有 7 段和“米”字段之分。這種顯示器有共陽(yáng)極和共陰極兩種。共陰極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電

43、平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽(yáng)極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽(yáng)極接在一起，通常此共陽(yáng)極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)，發(fā)光二第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)20極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。本次設(shè)計(jì)所用的 LED 數(shù)碼管顯示器為共陽(yáng)極。 LED 數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)材料不同正向壓降一般為1.52V，額定電流為 10MA，最大電流為 40MA。靜態(tài)顯示時(shí)取 10MA 為宜，動(dòng)態(tài)掃描顯示可加大脈沖電流，但一般不超過(guò) 40MA。2.22.2 控制電路設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)2.2.1 顯示單元通過(guò) 74LS48 芯片將主機(jī)處理的溫度信息顯示在

44、LED 數(shù)碼管上。圖 3-3 則為溫度控制系統(tǒng)的單片機(jī)顯示部分。而顯示部分在整個(gè)的設(shè)計(jì)過(guò)程中的作用也是很大的。圖 2-13 顯示單元2.2.2 按鍵控制單元按鍵控制電路，其中按鍵控制電路這一模塊設(shè)置：“設(shè)置” 、 “加 1” 、 “右移” 、 “確定”四個(gè)按鍵，來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，人為地設(shè)定溫度門限值，使電路在人為設(shè)定的某一溫度值相對(duì)穩(wěn)定的工作。第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)21圖 2-14 按鍵2.2.3 溫度采樣單元用于彩信被控對(duì)象的溫度參數(shù)，它由溫度電壓轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大及 A/D 轉(zhuǎn)換三部分組成。其中，將溫度轉(zhuǎn)化為電量的溫度電壓轉(zhuǎn)換由溫度傳感器-熱敏電阻實(shí)現(xiàn)，小信號(hào)放大

45、由格式放大電路實(shí)現(xiàn)，A/D 轉(zhuǎn)換選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809，將采集到的溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 AT89C51 能夠使用。圖 2-15 采樣單元模塊2.2.4 電源部分13第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)22本系統(tǒng)所需電源有 220V 交流市電、直流 5V 電壓和低壓交流電，故需要變壓器、整流裝置和穩(wěn)壓芯片等組成電源電路。電源變壓器是將交流電網(wǎng) 220V 的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有+-10%左右的波動(dòng)） 、負(fù)

46、載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后,還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。整流裝置采用二極管橋式整流，穩(wěn)壓芯片采用 78L05,配合電容將電壓穩(wěn)定在 5V，供控制電路、測(cè)量電路和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路中弱電部分使用。除此之外，220V 交流市電還是加熱電阻兩端的電壓，通過(guò)控制雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來(lái)控制加熱電阻的功率。低壓交流電即變壓器二次側(cè)的電壓，通過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)交流電的過(guò)零點(diǎn)，送入單片機(jī)后，由控制程序決定雙向可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到控制加熱電阻功率的目的。2.2.5 采樣測(cè)量部分在檢測(cè)裝置中，溫度檢測(cè)用 WZP-231 鉑熱電阻（Pt

47、100） ，采用三線制接法，采樣電路為橋式測(cè)量電路，其輸入量程為 50350C，經(jīng)測(cè)量電路采樣后輸出25V 電壓，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量后送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理。 鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器,由于其測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等,被廣泛用于中溫(-200650)范圍的溫度測(cè)量中。PT100 是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在-50600范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校

48、正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將 Pt 電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來(lái)后存入 EEPROM 中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的 AD 值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值。 常用的 Pt 電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將 PT100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路，一為恒流源式測(cè)溫電路。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了第一種方法，即橋式測(cè)溫。測(cè)溫原理：電路采用 TL431 和電位器 VR1 調(diào)節(jié)產(chǎn)生 4.096V 的參考電源；采用R1、R2、VR2、Pt100 構(gòu)成測(cè)量電

