畢業(yè)論文基于PID控制的熱處理爐設(shè)計(jì)

1、河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 _基于pid控制的熱處理爐設(shè)計(jì)_學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 所 在 系 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 2012 年 3 月 12 日 基于pid控制的熱處理爐設(shè)計(jì)摘 要熱處理爐是利用電流通過(guò)熱處理體產(chǎn)生的熱量來(lái)加熱或熔化物料的一類電爐。熱處理爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此熱度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。熱處理爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。電氣控制系統(tǒng)包括電子線路、微機(jī)控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統(tǒng)通常指?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，隨爐種的不同而已。熱度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常普

2、遍而又十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的主要參數(shù)，如熱度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制，其中熱度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制熱度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。而且在我們的日常生活中也使用微波爐、熱處理爐、電熱水器、空調(diào)等家用電器，熱度與我們息息相關(guān)?？梢?jiàn)熱度控制電路廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，所以對(duì)熱度進(jìn)行控制是非常有必要和有意義的。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，用熱電偶作為測(cè)量元件，用固態(tài)繼電器作為輸出控制元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱處理爐熱度自動(dòng)控制。單片機(jī)控制k型熱電偶熱度傳感器，把熱度信號(hào)通過(guò)a/d轉(zhuǎn)

3、換器采集到單片機(jī)里。單片機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)處理、pid運(yùn)算，發(fā)出控制信息改變執(zhí)行模塊的狀態(tài)，同時(shí)用led顯示顯示值pv、設(shè)定值sv。本設(shè)計(jì)通過(guò)4個(gè)按鍵來(lái)進(jìn)行人機(jī)交互和led顯示，進(jìn)而使熱處理爐的熱度始終保持在要求范圍內(nèi)。關(guān)鍵字：熱處理爐；熱度；單片機(jī)； pid控制res is tance furnace temperature control sys tembased on single chip computerabstract heat treatment furnace is using the electric current through the resistance body heat g

4、eneration to heating or a kind of electric stove melt materials. heat treatment furnace in chemical industry, metallurgy industry, etc widely application, so the temperature control in the industrial production and scientific research has important significance in 1. heat treatment furnace body, by

5、electric control system and auxiliary systems. furnace shell, heater, from furnace lining (including insulation screen), and other components 2. electrical control system including electronic circuits, microcomputer control, the instrument shows and electrical parts, etc. auxiliary system usually re

6、fers to the transmission system, vacuum system, cooling system, etc, with the difference of the boiler. the temperature is the production process and scientific experiments are very common and important physical parameter. in the industrial production process, in order to efficiently carried out, pr

7、oduction, must on production process in the process of the main parameters, such as temperature, pressure, and flow velocity, effective control, temperature control in the production process of occupies a large proportion. accurate measurement and effective control of temperature is high quality, hi

8、gh output, low cost and safe production of the important conditions. and in our daily life and can use microwave oven, electric resistance furnace, electric water heater, air conditioning and other home appliances, temperature and everyday life. temperature control circuit is widely used in every fi

9、eld of the society, so the temperature control is very necessary and meaningful. this design uses the single chip microcomputer as the data processing and the control unit, the thermocouples used as measuring element, with solid state relay as the output control elements to achieve heat treatment fu

10、rnace temperature automatic control. single-chip microcomputer control thermocouple temperature sensor type k, the temperature signal through the a/d converter collection to the single chip microcomputer. the single chip microcomputer data processing, pid operation, a control information change exec

11、utive module state, at the same time use the led display the display value, setting pv sv 3. this design through the 4 buttons for human-computer interaction and led display, and heat treatment furnace temperature remains in requirements range.key words：the resistance furnace; temperature; scm; pid

12、control目 錄摘 要iabstractii目 錄1第1章 緒論1第2章 熱處理爐熱度控制系統(tǒng)硬件22.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的論證與比較22.2 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖42.3 熱度采集與傳感器52.3.1 熱電偶熱度信號(hào)的線性化72.3.2 a/d轉(zhuǎn)換電路82.3.3 控制器控制流程9第3章 單片機(jī)103.1 單片機(jī)的主控單元103.2復(fù)位電路123.2.1時(shí)鐘電路133.3 人機(jī)交互電路143.3.1 按鍵143.3.2 顯示電路153.4 串口通信183.5 報(bào)警單元19第4章 軟件設(shè)計(jì)與pid控制224.1 設(shè)計(jì)思路224.2 pid控制基本特性234.2.1模糊控制234.2.2模糊控制與

13、pid的結(jié)合244.3 pid控制工作流程244.4程序設(shè)計(jì)274.4.1 采樣程序274.4.2 顯示子程序284.4.3 按鍵子程序294.4.4 pid控制子程序30結(jié) 論33參考文獻(xiàn)34致 謝35附錄1:原理圖36附錄2:程序37第1章 緒論隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，以及測(cè)熱儀器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，智能化已是現(xiàn)代熱度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來(lái)，熱度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到人們生活的各個(gè)方面，是與人們息息相關(guān)的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題。針對(duì)這種實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一個(gè)熱度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實(shí)際意義。熱處理爐是利用電流通過(guò)熱處理體產(chǎn)生的熱量來(lái)加熱或熔化物料的一類電爐。它的特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單；對(duì)爐料

