電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

摘 要電阻爐被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，它的溫度控制效果直接影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)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(diǎn)，難以對其建立精確的數(shù)學(xué)模型，因而常規(guī)PID控制難以取得良好的控制效果。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定的電阻爐溫度控制系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價(jià)值。本文以電阻爐為控制對象，以單片機(jī)AT89C51為硬件核心元件，采用智能控制方法，設(shè)計(jì)一種控制精度高的溫度控制系統(tǒng)。在論文中詳細(xì)闡述了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和幾種控制方法并進(jìn)行了比較。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(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)，降低了程序的復(fù)雜性。在系統(tǒng)的硬件電路中采用了抗干擾設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，具有可移植性強(qiáng)和通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)中采用模糊PID控制算法，其控制效果優(yōu)于常規(guī)PID和模糊控制。將采用常規(guī)PID控制、模糊控制和論文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在MATLAB上進(jìn)行仿真，并對控制效果進(jìn)行比較和分析。仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)的控制效果優(yōu)于常規(guī)PID和模糊控制，其具有超調(diào)小、控制精度高、抗干擾性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：電阻爐；單片機(jī)；溫度控制；模糊PID控制；仿真AbstractResistance furnace is applied extensively in industry productionThe control result of temperature control system will directly affect quality of products and efficiency of production so the exact precision is demandedAt present conventional PID control method is used usually by most domestic resistance furnace in industriesThe temperature control for resistance furnace has many characteristics such as nonlinear, large inertia, big lagIt is difficult to establish its accurate mathematic model so we cant obtain the satisfied result using the conventional PID control methodTherefore，it is very valuable to design the temperature control system which has exact precision and steady operationIn this paper, for the control object resistance furnace with single-chip microcomputer AT89C51 for hardware core components, using intelligent control method, design a kind of high control precision temperature control system. In the thesis illustrates the control system hardware design, software design, and several control methods, and compares them.System by using fuzzy PID control algorithm, the control effect is better than that of the conventional PID and fuzzy control. Will the conventional PID control, fuzzy control and papers in the control system design MATLAB simulation, and the control effect for comparison and analysis. The simulation results show that this control system control effect is better than that of the conventional PID and fuzzy control, it has the overshoot small, high control accuracy, anti-jamming of strong, stable operation, etc, and has a good application prospect.Keywords: Resistance furnace; Single-chip computer; Temperature control; Fuzzy PID control; simulation II 目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 研究的背景及意義11.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢21.2.1 幾種控制方案的概述21.2.2 目前快速發(fā)展的幾種電阻爐溫控方案31.3 本文的主要研究內(nèi)容5第2章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)62.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)62.2 溫度檢測電路的設(shè)計(jì)72.2.1 溫度傳感器的選擇72.2.2 檢測電路設(shè)計(jì)92.3 顯示電路132.4 鍵盤電路設(shè)計(jì)152.5 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)162.6 輸出控制電路設(shè)計(jì)162.6.1 固態(tài)繼電器簡介172.6.2 輸出控制電路的硬件電路182.7 硬件抗干擾設(shè)計(jì)19第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)213.1 單片機(jī)的軟件編程213.2 系統(tǒng)運(yùn)行主程序213.3 MAX6675溫度采集設(shè)計(jì)223.4 鍵盤顯示程序設(shè)計(jì)24第4章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的模糊PID設(shè)計(jì)314.1 模糊PID控制314.1.1 常規(guī)PID控制314.1.2 PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn)334.2 模糊控制344.2.1 模糊控制系統(tǒng)組成344.2.2 模糊控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)354.3 模糊PID控制354.3.1 自適應(yīng)模糊PID控制基本特性364.3.2 自適應(yīng)模糊PID控制工作流程374.4 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)384.4.1 電阻爐系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立384.4.2 電阻爐模糊控制器的建立404.4.3 電阻爐模糊PID控制42第5章 仿真研究與比較505.1 PID控制505.2 電阻爐模糊控制515.3 電阻爐模糊PID控制525.4 控制方法的比較53第6章 結(jié)論54參 考 文 獻(xiàn)55致 謝57附 錄58 IV沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1 研究的背景及意義從20世紀(jì)20年代開始，電阻爐就在工業(yè)上得到使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展電阻爐被廣泛的應(yīng)用在冶金、機(jī)械、石油化工、電力等工業(yè)生產(chǎn)中，在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測量和控制與生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、能源節(jié)約等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)緊緊相連。因此各個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄娮锠t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(shù)也成為現(xiàn)代科技發(fā)展中的一項(xiàng)重要技術(shù)。溫度控制技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了定值開關(guān)控制、PID控制和智能控制二個(gè)階段。定值開關(guān)控制方法的原理是若所測溫度比沒定溫度低，則開啟控制開關(guān)加熱，反之則關(guān)斷控制開關(guān)。其控溫方法簡單，沒有考慮溫度變化的滯后性、慣性，導(dǎo)致系統(tǒng)控制精度低、超調(diào)量大、振蕩明顯。PID控制溫度的效果主要取決于P、I、D三個(gè)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(shí)變性溫度系統(tǒng)，控制品質(zhì)難以保證。電阻爐是由電阻絲加熱溫，靠自然冷卻降溫，當(dāng)電阻爐溫度超調(diào)時(shí)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(diǎn)。目前國內(nèi)成熟的電阻爐溫度測控系統(tǒng)主要以PID控制器為主，由于其參數(shù)整定不理想，因此很難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(yù)就能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)智能機(jī)械而實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制，隨著科學(xué)技術(shù)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(shí)現(xiàn)對溫度的智能控制。應(yīng)用廣泛的溫度智能控制的方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自協(xié)調(diào)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(nèi)，其根本原因就是控制算法的不同1。本文的研究，以電阻爐為控制對象，以單片機(jī)AT89C51為硬件核心元件，采用智能控制方法-模糊PID控制，設(shè)計(jì)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(jìn)、系統(tǒng)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢1.2.1幾種控制方案的概述電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的加熱設(shè)備，它在機(jī)械，冶金等行業(yè)的生產(chǎn)中占有十分重要的地位。對電阻爐溫度控制的好壞直接影響工藝要求的溫度水平和加熱質(zhì)量，以致直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)消耗指標(biāo)，所以國內(nèi)外關(guān)于電阻爐自動(dòng)控制的研究一直備受重視，發(fā)展比較快，也取得了較為豐碩的成果。總的來說，電阻爐溫度控制的發(fā)展分為以下三類：第一類: 經(jīng)典控制方案經(jīng)典控制方案可分為數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)方案和數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方案。數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)方案是一種根據(jù)模擬設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換而來的設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)中的控制器設(shè)計(jì)己有一套成熟的方法，其中以PID控制器為代表。PID控制器具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。將模擬控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字控制器是用離散時(shí)近似方法將連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的控制規(guī)律離散為數(shù)字控制器的控制規(guī)律，其中為確保數(shù)字控制器與模擬控制器的近似，要適當(dāng)選擇采樣周期。第二類: 基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計(jì)方案現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要的數(shù)學(xué)工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)來分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。狀態(tài)空間法本質(zhì)上是一種時(shí)域的方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且描述和提示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能?；诂F(xiàn)代控制理論的設(shè)計(jì)方案是建立在對系統(tǒng)內(nèi)部模型的描述之上的。它是通過數(shù)學(xué)方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析綜合。控制規(guī)律的確定是通過極小化預(yù)先確定的性能指標(biāo)函數(shù)或使控制系統(tǒng)滿足希望的響應(yīng)而推導(dǎo)出來的。