49、橋（其中 R1R2，VR2 為 100 精密電阻） ，第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)23當(dāng) Pt100 的電阻值和 VR2 的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè) mV 級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放 LM324 放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連 AD 轉(zhuǎn)換芯片。差動(dòng)放大電路中 R3R4、 R5R6、放大倍數(shù)R5/R3，運(yùn)放采用單一 5V 供電。 設(shè)計(jì)及調(diào)試注意點(diǎn)： 1. 同幅度調(diào)整 R1 和 R2 的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大小； 2. 改變 R5/R3 的比值即可改變電壓信號(hào)的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計(jì)者對(duì)溫度范圍的要求 3. 放大電路必須接成負(fù)反饋方式，否則

50、放大電路不能正常工作 。4. VR2 也可為電位器，調(diào)節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點(diǎn)設(shè)定，例如Pt100 的零點(diǎn)溫度為 0，即 0時(shí)電阻為 100，當(dāng)電位器阻值調(diào)至109.885 時(shí)，溫度的零點(diǎn)就被設(shè)定在了 25。測(cè)量電位器的阻值時(shí)須在沒有接入電路時(shí)調(diào)節(jié)，這是因?yàn)榻尤腚娐泛鬁y(cè)量的電阻值發(fā)生了改變。5. 理論上，運(yùn)放輸出的電壓為輸入壓差信號(hào)放大倍數(shù)，但實(shí)際在電路工作時(shí)測(cè)量輸出電壓與輸入壓差信號(hào)并非這樣的關(guān)系，壓差信號(hào)比理論值小很多，實(shí)際輸出信號(hào)為 4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) （1） 式中電阻值以電路工作時(shí)量取的為準(zhǔn)。 6. 電橋的正電源

51、必須接穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)，因?yàn)槿绻苯?VCC 的話，當(dāng)網(wǎng)壓波動(dòng)造成 VCC 發(fā)生波動(dòng)時(shí)，運(yùn)放輸出的信號(hào)也會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)再到以 VCC 未發(fā)生波動(dòng)時(shí)建立的溫度-電阻表中查表求值時(shí)就不準(zhǔn)確。2.2.6 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分硬件輸出通道主要包括加熱電阻的控制環(huán)節(jié)，而此控制環(huán)節(jié)的核心是雙向可控硅，但電路的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)雙向可控硅的驅(qū)動(dòng)電路。雙向可控硅的通斷直接決定加熱電阻的工作與不工作，本部分用帶過(guò)零觸發(fā)的光耦 MOC3061 來(lái)驅(qū)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)電路中，由于是弱電控制強(qiáng)電，而弱電又很容易受到強(qiáng)電的干擾，影響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時(shí)性，甚至燒毀整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致不可挽回的后果，因此必須要加入抗干擾措施，將強(qiáng)弱電隔離。光耦合器是

52、靠光傳送信號(hào)，切斷了各部件之間地線的聯(lián)系，從根本上對(duì)強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離，從而可以有效地抑制掉干擾信號(hào)。此外，光耦合器提供了較好的帶寬，較低的輸入失調(diào)漂移和增益溫度系數(shù)。因此，能夠較好地滿足信號(hào)傳輸速度的要求，且光耦合器非常容易得到觸發(fā)脈沖，具有可靠、體積小、等特點(diǎn)。所以在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了帶過(guò)零檢測(cè)的光電隔離器 MOC3061，用來(lái)驅(qū)動(dòng)雙向可控硅并隔離控制回路和主回路。MOC3061 是一片把過(guò)零檢測(cè)和光耦雙向可控硅集成在一起的芯片。其輸出端的第二章 數(shù)字 PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)24額定電壓是 400V，最大重復(fù)浪涌電流為 1.2A，最大電壓上升率 dv/dt 為1000v/us,

53、輸入輸出隔離電壓為 7500V，輸入控制電流為 15mA。在圖 2-2 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路中，當(dāng)單片機(jī)的 P2.0、P2.1、P2.2 發(fā)出邏輯數(shù)字量為高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)三極管放大后驅(qū)動(dòng)光耦合器的放光二極管，MOC3061 的輸入端導(dǎo)通，有大約 15mA 的電流輸入。當(dāng) MOC306 的輸出端 6 腳和 4 腳尖電壓稍稍過(guò)零時(shí)，光耦內(nèi)部雙向可控硅即可導(dǎo)通，提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給外部晶閘管使其導(dǎo)通；當(dāng) P2.0、P2.1、P2.2 為低電平時(shí)，MOC3061 截止，雙向可控硅始終處于截止?fàn)顟B(tài)。第三章 數(shù)字 PID 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)25第三章第三章 數(shù)字?jǐn)?shù)字 PID 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)電加

