電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設計和應用

武漢科技大學碩士學位論文電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設計和應用姓名：呂小紅申請學位級別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導教師：周鳳星20080428武漢科技大學碩士學位論文第１頁摘要電阻爐被廣泛地應用在工業(yè)生產中，它的溫度控制效果直接影響到生產效率和產品質量，因而對溫度控制系統(tǒng)的要求很高。目前工業(yè)電阻爐通常采用常規(guī)ＰＩＤ控制，但是工業(yè)電阻爐的溫度控制具有非線性、大慣性、大滯后等特點，難以對其建立精確的數(shù)學模型，因而常規(guī)ＰＩＤ控制難以取得良好的控制效果。因此，設計一個控制精度高、運行穩(wěn)定的電阻爐溫度控制系統(tǒng)具有很高的應用價值。本文以電阻爐為控制對象，以單片機ＡＴ８９Ｃ５５為硬件核心元件，采用模糊控制方法，設計一種控制精度高的溫度控制系統(tǒng)。在論文中詳細闡述了控制系統(tǒng)的硬件設計、軟件設計、和模糊控制方法。本系統(tǒng)的溫度檢測電路中采用芯片ＭＡＸ６６７５，簡化了系統(tǒng)的軟硬件設計，提高了溫度檢測的精度。在輸出控制中主要采用硬件電路實現(xiàn)，降低了程序的復雜性。在系統(tǒng)的硬件電路中采用了抗干擾設計，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)的軟件設計采用了模塊化結構，具有可移植性強和通用性強的特點。系統(tǒng)中采用模糊控制算法，不需依賴電阻爐的數(shù)學模型，控制效果優(yōu)于常規(guī)ＰＩＤ。采用常規(guī)ＰＩＤ控制和論文設計的控制系統(tǒng)在電阻爐上進行控制實驗，并對控制效果進行比較和分析?？刂茖嶒灲Y果表明，該控制系統(tǒng)的控制效果優(yōu)于常規(guī)ＰＩＤ，其具有超調小、控制精度高、抗擾性強、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，具有較好的應用前景。關鍵詞：溫度控制；電阻爐；單片機；模糊控制第１ｌ頁武漢科技大學碩士學位論文ＡｂｓｔｒａｃｔＲｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｕｒｎａｃｅｉｓａｐｐｌｉｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．ＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｒｅｓｕｌｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｆｅｃｔｑｕａｌｉｔｙｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎＳＯｔｈｅｅｘａｃｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｓｄｅｍａｎｄｅｄ．ＡｔｐｒｅｓｅｎｔｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｉｓｕｓｅｄｕｓｕａｌｌｙｆｕｒｎａｃｅｂｙｍｏｓｔｄｏｍｅｓｔｉｃｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｕｍａｃｅｉｎｈａｓｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｂｔｍｎｔｈｅｓａｔｉｓｆｉｅｄｒｅｓｕｌｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｍａｎｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｓｕｃｈａｓｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ｂｉｇｉｎｅｒｔｉａ，ｇｒｅａｔｌａｇ．ＩｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｔｓＳＯａｃｃｕｒａｔｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｗｅｃａｎ＇ｔｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓｅｘａｃｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎｖｅｒｙｖａｌｕａｂｌｅｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｈａｓａｎｄｓｔｅａｄｙｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ｅｘａｃｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｓＩｎｔｈｅｔｈｅｓｉｓ，ｔｈｅｔｈａｔｔｈｅＮｏｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ、）ｌ，ｉｍｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｉｓｓｙｓｔｅｍｏｂｊｅｃｔｔｈｅｉｓｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｕｒｎａｃｅａｐｐｌｉｅｓＡＴ８９Ｃ５５ａｓｔｈｅｃｅｎｔｅｒｕｎｉｔａｎｄｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ．ａｎｙｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｂｕｔａｌｓｏｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｉｓｅｘｐａｔｉａｔｅｄｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｉｎｔｈｅｔｈｅｓｉｓ．ＴｈｅｃｈｉｐＭＡＸ６６７５ｉｓａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｃｉｒｃｕｉｔｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓｓｏｔｈａｒｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．ｎｅｏｕｔｐｕｔｏｕｔｐｒｏｇｒａｍｉｓｂｒｉｅｆｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔｃｏｎｔｒｏｌｉｓｃａｒｒｉｅｄｍａｉｎｌｙｂｙｏｕｔｐｕｔｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇｉｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔ．Ｉｔｍａｋｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｖｅｈｉｇｈｅｒａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍａｄｏｐｔｓｍｏｄｕｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｔｍａｋｅｓｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｈａｖｅｐｏｒｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｏｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｈａｖｅｓｔｒｏｎｇｅｒｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｗｈｉｃｈｎｅｅｄｎｏｔｄｅｐｅｎｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｕｒｎａｃｅｉｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｒｅｓｕｌｔｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＰＩＤ．ＡｌｏｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈａｖｅｂｅｅｎＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｈａｖｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｔｔｅｒｍａｄｅｕｓｉｎｇｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｒｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．