此類設(shè)計(jì)方案主要有:系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制、自校正控制等。這類設(shè)計(jì)方案適用范圍廣，適合于多輸入多輸出系統(tǒng)、某些非線性時(shí)變系統(tǒng)和一些具有隨機(jī)擾動(dòng)的系統(tǒng)。該方法理論嚴(yán)謹(jǐn)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題可以嚴(yán)格證明，性能指標(biāo)能定量分析，得到的控制品質(zhì)較好。但這類方法需要知道精確的被控對象的數(shù)學(xué)模型形式。第三類: 智能控制方案智能控制方案是一類無需人的干預(yù)就能夠針對控制對象的狀態(tài)自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的控制策略。它避開了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計(jì)算與分析的困難性。它實(shí)質(zhì)上是一種無模型控制方案，即在不需要知道對象精確模型的情況下，通過自身的調(diào)節(jié)作用，使實(shí)際響應(yīng)曲線逼近理想響應(yīng)曲線。智能控制系統(tǒng)有以下一些特點(diǎn)(1)智能控制系統(tǒng)一般具有以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過程。它適用于含有復(fù)雜性、不完全性、模糊性、不確定性和不存在己知算法的生產(chǎn)過程。(2)智能控制具有信息處理和決策機(jī)構(gòu)，它實(shí)際上是對人神經(jīng)結(jié)構(gòu)或?qū)＜覜Q策機(jī)構(gòu)的一種模仿。(3)智能控制器具有非線性。這是因?yàn)槿说乃季S具有非線性，作為模仿人的思維進(jìn)行決策的智能控制也具有非線性的特點(diǎn)。(4)智能控制器具有變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。(5)智能控制器具有總體自尋優(yōu)的特點(diǎn)。智能控制方案主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法控制等2。1.2.2目前快速發(fā)展的幾種電阻爐溫控方案常用的電阻爐溫度控制方案根據(jù)應(yīng)用場合和要求的性能指標(biāo)有所不同。除了傳統(tǒng)的PID控制方法，近幾年來快速發(fā)展的是將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制方法應(yīng)用于電阻爐溫控系統(tǒng)中，包括智能控制與PID控制相結(jié)合及這些智能控制之間的結(jié)合。具體有如下一些方法：(1)模糊控制模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個(gè)過程的控制算法，它不需要被控對象的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺判斷，容易應(yīng)用。模糊溫控的實(shí)現(xiàn)過程為:將溫控對象的偏差和偏差率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句，形成模糊模型。根據(jù)模糊查詢表，形成模糊控制算法。對輸入量的精確值模糊化，經(jīng)數(shù)學(xué)處理輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)由模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應(yīng)的控制量，變成精確的值去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度，使其穩(wěn)定的目的。(2)專家控制專家系統(tǒng)通過某種知識(shí)獲取手段，把人類專家的領(lǐng)域知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)技巧移植到計(jì)算機(jī)中，并且模擬人類專家的推理、決策過程，表現(xiàn)出求解復(fù)雜問題的人工智能。因而，專家系統(tǒng)是一種人工智能的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，這些程序軟件具有相當(dāng)于某個(gè)專門領(lǐng)域的專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)水平，以及解決專門問題的能力。專家系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)基本要素：一、知識(shí)庫-存儲(chǔ)有某個(gè)專門領(lǐng)域中經(jīng)過事先總結(jié)的按某種格式表示的專家水平的知識(shí)條目。二、推理機(jī)制-按照類似專家水平的問題求解方法，調(diào)用知識(shí)庫中的條目進(jìn)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(shù)同控制理論方法和技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家的智能，實(shí)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(dú)立的決策者，而且是具有獲得反饋信息并能實(shí)時(shí)在線控制的系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、推理機(jī)、人機(jī)接口及規(guī)劃環(huán)節(jié)五個(gè)部分組成，控制系統(tǒng)具有下述特點(diǎn)：一、高可靠性及長期運(yùn)行的連續(xù)性。二、在線控制的實(shí)時(shí)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(hù)的方便性。(3)神經(jīng)控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是近幾十年發(fā)展的一門新興的交叉學(xué)科，所謂“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是以一種簡單計(jì)算-處理單元(神經(jīng)元)為節(jié)點(diǎn)，采用某種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的活性網(wǎng)絡(luò)，可以用來描述幾乎任意的非線性系統(tǒng)，ANN還具有學(xué)習(xí)能力、記憶能力、計(jì)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(jīng)系統(tǒng)的信息處理、存儲(chǔ)和檢索的功能?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)是指在控制系統(tǒng)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一工具對難以精確描述的復(fù)雜的非線性對象進(jìn)行建模，或充當(dāng)控制器，或優(yōu)化計(jì)算，或進(jìn)行推理，或故障診斷等，以及同時(shí)兼有上述功能的適當(dāng)組合，其控制方式稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，簡稱神經(jīng)控制。相對于傳統(tǒng)的控制方法，神經(jīng)控制具有以下特征和性質(zhì)：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jīng)濟(jì)；信息的并行分布式處理與存儲(chǔ)，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力和數(shù)據(jù)處理能力；能對知識(shí)環(huán)境提供的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)和記憶以適應(yīng)環(huán)境的變化3。