春趙建華畢業(yè)答辯PPT

論文題目：?jiǎn)纹瑱C(jī)控溫系統(tǒng)與應(yīng)用設(shè)計(jì)

姓名:趙建華學(xué)號(hào):12615313天津?qū)W習(xí)中心2023/1/12本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容1.單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的主要組成部分2.自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)3.單片機(jī)控溫體系的應(yīng)用本設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究的問(wèn)題1．單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用2.溫度控制系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)綜述隨著科技的不斷進(jìn)步，在工業(yè)生產(chǎn)中溫度是常用的被控參數(shù)，而采用單片機(jī)來(lái)對(duì)這些被控參數(shù)進(jìn)行控制已成為當(dāng)今的主流。本畢業(yè)設(shè)計(jì)介紹了數(shù)字溫度測(cè)量及自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。它的主要組成部分有：AT89C51單片機(jī)、溫度傳感器、鍵盤(pán)與顯示電路、溫度控制電路。它可以實(shí)時(shí)的顯示和設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制。通過(guò)測(cè)試表明，本設(shè)計(jì)對(duì)溫度的控制有方便、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，從而大幅提高了被控溫度的技術(shù)指標(biāo)。以電加熱爐為被控對(duì)象、AT89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)溫度測(cè)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中采用熱電偶檢測(cè)爐溫，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)顯示及越限報(bào)警，控制部分采用數(shù)字PID算法，產(chǎn)生的控制信息通過(guò)固態(tài)繼電器控制電阻絲的通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)爐溫的定值控制。系統(tǒng)硬件電路由采集模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)輸入模塊和控制輸出等模塊組成。系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主要包括主程序模塊、采樣子程序模塊、鍵盤(pán)顯示子程序模塊、PID子程序模塊以及數(shù)字濾波子程序模塊等。由此完成溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的目的和意義一、溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)，例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)溫度控制要求越來(lái)越高，除要求有較高的控制精度外，還要求能對(duì)溫度的上升速度及下降速度進(jìn)行控制，顯然應(yīng)用常規(guī)的儀表加接觸器的斷續(xù)控制方法難以滿足這些要求。然而，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是單片機(jī)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)上述被控制對(duì)象采用功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低的智能化溫度控制裝置進(jìn)行控制成為現(xiàn)實(shí)。單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量?；诖?，本課題圍繞應(yīng)用于電加熱爐的基于單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng)展開(kāi)應(yīng)用研究工作。二、本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為一電加熱爐，輸入為加在電阻絲兩端的電壓，輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度?？販胤秶鸀?～250℃，所采用的控制方案為直接數(shù)字控制。課題的設(shè)計(jì)可分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分：硬件設(shè)計(jì)分為控制電路、加熱電路和測(cè)量電路三部分；軟件的設(shè)計(jì)主要是模塊化編程，要完成的程序設(shè)計(jì)包括主程序、參數(shù)調(diào)節(jié)服務(wù)程序、采樣中斷服務(wù)程序、T1定時(shí)中斷服務(wù)程序，數(shù)字濾波子程序，PID計(jì)算程序。

單片機(jī)爐溫測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工作原理

單片機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制核心，輔以采樣反饋電路，控制電路對(duì)電爐爐溫進(jìn)行控制的微機(jī)控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示：給定值單片機(jī)控制器固態(tài)繼電器被控對(duì)象采樣電路溫度值工作原理敘述系統(tǒng)采用單閉環(huán)形式，其基本控制原理為：根據(jù)偏差的大小和正負(fù)，通過(guò)PID控制算法運(yùn)算得到輸出控制量。由于采用Z型交流固態(tài)繼電器，其內(nèi)部有過(guò)零檢測(cè)電路。只有當(dāng)負(fù)載的交流電源到達(dá)過(guò)零區(qū)時(shí)SSR導(dǎo)通，所以負(fù)載工作時(shí)近似為正弦波，可減少高次諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾。通過(guò)控制采樣周期T內(nèi)導(dǎo)通的周波個(gè)數(shù)，即n值，就可控制電加熱爐的加熱功率。其關(guān)系為：P=n/N×I2R式中P為負(fù)載輸入功率；N為采樣周期T內(nèi)的周波數(shù)；n為采樣周期T內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)；R為負(fù)載電阻；I為采樣周期T內(nèi)的負(fù)載電流值。單片機(jī)爐溫測(cè)控系統(tǒng)的原理框圖

