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

I計算機控制技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書題目：基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計內(nèi)容電阻加熱爐用于合金鋼產(chǎn)品熱力特性實驗，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預(yù)定的時問內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。在木控制對象電阻加熱爐功率為8Kw,由220V交流電源供電，采用雙向可控硅進行控制。本設(shè)計針對一個溫區(qū)進行溫度控制，要求控制溫度范困50-350℃,保溫階段溫度控制精度為土1℃.選擇和合適的傳感器，計算機輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓。其對象溫控數(shù)學(xué)模型為：其中：時間常數(shù)Ta=350秒放大系數(shù)K?=50滯后時間Ta=10秒控制算法選用PID控制。設(shè)計步驟一、總體方案設(shè)計二、控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計三、硬件的設(shè)計和實現(xiàn)1、選擇計算機機型(采用51內(nèi)核的單片機);2、設(shè)計支持計算機工作的外圍電路(EPROM,RAM、I/O端口、鍵盤、顯示接口電路3、設(shè)計輸入信號接口電路；4、設(shè)計D/A轉(zhuǎn)換和電流驅(qū)動接口電路；5、其它相關(guān)電路的設(shè)計或方案(電源、通信等)1、分配系統(tǒng)資源，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)計說明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖(A3幅面)。課程設(shè)計說明書要求1.課程設(shè)計說明書應(yīng)書寫認真.字跡工稚，論文格式參考國家正式出版的書籍和論文編排。2.論理正確、邏輯性強、文理通顧、層次分明、表達確切，并提出自己的見解和觀點。3.課程設(shè)計說明書應(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。4.課程設(shè)計說明書應(yīng)包括按上述設(shè)計步驟進行設(shè)計的分析和思考內(nèi)容和引用的相關(guān)知識.I單片機的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合，以作完善。本設(shè)計從和軟件兩方面來講述加熱爐動控制過程，在控制過程中主要應(yīng)用以單片機為核心控制部件，并通過四位數(shù)碼管顯示實時溫度的一種數(shù)字溫度計。軟件方面采用匯編語言來進行程序設(shè)計，使指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲空間。為了便于擴展和更改，軟件的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計的邏輯關(guān)系更加簡潔明了，使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運作。而系統(tǒng)的過程則是：首先，通過設(shè)置按鍵，設(shè)定恒溫運行時的溫度值，并且用數(shù)碼管顯示這個溫度值.然后，在運行過程中將采樣的溫度模擬量送入A/D轉(zhuǎn)換器中進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用數(shù)碼管進行顯示，最后用單片機來控制加熱器，進行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。關(guān)鍵詞：單片機系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；溫度；加熱爐 ABSTRACTIcomponenttouseonlysingle-chipisnotenoughknowledge,butalsothetemperatureontheprocess,inthecontrolofthemainapplicationoftheprocessofAT89C51,ADC0809,LEDdisplay,throughthedigitaltemperaturemicrocomputerasthecorecontrolcomponents,andthroughfourreal-timedigitaldisplayofadigitalthermometertemperature.Softwareusingassemblylanguageforprogramming,sothattheimplementationofconcise,Hardwaresoftwareco-operationunderthecontrolofit.Andsystematicprocessis:Firstofall,bysettingthebutton,setthethermostattemperatureatthetimeofoperation,anddigitaldisplayofthetemperature.Then,intherunningtemperatureoftheprocessoflastsingle-chipmicrocomputertocontroltheheaterusedforheatingorstopheatinguntilthetemperatureintheprovisionsundertheconstantKeywords:Single-chipmicrocomputersystem;;DataAcquisition;ADC;Temperature;heatingfurnace;III I Ⅱ 1 1 2 5 8 82.1.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 82.1.2系統(tǒng)硬件 82.1.3選擇計算機機型 2 2.2.1顯示單元 2.2.5采樣測量部分 3.2.4A/D轉(zhuǎn)換器模塊 3.2.5通信模塊 28 30 單片機單片機的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控對象參數(shù)之一，當(dāng)今計算機控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫度控制系統(tǒng)達到自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進行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。溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。對于這種溫控對象，一般認為其具有以下的傳遞函數(shù)形式：采用以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可達到模擬控制所達不到的效果，并且實現(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2對機內(nèi)數(shù)字PID參數(shù)的設(shè)置對受控對象的精確控制。使得系統(tǒng)所沒得結(jié)果的精度大大提高。加熱爐內(nèi)水溫為被控對象，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：把式2-1整理成一階時滯模型的形式，即由穩(wěn)態(tài)熱平衡方程，利用對數(shù)平均溫差的關(guān)系式：F—冷卻水流量，Ti—冷卻水入口溫度To—冷卻水出口溫度將上式進行拉氏變換，得到了過程傳遞函數(shù)為：選擇鍋爐的高為和h=400mm,直徑D=200mm,則傳熱面積A=0.5024m2體積V=0.0293m3。