(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID的結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對信息的記憶和處理而構(gòu)成的信息處理方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線性映射、自組織、自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可對復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模。該方法響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)、算法簡單，且易于用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。在溫度控制系統(tǒng)中，將溫度的影響因素作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，將其輸出作為PID控制器的參數(shù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，在微機(jī)上反復(fù)迭代，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)極值，達(dá)到自整定PID控制器參數(shù)的目的，也就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID參數(shù)的方法。 (5)模糊控制與PID的結(jié)合具體結(jié)合形式有多種，主要是Fuzzy-PID復(fù)合控制和模糊整定PID參數(shù)的方法。Fuzzy-PID復(fù)合控制:當(dāng)偏差較大時(shí)采用模糊控制，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好；偏差較小時(shí)采用PID控制，使具有好的靜態(tài)性能。是一種模糊控制和PID控制的分階段切換控制方法。模糊整定PID參數(shù)的方法:根據(jù)偏差和偏差變化率，由模糊推理來調(diào)整PID參數(shù)，也就是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制方法。(6)模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合模糊控制所基于的經(jīng)驗(yàn)不易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應(yīng)不同被控對象的要求。所以應(yīng)使模糊控制向著自適應(yīng)的方向發(fā)展?；谶@樣的要求，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的來修正偏差和偏差變化率的比例系數(shù)，達(dá)到優(yōu)化模糊控制器的作用，從而進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)時(shí)控制的效果，有強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)能力4。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制都屬于智能控制方法，它們與PID控制結(jié)合，適應(yīng)溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、大滯后、時(shí)變等特點(diǎn)。模糊控制特別適應(yīng)于大慣性和純滯后的系統(tǒng) 。1.3本文的主要研究內(nèi)容本研究內(nèi)容以電阻爐為研究對象，針對電阻爐的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。論文將闡述電阻爐溫度控制的幾種不同算法及區(qū)別，從而得出一種最優(yōu)算法。設(shè)計(jì)并開發(fā)以80C51單片機(jī)為控制核心，外置數(shù)據(jù)采集電路、功率控制電路、鍵盤與顯示電路聲光報(bào)警電路和存儲(chǔ)等電路的硬件設(shè)計(jì)。從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、顯示，系統(tǒng)的故障自診斷，聲光報(bào)警等功能。參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算；軟件設(shè)計(jì)：參數(shù)設(shè)定、修改人機(jī)管理界面設(shè)計(jì)和智能控制算法設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)完成后實(shí)現(xiàn)一種硬件電路簡單、控制算法先進(jìn)、系統(tǒng)優(yōu)良的新型溫度控制系統(tǒng)。使系統(tǒng)具有較高的控制精度以及較高的靈活性和可靠性。第2章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)是本文的一項(xiàng)重要工作，制定一個(gè)好的總體方案能為系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供良好的指導(dǎo)，是研究工作順利完成的保證。在本文中，電阻爐溫度控制系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度檢測電路、鍵盤、顯示、保護(hù)及報(bào)警電路和溫度控制電路等部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-1電阻爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖在系統(tǒng)中，利用傳感器測得電阻爐實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過溫度檢測電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對應(yīng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過液晶顯示器顯示溫度，同時(shí)將溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較并判斷是否報(bào)警，然后由設(shè)定的控制算法計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量，通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷從而控制電阻絲的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)對爐溫的控制。2.2溫度檢測電路的設(shè)計(jì)溫度檢測電路是溫度控制系統(tǒng)的重要部分，它承擔(dān)著檢測電阻爐溫度并將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的任務(wù)。2.2.1溫度傳感器的選擇熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器，它具有構(gòu)造簡單、使用方便、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、溫度測量范圍寬等特點(diǎn)，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(shí)通常使用的有鎳鉻-鎳硅(K型)、鉑銠-鉑(S型)、鎳鉻-鎳(E型)三種熱電偶，在本設(shè)計(jì)中選用的是鎳鉻-硅K型熱電偶。