ｂｅｅｎｃｏｍｐａｒｅｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｓｅｓｕｃｈａｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｉｓｃｏｎｔｒｏｌｒｅｓｕｌｔａｎｄｍｏｒｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｈｉｇｈｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ，ｍｏｒｅｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｈｅｒｅｓｕｌｔｔｈａｔｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｖａｌｕｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ；Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｕｒｎａｃｅ；Ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｃｏｍｐｕｔｅｒ；Ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ武漢科技大學研究生學位論文創(chuàng)新性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文是本人在導師指導下，獨立進行研究所取得的成果．除了文中已經注明引用的內容或屬合作研究共同完成的工作外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。論文作者簽名：呂Ｊ；蘭２日期：呈：＝：８，Ｅ：三研究生學位論文版權使用授權聲明本論文的研究成果歸武漢科技大學所有，其研究內容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解武漢科技大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關部門送交論文的復印件和電子版本，允許論文被查閱和借閱，同意學校將本論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據庫進行檢索。論文作者簽名：指導教師簽名：日星ｌＩｌ，墨２：翌蘭魚．武漢科技大學碩士學位論文第１頁第一章緒論１．１課題研究的背景及意義從２０世紀２０年代開始，電阻爐就在工業(yè)上得到使用。隨著科學技術的發(fā)展，電阻爐被廣泛的應用在冶金、機械、石油化工、電力等工業(yè)生產中，在很多生產過程中，溫度的測量和控制與生產安全、生產效率、產品質量、能源節(jié)約等重大技術經濟指標緊緊相連。因此各個領域對電阻爐溫度控制的精度、穩(wěn)定性、可靠性等要求也越來越高，溫度測控制技術也成為現(xiàn)代科技發(fā)展中的一項重要技術。溫度控制技術發(fā)展經歷了三個階段：ｌ、定值開關控制；２、ＰＩＤ控制；３、智能控制。定值開關控制方法的原理是若所測溫度比設定溫度低，則開啟控制開關加熱，反之則關斷控制開關。其控溫方法簡單，沒有考慮溫度變化的滯后性、慣性，導致系統(tǒng)控制精度低、超調量大、震蕩明顯。ＰＩＤ控制溫度的效果主要取決于Ｐ、Ｉ、Ｄ三個參數(shù)。ＰＩＤ控制對于確定的溫度系統(tǒng)，控制效果良好，但對于控制大滯后、大慣性、時變性溫度系統(tǒng)，控制品質難以保證。電阻爐是由電阻絲加熱升溫，靠自然冷卻降溫，當電阻爐溫度超調時無法靠控制手段降溫，因而電阻爐溫度控制具有非線性、滯后性、慣性、不確定性等特點。目前國內成熟的電阻爐溫度測控系統(tǒng)以ＰＩＤ控制器為主，ＰＩＤ控制對于小型實驗用電阻爐控制效果良好，但對于大型工業(yè)電阻爐就難以保證電阻爐控制系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性等。智能控制是一類無需人的干預就能獨立驅動智能機械而實現(xiàn)其目標的自動控制，隨著科學技術和控制理論的發(fā)展，國外的溫度測控系統(tǒng)發(fā)展迅速，實現(xiàn)對溫度的智能控制。應用廣泛的溫度智能控制的方法有模糊控制、神經網絡控制、專家系統(tǒng)等，具有自適應、自學習、自協(xié)調等能力，保證了控制系統(tǒng)的控制精度、抗干擾能力、穩(wěn)定性等性能。比較而言，國外溫度控制系統(tǒng)的性能要明顯優(yōu)于國內，其根本原因就是控制算法的不同。本文的研究，以電阻爐為控制對象，以單片機ＡＴ８９Ｃ５５為硬件核心元件，采用智能控制方法一模糊控制，設計一種新型的溫度測控系統(tǒng)，使其具有硬件電路簡單、控制算法先進、系統(tǒng)性能優(yōu)良等優(yōu)點。１．２國內外研究概況及發(fā)展趨勢１．２．１控制理論的發(fā)展狀況自動控制理論的產生可以追溯到１８世紀中葉英國的第一次技術革命，到１９世紀科學界和工程界陸續(xù)發(fā)表了用控制理論來討論系統(tǒng)穩(wěn)定性的文章，１９世紀末控制理論中的經典時域分析法以得到總結和發(fā)展。隨著科學技術的發(fā)展，控制理論也在不斷地發(fā)展，控制理論的發(fā)展過程可以分為三個階段：第一階段控制理論早期發(fā)展階段稱為“經典控制理論＂時期，時間為２０世紀４０一６０年代。經典控制理論現(xiàn)在已經是－１＂７比較成熟的控制理論，主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、第２頁武漢科技大學碩士學位論文根軌跡為基礎的頻率分析方法解決單輸入單輸出問題。經典控制技術能夠較好地解決生產過程中的單輸入單輸出問題，主要用于線性定常系統(tǒng)，是目前工業(yè)過程控制領域中占統(tǒng)治地位的一種控制理論。第二階段時間為２０世紀６０一７０年代，稱為“現(xiàn)代控制理論＂時期。這個時期，計算機和空間技術的發(fā)展推動了控制理論的發(fā)展。現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要的數(shù)學工具，用狀態(tài)空間法描述系統(tǒng)的動態(tài)過程，可以解決多輸入多輸出問題?；谠摾碚摰闹饕刂品椒ㄓ校合到y(tǒng)辯識、最優(yōu)控制、自適應控制等。該理論不但可以用于線性定常系統(tǒng)，而且可以用于某些非線性時變以及具有隨機擾動的系統(tǒng)。其缺點是除了自適應控制外，其它控制方法雖然控制品質良好，但必須知道控制對象的數(shù)學模型，不能解決系統(tǒng)模型的不確定問題。第三階段時間為２０世紀７０年代末至今，為“智能控制理論’’階段。７０年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論＂和“智能控制＂方向發(fā)展，前者是控制理論在廣度上的開拓，后者是控制理論在深度上的挖掘?！按笙到y(tǒng)理論＂是用控制和信息的觀點，研究各種大系統(tǒng)的結構方案、總體設計中的分解方法和協(xié)調等問題的技術基礎理論。而“智能控制＂是研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)【Ｉ】。１．２．２智能溫度控制技術的發(fā)展傳統(tǒng)的ＰＩＤ控制及改進型ＰＩＤ控制原理簡單、工作穩(wěn)定、可靠性高、魯棒性強，曾在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中得到了普遍的采用，其缺點是必須預先建立控制對象的數(shù)學模型，因而其對于一些大滯后、多輸入、時變性電阻爐系統(tǒng)，控制效果難以滿意。自智能控制理論發(fā)展以來，智能控制技術開始逐漸應用于工業(yè)控制。１９７４年，Ｍａｍｄａｎｉ首次用模糊邏輯和模糊推理實現(xiàn)了蒸汽機的控制，其標志著人們用模糊邏輯進行工業(yè)控制的開始，也宣告了模糊控制的問世。１９７６年，Ｐ．Ｊ．Ｋｉｎｇ和Ｍａｍｄａｎｉ等人合作，用模糊控制對反應器進行溫度控制，他們采用模糊模型的預估方案，從而成功解決了不穩(wěn)定問題。這也是控制史上首次利用模糊控制來進行溫度控制。在２０世紀９０年代，美國、英國相續(xù)發(fā)表《智能控制專輯》，同本、德國等國也連續(xù)發(fā)表多篇智能控制方面的論文，涉及到軍事、工業(yè)、家用電器等眾多領域，包括智能溫度控制在各個領域的應用。如今Ｓｉｍｅｎｓ和Ｉｎｆｏｒｍ公司聯(lián)合研制了性能優(yōu)良的模糊控制開發(fā)軟件工具及第三代模糊微處理器，可利用軟件或硬件的方法實現(xiàn)對系統(tǒng)的模糊控制。在Ｚａｄｅｈ創(chuàng)立模糊集合論的同年，我國傅京孫教授首先提出了把人工智能中的直覺推理方法用于學習控制系統(tǒng)，奠定了國內智能控制發(fā)展的基礎。模糊控制應用于核反應堆、城市交通等控制中。隨后更多的學者開始關注智能控制技術，近年來我國也越來越重視智能控制理論和應用的研究，從１９９３到１９９５連續(xù)三年國內都召丌了與智能控制有關的學術會議。由于溫度控制設計到冶金、化工、機械等眾多領域，因而溫度智能控制技術也是國內學者研究的重要內容，越來越多與智能溫度控制有關的論文在科技刊物上發(fā)表【２】。武漢科技大學碩士學位論文第３頁王樹清、劉興池采用日本生產的ＳＲ７０智能模糊控制器對電阻加熱爐進行控制，穩(wěn)態(tài)精度達到士０．２＂Ｃ左右，穩(wěn)定快、魯棒性強，控制效果十分理想［３１。高梅娟在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中應用了雙模預測模糊進行溫度控制，具有超調量小，抗干擾能力強和穩(wěn)態(tài)誤差小的特點，優(yōu)于ＰＩＤ控制和常規(guī)模糊控制【４】。紀友芳等人在所設計的智能溫度控制儀表中采用了模糊ＰＩＤ控制，控制結果表明：其具有響應速度快、超調小、控制精度高等優(yōu)點例。總體上說，智能控制在溫度控制系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。目前，國外已研制出商品化、智能化、精度高、小型化的智能溫度控制系統(tǒng)，開發(fā)出成熟的智能控制算法和控制軟件。相比較而言，國內智能控制技術的應用要落后于國外，目前國內成熟的溫度控制系統(tǒng)以常規(guī)ＰＩＤ和各種改進ＰＩＤ控制為主，商品化的智能控制系統(tǒng)少，在智能控制算法和控制軟件的開發(fā)方面投入人力、物力也較少【６Ｊ。１。