14、種類的限制少；（小型熱處理爐可以加熱食品、干燥木材等）；爐熱控制精度高；容易實(shí)現(xiàn)在真空或控制氣氛中加熱等特點(diǎn)。它適用于：機(jī)械零件的淬火、回火、退火、滲碳、氮化等熱處理 ；各種材料的加熱、干燥、燒結(jié)、釬焊、熔化等。熱處理爐的主要參數(shù)有額定電壓、額定功率、額定熱度、工作空間尺寸。熱處理爐按爐熱不同可以分為低熱熱處理爐(600700以下)、中熱熱處理爐(7001200)、高熱熱處理爐(1200以上)。熱處理爐被廣泛應(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(guò)程中，熱度的測(cè)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)崽幚頎t熱度控制的穩(wěn)定性、

15、可靠性、精度等要求也越來(lái)越高，熱度測(cè)量控制技術(shù)也成為現(xiàn)代科技發(fā)展中的一項(xiàng)重要技術(shù)。熱度控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：1、定值開(kāi)關(guān)控制；2、pid控制；3、智能控制。pid控制熱度的效果主要取決于p、i、d三個(gè)參數(shù)4。pid控制大滯后、大慣性、時(shí)變熱度系統(tǒng)時(shí)，其控制質(zhì)量難以保證。熱處理爐是由熱處理絲加熱升熱，靠自然冷卻降熱，pid控制對(duì)小型熱處理爐的熱度控制效果良好。本文以熱處理爐為控制對(duì)象，以模糊pid為硬件核心，利用單片機(jī)使熱處理爐的熱度維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍。第2章 熱處理爐熱度控制系統(tǒng)硬件2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的論證與比較根據(jù)題目要求，熱度控制器是由核心處理模塊、熱度采集模塊、鍵盤顯示模塊、

16、及控制執(zhí)行模塊等組成，所以本設(shè)計(jì)要考慮這些模塊器件的選型以及所設(shè)計(jì)出來(lái)的熱度控制器的可行性，其主要有以下幾種設(shè)計(jì)方案。方案一： 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(lái)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(jiǎn)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)近似方法將一連續(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，這種方案可行但太過(guò)于簡(jiǎn)單。方案二：采用

17、比較流行的at89c51作為電路的控制核心,at89c51是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器8。數(shù)據(jù)的采集部分采用k型熱電偶傳感器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分采用adc0832，它改變傳統(tǒng)熱度測(cè)試方法,能在現(xiàn)場(chǎng)采集熱度數(shù)據(jù),并直接將熱度物理量變換為數(shù)字信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,測(cè)試熱度范圍為- 270 + 1300?？蓱?yīng)用于各種領(lǐng)域、各種環(huán)境的自動(dòng)化測(cè)試和控制系統(tǒng),使用方便靈活,測(cè)試精度高,優(yōu)于任何傳統(tǒng)的熱度數(shù)字化、自動(dòng)化測(cè)控設(shè)備?？刂齐娐凡糠植捎霉虘B(tài)繼電器以實(shí)行對(duì)被控?zé)岫鹊目刂?此方案電路簡(jiǎn)單并且可以滿足一般的控制要求。方案三：采用plc作為控制電路的核心，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)來(lái)分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)

18、。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(duì)系統(tǒng)內(nèi)部模型的描述之上的。它是通過(guò)數(shù)學(xué)方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析綜合。控制規(guī)律的確定是通過(guò)極小化預(yù)先確定的性能指標(biāo)函數(shù)或使控制系統(tǒng)滿足希望的回應(yīng)而推導(dǎo)出來(lái)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(wèn)題可以嚴(yán)格證明，性能指標(biāo)能定量分析，得到的控制質(zhì)量較好。但這類方法需要知道精確的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型形式但這種方法設(shè)計(jì)起來(lái)比較昂貴

19、，不是學(xué)生可以承受的。綜上分析,我們采用方案二。系統(tǒng)由單片機(jī)at89c52、熱度檢測(cè)電路、鍵盤顯示、顯示電路、熱度控制電路等部分組成。在系統(tǒng)中，熱度這一物理參數(shù)變化緩慢，大慣性和大滯后的特點(diǎn)，本論文考慮采用模糊控制與pid控制相結(jié)合的參數(shù)模糊自整定pid控制方法。本文首先介紹常規(guī)pid控制，模糊控制和自適應(yīng)模糊pid控制的基礎(chǔ)，然后對(duì)熱處理爐熱度這一控制對(duì)象利用熱電偶測(cè)得熱處理爐實(shí)際熱度并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)熱度檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成與爐熱相對(duì)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(guò)液晶顯示器顯示熱度，同時(shí)將熱度與設(shè)定熱度比較，根據(jù)設(shè)定計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量通過(guò)控制繼電器的