(1)熱電偶的測溫原理圖2-2熱電偶回路兩種不同材料的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成一個(gè)閉和回路(如圖2-2所示)，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。熱電效應(yīng)中的電動(dòng)勢由溫差電勢和接觸電勢組成，接觸電勢是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢，圖中兩接點(diǎn)的接觸電勢額eAB(T)和eAB(T0)可分別表示為：eAB(T)=KTlnNATNBT (2-1)eAB(T0)=KT0lnNAT0NBT0 (2-2)式中K為波爾茲曼常數(shù)，NAT、NBT和NAT0，NBT0是溫度分別為T和T0時(shí)，A、B兩種材料的電子密度。溫差電勢是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢，其公式為：eA(T,T0)=KT0T1NAtd(NAtt)dtdt (2-3)eBT,T0=KT0T1NBtd(NBtt)dtdt (2-4)式中，NAt和NBt分別為A導(dǎo)體和B導(dǎo)體的電子密度。在熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢為eAB (T, T0)= eA (T)+ eB(T, T0)- eAB (T0)- eA(T, T0) (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(jì)，則熱電偶的熱電勢可表示為 eAB(T, T0)= eAB (T)- eAB(T0) (2-6)對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度恒定T0時(shí)，eAB T0=C為常數(shù)，則總的電動(dòng)勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系。熱電偶在使用中滿足中間導(dǎo)體定律，即在熱電偶測溫回路中內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，就對回路的總熱電勢沒有影響5。(2)熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償熱電偶的分度表是以冷端溫度0為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而在實(shí)際使用過程中，冷端溫度往往不為0，所以需要對熱電偶的冷端溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常用的冷端溫度補(bǔ)償方法有：冷端溫度修正法、冷端0恒溫法、冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法等。2.2.2檢測電路設(shè)計(jì)K型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用的廉價(jià)高溫傳感器，本設(shè)計(jì)中選用K型熱電偶來進(jìn)行溫度檢測。K型熱電偶作為測溫元件時(shí)，有以下幾個(gè)方面的問題：(1)測溫時(shí)其產(chǎn)生的模擬信號(hào)很微弱(約為41V)，需要對其進(jìn)行放大處理。(2)熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為0時(shí)與測量端的電勢差值，在通常情況下冷端溫度并非0，因而需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。(3)輸出熱電勢與溫度之間是非線性關(guān)系，需進(jìn)行線性化處理。(4)信號(hào)為模擬信號(hào)，與單片機(jī)等數(shù)字電路接口時(shí)要采用數(shù)字化輸出和數(shù)字化接口，需進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。因而傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器-濾波器-放大器-冷端補(bǔ)償-線性化處理-AD轉(zhuǎn)換”模式，將熱電偶輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)最終轉(zhuǎn)換為與溫度相對應(yīng)的數(shù)字信號(hào)與CPU通信，但其具有轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復(fù)雜、抗干擾能力差、精度低等缺點(diǎn)。MAX6675是K型熱電偶串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能獨(dú)立完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化、AD轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675來完成“熱電偶電勢-溫度”的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路、YO接線簡單、精度高、成本低。(1)MAX6675的引腳排列與引腳配置該器件采用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。(2)MAX6675的工作原理及功能特點(diǎn)MAX6675的內(nèi)部由精密運(yùn)算放大器A1、A2、基準(zhǔn)電壓源、冷端補(bǔ)償二極管、模擬開關(guān)、數(shù)字控制器及ADC等組成，完成了熱電偶微弱信號(hào)的放大、冷端補(bǔ)償及模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。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(jīng)放大器A1、A2進(jìn)行放大和濾波處理后送至ADC的輸入端，在轉(zhuǎn)換之前，先需要對熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，MAX6675通過內(nèi)置的冷端補(bǔ)償?shù)碾娐穪韺?shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。它將冷端溫度通過冷端補(bǔ)償二極管轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，MAX6675內(nèi)部電路將二極管電壓和放大后的熱電偶電勢同時(shí)送到ADC中進(jìn)行轉(zhuǎn)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=(41 V)(TR-TAMB)來表示，其中VOUT為熱電偶輸出電壓，TR是測量點(diǎn)溫度，TAMB是冷端溫度6。表2-1 MAX6675引腳功能引腳 名稱 功能12345678GNDT-T+VCCSCK接地端K型熱電偶負(fù)極K型熱電偶正極正電源端 串行時(shí)鐘輸入片選信號(hào)串行數(shù)據(jù)輸出懸空 不用SONC圖2-3 MAX6675引腳圖(3)MAX6675的操作MAX6675的典型應(yīng)用就是采用SPI串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口，其與單片機(jī)通信時(shí)工作過程如下：當(dāng)單片機(jī)使MAX6675的CS引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)MAX6675將進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換；當(dāng)單片機(jī)使MAX6675的CS引腳從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒔o雙X時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，MAX6675將停止信號(hào)轉(zhuǎn)換并從陽端輸出串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。