３傳統(tǒng)ＰＩＤ控制和智能控制的介紹傳統(tǒng)的控制技術是以經典控制理論或現(xiàn)代控制理論為基礎發(fā)展起來的，其具有原理簡單、實現(xiàn)容易、技術成熟等優(yōu)點，在工業(yè)控制中具有重要作用，其中ＰＩＤ控制是傳統(tǒng)控制中的經典控制方式之一。傳統(tǒng)的控制技術是基于被控對象的精確數(shù)學模型的控制方式，采用固定的控制算法，控制系統(tǒng)由于依賴于數(shù)學模型而缺乏靈活性和應變能力。智能控制是控制理論發(fā)展的高級階段，是控制論、系統(tǒng)論、信息論和人工智能等多門學科交叉和綜合的產物，主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復雜系統(tǒng)的控制。隨著工業(yè)生產的飛速發(fā)展，被控對象越來越復雜，常常表現(xiàn)為高度的非線性、強干擾、動態(tài)突破性以及分散的執(zhí)行器、分層的決策機構、復雜的結構信息等，這樣的被控對象往往存在難以用精確數(shù)學方法描述的不確定性，實踐證明，對于此類復雜的控制對象采用智能控制性能要優(yōu)于傳統(tǒng)控制ｆ７】。１．３．１ＰＩＤ控制ＰＩＤ控制是在連續(xù)生產過程控制中，將偏差的比例（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）、積分（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）、微分（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）通過線形組合構成控制量，對控制對象進行控制。在常規(guī)ＰＩＤ的應用中，Ｐ、Ｉ、Ｄ－－個參數(shù)往往根據現(xiàn)場設備情況或調試經驗人工設定的，通過調試實驗改變參數(shù)以改變控制性能。ＰＩＤ控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、易于實現(xiàn)和可靠性高，被廣泛應用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。而實際工業(yè)生產過程往往具有非線性、時變不確立性，難以建立精確的數(shù)學模型，應用常規(guī)ＰＩＤ控制器不能達到理想的控制效果；而實際在實際現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī)ＰＩＤ控制參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應性較差。鑒于此情況，人們一直在研究ＰＩＤ參數(shù)的自動整定技術，以適應復雜的工況和高指標的控制要求。隨著微機技術和智能控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型ＰＩＤ控制器，例如模糊ＰＩＤ、第４頁武漢科技大學碩士學位論文神經ＰＩＤ、預測ＰＩＤ等，對于復雜對象，其控制效果遠遠超過常規(guī)ＰＩＤ控制【８】【９】。１．３．２智能控制“智能控制”～詞在１９６７年Ｌｅｏｎｄｅｓ和Ｍｅｎｄｅｌ在他們的“人工智能控制＂技術報告中正式使用，智能控制是－－ｆ］新興的理論和技術，目前關于智能控制的定義、理論、結構等尚無統(tǒng)一的系統(tǒng)描述，１９９３年美國ＩＥＥＥ控制系統(tǒng)學會智能控制技術委員會邀請成立一個專家小組，目的在于描述智能控制系統(tǒng)的特點，對“智能控制＂一詞進行定義，并指出因為不問的觀點和描述問題智能控制系統(tǒng)的多種定義是必須的。在上述專家小組發(fā)表的綜合報告中指出，實際上稱為具有智能的系統(tǒng)其智能應相當高才行。通常這種智能要求具有感知環(huán)境、作出決策和控制動作的能力，更高的智能還包括認識目標和事件用語言模型代表知識，對未來作出推理和計劃。智能控制的研究對象具有以下幾個特點：一、不確定性的模型。智能控制的對象通常存在嚴重的不確定性，其不確定性是指模型未知或知之甚少以及模型的結構和參數(shù)可能在很大范圍內變化。二、高度的非線性。在傳統(tǒng)的控制理論中，線性理論比較成熟，而非線性理論很不成熟，非線性控制方法也比較復雜，采用智能控制方法可以較好的解決非線性系統(tǒng)的控制問題。三、復雜的任務要求。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)控制任務要求比較單一，智能控制系統(tǒng)可以完成復雜的任務要求。例如在復雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，除了要求對各被控物理量實現(xiàn)定值調節(jié)外，還要求能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動啟停、故障的自動診斷以及緊急情況的自動處理等功能。智能控制是一類無需人的干預就能獨立驅動智能機械而實現(xiàn)其目標的自動控制，“智能＂一詞是對系統(tǒng)的自動化程度、范圍及所能完成復雜控制任務的功能的表征，一般智能控制系統(tǒng)的功能包括以下三點：一、學習功能。系統(tǒng)能對一個過程或未知環(huán)境所提供的信息進行識別、記憶、學習并利用積累的經驗進一步改善系統(tǒng)的性能。二、適應功能。‘系統(tǒng)應具有適應受控對象動力學特性、環(huán)境變化和運行條件變化的能力。三、組織功能。對于復雜任務和分散的傳感信息具有自組織和協(xié)調功能，使系統(tǒng)具有主動性和靈活性。智能控制的方法很多，包括專家控制、神經控制、模糊控制、基于模式識別的智能控制、多模變結構智能控制、仿人智能控制等，現(xiàn)介紹主要的三種智能控制方法——專家控制、神經控制、模糊控制【１０】。１．３．２．１專家控制專家系統(tǒng)通過某種知識獲取手段，把人類專家的領域知識和經驗技巧移植到計算機中，并且模擬人類專家的推理、決策過程，表現(xiàn)出求解復雜問題的人工智能。因而，專家系統(tǒng)是一種人工智能的計算機程序系統(tǒng)，這些程序軟件具有相當于某個專門領域的專家的知識和經驗水平，以及解決專門問題的能力。專家系統(tǒng)在結構上有兩個基本要素：一、知識庫——存儲有某個專門領域中經過事先總結的按某種格式表示的專家水平的知識條目。二、推理機制——按照類似專家水平的問題求解方法，調用知識庫中的條目進行推理、判斷和決策。專家控制是將專家系統(tǒng)的理論和技術同控制理論方法和技術相結合，在未知環(huán)武漢科技大學碩士學位論文第５頁境下，仿效專家的智能，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。專家控制系統(tǒng)不同于離線的專家系統(tǒng)，其不僅是獨立的決策者，而且是具有獲得反饋信息并能實時在線控制的系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)一般由數(shù)據庫、規(guī)則庫、推理機、人～機接口及規(guī)劃環(huán)節(jié)五個部分組成，控制系統(tǒng)具有下述特點：一、高可靠性及長期運行的連續(xù)性。二、在線控制的實時性。三、優(yōu)良的控制性能和抗干擾性。四、使用的靈活性及維護的方便性。在專家控制系統(tǒng)的規(guī)則庫中含有產生式規(guī)則，包括專家的知識和經驗，而把知識和經驗表達成規(guī)則并非易事，規(guī)則的補充、完善更是困難，因為這不是一種單向的簡單的知識堆砌過程，而是一個復雜的整理過程，這也是專家控制系統(tǒng)實際應用中的難點【Ｉ¨。１．３．２．２神經控制人工神經網絡（ＡＮＮ）是近幾十年發(fā)展的一門新興的交叉學科，所謂“人工神經網絡＂實際上是以一種簡單計算一處理單元（神經元）為節(jié)點，采用某種網絡拓撲結構構成的活性網絡，可以用來描述幾乎任意的非線性系統(tǒng)，ＡＮＮ還具有學習能力、記憶能力、計算能力以及各種智能處理能力，在不同程度和層次上模仿人腦神經系統(tǒng)的信息處理、存儲和檢索的功能?；谏窠浘W絡的控制系統(tǒng)是指在控制系統(tǒng)中采用神經網絡這一工具對難以精確描述的復雜的非線性對象進行建模，或充當控制器，或優(yōu)化計算，或進行推理，或故障診斷等，以及同時兼有上述功能的適當組合，其控制方式稱為神經網絡控制，簡稱神經控制。相對于傳統(tǒng)的控制方法，神經控制具有以下特征和性質：人工神經網絡在理論上能逼近任何非線性函數(shù)，而且比其它建模方法更經濟；信息的并行分布式處理與存儲，具有較強的容錯能力和數(shù)據處理能力；能對知識環(huán)境提供的信息進行學習和記憶以適應環(huán)境的變化。經過１９８９年前后出現(xiàn)的研究高潮以后，單純使用神經網絡的辨識與控制方法的研究，目前已有停滯不前的趨勢，其主要原因有：一、近年來，神經網絡本身的研究如網型等未再有根本的突破，專門適用于控制問題的動態(tài)神經網絡仍待進一步發(fā)展。二、網絡本身的黑箱式內部知識表達方式，使其不能利用初始經驗進行學習，易于險入局部最小值。三、分布并行計算的潛力還有賴于硬件實現(xiàn)技術的進步。為了克服神經控制方法的上述困難，也為了使智能控制方法與生物神經系統(tǒng)智能控制具有更大的相似性，將模糊邏輯（包括專家系統(tǒng)）與神經網絡結合，發(fā)展模糊神經網絡控制方法，已經成為模糊控制或神經控制研究的主要發(fā)展趨勢【Ｊ２Ｊｌｌ引。１．３．２．３模糊控制模糊控制是以模糊集合理論為基礎的一種新興的控制手段，是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術與自動控制技術相結合的產物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉化為計算機能夠接受的算法語言。模糊控制系統(tǒng)一般由模糊控制器、輸入／輸出接口裝置、被控對象和執(zhí)行機構、傳感器四個部分組成，是一種非線性控制。