冷卻水入口溫度Ti=20℃,冷卻水出口溫度To=50℃。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3帶入已知參數(shù)如下：爐內(nèi)水的質(zhì)量：sysl=tf(13.89,[407,1],’ioDelay’,30)然后保存并且運行，可加熱爐以得到對象的響應(yīng)曲線為下圖所示。Time(sec)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4圖1-2加熱爐溫度對象開環(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，完成各組件連接。TrsnspanX0De圖1-3單閉環(huán)控制回路采用工程整定經(jīng)驗法10],設(shè)置PID的三個參數(shù)，如下圖Enterexpressionsforproportional,integral,anddervativeterms.P+I/s+Ds匝0圖1-4PID三個參數(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5ResponseResponseMagnitude圖1-5PID控制階躍響應(yīng)曲線由上述仿真圖可看出，采用數(shù)字PID控制對電加熱爐溫度對象進行閉環(huán)單回路控制滯后較大，控制效果不是非常理想，故考慮對其進行串級控制。1.3數(shù)字控制器設(shè)計增量式PID控制算法公式為：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6由上式可以看出，如果計算機控制系統(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，計算量小得多，因此在實際中得到否是*Au=do=(n)+de(n-1)+d?e(n-2)t否是圖1-6增量式PID控制算法了程序流程圖TypedefstructPID{Intpreverror;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7StaticPID*sptr=&sPID;{Sptr->sumerror=0Sptr->lasterror=0;IntincPIDdalc(intNextpoint){registerintierror,iIncpid;Ieror=Sptr->setpoint-nextpoint第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計8第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計看門狗看門狗ADOC&rAY89S52微機控制器6路/A轉(zhuǎn)抄器DMCDBJ2溫度搶題FT1CO測量變送圖2-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖pPoPSENBxS線被s3-16譯碼器3BDPQ.了4ADC?BOg路BALEP3.0RLOABET刻F1圖2-2系統(tǒng)硬件92.1.3選擇計算機機型(采用51內(nèi)核的單片機)AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(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和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示39]P0.0/(AD0)38]P0.1/(AD1)7P0.2/(AD2)P0.3/(AD3)P0.4/(AD4)33P0.6/(AD6)B2P0.7/(AD7)K/VPPBO]ALE/PROCFSENP2.7/(A15)27]P2.6/(A14)BP2.4(A12)24]P2.3/(A11)P2.2/(A10)22]P2.1/(A9)21]P2.0/(A8)P1.0CP1.1CP1.2C(RXD)P3.0[1O(TXP)P3.1[(TNT0)P3.21(INTi)P3.313(T1)P3.5S(RD)P3.7jTXTAL2[ICND20AT89C51功能特性AT89C51提供以下的功能標(biāo)準(zhǔn)：4K字節(jié)閃爍存儲器，128字節(jié)隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，32個I/0口，2個16位定時/計數(shù)器，1個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，1個串行通信口，片內(nèi)震蕩器和時鐘電路。另外，AT89C51還可以進行OHZ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，能夠允許隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、定時/計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存隨機存取數(shù)據(jù)存儲器中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其它所有部件第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的工作直到下一個復(fù)位。PO口是一組8位漏極開路雙向I/0口，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅(qū)動8個TTL電路。當(dāng)“1”被寫入P0口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。P0口還能夠在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，并在這時激活內(nèi)部的上拉電阻。P0口在閃爍編程時，PO口接收指令，在程序校驗時，輸出指令，需要接電阻。P1口一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL電路。對端口寫“1”,通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因為內(nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。閃爍編程時和程序校驗時，P1口接收低8位地址。P2口是一個內(nèi)部帶有上拉電阻的8位雙向I/0口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL電路。對端口寫“1”,通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。因為內(nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口線上的內(nèi)容在整個運行期間不變。閃爍編程或校驗時，P2口接收高位地址和其它控制信號。P3口是一組帶有內(nèi)部電阻的8位雙向I/0口，P3口輸出緩沖故可驅(qū)動4個TTL電路。對P3口寫如“1”時，它們被內(nèi)部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，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/0口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表2-1所表2-1端口引腳第二功能WRP3口還接收一些用于閃爍存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST:復(fù)位輸入。