54、熱爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.13.1軟件結(jié)構(gòu)軟件結(jié)構(gòu)13本系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成。主程序的任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制電加熱爐的正常運(yùn)行。主程序主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集及處理、智能推理等部分組成。系統(tǒng)初始化包括設(shè)置棧底、工作寄存器組、控制量的初始值、采樣周期、中斷方式和狀態(tài)、定時(shí)器的工作方式以及 8255 的初始化、MAX1232 的初始化等。數(shù)據(jù)采集及處理主要包括實(shí)時(shí)采集電加熱爐的爐溫信號(hào)，計(jì)算出實(shí)際爐溫與理想值的差值以及溫差的變化率，并對(duì)爐溫信號(hào)進(jìn)行濾波和限幅處理。主程序流程圖如圖 3-1 所示。 開始系統(tǒng)的初始化溫度數(shù)據(jù)采集及處理溫度值顯示

55、計(jì)算溫差 e（k）和溫差變化率智能控制算法程序控制輸出求出輸出控制量？）（0ke結(jié)束NY第三章 數(shù)字 PID 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)26圖 3-1 系統(tǒng)主程序控制系統(tǒng)的軟件主要包括：采樣、標(biāo)度變換、控制計(jì)算、控制輸出、中斷、顯示、報(bào)警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修改。其中控制算法采用數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)，應(yīng)用增量型控制算法，并對(duì)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到更好的控制效果。3.23.2 算法實(shí)現(xiàn)算法實(shí)現(xiàn)3.2.1 LED 顯示模塊8 段 LED 顯示屏是最常用的顯示器件，分為共陽(yáng)極和共陰極兩種形式。共陽(yáng)極 LED 將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接在一起作為公共端，當(dāng)公共端接高電平，某一段的發(fā)光二極管

56、陰極接低電平時(shí)，相應(yīng)的字段就被點(diǎn)亮。共陰極 LED 將所有發(fā)光二極管的陰極接在一起作為公共端，當(dāng)公共端接低電平，某一段的發(fā)光二極管陽(yáng)極接高電平時(shí)，相應(yīng)的字段就被點(diǎn)亮。LED 數(shù)碼管的顯示方法動(dòng)態(tài)顯示：動(dòng)態(tài)掃描，分時(shí)循環(huán)靜態(tài)顯示：一次輸出，結(jié)果保持(1)動(dòng)態(tài)顯示 動(dòng)態(tài)顯示，就是微型機(jī)定時(shí)地對(duì)顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時(shí)工作，每次只能一個(gè)器件顯示。但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺所有的器件都在顯示。 (2)靜態(tài)顯示 靜態(tài)顯示，是由微型機(jī)一次輸出顯示后，就能保持該顯示結(jié)果，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示占用機(jī)時(shí)少，顯示可靠。通過(guò)比較及對(duì)程序的分析，本設(shè)計(jì)當(dāng)中兩組數(shù)碼管均采用了共

57、陰極靜態(tài)顯示。子程序返回譯碼選擇顯示位送入 8255PA 口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為七段碼開始第三章 數(shù)字 PID 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)27 圖 3-1 顯示子程序3.2.2 報(bào)警模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在保溫階段，溫度控制精度為正負(fù) 1 度，故當(dāng)溫度下降或上升 2 度時(shí)為故障狀態(tài)，需要報(bào)警提醒。所以在電路設(shè)計(jì)上應(yīng)用了蜂鳴器和發(fā)光二極管，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)綠色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮并且蜂鳴器鳴叫，提醒操作人員注意。報(bào)警狀態(tài)可通過(guò)按鍵復(fù)位和系統(tǒng)恢復(fù)正常后自動(dòng)復(fù)位 圖 3-2 報(bào)警子程序3.2.3 鍵盤模塊在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，輸入設(shè)備采用 4*4 矩陣鍵盤。當(dāng)“設(shè)定”鍵按下時(shí)觸發(fā)鍵盤中斷服務(wù)程序，由程序程控掃描法確定那個(gè)鍵按下并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。程控掃描的任務(wù)是：