模糊控制系統(tǒng)能夠將人的控制經驗和知識包含進去，這種方法不僅能實現(xiàn)自動控制，而且能夠第６頁武漢科技大學碩士學位論文模擬人的思維方式，對一些無法構造精確數(shù)學模型的被控對象進行有效的控制。模糊控制具有以下特點：一、控制系統(tǒng)的設計依據經驗和操作數(shù)據，不需要精確的數(shù)學模型，易于對不確定系統(tǒng)進行控制。二、具有較強的魯棒性，適用于解決傳統(tǒng)控制難以解決的非線性、時變及時滯系統(tǒng)。三、應用語言變量而不是數(shù)學變量，是一種語言控制器，是易于控制、易于掌握的教理想的非線性控制器。隨著模糊控制的深入應用和廣泛接受，漸漸出現(xiàn)兩種新的情況，一種情況是產生全新的控制用途，而這些新的用途在模糊邏輯出現(xiàn)之前實際是不能進行控制的；另一種是產生全新的控制芯片，這些芯片專門適用于模糊邏輯運算的。模糊控制的關鍵是模糊推理合成運算，從本質上看是一種并行運算，用軟件方止上現(xiàn)的時候，由于現(xiàn)有的馮?諾依曼結構計算機指令順序執(zhí)行，不適于做并行處理，因而推理速度較低，模糊芯片如模糊微處理器、模糊推理板等直接通過硬件實現(xiàn)模糊邏輯推理及運算，可提高推理速度和控制精度，為模糊控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)提供強有力的工具?，F(xiàn)今模糊控制已廣泛應用于家電行業(yè)，各種工業(yè)自動化、冶金和化工過程控制等領域相繼出現(xiàn)了模糊控制器、模糊推理專用芯片及模糊控制通用系統(tǒng)【１４】【１５】。１．４論文的總體結構論文的結構構成如下：第一章主要介紹了課題研究的背景、意義、智能溫度控制技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢以及各種控制技術；第二章對系統(tǒng)的硬件電路進行了詳細敘述，詳細分析了硬件各部分的原理和特點；第三章是對系統(tǒng)的軟件設計部分的介紹，詳細介紹了系統(tǒng)的各個功能模塊；第四章研究了系統(tǒng)的控制算法，詳細分析了迷糊控制算法的原理和實現(xiàn)方法；第五章對控制實驗結果進行了分析；第六章對整個論文做了總結，并且提出了系統(tǒng)將來的設計構想。武漢科技大學碩士學位論文第７頁第二章溫度控制系統(tǒng)硬件設計２．１系統(tǒng)總體設計本系統(tǒng)由單片機ＡＴ８９Ｃ５５、溫度檢測電路、鍵盤顯示及報警電路、時鐘電路、溫度控制電路等部分組成，其硬件原理圖如圖２－１所示。圖２．１溫度控制系統(tǒng)硬件原理圖在系統(tǒng)中，利用傳感器測得電阻爐實際溫度并轉換成毫伏級電壓信號，該電壓信號經過溫度檢測電路轉換成與爐溫相對應的數(shù)字信號進入單片機，單片機進行數(shù)據處理后，通過液晶顯示器顯示溫度并判斷是否報警，同時將溫度與設定溫度比較，由設定的控制算法計算出控制量，根據控制量通過控制固態(tài)繼電器的導通和關閉從而控制電阻絲的導通時間，以實現(xiàn)對爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時鐘電路可以根據要求對系統(tǒng)升溫、恒溫等運行時間進行準確計時并通過液晶顯示器顯示。２．２溫度檢測電路的設計溫度檢測電路是溫度控制系統(tǒng)的重要部分，它承擔著檢測電阻爐溫度并將溫度數(shù)據傳輸?shù)絾纹瑱C的任務。２．２．１溫度傳感器的選擇熱電偶是工程上應用最廣泛的溫度傳感器，它具有構造簡單、使用方便、準確度高、穩(wěn)定性好、溫度測量范圍寬等特點，在溫度測量中占有很重要的地位。熱電偶的類型有多種，在測量高溫時通常使用的有鎳鉻一鎳硅（Ｋ型）、鉑銠一鉑（Ｓ型）、鎳鉻一銅鎳（Ｅ型）三種熱電偶，在本設計中選用的是鎳鉻一鎳硅Ｋ型熱電偶。２．２．１．１熱電偶的測溫原理第８頁Ａ武漢科技大學碩士學位論文Ｂ圖２．２熱電偶回路兩種不同材料的導體（或半導體）組成一個閉和回路（如圖２．２所示），當兩接點溫度Ｔ和Ｔｏ不同時，則在該回路中就會產生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應。這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為熱電偶，導體Ａ、Ｂ稱為熱電極。熱電效應中的電動勢由溫差電勢｛．ｉ：圾觸；乜勢組成，接觸電勢是由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢，圖中兩接點的接觸電勢額ｅＡＢ（Ｔ）和ｅＡＢ（Ｔｏ）可分別表示為：ｒ卜％扣墅Ｐ，Ｍ—Ｍ虻，Ⅳ一Ⅳ‰一‰；一一ｊ公式（２．１）‰佤Ｄ＝等號甄暑Ｉ。一公式（２．２）式中Ｋ為波爾茲曼常數(shù)，圯Ｔ、Ｎ盯和Ｍ而、虬虧是溫度分別為ｒ和瓦時，Ａ、Ｂ兩種材料的電子密度。溫差電勢是同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢，其公式為：以，瓦）＝等（擊≮如Ｐ。仃，瓦）＝等ｆ：瓦１≮也式中，ＮＡ。和Ｎｍ分別為Ａ導體和Ｂ導體的電子密度。在熱電偶回路中產生的總熱電勢為公式（２．３）公式（２．４）ｅＡＢ仃，ｒｏ）＝ｅ』口仃）＋％仃，Ｔｏ）一Ｐ』層億）一％（ｒ，ｒｏ）為公式（２．５）在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小的多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示已＾丑（ｒ，ｒｏ）－－ｅ＾Ｂ仃）一Ｐ＾暑佤）公式（２．６）對于已選定的熱電偶，當參考端溫度Ｔｏ恒定時，ｅＡＢ（Ｔｏ）＝Ｃ為常數(shù)，則總的電動勢就只與溫度Ｔ成單值函數(shù)關系。熱電偶在使用中滿足中間導體定律，即在熱電偶測溫回路中內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，就對回路的總熱電勢沒有影響【１６１。２．２．１．２熱電偶的冷端溫度補償武漢科技大學碩士學位論文第９頁熱電偶的分度表是以冷端溫度０＂Ｃ為基準進行分度的，而在實際使用過程中，冷端溫度往往不為０１２，所以需要對熱電偶的冷端溫度進行溫度補償。常用的冷端溫度補償方法有：冷端溫度修正法、冷端０１２恒溫法、冷端溫度自動補償法等。２．２．２檢測電路設計Ｋ型熱電偶是工業(yè)生產中被廣泛應用的廉價高溫傳感器，本設計中選用Ｋ型熱電偶來進行溫度檢測。Ｋ型熱電偶作為測溫元件時，有以下幾個方面的問題：一、測溫時其產生的模擬信號很微弱（約為４１９Ｖ／＇Ｃ），需要對其進行放大處理。二、熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為０＂Ｃ時與測量端的電勢差值，在通常情況下冷端溫度并非Ｏ．ｃ，因而需要進行溫度補償。三、熱電偶輸出熱電勢與溫度之間是非線性關系，需進行線性化處理。四、輸出的信號為模擬信號，與單片機等數(shù)字電路接口時要采用數(shù)字化輸出和數(shù)字化接口，需進行Ａ／Ｄ轉換。因而傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器一濾波器一放大器一冷端補償一線性化處理一Ａ／Ｄ轉換＂模式，將熱電偶輸出的毫伏級電壓信號最終轉換為與溫度相對應的數(shù)字信號與ＣＰＵ通信，但其具有轉換環(huán)節(jié)多、電路復雜、抗干擾能力差、精度低等缺點。ＭＡＸ６６７５是Ｋ型熱電偶串行模數(shù)轉換器，它能獨立完成信號放大、冷端補償、線性化、Ａ／Ｄ轉換及ＳＰＩ串口數(shù)字化輸出功能，大大簡化了熱電偶測量智能裝置的軟／硬件設計。在本設計中，采用的是高精度的集成芯片ＭＡＸ６６７５來完成“熱電偶電勢一溫度一的轉換，不需外圍電路、ＹＯ接線簡單、精度高、成本低。２．２．２．１ＭＡＸ６６７５的引腳排列該器件采用８引腳Ｓ０貼片封裝，引腳排列如圖２．３所示，引腳功能如表２．１所列。１．一一……一…．—－Ｊ圖２．３ＭＡＸ６６７Ｓ弓Ｉ腳圖第１０頁表２．１ＭＡＸ６６７５弓！腳功能引腳ｌ２３４５武漢科技大學碩士學位論文名稱ＧＮＤ功能接地端Ｋ型熱電偶負極Ｋ型熱電偶正極正電源端串行時鐘輸入片選信號串行數(shù)據輸出懸空不用Ｔ—Ｔ＋ＶＣＣＳＣＫ６ＣＳＳｏＮＣ７８２．２．２．２ＭＡＸ６６７５的工作原理及功能特點２．２．２．２．１測溫原理ＭＡＸ６６７５的內部由精密運算放大器Ａ１、Ａ２、基準電壓源、冷端補償二極管、模擬開關、數(shù)字控制器及ＡＤＣ等組成，完成了熱電偶微弱信號的放大、冷端補償及模／數(shù)轉換功能，其內部結構圖如圖２．４所示。將Ｋ型熱電偶的熱電勢輸出端與ＭＡＸ６６７５的引腳Ｔ＋、Ｔ－相連．熱電偶輸出的熱電勢經放大器ＡＩ、Ａ２進行放大和濾波處理后送至ＡＤＣ的輸入端，在轉換之前，先需要對熱電偶的冷端溫度進行補償，ＭＡＸ６６７５通過內置的冷端補償?shù)碾娐穪韺崿F(xiàn)冷端補償。它將冷端溫度通過冷端補償二極管轉換為相應的電壓信號，ＭＡＸ６６７５內部電路將二極管電壓和放大后的熱電偶電勢同時送ＮＡＤＣ中進行轉換，即能得到測量端的絕對溫度值。Ｋ型熱電偶的特性可用線性公式ｖＯＵＴ－（４ｌ刪℃）×（ＴＲ－ＴＡＭＢ）來表示，其中ＶＯＵＴ為熱電偶輸出電壓，ＴＲ是測量點溫度，ＴＡＭＢ是冷端溫度【１７】［１８１。３１Ｄ１第１Ｉ頁武漢科技大學碩士學位論文ＶＣＣ圖２．４ＭＡＸ６６７５內部結構圖２．２。２．２。２ＳＰＩ串行接口ＭＡＸ６６７５采用標準的ＳＰＩ串行外設總線與單片機接口，其與單片機通信時工作過程如下：當單片機使ＭＡＸ６６７５的ＣＳ引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r，ＭＡＸ６６７５將進行新的轉換；當單片機使ＭＡＸ６６７５的ＣＳ引腳從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒔oＳＣＫ時鐘信號時，ＭＡＸ６６７５停止信號轉換并從Ｓ０端輸出串行轉換數(shù)據。當從ＳＯ端輸出串行轉換數(shù)據時，一個完整的數(shù)據輸出過程需要１６個時鐘周期，數(shù)據的輸出通常在ＳＣＫ的下降沿完成，其中Ｄ１５位是偽標志位，始終為０；Ｄ１４＂－＇Ｄ３是由高位到低位順序排列的溫度轉換值；Ｄ２用于檢測熱電偶是否斷線，當Ｄ２為１時表明熱電偶斷開；Ｄ１為ＭＡＸ６６７５的標識符，始終為０；Ｄ０位為三態(tài)。