當(dāng)震蕩器工作時，RET引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE以時鐘震蕩頻率的1/16輸出固定的正脈沖信號，因此它可對輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖時，閃爍存儲器編程時，這個引腳還用于輸入編程脈沖。如果必要，可對特殊寄存器區(qū)中的8EH單元的DO位置禁止ALE操作。這個位置才會被應(yīng)用。此外，這個引腳會微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE無效。PSEN:程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲器讀取指令時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。外部訪問允許。欲使中央處理器僅訪問外部程序存儲器，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)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。閃爍存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電壓VPP,當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。XTAL1:震蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計ADCO809是美國國家半導(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，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片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位。2)具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?)轉(zhuǎn)換時間為100μs(時鐘為640kHz時),130μs(時鐘為500kHz時)4)單個+5V電源供電5)模擬輸入電壓范圍0～+5V,不需零點和滿刻度校準(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)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、邏輯控制和定時電路組成。3.外部特性(引腳功能)ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說明各第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計INO～IN7:8路模擬量輸入端。2-1～2-8:8位數(shù)字量輸出端。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，輸入，高電平有效。START:A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖(至少100ns寬)使其啟動(脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換)。EOC:A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。OE:數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK:時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。REF(+)、REF(-):基準(zhǔn)電壓。ADC0809的工作過程首先輸入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A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認完成后，才能進行ADCO809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)計通道選擇表2-2通道選擇表2-2EOC8位1MsbA/D3D.5IN-8ADDB24D?STARTCLK地址鎖存與譯碼ADDC23轉(zhuǎn)換器模擬開關(guān)輸出ADC0809ADDA25OE249圖中多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C3個地址位進行鎖存和譯碼，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)總線相連，表2-2為通道選擇表。000001000111001J1110111單片機的連接如圖所示。電路連接主要涉及兩個問題。一是8路模擬信號通道的選擇，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1、P??),而地址鎖存允許信號ALE由P?。控制，則8路模擬通道的地址為OFEF第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計從圖中可以看到，把ALE信號與START信號接在一起了，這樣連接使得在信號的前沿寫入(鎖存)通道地址，緊接著在其后沿就啟動轉(zhuǎn)換。圖9.19是有關(guān)信號的時間配合示意圖。位與所選擇的通道好像對應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。例如要選擇INO通道時，可采用如下兩條指令，即可啟動A/D轉(zhuǎn)換：MOVDPTR,#FEOOH;送入0809的口地址MOVX@DPTR,A;啟動A/D注意：此處的A與A/D轉(zhuǎn)換無關(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)及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用(1)定時傳送方式對于一種A/D轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADCO809轉(zhuǎn)換時間為128μs,相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進行數(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，例如ADCO809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可卻只轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送。(3)中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(EOC)作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計圖2-9DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖DO～D7:8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯);ILE:數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效；CS:片選信號輸入線(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，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存；XFER:數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負脈沖(脈寬應(yīng)大于500ns)有WR2:DAC寄存器選通輸入線，負脈沖(脈寬應(yīng)大于500ns)有效。