基于單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè) - 副本

湖南科技大學畢業(yè)設(shè)計湖南科技大學瀟湘學院畢業(yè)設(shè)計（論文）題目作者學院專業(yè)學號指導(dǎo)教師二〇〇年月日基于單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計摘要電阻爐是利用電流通過電阻體產(chǎn)生的熱量來加熱或熔化物料的一類電爐。電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中具有重要意義。電阻爐由爐體、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、微機控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，隨爐種的不同而已。本設(shè)計采用單片機作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，用熱電偶作為測量元件，用固態(tài)繼電器作為輸出控制元件來實現(xiàn)對電阻爐溫度自動控制。單片機控制K型熱電偶溫度傳感器，把溫度信號通過A/D轉(zhuǎn)換器采集到單片機里。單片機經(jīng)數(shù)據(jù)處理、PID運算，發(fā)出控制信息改變執(zhí)行模塊的狀態(tài)，同時用LED顯示顯示值PV、設(shè)定值SV。本設(shè)計通過4個按鍵來進行人機交互和LED顯示，進而使電阻爐的溫度始終保持在要求范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞：單片機；溫度；電阻爐；PID控制

ResistanceFurnaceTemperatureControlSystemBasedonSinglechipComputerAbstractTheresistancefurnaceisusingtheelectriccurrentthroughtheresistancebodyheatgenerationtoheatingormeltingofaclassofmaterialselectricstove.Theresistancefurnaceinchemicalindustry,metallurgyindustry,etc,sothetemperaturecontroliswidelyusedinindustrialproductionandscientificresearchoftohavetheimportantmeaning.Resistancefurnace,thefurnace,theelectriccontrolsystemandauxiliarysystems.Furnaceshell,heater,byfurnacelining(includinginsulationscreen)andetc.Electricalcontrolsystemincludingelectroniccircuits,microcomputercontrol,theinstrumentshowsandelectricalparts,etc.Auxiliarysystemusuallyreferstothetransmissionsystem,vacuumsystem,coolingsystem,etc,withthedifferenceoftheboiler.ThisdesignUSESthesinglechipmicrocomputerasthedataprocessingandthecontrolunit,thethermocouplesusedasmeasuringelement,withsolidstaterelayastheoutputcontrolelementstoachieveresistancefurnacetemperatureautomaticcontrol.Single-chipmicrocomputercontrolofthetemperaturesensor,KthermocoupletemperaturesignalthroughtheA/Dconvertercollectiontothechip.Thesingle-chipmicrocomputerdataprocessing,PIDoperation,acontrolinformationchangeexecutivemoduleform,andthedisplayvalue,inLEDdisplayPV,setdataSV.Thisdesignthroughthe4buttonsforhuman-computerinteractionandLEDdisplay,andtheresistancefurnacetemperatureremainsintherequirementsrange.Keywords：Theresistancefurnace;Temperature;SCM;PIDcontrol