表２．２為ＭＡＸ６６７５的Ｓ０端口串行輸出時的輸出數(shù)據，ＭＡＸ６６７５的串行接口時序圖如圖２．５所示【１９】。ＣＳ、、、姒一兒』一ｉＬ』－Ⅲ－ＬｆＤ１２ＤｌＩＤＩＯｎｎｆ。Ｌｎ門ｎ廠ＵＤ７Ｉ）６Ｄ５Ｄ４ｊ｝了》ｊＤ３Ｄ２ｉ３，．／Ｄ１２／－－－｝氮?。堋模樱?、）ｌＤ９／Ｄ８Ｌ｜］一一ｊ人ｊ｝ｒ二’二—一Ｄ１圖２．５ＭＡＸ６６７５時序圖第１２頁表２．２ＭＡＸ６６７５的輸出數(shù)據空標位志位位１５Ｏ１４１３１２１１１０９８７６５武漢科技大學碩士學位論文熱電１２位溫度數(shù)據偶４３ＬＳＢ２設備狀態(tài)身份ｌ０ＯＭＳＢ三態(tài)２．２．２．２．３ＭＡＸ６６７５的功能特點ＭＡＸ６６７５的特點如下：對Ｋ型熱電偶輸出直接進行數(shù)字轉換；內部集成有冷端補償電路；簡單的ＳＰＩ串行口溫度值輸出；可將溫度信號轉換成１２位數(shù)字量，溫度分辨率為０．２５。Ｃ；內含熱電偶斷線檢測電路。２．２．２．３溫度檢測硬件電路圖２．６為本系統(tǒng)中溫度檢測電路，當ＡＴ８９Ｃ５５的Ｐ３．３為低電平且Ｐ３．１口產生時鐘脈沖時，ＭＡＸ６６７５的ＳＯ腳輸出轉換數(shù)據。在每一個脈沖信號的下降沿ＳＯ輸出一個數(shù)據，１６個脈沖信號完成一串完整的數(shù)據輸出，先輸出高電位Ｄ１５，最后輸出的是低電位ＤＯ，Ｄ１４．Ｄ３為相應的溫度轉換數(shù)據，共１２位，其最小值為０，對應的溫度值為０＂Ｃ；最大值為４０９５，對應的溫度值為１０２３．７５℃，分辨率為０．２５℃。由于ＭＡＸ６６７５內部經過了激光修正，因此，其轉換結果與對應溫度值具有較好的線性關系。溫度值與數(shù)字量的對應關系為：溫度值＝１０２３．７５×轉換后的數(shù)字量／４０９５。當Ｐ３．３為高電平時，ＭＡＸ６６７５開始進行新的溫度轉換【２０ｌ。ＳＣＫ３２５６ＣＳＰ３．ＩＰ３３ＡＴ８９Ｃ５５ＭＡＸ６６７５ｖ｜ＣＣＳＯ４７Ｐ３．Ｏｌ８圖２．６溫度檢測電路在進行溫度檢測電路硬件設計時，為了正確使用ＭＡＸ６６７５芯片，設計時還應該注意以下幾點：（１）在應用ＭＡＸ６６７５時，應該注意將其布置在遠離其它Ｉ／Ｏ芯片的地方，在ＭＡＸ６６７５電源與地線之間接一個０．１ｐ，Ｆ的陶瓷電容以降低電源噪聲的影響。武漢科技大學碩士學位論文第１３頁（２）ＭＡＸ６６７５１拘Ｔ－端必須接地，而且和該芯片的電源地都是模擬地，不要和數(shù)字地混淆而影響芯片讀數(shù)的準確性。（３）Ｅｈ于冷端溫度是由ＭＡＸ６６７５本身檢測的，因此，為了提高測量的精確度，電路板的地線盡可能地大。Ｉ／０端口的擴展單片機本身的Ｉ／Ｏｉｌ能實現(xiàn)簡單的數(shù)據Ｉ／Ｏ操作，但功能有限。原因有：一、單片機的２．３口電路只有數(shù)據鎖存和緩沖功能，沒有控制功能。二、單片機雖有４個Ｉ／Ｏｉｌ，但Ｐ０１１被作為低８位地址線和數(shù)據線使用，Ｐ２口被作為高８位地址線使用，Ｐ３口經常被用做第２功能，因此真正作為Ｉ／Ｏｉｌ使用的口線不多。在本系統(tǒng)中要完成鍵盤輸入、液晶顯示、發(fā)光二極管顯示等功能，不可避免要進行Ｉ／Ｏ端口擴展。本系統(tǒng)中選擇的Ｉ／Ｏ端口擴展芯片是Ｉｎｔｅｌ公司生產的外圍接口芯片８１５５１２¨。ＡＴ８９Ｃ５５與８１５５的硬件連接圖如圖２．７所示：ＡＴ８９Ｃ５５１１１５５Ｐ２．１ＲＤｗＲＰ２．２ＡＬＥＣＥＲＤＷＲ１０／ＭＡＬＥ圖２．７ＡＴ８９Ｃ５５與８１５５的連接圖在這種連接方法中，單片機的高位地址線與８１５５的ＡＬＥ端口和ＩＯ／Ｍ相連，即采用的編址技術中的線選方法，在這種ＩＯ／Ｍ信號的產生方法中，對８１５５需使用１６位地址進行編址。２．４鍵盤和顯示電路的設計鍵盤和顯示電路實現(xiàn)了人機交互功能，通過鍵盤電路可以設置系統(tǒng)運行狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)，顯示電路可以顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)、控制時間、設定溫度、實際溫度等。２．４．１鍵盤電路的設計根據硬件連接方式的不同，鍵盤可以分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤是指第１４頁武漢科技大學碩士學位論文各按鍵相互獨立，每個按鍵分別與單片機的Ｉ／Ｏ口或外擴Ｉ／Ｏ芯片的一根輸入線相連，通常每根輸入線上按鍵的工作狀態(tài)不會影響其他輸入線的工作狀態(tài)，通過檢測輸入線的電平就可以很容易地判斷哪個按鍵被按下了。獨立式鍵盤電路配置靈活，軟件簡單，但在按鍵數(shù)較多時就會占用大量的輸入口線，該設計方法只適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量多的場合，它通常由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。單片機的鍵盤檢測通常有三種方式：查詢、中斷、定時掃描。查詢和中斷方式同普通的Ｉ／Ｏ傳送是一致的，定時掃描方式是利用單片機內部定時器產生定時中斷，在中斷服務程序中對鍵盤進行掃描獲得鍵值【２２】。在本設計中采用的是３行幸３列鍵盤，其電路圖如圖２．８所示，列線由Ｐ１．０．Ｐ１．２口控制，行線由Ｐ１．３．Ｐ１．５口控制。電路中共９個按鍵，包括設置鍵、３個溫度參數(shù)和時間設置鍵、４個系統(tǒng)運行狀態(tài)選擇鍵、１個確定鍵。系統(tǒng)在程序初始化時控制鍵盤行線的Ｐ１．３．Ｐ１．５口輸出高電位，控制鍵盤列線的Ｐ１．Ｏ－Ｐ１．２口輸出低電位，在判斷電路是否有按鍵按下時，讀Ｐ１．０．Ｐ１．５端口值，若端口值不是０００１１１，則說明電路中有按鍵按下。然后根據程序進行去抖動處理和計算鍵值。Ｐ１０Ｐ１１Ｐｔ２Ｐ１３Ｐ１４Ｐ１５Ｐ１６Ｐ１７Ｐ００：Ｐ０１一Ｐ０２Ｐ０３ＬＰ０４｝－Ｐ０５一Ｐ０６——Ｐ０７ｏＡＴ８９Ｃ５５ＰＳＥＮＩＮＴｌＰ２０；Ｐ２ｌ—Ｐ２２?．Ｐ２３７＂－Ｐ２４：～Ｐ２５?！校玻叮校玻芬唬粒蹋拧祝遥遥模趾畾庖唬牛粒兀臁兀病辏遥樱浴遥兀模裕兀膱D２．８鍵盤電路圖２．４．２顯示電路的設計本設計中的顯示模塊采用的是北京集粹電子設備制造有限公司的ＳＧｌ６０１２８．０１Ａ液晶顯示模塊，可顯示字符、漢字、圖形，顯示屏結構為１６０＂１２８點陣，其引腳功能如表２．３所示。該顯示模塊內置液晶顯示控制器Ｔ６９６３Ｃ，Ｔ６９６３Ｃ的最大特點是具有獨特的硬件初始值設置功能，顯示驅動所需的參數(shù)如占空比系數(shù)、驅動傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)／行及字符的字體選擇等均由引腳電平設置，這樣Ｔ６９６３Ｃ的初始化在上電時就已經基本設置完成，軟件操作的主要精力可以全部用于顯示畫面的設計。液晶顯示模塊和單片機的連接方式分為直接訪問和間接訪問連接方式二種【２引。武漢科技大學碩士學位論文表２．３ＳＧｌ６０１２８－０１Ａ液晶顯示模塊引腳功能引腳ｌ第１５頁名稱ＦＧ功能液晶鐵框引出端，將此端接地，相當于將ＬＣＤ的外殼接地，可以增強ＬＣＤ的抗干擾能力２３４５６７８９１０ｌｌ１２－１９２０２１２２ＶＳＳＶＤＤＶＯＶｏＩＪＴ邏輯電源地邏輯電源正ＬＣＤ驅動電壓輸入端模塊ＤＣ／ＤＣ電路輸出端寫數(shù)據信號，上升沿鎖存讀數(shù)據信號，上升沿鎖存ＬＣＤ選通信號，低有效命令或數(shù)據，高電平：命令．低電平：數(shù)據Ｈ：正常模式＇Ｌ：待機模式復位信號，低有效觚／ＲＤ／ＣＥＣ／ＤＨＡＩ，Ｔ／ＲＳＴＤＢ０一ＤＢ７ＮＣＥＬ＋ＥＬ－８位數(shù)據總線沒有連接，懸空ＥＬ背光正端（ＬＥＤ背光正）ＥＬ背光負端（ＬＥＤ背光負）２．４．２．１間接訪問連接方式間接訪問連接方式是將顯示模塊與計算機系統(tǒng)中的某個并行Ｉ／Ｏ接口連接，計算機通過對該ＦＯ接口的操作間接的實現(xiàn)對模塊的控制。間接訪問連接方式在硬件電路上需要一個８位并行接口（如ＡＴ８９Ｃ５５的ＰＯ口）與模塊的數(shù)據線連接，作為數(shù)據總線，還需要～個３位并行接口作為時序控制信號線（如ＡＴ８９Ｃ５５的Ｐ３．２作為Ｃ／Ｄ，Ｐ３．３作為／ＷＲ，Ｐ３．４作為／ＲＤ）。間接控制方式的接口電路與時序無關，時序完全靠軟件編程實現(xiàn)。２．４．２．２直接訪問連接方式直接訪問連接方式是把顯示模塊作為存儲器或Ｉ／Ｏ設備直接掛在計算機的總線上，模塊的數(shù)據總線接計算機的數(shù)據總線上，片選及寄存器選擇信號線由計算機的地址總線提供，讀和寫操作由計算機的讀寫操作信號控制。本設計采用的是直接訪問連接方式，其電路圖如圖２．９所示。在這種連接方式中，單片機向液晶進行讀寫操作時不需要通過軟件來實現(xiàn)復雜的時序控制，簡單有效。第１６頁武漢科技大學碩士學位論文工匿２．９顯示電路連接圖２．５計時電路的設計計時電路的實現(xiàn)有二種方法，一種是使用單片機直接實現(xiàn)計時功能，但增加了軟件程序的長度、復雜度及調試難度。第二種方法是選擇用合適的時鐘芯片來完成計時功能。本設計選用的是Ｄａｌｌａｓ公司生產的時鐘芯片ＤＳｌ２８８７，該芯片自帶晶體震蕩器和可充電鋰電池，電路通電時其充電電路便自動對可充電電池充電，充電一次可供芯片時鐘運行半年之久，正常工作時可保證時鐘數(shù)據十年內不會丟失。ＤＳｌ２８８７內部有專門的接口電路，因而外部電路的時序要求十分簡單，使它與各種微處理器的接口大大簡化。使用時無需外圍電路元件，只要選擇引腳ＭＯＴ電平，即可和不同計算機總線連接。ＤＳｌ２８８７簡介ＤＳｌ２８８７性能特點和引腳功能２．５．１２．５．１．１ＤＳｌ２８８７采用２４引腳雙列直插式封裝，其引腳功能如表２．４所示，ＤＳｌ２８８７具有下列技術特點【２４】．【２６】：具有時鐘、鬧鐘功能及到２１００年的同歷功能，可選擇１２ｄ＇時制或２４ｄ＇時制計時，有ＡＭ和ＰＭ、星期、夏令時制時間操作及閏年自動補償?shù)裙δ?。具有用可編程選擇的周期性中斷方式和多頻率輸出的方波發(fā)生器功能。ＤＳｌ２８８７內部有１４個時鐘控制寄存器，包括ｌＯ個時標寄存器、４個狀態(tài)寄存器。還有１１４Ｂ武漢科技大學碩士學位論文第１７頁作掉電保護用的低功耗ＲＡＭ．。該芯片具有多種周期中斷速率時鐘中斷功能，可以滿足各種不同的待機要求，最長可達２４ｄ，時。