由WR2、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2,當(dāng)LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負跳變時將數(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:反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度；*第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計D/A轉(zhuǎn)換和控制要實現(xiàn)D/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)MOVAL,[BX]MOVDX,PORTAOUTDX,AL運算放大器LM324本次設(shè)計所用的運算放大器是LM324,而LM324的系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。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電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特點是短跑保護輸出、真差動輸入級、底偏置電流為最大100mA、每封裝含四個運算放大器、具有內(nèi)部補償?shù)墓δ?、共模范圍擴展到負電源、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列、輸入端具有靜電保護功能。其管腳連接圖如下圖2-10:(俯視圖)圖2-10LM324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：MR|——清除端，低電平有效；CLK——時鐘脈沖輸入端，上升沿有效。多片74LS164串聯(lián)，能實現(xiàn)多位LED靜態(tài)顯示。每擴展一片164就可增加一們顯第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計AB3圖2-1174LS164管腳連接圖數(shù)碼顯示管圖2-12數(shù)碼管引腳圖LED顯示器是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機的應(yīng)用上也是被廣泛運用的。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，與單片機接口簡單LED數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它是由若干個發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(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)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極接在一起，通常此共陽極接正電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應(yīng)的段被顯示。本次設(shè)計所用的LED數(shù)碼管顯示器為共陽極。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1.5~2V,額定電流為10MA,最大電流為40MA。靜態(tài)顯示時取10MA為宜，動態(tài)掃描顯第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計示可加大脈沖電流，但一般不超過40MA。2.2控制電路設(shè)計通過74LS48芯片將主機處理的溫度信息顯示在LED數(shù)碼管上。圖3-3則為溫度控制系統(tǒng)的單片機顯示部分。而顯示部分在整個的設(shè)計過程中的作用也是很U3A0usA2U6/RBOVCCB10U4圖2-13顯示單元2.2.2按鍵控制單元“確定”四個按鍵，來實現(xiàn)人機對話，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)計圖2-14按鍵2.2.3溫度采樣單元用于彩信被控對象的溫度參數(shù)，它由溫度電壓轉(zhuǎn)換、小信號放大及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-熱敏電阻實現(xiàn)，小信號放大由格式放大電路實現(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轉(zhuǎn)換為AT89C51能夠使用。UgU19P?6STARTC0303CLOCKD5VREF+DOGNDVREF-TitleADC0809Title圖2-15采樣單元模塊本系統(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?，然后通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。由第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，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(一般有+-10%左右的波動)、負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、負載和溫度變化時，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、測量電路和驅(qū)動執(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，通過控制雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來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，通過過零檢測電路檢測交流電的過零點，送入單片機后，由控制程序決定雙向可控硅的導(dǎo)通角，以達到控制加熱電阻功率的目的。2.2.5采樣測量部分在檢測裝置中，溫度檢測用WZP-231鉑熱電阻(Pt100),采用三線制接法，采樣電路為橋式測量電路，其輸入量程為50~350°C,經(jīng)測量電路采樣后輸出2~5V電壓，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADCO809進行轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量后送入單片機進行分析處理。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，由于其測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫(-200℃~650℃)范圍的溫度測量中。PT100是一種廣泛應(yīng)用的測溫元件，在-50~600℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等。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應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實測的AD值以查表方式計算相應(yīng)溫度常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將PT100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用中，采用了第一種方法，即橋式測溫。