圖2-4 MAX6675內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖一個(gè)完整的數(shù)據(jù)輸出過程需要16個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)的輸出通常在SCK的下降沿完成。其中D15位是偽標(biāo)志位，始終為0；D14D3是由高位到低位順序排列的溫度轉(zhuǎn)換值：D2用于熱電偶是否斷線，當(dāng)D2為1時(shí)表明熱電偶斷開；Dl為MAX6675的標(biāo)識(shí)符，始終為0；DO位為三態(tài)。表2-2中MAX6675的SO端口串行輸出時(shí)的輸出數(shù)據(jù)，MAX6675的串行接口操作時(shí)序圖，如圖2-5所示7。表2-2 MAX6675的SO端口串行輸出數(shù)據(jù)位空標(biāo)志位12位溫度數(shù)據(jù)熱電偶器件標(biāo)識(shí)狀態(tài)位15014MSB131211109876543LSB2100三態(tài)圖2-5 MAX6675時(shí)序圖(4)MAX6675的特點(diǎn)MAX6675的特點(diǎn)如下：對K型熱電偶輸出直接進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換；內(nèi)部集成有冷端補(bǔ)償電路；簡單的SPI串行口溫度值輸出；可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，溫度分辨率為025；內(nèi)部含有熱電偶斷線檢測電路。電阻爐溫度控制系統(tǒng)的型熱電偶溫度采集電路如圖2-6所示。其微控制器采用ATMEL公司的FLASH單片機(jī)AT89C51，該微控制器具有4K內(nèi)部可擦寫程序存儲(chǔ)器和32個(gè)輸入/輸出端口，滿足本系統(tǒng)中液位測量、數(shù)據(jù)顯示、溫度測量、數(shù)據(jù)通訊、看門狗電路的需要。作為一款廉價(jià)的通用型單片機(jī)，AT89C51沒有SPI接口。因此采用I/O口線模擬SPI串行口來對MAX6675讀取數(shù)據(jù)。MAX6675的CS端接單片機(jī)的P1.0腳，CS低電平停止轉(zhuǎn)換，MAX6675準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)輸出；SCK引腳接單片機(jī)的P1.1腳，為傳輸數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘。無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SCK應(yīng)置為低電平；SO引腳接單片機(jī)的P1.2腳，用于傳輸數(shù)據(jù)。單片機(jī)的P1.3腳作為型熱電偶探頭斷線報(bào)警口，報(bào)警時(shí)輸出低電平，驅(qū)動(dòng)故障指示LED顯示。在單片機(jī)的上述4個(gè)引腳各接一個(gè)10K的上拉電阻，保證數(shù)據(jù)的可靠傳送。由于MAX6675的測量精度對電源耦合噪聲較敏感，為降低電源噪聲影響，在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1F陶瓷旁路電容。在印刷電路板的設(shè)計(jì)中，采用大面積接地技術(shù)來降低芯片自熱引起的測量誤差，提高溫度測量精度8。圖2-6 MAX6675與AT89C51單片機(jī)組成的熱電偶溫度采集電路2.3顯示電路鍵盤和顯示電路實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能，通過鍵盤電路可以設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)，顯示電路可以顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、控制時(shí)間、設(shè)定溫度、實(shí)際溫度等。(1)LED顯示器結(jié)構(gòu)LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出器件，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)或一個(gè)筆畫發(fā)光，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，這就能顯示出不同字符。常用的LED顯示器有7段和“米”字段之分。該設(shè)計(jì)采用的七段LED顯示器。七段LED共有8個(gè)發(fā)光二極管其中7個(gè)發(fā)光二極管七段字形“8”，一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)。發(fā)光二極管陰極連在一起的稱為共陰極顯示器，如圖2-7（a）所示。共陰極LED顯示器的發(fā)光管陰極接地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，即邏輯電平“1”時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。發(fā)光二極管陽極接在一起的稱為共陽極顯示器，如圖2-7所示。圖2-7 LED顯示器共陽極LED顯示器的陽極接在+5v電壓源上，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平，即邏輯“0”時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。(2)LED顯示器原理點(diǎn)亮顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。所謂靜態(tài)顯示就是顯示器在顯示某個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通和截止。這種顯示方式每個(gè)顯示器都需要一個(gè)8位輸出口控制，需要硬件多，適用于顯示位數(shù)較少的場合。當(dāng)顯示位數(shù)較多時(shí)采用動(dòng)態(tài)顯示。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位的輪流點(diǎn)亮各位顯示器，對于每位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的點(diǎn)亮和點(diǎn)亮?xí)r的導(dǎo)通電流有關(guān)，還與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間有關(guān)，調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度比較高、比較穩(wěn)定的顯示。若顯示的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共電極只需一個(gè)I/O控制各位顯示器，所顯示的字形也需要一個(gè)I/O口。8051通過8155擴(kuò)展I/O控制的8位共陰極顯示器的接口。其中8155提供兩個(gè)輸出口，A口輸出經(jīng)同向驅(qū)動(dòng)芯片7407驅(qū)動(dòng)后接顯示器公共級(jí)，作為字位口，B口輸出為字形口，亦經(jīng)7407接顯示器的各個(gè)級(jí)9。2.4 鍵盤電路設(shè)計(jì)鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是一種廉價(jià)的輸入設(shè)備。一個(gè)鍵盤，通常包括有數(shù)字鍵（0-9），字母鍵（A-Z）以及一些功能鍵。