時標可選擇二進制或ＢＣＤ碼來表示。工作電壓：＋４．５＂－＇５．５Ｖ。工作電流：７＂－＇１５ｍＡ?！ぷ鳒囟确秶海埃ⅲВ罚啊?。表２．４ＤＳｌ２８８７弓１腳功能引腳名稱功能１ＭＯＴ計算機總線選擇端２－３ＮＣ沒有連接懸空４－１１ＡＤＯ—ＡＤ７地址／數(shù)據總線１２ＧＮＤ邏輯電源她１３／ＣＳ選通信號端低電平有效１４ＡＳ地址鎖存信號端１５Ｒ／Ｗ讀／寫數(shù)據１６ＮＣ沒有連接懸空１７ＤＳ數(shù)據讀信號端１８／ＲＳＴ復位端１９／ＩＲＱ中斷申請由專用寄存器決定２０－２２ＮＣ沒有連接懸空２３ＳＯＷ方波輸出速率和是否輸出由專業(yè)寄存器Ａ、Ｂ的預置參數(shù)決定２４ＶＣＣ邏輯電源正ＤＳｌ２８８７時鐘芯片的控制與狀態(tài)寄存器ＤＳｌ２８８７有４個寄存器，分別是寄存器Ａ，Ｂ、Ｃ、Ｄ。１、寄存器Ａ寄存器Ａ各位不受復位的影響，內部地址為０ＡＨ，其格式如表２．５所示。表２．５寄存器Ａ的格式ＩＢＩＴ７ＢＩＴ６ＢＩＴ５ＢＩＴ４ＢＩＴ３ＢＩＴ２ＢＩＴｌＢＩＴ０ＩＵＩＰＤＶ２ＤＶｌＤＶ０ＲＳ３ＲＳ２ＲＳｌＲＳ０ＩＵＩＰ：更新周期標志位，只可讀。該位為“ｌ”時，表示芯片正處于或即將丌始更新周ＤＶ０、ＤＶｌ、ＤＶ２：芯片內部震蕩器ＲＴＣ控制位。芯片解除復位狀態(tài)后，若把０１０寫入２．５．１．２期，此時程序不準讀寫時標寄存器；該位為“０’’時，表示至少在２２４ｐｓ后才丌始更新周期。ＤＶ０、ＤＶｌ、ＤＶ２，５００ｍｓ后才開始下一次更新。第１８頁武漢科技大學碩士學位論文ＲＳ３、ＲＳ２、ＲＳｌ、ＲＳ０：方波頻率選擇位，產生方波周期中斷。２、寄存器Ｂ寄存器Ｂ允許讀寫，內部地址是０ＢＨ，其格式如表２．６所示。表２．６寄存器Ｂ的格式ＩＢＩＴ７ＳＥＴＢＩＴ６ＰＩＥＢＩＴ５ＡＩＥＢＩＴ４ＵＩＥＢＩＴ３ＢＩＴ２ＤＭＢＩＴｌＢＩＴ０ＤＳＥｌＳＱｗＥ２４／１２ＳＥＴ：數(shù)據更新控制位，該位為“ｌ’’時，禁止更新，程序可初始化各個時標寄存器：該位為“０＂時，時間更新正常進行，每秒計數(shù)１次。ＰＩＥ：周期中斷允許位，該位為“ｌ＂時，則允許周期中斷發(fā)生；該位為“０”時，則禁止周期中斷。ＡＩＥ：警報中斷允許控制位，該位為“ｌ＂時，則允許警報中斷發(fā)生；該位為“０＂時，則禁止警報中斷。ＵＩＥ：更新結束中斷允許控制位，該位為“１＂時，則允許更新結束中斷發(fā)生；該位為“０＂時，則禁止更新結束中斷。ＳＱＷＥ：方波輸出允許位，該位為“ｌ＂時，則允許在ＳＱＷ弓Ｉ腳輸出方波。方波頻率由頻率選擇位ＲＳ３．ＲＳＯ決定。若ＳＱＷＥ位為０，貝ｔＪＳＱＷＳｌ腳保持為低電平。ＤＭ：數(shù)據模式控制位，該位為“ｌ＂時，為二進制碼；該位為“０＂時，為十進相ＪＢＣＤ碼。２４／１２：２４／１２ｄｘ時格式控制位，該位為“１＂時，為２４ｄｘ時模式；該位為“ｏ＂時，為１２ｄｘ時模式。ＤＳＥ：夏時制允許位，該位為“１＂時，采用夏時制；該位為“０＂時，不采用夏時制。３、寄存器Ｃ寄存器Ｃ內部地址是０ＣＨ，其格式如表２．７所示。表２．７寄存器Ｃ的格式ｌＩＢＩＴ７ＢＩＴ６ＰＦＢＩＴ５ＡＦＢＩＴ４ＵＦＢＩＴ３ＯＢＩＴ２ＯＢＩＴｌＯＢＩＴ００ＩＲＱＦＩＲＱＦ：中斷申請標志，該位為“１＂時，引腳變?yōu)榈碗娖揭鹬袛嗌暾?。ＰＦ：方波周期中斷標志位，該位為“１＂時，方波周期結束，申請中斷。ＡＦ：鬧鈴中斷標志，該位為“１＂時，當前時間與鬧鈴時間匹配時即刻申請中斷。ＵＦ：更新周期結束中斷標志，該位為“１＂時，更新周期結束時申請中斷４、寄存器Ｄ寄存器Ｄ為只讀寄存器，內部地址是０ＤＨ，其格式如表２．８所示。表２．８寄存器Ｄ的格式ＢＩＴ７ＶＲＴＢＩＴ６ＯＢＩＴ５ＯＢＩＴ４０ＢＩＴ３０ＢＩＴ２０ＢＩＴｌ０ＢｔＴ００ＶＲＴ：電池狀態(tài)標出位，該位為“ｌ”時，鋰電池正常；該位為“０’’時，鋰電池耗盡，武漢科技大學碩士學位論文此時內部ＲＡＭ和各時間單元的數(shù)據己不可信。２．５．２計時電路的硬件電路第１９頁本設計中單片機與ＤＳｌ２８８７的接口電路如圖２．１０所示，片選地址岱＝＃０ＦＥ００Ｈ，在芯片初始化時，狀態(tài)寄存器Ａ、Ｂ分別設置為２０Ｈ、０６Ｈ，表示采用的時鐘頻率是３２７６８ＨＺ，ＳＱＷ引腳無輸出，時標寄存器用二進制碼表示，采用２４ｔＪｘ時工作模式。＋５Ｖ圖２．１０計時電路連接圖２．６報警電路的設計在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，經常涉及到中高溫控制和恒溫控制，當溫度達到、超過設定值或時間達到設定時間時，為保證安全和引起操作人員的重視，系統(tǒng)中需要有在緊急狀態(tài)能引起警覺的報警信號。報警信號通常有兩種類型：一是閃光報警，通過閃動的指示燈來提醒人們的注意；二是鳴音報警，通過發(fā)出特定的鳴音作用于人的聽覺器官，引起和加強警覺。本設計采用喇叭報警，屬于鳴音報警，簡單實用，其電路圖如圖２．１１所示。在該報警電路中，ＭＣｌ４１３是驅動器，接在ＡＴ８９Ｃ５５的Ｐ３．２口，當ＡＴ８９Ｃ５５的Ｐ３．２口輸出高電平時ＭＣｌ４１３輸出低電平，使蜂鳴器鳴音，反之，使蜂鳴器停止鳴音，ＡＴ８９Ｃ５５的Ｐ３．２口的高低電平輸出是在中斷服務程序中完成的。第２０頁武漢科技大學碩士學位論文Ｐ１Ｐｌ＋５ＶＰｌＰ１ＰｌＰｌＰ１ＰｌＯ，２３４５６７咖蹦眥；耋叭ＡＴ８９Ｃ５５ＩＮＰＳＴＥＮｌＩＮＴＯＴ１ＴＯＥＡＸ１Ｘ２ＲＳＴＲＸＤ＋５Ｖ呂；？Ｐ２２Ｐ２３Ｐ２４Ｐ２５Ｐ２６Ｐ２７ＡＬＥＷＲＴＸＤ。Ｒ’Ｄ——圖２．１１報警電路圖２．７輸出控制電路設計電阻爐溫度控制是通過控制電阻爐輸入功率的大小實現(xiàn)對溫度的控制，其控制方法有兩種：一種是可控硅移相觸發(fā)調節(jié)方式，其觸發(fā)方式是移相觸發(fā)，實質是通過改變交流電壓每周期內電壓波形的導通角從而控制輸出功率；另一種是通斷控制調節(jié)方式，其觸發(fā)方式是過零觸發(fā)，實質是通過改變交流電壓每周期內電壓波頭出現(xiàn)的次數(shù)從而控制輸出功率。通斷控制調節(jié)方式會防止高次諧波的干擾和污染電網，硬件電路和軟件程序都比較簡單，因而本設計中采用的是通斷控制調節(jié)方式。２．７．１固態(tài)繼電器簡介固態(tài)繼電器（ＳＯＬＩＤＳＴＡＴＥ?ＲＥＬＡＹＳ），簡寫成“ＳＳＲ＇’，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點開關器件，它利用電子元件（如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件）的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點開關＂。其與傳統(tǒng)的“線圈一簧片觸點式＂繼電器（簡稱“ＭＥＲ＇’）相比，具有開關速度快、無電磁干擾、能與ＴＴＬ、ＤＴＬ、ＨＴＬ等邏輯電路兼容、無機械觸點、無動作噪聲、耐振耐機械沖擊、防潮防霉防腐、工作效率高、使用壽命長等特點，如今固態(tài)繼電器在許多領域的電控及計算機控制方面得到日益廣范的應用。交流固體繼電器按開關方式分有電壓過零導通型（簡稱過零型）和隨機導通型（簡稱隨機型），交流過零型ＳＳＲ（Ｚ型ＳＳＲ）由于采用過零觸發(fā)技術，因而可以使ｚ型ＳＳＲ安全地用在計算機輸出接口上，不必為在接口上采用ＭＥＲ而產生的一系列對計算機的干擾而煩惱。ＳＳＲ按使用場合可以分成交流型和直流型兩大類，它們分別在交流或直流電源上做負武漢科技大學碩士學位論文第２１頁載的開關，下面以交流過零型的ＳＳＲ（Ｚ型ＳＳＲ）為例來說明它的工作原理，圖２．１２是它的工作原理框圖，圖中的部件（阻④構成Ｚ型ＳＳＲ的主體，從整體上看，Ｚ型ＳＳＲ只有兩個輸入端（Ａ和Ｂ）及兩個輸出端（Ｃ和Ｄ），是一種四端器件．工作時只要在Ａ、Ｂ上加上一定的控制信號，就可以控￥Ｕｃ、Ｄ兩端之間的“通”和“斷”，實現(xiàn)“開關”的功能，其中耦合電路的功能是為Ａ、Ｂ端輸入的控制信號提供一個輸入／輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開Ｚ型ＳＳＲ中輸入端和輸出端之間的（電）聯(lián)系，以防止輸出端對輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動作靈敏、響應速度高、輸入／輸出端間的絕緣（耐壓）等級高；由于輸入端的負載是發(fā)光二極管，這使Ｚ型ＳＳＲ的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用時可直接與計算機輸出接口相接，即受“ｌ”與“０”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產生合乎要求的觸發(fā)信號，驅動開關電路④工作，但由于開關電路在不加特殊控制電路時，將產生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網，為此特設“過零控制電路”。所謂“過零”是指，當加入控制信號，交流電壓過零時，ＳＳＲ雖Ｐ為通態(tài)；而當斷開控制信號后，ＳＳＲ要等待交流電的正半周與負半周的交界點（零電位）時，ＳＳ財為斷態(tài)。這種設計能防止高次諧波的干擾和對電網的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌（電壓）對開關器件雙向可控硅管的沖擊和干擾（甚至誤動作）而設計的，一般是用“Ｒ－Ｃ”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻（壓敏電阻器）【ｚ¨。耦合電路觸發(fā)電路②開關奎牽①電路④挈章出一ＡＣ。ＤＣ【五］源過零控制電路③圖２．１２交流過零型固態(tài)繼電器工作原理圖２．７．２輸出控制電路的硬件電路在本設計中采用的是ｚ型ＳＳＲ，根據ｚ型ＳＳＲ的工作原理，當ｚ型ＳＳＲ在１秒內為全導通狀態(tài)時，其被觸發(fā)頻率為１００ＨＺ，輸出交流電壓波頭數(shù)是１００；當Ｚ型ＳＳＲ在１秒內為全斷開狀態(tài)時，其被觸發(fā)頻率為０ＨＺ，輸出交流電壓波頭數(shù)是０。本設計的輸出控制硬件電路如圖２．