20、導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制熱處理絲的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐熱的控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如下圖2-1所示： 圖2-1 控制器設(shè)計(jì)總體框圖在本系統(tǒng)的電路由四部分組成(1)控制部分主芯片采用單片機(jī)at89c52；(2)顯示部分采用4位led數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)熱度顯示；(3)熱度采集部分采用k型熱電偶傳感器；(4)熱度控制部分采用固態(tài)繼電器。根據(jù)熱度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了以at89c52單片機(jī)為檢測(cè)控制中心，將熱度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。其主要的控制原理為：對(duì)被控對(duì)象的熱度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，其主要是通過(guò)熱電偶傳感器將熱度轉(zhuǎn)變成模擬電信號(hào)，并由a/d轉(zhuǎn)換器adc0832將所得的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量送入單片機(jī)

21、中。單片機(jī)將傳感器所采集到的熱度和事先設(shè)定的熱度進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)將發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)加熱裝置；當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)將關(guān)閉加熱裝置，從而使得被控?zé)岫瓤刂圃谝欢ǖ姆秶畠?nèi)，達(dá)到實(shí)時(shí)控制的功能。整個(gè)控制器主要有以下功能：(1)被控?zé)岫瓤梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要設(shè)定；(2)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前熱度值；(3)按鍵控制：a、設(shè)置復(fù)位鍵、加一鍵、減一鍵、確定鍵；b、修改p、i、d系數(shù)；(4)越限報(bào)警。2.2 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)以stc89c52單片機(jī)為核心，本系統(tǒng)選用12mhz的晶振，使得單片機(jī)有合理的運(yùn)行速度,復(fù)位電路為按鍵高電平復(fù)位7。stc89c52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖2-2所示：圖2-2 stc89c52單片

22、機(jī)最小系統(tǒng)2.3 熱度采集與傳感器圖2-3 熱電偶傳感器熱度檢測(cè)是本次設(shè)計(jì)前向通道的重要組成部分，它的精確程度將直接影響到控制效果。因此，我們首先要選擇合適的測(cè)熱元件，對(duì)熱度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。熱電偶的冷鍛熱度補(bǔ)償有四種方法：補(bǔ)償導(dǎo)線法；冷端補(bǔ)償法；計(jì)算修正法；電橋補(bǔ)償法。補(bǔ)償導(dǎo)線法：圖2-4 補(bǔ)償導(dǎo)線法的連接圖冷端補(bǔ)償法：（1）將熱電偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端熱度保持0不變的方法稱為冰浴法。采用這種方法可以消除冷端熱度t0不等于0而引起的誤差。由于冰融化比較快，因而一般只適合在實(shí)驗(yàn)室中使用。（2）將熱電偶的冷端置于電熱恒熱器中，恒熱器的熱度要略高于環(huán)境熱度的上限。（3）將熱電偶的

23、冷端置于恒熱的空調(diào)房間中，使冷端熱度保持恒定。計(jì)算修正法：當(dāng)熱電偶的冷端熱度t0 ¹0°c時(shí)，由于熱端與冷端的熱差隨冷端的變化而變化，所以測(cè)得的熱電勢(shì)eab（t，t0）與冷端為0 °c時(shí)所測(cè)得的熱電勢(shì)eab（t，0°c）不等。若冷端熱度高于0 °c，則eab（t，t0）<eab（t，0 °c）?？梢岳孟率接?jì)算并修正測(cè)量誤差：eab（t,0°c）= eab（t,t0）+ eab（t0,0°c）電橋補(bǔ)償法：圖2-5 電橋補(bǔ)償法的接線圖本次設(shè)計(jì)采用計(jì)算修正法。2.3.1 熱電偶熱度信號(hào)的線性化熱電偶熱度信號(hào)非線性

24、是比較大的，如b型熱電偶，從0°c升高到1800°c，熱電勢(shì)從0mv變化到13.585mv，每100°c熱電勢(shì)增加最大的約為最小的8倍。b偶的最大輸出熱電勢(shì)只有13.585mv，而且當(dāng)熱度升高到約1700°c時(shí)，該增加值下降。其他熱電偶都存在類似的問(wèn)題，盡管稍有不同。這又給線性化增加了難度。從這一特性出發(fā)，熱電偶熱度信號(hào)的線性化主要有如下幾種方法。(1)單反饋法：利用負(fù)反饋，可以改善其線性，但是很有限。幾種非線性稍小的熱電偶，可以采用這種方法，特別是在熱區(qū)要求不寬的情況下。有時(shí)，由于在其一熱區(qū)有精度要求，那么就在該熱區(qū)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，達(dá)到要求的目標(biāo)；在其

25、他熱區(qū)可以放寬精度要求，甚至不要求，只作監(jiān)視用。(2)折線近似法：這是一種對(duì)非線性較大的信號(hào)處理的較好的方法。處理得好可以達(dá)到較高的精度。這種方法普遍適用于各種熱電偶的整個(gè)正信號(hào)熱區(qū)。圖2-6 折線近似法該種方法的電路原理圖如圖2-6所示。該電路的工作過(guò)程是：當(dāng)輸入的電壓信號(hào)較低時(shí)，ic1中的反相端電壓較同相端(a)低得多（同相端的電壓大小是根據(jù)線性化要求設(shè)定的，b點(diǎn)同樣），ic1的輸出端電壓較高，d1截止。當(dāng)輸入信號(hào)電壓接近ic1的同相端時(shí)，ic1的輸出逐漸降低，隨之，d1逐漸導(dǎo)通，v4逐漸增大，直到v4接近a點(diǎn)電壓為止。這就有效地限制了熱電偶信號(hào)迅速增加，降低了非線性。ic2的工作過(guò)程與此