操作人員可以通過鍵盤向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)，地址，指令或其它控制命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的鍵盤按其結(jié)構(gòu)形式可分為兩類：一類是編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識(shí)別由專用的硬件來實(shí)現(xiàn)；另一類是非編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識(shí)別由軟件來識(shí)別。這里采用66矩陣鍵盤。66的鍵盤行線通過電阻接+5v。當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時(shí)，所有的行線和列線斷開，行線都呈高電平。當(dāng)鍵盤上某一個(gè)鍵閉合時(shí)，行線X4和列線Y5短路，此時(shí)列線Y5的電平由X4行線電位所決定。綜上所述，鍵盤和顯示電路設(shè)計(jì)如圖2-8所示。圖2-8 8155A與鍵盤和顯示器的連接圖2.5報(bào)警電路的設(shè)計(jì)在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，經(jīng)常涉及到中高溫控制和恒溫控制，當(dāng)溫度達(dá)到、超過設(shè)定值或時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，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(bào)警信號(hào)。報(bào)警信號(hào)通常有兩種類型：一是閃光報(bào)警，通過閃動(dòng)的指示燈來提醒人們的注意；二是鳴音報(bào)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(qiáng)警覺。本設(shè)計(jì)采用喇叭報(bào)警，屬于鳴音報(bào)警，簡單實(shí)用，其電路圖如圖2-9所示。在該報(bào)警電路中，MCl413是驅(qū)動(dòng)器，接在AT89C51的P3.2口，當(dāng)AT89C51的P3.2口輸出高電平時(shí)MCl413輸出低電平，使蜂鳴器鳴音，反之，使蜂鳴器停止鳴音，AT89C51的P3.2口的高低電平輸出是在中斷服務(wù)程序中完成的。圖2-9 報(bào)警電路圖2.6輸出控制電路設(shè)計(jì)電阻爐溫度控制是通過控制電阻爐輸入功率的大小實(shí)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(diào)節(jié)方式，其觸發(fā)方式是移相觸發(fā)，實(shí)質(zhì)是通過改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角從而控制輸出功率；另一種是通斷控制調(diào)節(jié)方式，其觸發(fā)方式是過零觸發(fā)，實(shí)質(zhì)是通過改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波頭出現(xiàn)的次數(shù)從而控制輸出功率。通斷控制調(diào)節(jié)方式會(huì)防止高次諧波的干擾和污染電網(wǎng)，硬件電路和軟件程序都比較簡單，因而本設(shè)計(jì)中采用的是通斷控制調(diào)節(jié)方式。2.6.1固態(tài)繼電器簡介固態(tài)繼電器(SOLID STATE 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(diǎn)開關(guān)器件，它利用電子元件(如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點(diǎn)無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點(diǎn)開關(guān)”。其與傳統(tǒng)的“線圈-簧片觸點(diǎn)式”繼電器(簡稱“MER”)相比，具有開關(guān)速度快、無電磁干擾、能與TTL、DTL、HTL等邏輯電路兼容、無機(jī)械觸點(diǎn)、無動(dòng)作噪聲、耐振、耐機(jī)械沖擊、防潮防霉防腐、工作效率高、使用壽命長等特點(diǎn)，如今固態(tài)繼電器在許多領(lǐng)域的電控及計(jì)算機(jī)控制方面得到日益廣泛的應(yīng)用。交流固體繼電器按開關(guān)方式有電壓過零導(dǎo)通型(簡稱過零型)和隨機(jī)導(dǎo)通型(簡稱隨機(jī)型)，交流過零型SSR(Z型SSR)由于采用過零觸發(fā)技術(shù)，因而可以使z型SSR安全地用在計(jì)算機(jī)輸出接口上，不必為在接口上采用MER而產(chǎn)生的一系列對計(jì)算機(jī)的干擾而煩惱。SSR按使用場合可以分為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(fù)載的開關(guān)，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2-10是它的工作原理框圖，圖中的部件-構(gòu)成Z型SSR的主體，從整體上看，Z型SSR只有兩個(gè)輸入端(A和B)及兩個(gè)輸出端(C和D)，是一種四端器件。工作時(shí)只要在A、B上加上一定的控制信號(hào)，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為A、B端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)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(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入輸出端之間的絕緣(耐壓)等級(jí)高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使Z型SSR的輸入端很容易就做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用時(shí)可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受“l(fā)”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路工作，但由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過零控制電路”。所謂“過零”是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過零時(shí)，SSR為通態(tài)；而當(dāng)斷開控制信號(hào)后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時(shí)，SSR為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對電網(wǎng)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(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動(dòng)作)而設(shè)計(jì)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)10。圖2-10 交流過零型固態(tài)繼電器工作原理圖2.6.2輸出控制電路的硬件電路用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實(shí)施控制，被控對象為電熱杯，采用對加在電熱杯兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對水溫控制的目的。對電爐絲通斷的控制采用SSR-40DA固態(tài)繼電器。它的使用非常簡單，只要在控制端TTL電平，即可實(shí)現(xiàn)對繼電器的開關(guān)，使用時(shí)完全可以用NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)。