１３所示，其工作原理分析如下：２２０伏交流電壓經過一個２２０／１２伏的變壓器輸出１２伏左右交流電壓，該電壓經整流橋、穩(wěn)壓二極管作用后變?yōu)轭l率為１００ＨＺ的直流信號，該信號輸入到三極管的基極后，經三極管作用后在其集電極輸出為１００ＨＺ的脈沖Ｑｃ。該脈沖信號輸入到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的輸入端，使單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器７４ＬＳ２２１輸出一個頻率為１００ＨＺ的脈沖ＱＩ，該脈沖寬度Ｔ－ＲＴ?ＣＴ決定。本設計中采用兩片ＣＤ４５２７（十進制ＢｃＤ碼比例乘法器）組成２位十進制比例加法器，其本質是利用ＢＣＤ輸入數(shù)控制電路交流輸出，其時鐘脈沖由單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的輸出Ｑｌ取反決定，時鐘脈沖頻率為１００ＨＺ／秒，輸出驅動ＭＣｌ４１３控制Ｚ第２２頁武漢科技大學碩士學位論文型ＳＳＲ的輸入端狀態(tài)，最終控制著交流電路的開斷狀態(tài)。例如，根據控制算法某秒內交流電壓輸出波頭數(shù)為９０，只要將９、０以ＢＣＤ碼的形式分別輸入到兩片ＣＤ４５２７的ＢＣＤ碼輸入端口，根據電路的硬件設計，Ｚ型＿ＪＳＳＲ的輸入端被觸發(fā)頻率是９０ＨＺ，交流電壓的輸出波頭數(shù)為９０。Ｑ。ｕＴ的頻率為如四＝（魯＋而ｋ２）厶。的榆？４｛ｏ｛、酉的波形如圖２．１４所示。ＶＣＣ公式（２．７）式中ｋ１、ｋ２的值由控制算法算出并以ＢＣＤ碼的形式存在擴展芯片８１５５的ＰＢ端。電路中穩(wěn)壓二極管的電壓ＱＤ、三極管的基極電壓ＱＢ、集電極電壓Ｑｃ、穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，７４ＬＳ２２１４３ＭＣＪ斗Ｍ伊ｍ口Ｉ２●Ｏ—一—一圖２．１３輸出控制電路的硬件電路圖武漢科技大學碩士學位論文Ｕａ第２３頁Ｑ—ｒｒ—＿Ｖ——Ｖ＿—飛—ＴＱｔ廠］廠］廠］廠］廠］廠］］廠］廠］廠］廠］廠］廠圖２．１４輸出電路中Ｕａ、ＯＢ、ｑｃ、Ｑｌ、荮的波形圖２．８硬件抗干擾設計溫度控制系統(tǒng)中含有微弱模擬信號、高精度的Ａ／Ｄ轉換、大功率驅動電路，抗干擾是設計中必須考慮的問題，否則會出現(xiàn)數(shù)據采集信號誤差加大、輸出誤差加大、系統(tǒng)失控、硬件損壞等狀況?？垢蓴_就是針對干擾產生的原因采取相應的方法消除干擾源以提高系統(tǒng)精度，使控制系統(tǒng)正常、穩(wěn)定地工作。硬件系統(tǒng)的抗干擾性設計是單片機系統(tǒng)可靠性的根本，它能把干擾消除在外圍，因此針對干擾產生的基本要素在硬件設計時要盡量采取措施，最大限度抑制干擾的產生。其采取的措施主要有：（１）減小電源噪聲系統(tǒng)中的復位、中斷和一些控制信號對電源噪聲很敏感，電源要采用隔離變壓器或加濾波電路，以減小電源噪聲的干擾。（２）去耦電容在系統(tǒng)的每個集成電路的電源和地線之間都要加去耦電容，其作用一方面提供和吸收集成電路開門瞬間的充放電能量，另一方面旁路掉集成電路的高頻噪聲。去耦電容值一般?。埃埃保ⅲ埃毙?，且一般應選用高頻特性好的獨石電容或瓷片電容。（３）隔離技術物理隔離是對小信號低電平的隔離，一般是對單片機前端的輸入信號線而言的，信號在傳輸過程中極易受到干擾，其信號線要盡量遠離高電平大功率的導線，以減少噪聲和電磁場的干擾。光電隔離是通過光電耦合器件實現(xiàn)的，光電耦合器件不但能實現(xiàn)信號的傳遞，而且能實現(xiàn)電氣的隔離。由于光電耦合器件的輸入斷和輸出端在電氣上是絕緣的，因而具有較強的電氣隔離和抗干擾能力。ｆ４）ＰＣＢ設計時抗干擾設計在進行電源線設計時應盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻，降低耦合噪聲；接地線應盡量加粗，最好不少于３ｍｍ；晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定；用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與第２４頁武漢科技大學碩士學位論文模擬地要分離，最后在一點接電源地；電路板合理分區(qū)，如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號等；盡可能把干擾源（如電機、繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離；對于單片機閑置的Ｉ／ＯＨ，要接地或接電源，其他ＩＣ的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源【２８】【２９】。武漢科技大學碩士學位論文第２５頁第三章溫度控制系統(tǒng)軟件設計在目前的單片機軟件開發(fā)中，常用的語言是匯編語言和Ｃ語言兩種。匯編語言是一種文字用助記符來表示機器指令的符號語言，其優(yōu)點是程序占用資源少、運行速度快、執(zhí)行效率高，但具有缺乏通用性、程序可移植性差、編程比高級語言困難等缺點。Ｃ語言是是一種結構化程序設計語言，可產生緊湊代碼。Ｃ語言可以進行許多機器級函數(shù)控制而不用匯編語言，與匯編語言相比，Ｃ語言有如下優(yōu)點：對單片機的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對單片機的存儲器結構有初步了解；寄存器的分配、不同存儲器的尋址及數(shù)據類型等細節(jié)可由編譯器管理；程序有規(guī)范的結構、可分為不同的函數(shù)，這種方式可使程序結構化；具有將可變的選擇與特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性；關鍵字及運算函數(shù)可以近似人的思維過程方式使用；編程及程序調試時間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫包含許多標準子程序，具有較強的數(shù)據處理能力；具有方便的模塊化編程技術，已編好的程序可容易的植入新程序。Ｃ語言作為一種非常方便的語言而得到廣泛的支持，Ｃ語言程序本身并不依賴于機器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可以根據單片機的不同較快的移植過來。鑒于Ｃ語言編程有眾多優(yōu)點，在本設計中，采用的是Ｃ語言編寫程序【劃。３．１系統(tǒng)軟件設計思想由于系統(tǒng)程序比較復雜，為了便于編寫、調試、修改，系統(tǒng)程序的編寫采用了模塊化的結構，整個系統(tǒng)包括主模塊、初始化模塊、溫度檢測模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、計時模塊、中斷服務模塊、控制算法模塊、輸出控制模塊等幾個部分，其軟件總體結構圖如圖３．１所示。圖３．１軟件總體結構圖第２６頁武漢科技大學碩士學位論文３．２溫度檢測程序設計溫度檢測采用Ｋ型熱電偶轉換器ＭＡＸ６６７５完成，ＭＡＸ６６７５Ｐ畸部集成有冷端補償電路、非線性校正電路、斷線檢測電路，而且ＭＡＸ６６７５對其內部元器件的參數(shù)進行了激光修正，這樣保證ＭＡＸ６６７５的轉換結果與對應溫度值具有較好的線性關系，也給Ｋ型熱電偶的使用帶來了極大的方便。溫度檢測程序流程圖如圖３．２所示，ＥｌｄＭＡＸ６６７５構成的溫度檢測電路具有編譯程序簡單，讀數(shù)精確度高等特點【３ｌ】。／——————————。、＼（初始化、、～一。．一．—一，）！圖３．２溫度檢測程序流程圖溫度檢測程序的相關代碼為：ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｒｅａｄ＿ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（ｖｏｉｄ）｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｉ；ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｒｅａｄ＿ＤＡＴＡ＝０；ＳＣＫ＝０；ＣＳ＝０；Ｄｅｌａｙ５Ｍｓ０；武漢科技大學碩士學位論文ｆｏｒ（ｉ＝ｌ；ｉ＜＝ｌ６；ｉＨ）｛ＳＣＫ＝Ｉ；第２７頁ｒｅａｄ＿ＤＡＴＡ－－－ｒｅａｄ＿ＤＡＴＡｌＳＯ；ＳＣＫ＝Ｏ；ｒｅａｄ＿ＤＡＴＡ－－ｒｅａｄ＿．ＤＡＴＡ＜＜１；）ＣＳ＝Ｉ；ｒｅａｄＤＡＴＡ－－ｒｅａｄＤＡＴＡ＞＞４；ｒｅａｄ＿ＤＡＴＡ－－ｒｅａｄ＿ＤＡＴＡ＞＞２；ｒｅｔｕｒｎ（ｒｅａｄ＿ＤＡＴＡ）；３．３鍵盤輸入程序設計本設計中采用的是行列式鍵盤，鍵盤輸入程序的作用是通過行列式鍵盤掃描準確的判斷按鍵是否按下并讀出鍵值，按鍵功能的實現(xiàn)是在主模塊里對所讀鍵值做相應的處理來完成的。鍵盤輸入程序要完成以下四個方面的工作，其流程圖如圖３．３所示。（１）鍵盤掃描，判斷是否有鍵按下。置Ｐ１口的值為０ｘｆ８，然后讀Ｐ１１３的狀態(tài)，若Ｐ１端口值仍為０ｘｆ８，說明沒有按鍵按下；若Ｐｌ端口值不為ｏｘｆ８，說明有按鍵被按下。（２）去抖動處理。在按鍵被按下時，由于機械觸點的彈性及電壓突變等原因，在觸點閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)抖動，抖動會引起按鍵功能的實現(xiàn)出現(xiàn)失誤。因此，當按鍵掃描表明有按鍵按下之后，就應進行去抖動處理。在本設計中是采用的時間延遲的方法來躲過抖動，延時時閾一般?。保埃玻埃颍幔?。（３）鍵值的計算。去抖動之后再次進行鍵盤掃描，若仍有按鍵按下就計算閉合鍵鍵值。計算方法是先依次置列線端ＥｐＩ．０－ｐ１．２狀態(tài)為１１０、１０１、０１１，同時依次讀行線端口ｐ１．３．ｐ１．５的狀態(tài)，為“０＂的端口對應按鍵的行號，由對應為“０一的列線端口得到按鍵的列號，閉合鍵的位置就由行號和列號確定，由此也可得到對應的鍵值。（４）等待鍵釋放。計算鍵值以后，要進行延時操作等待鍵釋放，其目的是為了保證鍵的一次閉合僅進行一次處理。第２８頁武漢科技大學碩士學位論文＜：起逸眵馬叵（、莖塑），這齒＜≤建耍妻簍堡主≥’●望型！堡Ｉ．一?。颉巍荩伲偃℃I值Ｙ，１保存鍵值！（返回）—Ｊ一圖３．