測溫原理：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)成測量電橋(其中R1=R2,VR2為100Ω精密電阻),當(dāng)Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，這個壓差信號經(jīng)過運放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動放大電路中R3=R4、R5=R6、放大倍數(shù)=R5/R3,運放采用單一5V第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計設(shè)計及調(diào)試注意點：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?。?.改變R5/R3的比值即可改變電壓信號的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計者對溫度范圍的要求3.放大電路必須接成負反饋方式，否則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設(shè)定，例如Pt100的零點溫度為0℃,即0℃時電阻為100Q,當(dāng)電位器阻值調(diào)至109.885Q時，溫度的零點就被設(shè)定在了25℃。測量電位器的阻值時須在沒有接入電路時調(diào)節(jié)，這是因為接入電路后測量的電阻值發(fā)生了改變。5.理論上，運放輸出的電壓為輸入壓差信號×放大倍數(shù)，但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非這樣的關(guān)系，壓差信號比理論值小很多，實際輸出信號為4.096*(RPt100/(R1+RPt100)-RVR2/(R1+RVR2))(式中電阻值以電路工作時量取的為準(zhǔn)。6.電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)，因為如果直接VCC的話，當(dāng)網(wǎng)壓波動造成VCC發(fā)生波動時，運放輸出的信號也會發(fā)生改變，此時再到以VCC未發(fā)生波動時建立的溫度-電阻表中查表求值時就不準(zhǔn)確。2.2.6驅(qū)動執(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)計雙向可控硅的驅(qū)動電路。雙向可控硅的通斷直接決定加熱電阻的工作與不工作，本部分用帶過零觸發(fā)的光耦MOC3061來驅(qū)動。在驅(qū)動電路中，由于是弱電控制強電，而弱電又很容易受到強電的干擾，影響系統(tǒng)的工作效率和實時性，甚至燒毀整個系統(tǒng)，導(dǎo)致不可挽回的后果，因此必須要加入抗干擾措施，將強弱電隔離。光耦合器是靠光傳送信號，切斷了各部件之間地線的聯(lián)系，從根本上對強弱電進行隔離，從而可以有效地抑制掉干擾信號。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。所以在本系統(tǒng)設(shè)計中采用了帶過零檢測的光電隔離器MOC3061,用來驅(qū)動雙向可控硅并隔離控制回路和主回路。MOC3061是一片把過零檢測和光耦雙向可控硅集成在一起的芯片。其輸出端的額定電壓是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,輸入輸出隔離電壓為7500V,輸入控制電流為15mA。在圖2-2驅(qū)動執(zhí)行電路中，當(dāng)單片機的P2.0、P2.1、P2.2發(fā)出邏輯數(shù)字量第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計為高電平時，經(jīng)過三極管放大后驅(qū)動光耦合器的放光二極管，MOC3061的輸入端的輸出端6腳和4腳尖電壓稍稍過零時，光耦內(nèi)部雙向可控硅即可導(dǎo)通，提供一個觸發(fā)信號給外部晶閘管使其導(dǎo)通；當(dāng)P2.0、P2.1、P2.2為低電平時，MOC3061截止，雙向可控硅始終處于截止?fàn)畹谌聰?shù)字PID電加熱爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計第三章數(shù)字PID電加熱爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(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)是對系統(tǒng)進行初始化，實現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制電加熱爐的正常運行。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時采集電加熱爐的爐溫信號，計算出實際爐溫與理想值的差值以及溫差的變化率，并對爐溫信號進行濾波和限幅處理。主程序流程圖如圖3-1所示。開始開始系統(tǒng)的初始化溫度數(shù)據(jù)采集及處理溫度值顯示計算溫差e(k)和溫差變化率NY智能控制算法程序求出輸出控制量控制輸出結(jié)束圖3-1系統(tǒng)主程序第三章數(shù)字PID電加熱爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)的軟件主要包括：采樣、標(biāo)度變換、控制計算、控制輸出、中斷、顯示、報警、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，并對積分項和微分項進行改進，以達到更好的控制效果。3.2算法實現(xiàn)3.2.1LED顯示模塊8段LED顯示屏是最常用的顯示器件，分為共陽極和共陰極兩種形式。共陽極LED將所有發(fā)光二極管的陽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)光二極管陰極接低電平時，相應(yīng)的字段就被點亮。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)光二極管陽極接高電平時，相應(yīng)的字段就被點亮。動態(tài)顯示：動態(tài)掃描，分時循環(huán)動態(tài)顯示，就是微型機定時地對顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能一個器件顯示。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。這種顯示占用機時少，顯示可靠。通過比較及對程序的分析，本設(shè)計當(dāng)中兩組數(shù)碼管均采用了共陰極靜態(tài)顯示。開始開始將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為七段碼送入8255PA口子程序返回圖3-1顯示子程序3.2.2報警模塊根據(jù)設(shè)計要求，在保溫階段，溫度控制精度為正負1度，故當(dāng)溫度下降或上升2度時為故障狀態(tài)，需要報警提醒。所以在電路設(shè)計上應(yīng)用了蜂鳴器和發(fā)光二極管，系統(tǒng)正常運行時綠色發(fā)光二極管點亮，當(dāng)出現(xiàn)故障時紅色發(fā)光二極管點亮并且蜂鳴器鳴叫，提醒操作人員注意。報警狀態(tài)可通過按鍵復(fù)位和系統(tǒng)恢復(fù)正常后自動復(fù)位開始開始清除報警狀態(tài)位FO子程序返回圖3-2報警子程序3.2.3鍵盤模塊在本次設(shè)計當(dāng)中，輸入設(shè)備采用4*4矩陣鍵盤。當(dāng)“設(shè)定”鍵按下時觸發(fā)鍵盤中斷服務(wù)程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執(zhí)行相應(yīng)的動作。程控掃描的任務(wù)是：(1