當(dāng)單片機(jī)的P1.7為高電平時(shí)，三極管驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當(dāng)單片機(jī)的P1.7為低電平時(shí)固態(tài)繼電器關(guān)斷，加熱器不工作?？刂齐娐穲D如下：圖2-11 輸出控制電路2.7硬件抗干擾設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)中含有微弱模擬信號(hào)、高精度的AD轉(zhuǎn)換、大功率驅(qū)動(dòng)電路，抗干擾是設(shè)計(jì)中必須考慮的問題，否則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集信號(hào)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(chǎn)生的原因采取相應(yīng)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(shè)計(jì)是單片機(jī)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(chǎn)生的基本要素在硬件設(shè)計(jì)時(shí)要盡量采取措施，最大限度抑制干擾的產(chǎn)生。其采取的措施主要有：(1)減小電源噪聲系統(tǒng)中的復(fù)位、中斷和一些控制信號(hào)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)在系統(tǒng)的每個(gè)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。去耦電容值一般取0.01-0.1，且一般應(yīng)選用高頻特性好的獨(dú)石電容或瓷片電容。(3)隔離技術(shù)物理隔離是對小信號(hào)低電平的隔離，一般是對單片機(jī)前端的輸入信號(hào)線而言的，信號(hào)在傳輸過程中極易受到干擾，其信號(hào)線要盡量遠(yuǎn)離高電平大功率的導(dǎo)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(shí)現(xiàn)的，光電耦合器件不但能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，而且能實(shí)現(xiàn)電氣的隔離。由于光電耦合器件的輸入端和輸出端在電氣上是絕緣的，因而具有較強(qiáng)的電氣隔離和抗干擾能力。(4)PCB設(shè)計(jì)時(shí)抗干擾設(shè)計(jì)在進(jìn)行電源線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(yīng)盡量加粗，最好不少于3mm；晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)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)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接電源地；電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)等；盡可能把干擾源(如電機(jī)、繼電器)與敏感元件(如單片機(jī))遠(yuǎn)離；對于單片機(jī)閑置的IO片，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1112。第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)的軟件編程單片機(jī)的主要任務(wù)是接受來自主機(jī)的命令并執(zhí)行命令，對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行模糊控制，同時(shí)返回系統(tǒng)的狀態(tài)和當(dāng)前的壓力值。在主機(jī)工作之前，片機(jī)已啟動(dòng)。在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)定時(shí)器T1工作于方式2，波特率9600，串行口工作方式1，允許接受，或允許發(fā)送，晶振11.0592，根據(jù)此設(shè)置，（TMOD）=20H，(TH1)=FD，(TL1)=FD，(SCON)=50H。3.2系統(tǒng)運(yùn)行主程序圖3-1 主程序流程圖3.3 MAX6675溫度采集設(shè)計(jì)溫度測量開始進(jìn)行溫度測量，這一部分程序作為一個(gè)獨(dú)立的程序段，定時(shí)調(diào)用，主要包括MAX6675數(shù)據(jù)讀取、開路判斷、數(shù)據(jù)處理和碼制轉(zhuǎn)換等幾個(gè)部分。程序流程如下：圖3-2 MAX6675溫度采集程序流程MAX6675溫度值讀取程序設(shè)計(jì)：CS BIT P1.0 ；數(shù)據(jù)輸入SCK BIT P1.1 ；片選SO BIT P1.2 ；時(shí)鐘DATAH DATA 40H ；讀取數(shù)據(jù)高位DATAL DATA 41H ；讀取數(shù)據(jù)低位TDATAH DATA 42H ；溫度高位TDATAL DATA 43H ；溫度低位CLR CS ；CS低電平，停止數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)D15CLR CLK ；時(shí)鐘置為低電平MOV R7, #08HRD_DATAH： ；讀數(shù)據(jù)高位字節(jié)D15-D8MOV C，SO ；讀SO端數(shù)據(jù)RLC A ；累加器左移一位SETB SCKNOPCLR SCKDJNZ R7，RD_DATA MOV DATAH，A ；將數(shù)據(jù)高位移入緩沖區(qū)MOV R7，#08HRD_DATAL: ；讀數(shù)據(jù)低位字節(jié)D7-D0MOV C，SO ；讀SO端數(shù)據(jù)RLC A ；累加器左移一位SETB SCKNOPCLR SCKDJNZ R7，RD_DATALMOV DATAL，A ；將數(shù)據(jù)低位移入緩沖區(qū)SETB CS ；CS高電平，停止數(shù)據(jù)輸出，啟動(dòng)新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序，將讀得的16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為12位溫度值，去掉無用的位MOV A，DATAL RLC A MOV DATAL，AMOV A，DATAHRLC A ；整個(gè)數(shù)據(jù)位左移一位，去掉D15位SWAP A ；將DATAH中的高低4位數(shù)據(jù)互換MOV B，A ；數(shù)據(jù)暫存于B中ANL A，#0FH ；得到溫度數(shù)據(jù)高位字節(jié)部分D14 D11MOV TDATAH，A ；將溫度值高位字節(jié)保存MOV A，BANL A，#0F0H ；得到溫度數(shù)據(jù)低位字節(jié)部分D10 D7MOV B，A MOV A，DATAL ；ANL A，#0FH ；得到溫度數(shù)據(jù)低位字節(jié)部分D6 D3ORL A，B ；合并的溫度低位字節(jié)MOV TDATAL，A ；將溫度值低位字節(jié)保存3.4鍵盤顯示程序設(shè)計(jì)1)初始化程序設(shè)計(jì)在使用顯示子程序DIR和鍵盤輸入子程序KEYI時(shí)，在系統(tǒng)的初始化程序中應(yīng)對8155的I0口進(jìn)行初始化編程，使8155的PA、PB口工作于基本輸出方式，PC口工作于基本輸入方式，對堆棧指針置初值。則8155的I0初始化程序如下：START：MOV SP，#50H ；設(shè)置堆棧指針MOV DPTR，#OFDOOH ；控制字03H寫入8155命令寄存器MOV A,#03H ；8155編程使PA、PB作為基本輸出MOVX DPTR,A ；PC口作為基本輸入2)動(dòng)態(tài)顯示程序設(shè)計(jì)對于6位顯示器，在AT89C51內(nèi)部RAM中設(shè)置6個(gè)顯示緩沖單元79H7EH，分別存放顯示器的6位數(shù)據(jù)，8