框圖主要包括：模擬量輸入通道、數(shù)字量輸出通道、鍵盤(pán)以及顯示器。模擬量輸入通道由溫度檢測(cè)及放大部分和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。為了降低成本，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，輸出信號(hào)經(jīng)精密放大器放大到A/D轉(zhuǎn)換所需阻以改變放大倍數(shù)，的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，根據(jù)熱電偶分度號(hào)和量程的不同，可選擇和調(diào)整放大器的反饋電從而實(shí)現(xiàn)溫度標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換功能由ADC0809完成，它是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。由于爐溫度化緩慢，輸入通道中沒(méi)有設(shè)置采樣保持器。數(shù)字輸出通道輸出能改變固態(tài)繼電器通斷的高低電平，因此省去了D/A轉(zhuǎn)換器，僅用了一條I/O線。鍵盤(pán)和顯示部分由8255A、四個(gè)共陰極數(shù)碼管、4×4行列式鍵盤(pán)和三個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成，其中顯示器用于爐內(nèi)溫度顯示及溫度給定植顯示。鍵盤(pán)輸入溫度給定值。測(cè)溫電路的選擇與設(shè)計(jì)

熱電偶

熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)大小的熱電傳感器，對(duì)它的選擇將直接影響檢測(cè)誤差的大小。目前多選K型或S型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶。兩者相比，K型熱電偶有較好的溫度—熱電勢(shì)的線性度，但它不適宜于長(zhǎng)時(shí)間在高溫區(qū)適用；S型熱電偶有高的精度，但溫度—熱電勢(shì)的線性度較差。本設(shè)計(jì)中采用了鎳鉻/鎳鋁熱電偶，鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于0℃～1000℃的溫度檢測(cè)范圍。補(bǔ)償電橋法實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償

由熱電偶測(cè)溫原理可知，只有當(dāng)熱電偶的冷端溫度保持不變，熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。而且，在工程技術(shù)上使用的熱電偶分度表和根據(jù)分度表刻劃的測(cè)溫顯示儀表的刻度都是根據(jù)冷端溫度為0℃而制作的。另外在實(shí)際使用時(shí)，由于熱電偶的熱端（測(cè)量端）與冷端離得很近，冷端又暴露于空氣中，容易受到環(huán)境溫度的影響，因而冷端溫度很難保持恒定。為此用電橋法進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償.

測(cè)溫電路的選擇與設(shè)計(jì)

測(cè)量放大電路

熱電偶傳感器的輸出信號(hào)都在毫伏級(jí)，而ADC0809的參考電壓為+5V，其滿量程可以分為256個(gè)標(biāo)準(zhǔn)步，最小的單位為1LSB,若要增大信號(hào)檢測(cè)的靈敏度，只有將傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后再送入ADC0809的模擬通路。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。電路圖如下：

測(cè)溫電路的選擇與設(shè)計(jì)測(cè)量放大電路圖：

接口電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多，但目前應(yīng)用較廣泛的主要有3種類(lèi)型：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)選用最常用的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，將輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上，其典型轉(zhuǎn)換速度為100us。ADC0809的數(shù)據(jù)采集精度為1/256，即0.04%，與微波檢測(cè)電路輸出信號(hào)的精度相匹配。如果采用精度較高的ADC芯片，其輸出數(shù)據(jù)的后幾位并不可靠，造成了不必要ADC芯片的浪費(fèi)。ADC0809由8路模擬開(kāi)關(guān)、8位的A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成8255A與AT89C51接口硬件電路設(shè)計(jì)8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程輸入/輸出接口芯片，它具有3個(gè)8位的并行I/O口，即A口、B口、C口和3種工作方式，并且C口具有按位操作功能，是一種功能很強(qiáng)的接口芯片。本設(shè)計(jì)就選用8255A芯片作為AT89C51單片機(jī)的I/O口擴(kuò)展，使其滿足鍵盤(pán)和顯示的需要。鍵盤(pán)與顯示器接口電路

鍵盤(pán)掃描方式

在單片機(jī)中使用的都是非編碼鍵盤(pán)，因?yàn)榉蔷幋a鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低廉。鍵盤(pán)上的鍵按行、列構(gòu)成矩陣，在行列的交點(diǎn)上都對(duì)應(yīng)有一個(gè)鍵。所謂鍵實(shí)際上就是一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)，被按下則其交點(diǎn)的行線和列線接通。非編碼鍵盤(pán)接口技術(shù)的主要內(nèi)容就是如何去確定被按鍵的行列位置，并據(jù)此產(chǎn)生編碼。檢測(cè)鍵盤(pán)上有無(wú)鍵按下可采用查詢工作方式、定時(shí)掃描工作方式和中斷工作方式。(1)程控掃描方式：CPU從執(zhí)行程序開(kāi)始就掃描鍵盤(pán)。(2)定時(shí)掃描方式：利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生中斷，CPU響應(yīng)中斷后對(duì)鍵盤(pán)掃描一次。(3)中斷掃描方式：引起外部中斷后，CPU響應(yīng)中斷，對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描。顯示器顯示方式