26、類似，不同的是b點(diǎn)電位比a點(diǎn)高。當(dāng)輸入電壓在a點(diǎn)電壓以下時(shí)，d2截止，ic2不工作；只有當(dāng)輸入電壓高于a點(diǎn)電壓或接近b點(diǎn)電壓時(shí)ic2才工作。工作過(guò)程與ic1相同。所用折線的段數(shù)是根據(jù)精度要求決定的。對(duì)于熱電偶信號(hào)處理來(lái)說(shuō)，有三段就可以使精度達(dá)到0.5%以上。2.3.2 a/d轉(zhuǎn)換電路 本設(shè)計(jì)中熱度檢測(cè)電路輸出信號(hào)為模擬量，要想將檢測(cè)數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，必須將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這里選用集成a/d轉(zhuǎn)換器adc0832。a/d轉(zhuǎn)換電路用來(lái)把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字形式，即二進(jìn)制數(shù)。實(shí)際的轉(zhuǎn)換過(guò)程包括在特定時(shí)刻的信號(hào)采樣并保持其值直到一個(gè)穩(wěn)定信號(hào)被輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即止。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的二進(jìn)制數(shù)通過(guò)微機(jī)

27、的輸入通道進(jìn)入微型機(jī)。復(fù)雜的硬件或具有合適的軟件指令的簡(jiǎn)單硬件都可能實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。軟件的使用會(huì)降低模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程的速度。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換的整個(gè)過(guò)程均需要使用硬件。用于特定用途的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可按其精度和速度分類。出于各種實(shí)用的目的，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可視為一個(gè)黑盒子，它能把在一定范圍取任意連續(xù)值的模擬電壓轉(zhuǎn)換成離散的二進(jìn)制代碼。模擬電壓轉(zhuǎn)換得到的二進(jìn)制碼的數(shù)值取決于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。一個(gè)n位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將提供2n個(gè)離散代碼來(lái)代表輸入的模擬電壓。大多數(shù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器基于逐次逼近和雙斜式轉(zhuǎn)換技術(shù)。n位的逐次逼近模/數(shù)轉(zhuǎn)換器涉及n次比較操作。每次比較可以產(chǎn)生該位確切的二進(jìn)制值(0或1)。最先產(chǎn)生的為最高位，最后產(chǎn)

28、生的則是最低位。第一次比較時(shí)，用輸入的電壓與參考信號(hào)電壓的一半(1/22)進(jìn)行比較。如果輸入電壓大于參考信號(hào)的一半，那么最高位置為1，否則置為0。假定輸人電壓大于參考信號(hào)的一半，對(duì)8位adc來(lái)說(shuō)，第一次比較將產(chǎn)生二進(jìn)制碼10000000。下一步是把參考電壓的四分之一(1/22)迭加到由上面代碼產(chǎn)生的電壓上，并再次用它與輸入電壓比較。根據(jù)這次比較，產(chǎn)生的二進(jìn)制代碼將是11000000(模擬輸入電壓大于代碼電壓時(shí))，或者是10000000(模擬輸入電壓小于代碼電壓時(shí))。接著把參考電壓的八分之一(1/23)迭加到第二位轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制代碼所產(chǎn)生的電壓上，把迭加后 的電壓與輸入模擬電壓比較以確定第三位的

29、二進(jìn)制值。這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行n次(模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù))。因此對(duì)于第n位，由第n-1位產(chǎn)生的代碼得到的電壓被迭加到1/2n倍的參考電壓后，并且讓它與輸入電壓比較以決定第n位的二進(jìn)制值。 2.3.3 控制器控制流程目前模糊pid控制器有多種結(jié)構(gòu)形式，但工作原理基本一致。人們運(yùn)用模學(xué)的基本原理和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制則以及其有關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)的知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)回應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)pid參數(shù)的最佳調(diào)整，構(gòu)成模糊自整pid控制器。自整定模糊pid控制是在pid算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)的誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推

30、理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)的整定。因此模糊自整定pid控制器設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊控制規(guī)則表，得到針對(duì)，三個(gè)參分別整定的模糊控制表?；谝陨舷嚓P(guān)的理論研究和分析，我們總結(jié)出模糊pid控制器的設(shè)計(jì)分為如下部分:(l)確定模糊pid控制器的輸入和輸出變量。模糊控制器的輸入變量通常取誤差e和誤差的變化ec，構(gòu)成二維模糊pd控制器，輸出變量一般選擇控制量的增量。模糊pid控制系統(tǒng)中控制量通常是，取其增量kp,ki, kd為輸出量。(2)根據(jù)輸入輸出變量的變化范圍，確定它們的量化等級(jí)、量化因子、比例因子。在每個(gè)變量的量化論域內(nèi)定義模糊子集。首先確定模糊子集個(gè)數(shù)