３鍵盤輸入程序流程圖３．４液晶顯示程序設計ＳＧｌ６０１２８．０１Ａ液晶顯示模塊內置有液晶顯示控制器Ｔ６９６３Ｃ，Ｔ６９６３Ｃ最大可控６４Ｋ顯示存儲器，ＳＧｌ６０１２８．０１Ａ液晶顯示模塊中Ｔ６９６３Ｃ的存儲空間是８Ｋ。ＳＧｌ６０１２８．０１Ａ與單片機的連接是采用的直接連接方式，根據連接方式數(shù)據的地址是ＯＸ３ＦＦＦ，命令的地址是Ｏ）（ＢＦＦＦ。３．４．１指令系統(tǒng)單片機對Ｔ６９６３Ｃ的操作有四類共１３條：一是讀狀態(tài)字指令（１條），在Ｔ６９６３Ｃ中有一個一字節(jié)的狀態(tài)字，微處理器在對Ｔ６９６３Ｃ的每一次操作前都要讀這個狀態(tài)字并對其中的相應位加以判斷，以決定是否可以對Ｔ６９６３Ｃ進行操作；二是設置指令（９條），該類指令用于設置顯示的區(qū)域、方式及數(shù)據地址指針，設置光標的形狀和數(shù)據的讀寫方式等；三是位操作指令（１條），該指令專用于對液晶屏上的像素（點）操作；四是數(shù)據的讀／寫指令（２條），該指令讀／寫的數(shù)據即為液晶屏上所顯示的內容。系統(tǒng)在寫入任何讀寫命令之前，必須檢查“狀態(tài)”寄存器。Ｔ６９６３Ｃ狀態(tài)寄存器的格式如表３．１所示，Ｔ６９６３Ｃ狀態(tài)寄存器各位的意義如表３．２所示。武漢科技大學碩士學位論文表３．１Ｔ６９６３ｃ狀態(tài)寄存器的格式ＭＳＢＬＳＢＳＴＡ６Ｄ６ＳＴＡ５Ｄ５ＳＴＡ４Ｉ）４ＳＴＡ３Ｄ３ＳＴＡ２Ｄ２ＳＴＡｌＤ１ＳＴＡ０ＤＯ第２９頁ｌＳＴＡ７Ｄ７Ｉｌ表３．２Ｔ６９６３Ｃ狀態(tài)寄存器各位的意義ＳＴＡ０可執(zhí)行命令Ｏ：Ｄｉｓａｂｌｅｌ：ＥｎａｂｌｅＳＴＡｌ可讀寫數(shù)據０：Ｄｉｓａｂｌｅｌ：ＥｎａｂｌｅＳＴＡ２可自動讀數(shù)據０：Ｄｉｓａｂｌｅｌ：ＥｎａｂｌｅＳＴＡ３可自動寫數(shù)據０：Ｄｉｓａｂｌｅｌ：ＥｎａｂｌｅＳＴＡ４ＳＴＡ５無用操作可執(zhí)行０：Ｄｉｓａｂｌｅ１：ＥｎａｂｌｅＳＴＡ６錯誤標志（執(zhí)行屏獲取和拷貝命令）０：無錯誤ｌ：錯誤Ｓ１ｌＡ７檢查是否正常顯示ｏ：顯示關１：正常顯示對Ｔ６９６３Ｃ每一次進行軟件操作之前都要進行判“忙’’，只有在不“忙＂的狀態(tài)下單片機Ｔ６９６３Ｃ的操作才有效。在單片機讀寫指令或一次讀／寫數(shù)據時，ＳＴＡＴＯ和ＳＴＡＴｌ要同時有效，即“準備好＂狀態(tài)，當單片機使用自動讀／寫功能時，要判斷ＳＴＡＴ２或ＳＴＡＴ３狀態(tài)是否有效。其流程圖如圖３．４所示。數(shù)據自動讀／寫命令對大量數(shù)據操作十分方便，設置自動模式后，每個數(shù)據之間不再需要讀／寫命令。“自動讀／寫’’命令后應跟“地址指針設置＂命令，每個數(shù)據讀／寫后，地址指針自動加ｌ，所有數(shù)據讀／寫完后，需要執(zhí)行自動模式復位命令返回到正常操作模式。數(shù)據自動讀７寫流程圖如圖３．５所示【３２】【３３】。（、竺奎鯊查墅竺）Ｎ（檢查“自動”狀態(tài)開始）、、、‘。。１。。?！?。。。。。１。?！?。。。。。。?！??！??！！??！?。。１’‘。。。－。。。。。。。。。。?！！?。。。。?！??！?。。。。—，，Ｎ返ＩｕＪ。）（返回圖３．４狀態(tài)檢查流程圖一Ｉ！第３０頁武漢科技大學碩士學位論文ｒ自動模式開始、＼＼／士顯示地址指針設置上檢查狀態(tài)，寫入自動讀／寫指令代碼（ＢｏＨ／ＢｌＨ）ｔ１Ｔ檢查“自動”狀態(tài)，Ｌ鰲塑讀，寫操作ｌＶ?。?，。，，＜。：二．ｉ二ｏ～～Ｎ圖３．５數(shù)據自動讀／寫程序流程圖Ｔ６９６３Ｃ可以管理２Ｋ的ＣＧＲＡＭ，在本設計中設置有１Ｋ的ＣＯＲＡＭ，字符代碼自動裝載程序為：ｖｏｉｄＣＧＲＡＭ（ｖｏｉｄ）｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｍ＝０；ｄｏｕｂｌｅ＿ｂｙｔｅ－ａｒａｍｅｔｃｒ（０ｘ０７，０ｘ００，０ｘ２２）；／／設定最高的１Ｋ為ＣＧＲＡＭｄｏｕｂｌｅｂｙｔｅ＿＿ｐａｒａｍｅｔｅｒ（Ｏｘ００，Ｏｘ３ｃ，０ｘ２４）；ｎｏ＿ｐａｒａｍｅｔｅｒ（０ｘｂ０）；ｆｏｒ（ｍ＝Ｏ；ｍ＜８４８；ｍ＋＋）｛ｃｈｅｃｋ＿ｓｔａ３０；ｗｄａｔａ（ＣＧＴＡＢ［ｍ］）；｝ｃｈｅｃｋ＿ｓｔａ３０；ｗｃｏｍ（Ｏｘｂ２）；３．４．２頁面顯示在本設計中頁面顯示的有字符和漢字，不涉及圖形顯示，漢字顯示采用的１６?１６點陣形式，也即四個８牛８字符組成一個１６?１６的漢字字符，字符顯示采用的是１６?８點陣形式。漢字和字符顯示的程序分別為：漢字顯示子程序：ｖｏｉｄｄｉｓｐｌａｙＨＺ＿ａｔｘｙａｄｄｒ（ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒａｄｄｒ，ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｈａｎｇ，ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｌｉｅ）｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｔｅｍｐ；ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｌｏｗ；ｎ＿ｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｈｉｇｈ；ｔｅｍｐ＝（ｓｉｚｅ＿＿ｌｉｅ／８）?２幸（ｈａｎｇ－Ｉ）＋２?（１ｉｅ－１）；ｌｏｗ＝ｔｅｒｎｐ＆ＯｘＯＯｆｆ；ｈｉｇｈ＝（ｔｅｍｐ＞＞８）＆ＯｘＯＯｆｆ；ｄｏｕｂｌｅ＿ｂｙｔｅ＿＿ｐａｒａｍｅｔｅｒ（１０ｗ，ｈｉｇｈ，Ｏｘ２４）；ｎｏｐａｒａｍｅｔｅｒ（ＯｘｂＯ）；ｃｈｅｃｋ＿ｓｔａ３０；ｗｄａｔａ（ａｄｄｒ）；／／左上ｃｈｅｅｋ＿ｓｔａ３０；ｗｄａｔａ（ａｄｄｒ＋２）；／／右上．ｃｈｅｃｋ＿ｓｔａ３０；ｗｅｏｍ（Ｏｘｂ２）；ｔｅｍｐ＝（ｓｉｚｅ＿ｌｉｅ／８）宰２宰Ｏａａｎｇ－１）＋（ｓｉｚｅ＿ｌｉｅ／８）＋２＊（１ｉｅ一１）∥下半部分比上半部分的地址多（ｓｉｚｅ＿ｌｉｅ／８）ｌｏｗ＝ｔｅｍｐ＆ＯｘＯＯｆｆ；ｈｉｇｈ＝（ｔｅｍｐ＞＞８）＆ＯｘＯＯｆｆ；ｄｏｕｂｌｅｂｙｔｅ＿ｐａｒａｍｅｔｅｒ（１０ｗ，ｈｉｇｈ，０ｘ２４）；ｎｏ＿ｐａｒａｍｅｔｅｒ（ＯｘｂＯ）；ｃｈｅｃｋ＿ｓｔａ３（）；ｗｄａｔａ（ａｄｄｒ＋１）；ｃｈｅｃｋ＿ｓｔａ３０；ｗｄａｔａ（ａｄｄｒ＋３）；ｃｈｅｃｋ＿ｓｔａ３０；ｗｅｏｍ（Ｏｘｂ２）；｝第３２頁武漢科技大學碩士學位論文在ＴＥＸＴ顯示模式下，ＴＥＸＴ區(qū)域被分為ｓｉｚｅ．．ｈ鋤∥８行、ｓｉｚｅ＿＿ｌｉｅ／８歹ｌＪ個８幸８點陣，行地址為０一（ｓｉｚｅ＿ｈａｎｇ／８－１），列地址Ｏ一（ｓｉｚｅ一１ｉｅ／８－－１），本程序中的ｈ鋤ｇ和ｌｉｅ都是從ｌ開始的，并且是１６＂１６的。字符顯示子程序：ｖｏｉｄｄｉｓｐｌａｙＨＺＺＦａｔ—ｘｙａｄｄｒ（ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒａｄｄｒ，ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｈａｎｇ，ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｌｉｅ）｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｔｅｍｐ；ｌｏｗ；ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｈｉｇｈ；ｔｅｍｐ＝（ｓｉｚｅ＿ｌｉｅ／８）幸２唪（ｈａｎｇ－１）＋（１ｉｅ－１）；ｌｏｗ＝ｔｅｍｐ＆０ｘ００ｆｆ；ｈｉｇｈ＝（ｔｅｍｐ＞＞８）＆０ｘ００ｆｆ；ｄｏｕｂｌｅ．＿ｂｙｔｅ＿＿ｐａｒａｒｎｃｔｃｒ（１０ｗ，ｈｉｇｈ，０ｘ２４）；ｎｏ＿．ｐａｒａｍｅｔｅｒ（０ｘｂ０）；ｃｈｅｃｋ＿ｓｔａ３０；ｗｄａｔａ（ａｄｄｒ）；ｃｈｅｃｋ＿ｓｔａ３０；ｗｃｏｍ（０ｘｂ２）；ｔｅｍｐ＝（ｓｉｚｅ＿ｌｉｅ／８）＇２奉（ｈａｎｇ－１）＋（ｓｉｚｅ＿ｌｉｅ／８）＋（１ｉｅ－１）；／／－Ｆ半部Ｙ于ｔＢ上半部分的地址多（ｓｉｚｅｌｉｅ／８）ｌｏｗ＝ｔｅｍｐ＆０ｘ００ｆｆ；ｈｉｇｈ－（ｔｅｍｐ＞＞８）＆０ｘ００ｆｆ；ｄｏｕｂｌｅ＿ｂｙｔｅ＿＿ｐａｒａｍｅｔｅｒ（１０ｗ，ｈｉｇｈ，０ｘ２４）；ｎｏ＿＿ｐａｒａｍｅｔｅｒ（０ｘｂ０）；ｃｈｅｃｋ＿ｓｔａ３０；ｗｄａｔａ（ａｄｄｒ＋１）；ｃｈｅｃｋ＿ｓｔａ３０；ｗｃｏｍ（０ｘｂ２）；＇３．５計時程序設計本設計中采用ＤＡＬＬＡＳ公司生產的時鐘芯片ＤＳｌ２８８７來完成計時程序，計時程序的作用是使系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)嚴格按照設定時間進行，其流程圖如圖３．６所示。武漢科技大學碩士學位論文第３３頁設置系統(tǒng)時間ｉ時鐘芯矗始化ｌ時鐘芯片初始化一／：古萬仕、芝竺歲／／士Ｙ讀取系統(tǒng)時間／弋蚪向不ＩＩ、＼１Ｎ圖３．６計時程序流程圖其中系統(tǒng)時間設置子程序、初始化子程序、讀系統(tǒng)時間子程序分別為：系統(tǒng)時間設置子程序：ｖｏｉｄＳｅｔ＿ｃａｌｅｎｄａｒ（ｖｏｉｄ）∥設置系統(tǒng)時間｛ｕｍｉｇｎｅｄｃｈａｒｉ；ＤＳ１２８８７一ＲＥＧ＿Ｂ＝Ｏｘ８０：ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜７；ｉ＋＋）｛＊（ｃａｌｅｎｄａｒ＿ａｄｄｒｅｓｓ＋ａｔ［ｉ］）＝ｅａｌｅｎｄａｒ＿ｉｎｉｔｉａｌ＿ｆｉｍｅ［ｉ］；ｎ（＇ｐＯ；ｎｏｐ＿Ｏ；ｐｏｐ（）；））初始化子程序：ｖｏｉｄｉｎｉｔＤＳｌ２８８７（ｖｏｉｄ）｛ＤＳｌ２８８７ＲＥＧＡ＝Ｏｘ２０：ＡＣＣ：ＤＳ１２８８７一ＲＥ６＿Ｃ：／木設黃ＤＳｌ２８８７的Ａ寄存器奉／／木讀寄存器Ｃ，清零中斷請求標志木／／木讀寄存器Ｄ，使ＶＲＴ＝Ｉ，數(shù)據有效木／ＡＣＣ＝ＤＳｌ２８８７ＲＥＧＯ：ＤＳ１２８８７一ＲＥＧ＿Ｂ＝Ｏｘ０６：產時標為二進制，２４ｄ＇時方式，其最高位為Ｏ，芯片工作，為１，芯片禁止工作幸／第３４頁）讀系統(tǒng)時間子程序：ｖｏｉｄＲｅａｄ武漢科技大學碩士學位論文ｃａｌｅｎｄａｒ（ｖｏｉｄ）／奎從時鐘