LED顯示器是由發(fā)光二極管組成的，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其他符號(hào)。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。(1)靜態(tài)顯示：就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口用于字形代碼。(2)動(dòng)態(tài)顯示：就是把所有顯示器的8個(gè)筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM是各自獨(dú)立地受I/O線控制。鍵盤(pán)顯示電路

鍵盤(pán)顯示電路中，在AT89C51單片機(jī)上擴(kuò)展一片8255A芯片，無(wú)需外加任何邏輯電路，8255A的地址線A1、A0經(jīng)74LS373接于P0.1、P0.0；片選端CS與P2.0接通；8255A的控制線、直接接于AT89C51的、端；數(shù)據(jù)線D0～D7接于P0.0～P0.7。采用AT89C51單片機(jī)擴(kuò)展I/O接口芯片8255A實(shí)現(xiàn)四位LED顯示和16鍵鍵盤(pán)的顯示器接口電路。利用8255A的A口則作為段選口，B口的低4位為鍵盤(pán)輸入口，對(duì)應(yīng)0～3行，C口作為4位LED顯示的位選口，其中，PC0～PC3分別對(duì)應(yīng)位LED0～LED3，C口同時(shí)用作鍵盤(pán)的列掃描口。由于采用共陰極數(shù)碼管，因此C口輸出低電平選中相應(yīng)的位，而A口輸出低電平點(diǎn)亮相應(yīng)的段。鍵盤(pán)需輸入溫度給定值，顯示器顯示當(dāng)前溫度值和給定溫度值。輸出控制電路

輸出控制電路主要完成經(jīng)單片機(jī)控制系統(tǒng)處理后的控制信號(hào)如何反作用于被控對(duì)象，單片機(jī)控制各種各樣的高壓、大電流負(fù)載，這些大功率負(fù)載如電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、繼電器、燈泡等，顯然不能用單片機(jī)的I/O線來(lái)直接驅(qū)動(dòng)，而必須通過(guò)各種驅(qū)動(dòng)電路和開(kāi)關(guān)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。此外，為了隔離和抗干擾，有時(shí)需加光電耦合器。本設(shè)計(jì)主要完成電加熱爐的調(diào)功輸出控制。此處選用的核心元件為SSR(SolidStateRelay)，即固態(tài)繼電器。它是一種新穎的四端以弱控強(qiáng)的無(wú)觸點(diǎn)功率控制元件。其特點(diǎn)是輸入控制電壓低（3V～14V），驅(qū)動(dòng)電流小（3mA～15mA），輸出與輸入采用光電隔離，使強(qiáng)電與弱電完全分離，輸出無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)噪聲，開(kāi)關(guān)速度快。它事實(shí)上將光電隔離器、驅(qū)動(dòng)器、可控硅、阻容吸收等器件做在一起，用環(huán)氧樹(shù)脂全灌封裝，具有防塵、耐濕、耐振、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)的軟件主要包括以下幾個(gè)部分：主程序、參數(shù)調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序、采樣中斷服務(wù)程序、控制中斷服務(wù)程序、數(shù)字濾波程序、PID計(jì)算程序以及無(wú)符號(hào)雙字節(jié)乘法程序。主程序完成初始化并啟動(dòng)ADC0809采樣溫度，參數(shù)調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序處理溫度給定值的輸入，采樣中斷服務(wù)程序處理采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行PID運(yùn)算，控制中斷服務(wù)程序根據(jù)PID的輸出控制輸出信號(hào)的高低電平。由于溫度值和熱電偶的測(cè)量值基本呈線性變化，因此在程序中省去了對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)線性化的部分。結(jié)論當(dāng)今社會(huì)計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，同時(shí)單片機(jī)在自動(dòng)化與智能化方面也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。而溫度測(cè)控在冶金、化工等領(lǐng)域起著舉足輕重的作用。本論文針對(duì)基于單片機(jī)電加熱爐溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體做了以下幾個(gè)方面的工作：(1)闡述了基于單片溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性和現(xiàn)實(shí)意義；(2)論述了基于單片機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)的硬件電路組成及其工作原理。并分析了各組成單元電路的性能及其工作原理。本課題利用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器，并運(yùn)用PID算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。它以AT89C51單片機(jī)為核心，外擴(kuò)鍵盤(pán)輸入溫度給定值和LED顯示給定溫度值與當(dāng)前溫度值。電加熱爐爐內(nèi)的實(shí)際溫度由熱電偶測(cè)量并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，通過(guò)電橋?qū)崿F(xiàn)冷端補(bǔ)償，經(jīng)測(cè)量放大器放大到0～