31、，確定每個(gè)模糊子集的語(yǔ)言變量，然后為各語(yǔ)言變量選擇合適的隸屬度函數(shù)。(3)建立模糊控制規(guī)則。模糊控制是語(yǔ)言控制，因此用語(yǔ)言歸納專家的手動(dòng)控制策略，從而建立模糊控制規(guī)則表。模糊控制規(guī)則實(shí)際上是一組多重條件語(yǔ)句。(4)模糊推理模糊判決。通過(guò)模糊控制規(guī)則，得到從誤差論域到控制量的模糊關(guān)系矩陣r，再通過(guò)誤差的模糊矢量e和誤差變化的模糊矢量ec與模糊關(guān)系r合成進(jìn)行模糊推理，得到控制量的模糊矢量。采用清晰化方法將模糊控制矢量轉(zhuǎn)化為精確量。(5)求模糊控制表。模糊關(guān)系、模糊推理以及模糊判決的運(yùn)算可以離線進(jìn)行，最后得到模糊控制器輸入量的量化等級(jí)e、ec與pid控制量，之間的確定關(guān)系。 (6)把采樣得到的偏差、

32、偏差變化再經(jīng)過(guò)模糊化，代入模糊控制規(guī)則表，得出新的pid參數(shù)，再經(jīng)過(guò)pid算法的計(jì)算就得出了最后的輸出量，也就是系統(tǒng)的控制量。(7)通過(guò)仿真分析模糊pid控制性能，再對(duì)比例因子和量化因子進(jìn)行調(diào)整以獲得最佳的控制效果。第3章 單片機(jī)在多數(shù)電子設(shè)計(jì)當(dāng)中，基于性價(jià)比的考慮，8位單片機(jī)仍是首選。at89c52是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有一個(gè)8kb的flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器（eprom）。它采用了cmos工藝和atmel公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器（nuram）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與mcs-51兼容、片內(nèi)的flash存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存

33、儲(chǔ)器編程器來(lái)編程。因此，at89c52是一種功能強(qiáng)、靈活性高，且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域?；谏鲜鲞@些特點(diǎn)，這里選擇at89c52單片機(jī)作為控制核心。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的工作電源為+5v，at89c52電源輸入支持的電壓范圍為5v3.4v，且底層電路功耗很小。vcc，電源端；gnd，接地端。其電源供電電路如圖3-1所示：圖3-1 電源供電電路3.1 單片機(jī)的主控單元本部分主要介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展，一般是以基本最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。所謂最小系統(tǒng)，是指一個(gè)真正可用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng)，對(duì)于片內(nèi)帶有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)，只要在芯片外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路就是一個(gè)小系統(tǒng)了。小

34、系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基石。本電路的小系統(tǒng)主要由三部分組成，一塊at89c52芯片、復(fù)位電路及時(shí)鐘電路。at89c52單片機(jī)：at89c52是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低功耗，高性能cmos8位單片機(jī)，器件采用atmel公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。4k 字節(jié)可系統(tǒng)編程的flash 程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32個(gè)i/o口線，看門狗(wdt)，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5矢量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路12。同時(shí)，at89c52停止cpu的工作，但允許ram、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電

35、方式保存ram中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止其他所有部件工作，直到下一個(gè)硬件復(fù)位。at89c52 單片機(jī)的引腳說(shuō)明vcc：供電電壓； gnd：接地。p0是一個(gè)8位雙向i/o端口，端口置1時(shí)作高阻抗輸入端，作為輸出口時(shí)能驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl電平。對(duì)內(nèi)部flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收指令字節(jié)；校驗(yàn)程序時(shí)輸出指令字節(jié)，需要接上拉電阻。在訪問(wèn)外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p0口是分時(shí)轉(zhuǎn)換的地址(低8位)/數(shù)據(jù)總線，訪問(wèn)期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。p1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向i/0端口。輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ttl電平。端口置1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對(duì)內(nèi)部flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)

36、，接收低8位地址信息。p2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向i/0端口。輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ttl電平。端口置1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對(duì)內(nèi)部flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收高8位地址和控制信息。在訪問(wèn)外部程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p2口送出高8位地址。而在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)其引腳上的內(nèi)容在此期間不會(huì)改變。p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門電流。當(dāng)p3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。 p3口也可作為stc89c52的一些特殊

37、功能口，如下所示： p3.0 /rxd（串行輸入口）；p3.1 /txd（串行輸出口）；p3.2 /int0（外部中斷0）； p3.3 /int1（外部中斷1）；p3.4 t0（記時(shí)器0外部輸入）； p3.5 t1（記時(shí)器1外部輸入）； p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）； p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）； p3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ale/prog：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ale端

38、以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時(shí)，ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無(wú)效。psen：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取值期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/psen有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/psen信號(hào)將不出現(xiàn)。ea/vpp：當(dāng)/ea保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意

39、加密方式1時(shí)ea將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)/ea端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。xtal2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，xtal2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。本設(shè)計(jì)stc89c52單片機(jī)的p14、p15、p16、p17口接的是四

40、位按鍵，p1.0口和p1.1口接led顯示，x1和x2接的是晶振電路，reset接復(fù)位電路。3.2復(fù)位電路計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行的時(shí)候都需要復(fù)位，使中央處理器cpu和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并且從這個(gè)初始狀態(tài)開(kāi)始工作。單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，mcs-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳rst，高電平有效。mcs-51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時(shí)，rc電路充電，rst引腳出現(xiàn)正脈沖，提供復(fù)位信號(hào)直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)，為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)，才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。rc復(fù)位

41、電路可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能4。調(diào)整rc常數(shù)會(huì)令對(duì)驅(qū)動(dòng)能力產(chǎn)生影響。復(fù)位電路如下圖3-2所示：圖3-2 復(fù)位電路圖3.2.1時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)，單片機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。最常用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外接晶振和電容組成的。時(shí)鐘振蕩電路如圖3-3所示：圖3-3 時(shí)鐘振蕩電路 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳xtal1和引腳xtal2分別是反相放大器的輸入端和輸出端，由這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自己振蕩器，這種方式形成的時(shí)鐘信號(hào)稱為內(nèi)部時(shí)鐘方式。系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路

42、。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻，如晶振為12mhz，時(shí)鐘頻率就為6mhz。晶振的頻率可以在1mhz-24mhz內(nèi)選擇。電容取30pf左右。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12mhz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值為30f。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。xtal1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，xtal2則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到xtal1，而xtal2懸空。3.3 人機(jī)交互電路人機(jī)交互的主要功能是輔助控制、方便調(diào)試，提高系統(tǒng)的可用性和實(shí)用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示

43、。通過(guò)按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，在當(dāng)今的各種實(shí)時(shí)自動(dòng)控制和智能化儀器儀表中，人機(jī)交互是不可缺少的一部分。一般而言，人機(jī)交互是由系統(tǒng)配置的外部設(shè)備來(lái)完成，其實(shí)現(xiàn)方式有兩種：一種是由mcu的i/o口驅(qū)動(dòng)專用芯片實(shí)現(xiàn)，如鍵盤顯示控制芯片，串行數(shù)據(jù)傳輸數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)芯片等，來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。另一種就是mcu本身具有驅(qū)動(dòng)功能，它通過(guò)數(shù)據(jù)總線與控制信號(hào)直接采用存儲(chǔ)器訪問(wèn)形式或i/o設(shè)備的訪問(wèn)形式來(lái)控制鍵盤和led實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。3.3.1 按鍵按鍵是現(xiàn)階段電子設(shè)計(jì)中最常用、最實(shí)用的輸入設(shè)備。按鍵能夠成為最普遍的輸入設(shè)備，主要是其具備了以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：工作原理、硬

44、件電路連接簡(jiǎn)單、操作實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格便宜，程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：機(jī)械抖動(dòng)比較嚴(yán)重、外型不夠美觀。按鍵部分實(shí)現(xiàn)的主要原理是單片機(jī)讀取與按鍵相連接的i/o口狀態(tài)，來(lái)判定按鍵是否按下，達(dá)到系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的目的。鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、命令輸入，是人工干預(yù)的主要手段。獨(dú)立式按鍵就是按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根i/o口線，每根i/o口線的按鍵的工作狀態(tài)，不會(huì)影響其他i/o口在線的工作狀態(tài)。各按鍵開(kāi)關(guān)均需要采用了上拉熱處理，是為了保證在按鍵斷開(kāi)時(shí)，各i/o有確定的高電平。當(dāng)輸入口線內(nèi)部已有上拉熱處理，外電路的上拉熱處理可省去。因此，通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷是哪個(gè)按鍵被按

45、下了。優(yōu)點(diǎn)：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：每個(gè)按鍵需占用一根i/o口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，i/o口浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。因此，此鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于只需要四個(gè)按鍵，所以采用獨(dú)立式鍵盤結(jié)構(gòu)，電路連接圖如圖3-4所示：圖3-4 獨(dú)立式鍵盤當(dāng)用手按下一個(gè)鍵時(shí)，往往按鍵在閉合位置和斷開(kāi)位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個(gè)鍵時(shí)，也回會(huì)出現(xiàn)類似的情況。這就是抖動(dòng)。抖動(dòng)的持續(xù)時(shí)間隨鍵盤材料和操作員而異，不過(guò)通?？偸遣淮笥?0ms。很容易想到，抖動(dòng)問(wèn)題不解決就會(huì)引起對(duì)閉合鍵的識(shí)別。用軟件方法可以很容易地解決抖動(dòng)問(wèn)題，這就是通過(guò)延遲10ms來(lái)等待抖動(dòng)消失

46、，再讀入鍵盤碼。按鍵控制電路分別接在單片機(jī)p1.4p1.7口。它由4個(gè)按鍵構(gòu)成，直接與單片機(jī)i/o口相連。當(dāng)用于熱度調(diào)節(jié)時(shí)，開(kāi)關(guān)分別用于調(diào)整熱度的上下限值，以及控制熱度的輸出。另外，設(shè)定1鍵用于顯示采集的熱度，第二次按下則進(jìn)行熱度的上限調(diào)整，第三次按下進(jìn)行熱度的下限調(diào)整，第四次按下則進(jìn)行采集熱度的顯示構(gòu)成循環(huán)。選擇2鍵進(jìn)行移位調(diào)整，第一次顯示個(gè)位，第二次顯示十位，第三次顯示百位，第四次顯示千位。3鍵增加鍵，按下一次在原基礎(chǔ)之上加1，這個(gè)值在0-9之間變化。4鍵用于減少一個(gè)數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上減1，這個(gè)值在0-9之間變化。當(dāng)用于pid參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)定1鍵為確認(rèn)鍵，按下第五次后，顯示設(shè)置pid

47、系數(shù)狀態(tài)。選擇2鍵進(jìn)行移位調(diào)整，第一次顯示kp，第二次顯示ki，第三次顯示kd。3鍵增加鍵，按下一次在原基礎(chǔ)之上加1，這個(gè)值在0-9之間變化。4鍵用于減少一個(gè)數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上減1，這個(gè)值在0-9之間變化。3.3.2 顯示電路電子設(shè)計(jì)中常用的輸出顯示設(shè)備有兩種：數(shù)碼管和lcd。數(shù)碼管是現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中普遍使用的一種顯示設(shè)備，每個(gè)數(shù)碼管由七個(gè)發(fā)光二極管按照一定的排列結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)七個(gè)發(fā)光二極管的正負(fù)極連接不同，又分為共陰極數(shù)碼管和共陽(yáng)極數(shù)碼管兩種，選擇的數(shù)碼管不同，程序設(shè)計(jì)上也有一定的差別。數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容比較直觀，通常顯示從0到9中的任意一個(gè)數(shù)字，一個(gè)數(shù)碼管可以顯示一位，多個(gè)數(shù)碼管就可

48、以顯示多位，在顯示位數(shù)比較少的電路中，程序編寫(xiě)，外圍電路設(shè)計(jì)都十分簡(jiǎn)單，但是當(dāng)要顯示的位數(shù)相對(duì)多的時(shí)候，數(shù)碼管操作起來(lái)十分煩瑣，顯示的速度受到限制。液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動(dòng)手設(shè)計(jì)的圖案8。當(dāng)需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時(shí)候，它的優(yōu)點(diǎn)就突現(xiàn)出來(lái)了，并且當(dāng)硬件設(shè)計(jì)完成時(shí)，可以通過(guò)軟件的修改來(lái)不斷擴(kuò)展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，顯示能力的擴(kuò)展將不會(huì)涉及到硬件電路的修改，可擴(kuò)展性很強(qiáng)。字符型液晶顯示屏已經(jīng)成為了單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件之一。不足之處在于其價(jià)格比較昂貴，驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)比較復(fù)雜。由于本設(shè)計(jì)所需

49、要顯示的內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，只包括現(xiàn)場(chǎng)熱度值、熱度限定值以及pid系數(shù)的顯示，所以本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示設(shè)備采用led數(shù)碼管。設(shè)計(jì)中采用4位共陰極led靜態(tài)顯示方式，選用7段顯示數(shù)碼管。顯示內(nèi)容有熱度值的千位、百位、十位、個(gè)位。led顯示電路如下圖3-5所示。圖中的p1.1和p1.0分別連接到單片機(jī)的p1.1和p1.0引腳，作為時(shí)鐘輸入端和數(shù)據(jù)端口。圖3-5led顯示電路由于單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，所以必須在單片機(jī)與led164之間加上74ls164，它的管腳圖如圖3-6所示。圖3-6 74ls164管腳圖a和b為74ls64的串行輸入端；qa-qh為74ls64的串行輸出端；clk是串行時(shí)鐘輸入端

50、；clr是串行輸出清零端；vcc：+5v；gnd：接地端。74ls164功能如表3.1所示。表3.1 74ls164功能表輸 入輸 出清除時(shí)鐘abqaqbqhllllhlqa0qb0qh0hhhhqanqgnhllqanqgnhllqanqgnled164的管腳如圖3-7所示，其中a-g段用來(lái)顯示數(shù)字或字符的筆劃，dp顯示小數(shù)點(diǎn)，9和10引腳作為公共地。一英寸以下的的led數(shù)碼管內(nèi)，每一筆段含有一只led發(fā)光二極管，導(dǎo)通壓降為1.2-2.5v；一英寸及以上的led數(shù)碼管的每一筆段由多只led發(fā)光二極管以串、并聯(lián)方式連接而成，筆段導(dǎo)通電壓與筆段內(nèi)包含的led發(fā)光二極管的數(shù)目、連接方式有關(guān)。在串聯(lián)

51、方式中，確定電源電壓vcc時(shí)，每只led工作電壓通常以2.0v計(jì)算，例如4英寸7段led數(shù)碼顯示器lc4141的每一筆段由四只led發(fā)光二極管按串聯(lián)方式連接而成，因此導(dǎo)通電壓應(yīng)在7-8v之間，電源電壓vcc必須取9v以上。數(shù)碼管結(jié)構(gòu)有共陰極和共陽(yáng)極之分。本設(shè)計(jì)采用的是共陰極數(shù)碼管。共陰極公共端接地，高電平有效（燈亮），共陰極數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管的陰極(負(fù)極)都聯(lián)在一起，此數(shù)碼管陰極(負(fù)極)在外部只有一個(gè)引腳。圖3-7 數(shù)碼管管腳圖3.4 串口通信串口通信的主要功能是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，便于進(jìn)行熱度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為將來(lái)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展做好基礎(chǔ)工作。串行通信的主要功能是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與pc機(jī)的數(shù)據(jù)交換

52、，當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析的時(shí)候，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，使用上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果又發(fā)送給單片機(jī)。這樣可以大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，還可以方便的對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)與外界的數(shù)據(jù)傳送大部分都是串行的，其傳送距離可以從幾米到幾千米。串行口通信原理圖如圖3-8所示：圖3-8 串行口通信3.5 報(bào)警單元報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)的是當(dāng)環(huán)境熱度值超過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的上限值或者小于系統(tǒng)設(shè)置的下限值時(shí)，都將通過(guò)i/o 口驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警。而單片機(jī)i/o 口輸出的電流無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，所以設(shè)計(jì)了蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，具體電路連接如圖3-9所示： 圖3-9 報(bào)警電路圖熱處理爐熱度控制是通

53、過(guò)控制熱處理爐輸入功率的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)熱度的控制，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，實(shí)質(zhì)就是通過(guò)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(guò)零觸發(fā)，實(shí)質(zhì)是通過(guò)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(jiǎn)單，因而本設(shè)計(jì)中采用的是通斷控制調(diào)節(jié)方式。固態(tài)繼電器的簡(jiǎn)介：固態(tài)繼電器（solid state relays），簡(jiǎn)寫(xiě)成”ssr”，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件，它利用電子元件（如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件）的開(kāi)關(guān)特性，可達(dá)到

54、無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開(kāi)電路的目的，因此又被稱為“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)”。固態(tài)繼電器ssr-40da是由固態(tài)元件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，具有工作安全可靠、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、無(wú)污染、高絕緣、高耐壓（越過(guò)2.5kv）、低觸發(fā)電流、開(kāi)關(guān)速度快、可與數(shù)字電路巨配，以阻燃型環(huán)氧樹(shù)脂為原料，采用灌封技術(shù)，使與外界隔離，具有良好的耐壓、防潮、防腐、抗震動(dòng)等性能。固態(tài)繼電器內(nèi)部采用電壓過(guò)零時(shí)開(kāi)啟，負(fù)載過(guò)零時(shí)關(guān)斷的特性，在負(fù)載上可以得到一個(gè)完整的正弦波形。因此電路的射頻干擾很小，可降低感性負(fù)載（如風(fēng)扇、三相電動(dòng)機(jī)等）的反電動(dòng)勢(shì)以及驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載（如白熾燈、發(fā)熱絲等）時(shí)可顯著降低浪涌電流等優(yōu)點(diǎn),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖3-10所示：

55、圖3-10 ssr-40da內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖固態(tài)繼電器控制熱處理爐熱度電路圖如圖3-11所示：圖3-11 固態(tài)繼電器控制熱處理爐熱度電路圖第4章 軟件設(shè)計(jì)與pid控制4.1 設(shè)計(jì)思路本部分詳細(xì)介紹了基于at89c52單片機(jī)的熱處理爐熱度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為若干個(gè)子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，如熱度采集子程序，數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序、pid控制子程序。采用keil uvision3集成編譯環(huán)境和c語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。本章從設(shè)計(jì)思路、軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)，先介紹整體的思路，再逐一分析各模塊程序算法的實(shí)現(xiàn)，最終編寫(xiě)出滿足任務(wù)需求的程序。本系統(tǒng)要完成熱度信號(hào)的采集與控制，需要實(shí)現(xiàn)熱度

56、信號(hào)的采集與a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ堋墓δ苌峡蓪⑵浞譃闊岫刃盘?hào)采集及a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互、執(zhí)行四大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。熱度信號(hào)采集子程序，主要完成熱度信號(hào)采集與a/d功能。熱度信號(hào)采集子程序主要包括傳感器初始化、單片機(jī)給傳感器寫(xiě)命令、單片機(jī)給傳感器寫(xiě)數(shù)據(jù)、單片機(jī)從傳感器讀數(shù)據(jù)等部分。數(shù)據(jù)處理子程序，當(dāng)單片機(jī)收到熱度傳感器發(fā)送的熱度數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理子程序?qū)υ摂?shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要是把采集到的二進(jìn)制的熱度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制熱度數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷；爐熱測(cè)定、鍵盤輸入、時(shí)間確定和顯示、控制算法等都由子程序來(lái)完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)測(cè)熱。流程圖如圖4-1所示。圖4-1 控制系統(tǒng)程序流程圖4.2 pid控制基本特性4.2.1模糊控制 模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個(gè)過(guò)程的控制算法，它不需要被控對(duì)象的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)判斷，容易應(yīng)用。模糊熱控的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:將熱控對(duì)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(xiě)成模糊條件語(yǔ)句，形成模糊模型。根據(jù)模糊查詢表，形成模糊控制算法。對(duì)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，變成精確值去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入，