目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的背景、發(fā)展歷史及意義 1第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證 22.1溫度控制系統(tǒng)的目的和功能 22.2設(shè)計內(nèi)容 2第三章電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 43.1最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 43.1.1單片機 43.1.2單片機的主控單元 53.1.3復(fù)位電路 73.1.4時鐘電路 83.2溫度采集與傳感器 93.2.1放大電路 113.2.2溫度傳感器的選擇 123.2.5數(shù)字PID算法 173.3.1按鍵 193.5.1報警單元 253.5.2輸出控制單元 25第四章軟件設(shè)計 274.1設(shè)計思路 274.2.1采樣程序 294.2.2顯示子程序 304.2.3按鍵子程序 314.2.4PID控制子程序 32結(jié)論 36參考文獻 37附錄:原理圖 38致謝 39第一章緒論1.1溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的背景、發(fā)展歷史及意義溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到人們生活的各個方面，是與人們息息相關(guān)的一個實際問題。針對這種實際情況，設(shè)計一個溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實際意義。單片機在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場合的智能溫度控制器應(yīng)運而生。電阻爐是利用電流通過電阻體產(chǎn)生的熱量來加熱或熔化物料的一類電爐。它的特點：①電路簡單；②對爐料種類的限制少；（小型電阻爐可以加熱食品、干燥木材等）；③爐溫控制精度高；④容易實現(xiàn)在真空或控制氣氛中加熱等特點。它適用于：①機械零件的淬火、回火、退火、滲碳、氮化等熱處理；②各種材料的加熱、干燥、燒結(jié)、釬焊、熔化等。電阻爐的主要參數(shù)有額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸。電阻爐按爐溫不同可以分為低溫電阻爐(600～700℃以下)、中溫電阻爐(700℃～1200℃)、高溫電阻爐(1200℃以上)電阻爐被廣泛應(yīng)用在冶金、機械、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)濟指標緊緊相連。因此各個領(lǐng)域?qū)﹄娮锠t溫度控制的穩(wěn)定性、可靠性、精度等要求也越來越高，溫度測量控制技術(shù)也成為現(xiàn)代科技發(fā)展中的一項重要技術(shù)。溫度控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：1、定值開關(guān)控制；2、PID控制；3、智能控制。PID控制溫度的效果主要取決于P、I、D三個參數(shù)。PID控制大滯后、大慣性、時變溫度系統(tǒng)時，其控制品質(zhì)難以保證。電阻爐是由電阻絲加熱升溫，靠自然冷卻降溫，PID控制對小型電阻爐的溫度控制效果良好。本文以電阻爐為控制對象，以單片機為硬件核心，利用單片機使電阻爐的溫度維持在一個穩(wěn)定的范圍。第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證2.1溫度控制系統(tǒng)的目的和功能溫度是一個非常重要的物理量，因為它直接影響燃燒、化學反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形、結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制失誤就可能引起生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量等一系列問題。因此對溫度的檢測的意義就越來越大。溫度采集控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科學研究和人們的生活領(lǐng)域中，得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多時候都需要對溫度進行嚴格的監(jiān)控，以使得生產(chǎn)能夠順利的進行，產(chǎn)品的質(zhì)量才能夠得到充分的保證。使用自動溫度控制系統(tǒng)可以對生產(chǎn)環(huán)境的溫度進行自動控制，保證生產(chǎn)的自動化、智能化能夠順利、安全進行，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。溫度采集控制系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。嵌入式系統(tǒng)雖然起源于微型計算機時代，但是微型計算機的體積、價位、可靠性，都無法滿足廣大對象對嵌入式系統(tǒng)的要求，因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨立發(fā)展道路。這條道路就是芯片化道路。將計算機做在一個芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的單片機時代。單片機誕生于二十世紀七十年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU和SOC三大階段。2.2設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計的內(nèi)容是電阻爐溫度控制系統(tǒng)，控制對象是溫度。溫度控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當廣泛。而以往溫度控制是采用模擬信號，這種控制精度低，維護工作量大，易出故障，現(xiàn)在采用數(shù)字化儀表，精度高。本設(shè)計是對電阻爐溫度進行實時監(jiān)測與控制，設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當電阻爐溫度低于設(shè)定下限溫度時，系統(tǒng)對電阻爐發(fā)出加熱信號，使電阻爐溫度上升，當電阻爐溫度高于設(shè)定上限溫度時，系統(tǒng)使電阻爐停止加熱，使溫度下降，當電子流溫度下降到下限溫度以下時，系統(tǒng)發(fā)出信號使電阻爐繼續(xù)加熱。不斷重復(fù)該過程，使溫度始終保持在上下限溫度之間。LED燈即時顯示溫度。系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如下圖2-1所示：圖2-1控制器設(shè)計總體框圖在本系統(tǒng)的電路由四部分組成:(1)控制部分主芯片采用單片機AT89C52；(2)顯示部分采用4位LED數(shù)碼管實現(xiàn)溫度顯示；(3)溫度采集部分采用K型熱電偶傳感器；(4)溫度控制部分采用固態(tài)繼電器。根據(jù)溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點，我們設(shè)計了以AT89C52單片機為檢測控制中心，將溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。其主要的控制原理為：對被控對象的溫度進行實時采集，其主要是通過熱電偶傳感器將溫度轉(zhuǎn)變成模擬電信號，并由A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832將所得的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量送入單片機中。單片機將傳感器所采集到的溫度和事先設(shè)定的溫度進行對比，當小于設(shè)定值時將發(fā)出信號啟動加熱裝置；當大于設(shè)定值時將關(guān)閉加熱裝置，從而使得被控溫度控制在一定的范圍之內(nèi)，達到實時控制的功能。整個控制器主要有以下功能：(1)被控溫度可以根據(jù)實際的需要設(shè)定；(2)實時顯示當前溫度值；(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)越限報警。第三章電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，本系統(tǒng)選用12MHZ的晶振，使得單片機有合理的運行速度,復(fù)位電路為按鍵高電平復(fù)位。STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計如圖3-1所示：圖3-1STC89C52單片機最小系統(tǒng)3.1.1單片機在多數(shù)電子設(shè)計當中，基于性價比的考慮，8位單片機仍是首選。AT89C52是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機。片內(nèi)帶有一個8KB的Flash可編程、可擦除只讀存儲器（EPROM）。它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器（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存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。因此，AT89C52是一種功能強、靈活性高，且價格合理的單片機，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域?；谏鲜鲞@些特點，這里選擇AT89C52單片機作為控制核心。因為單片機的工作電源為+5V，AT89C52電源輸入支持的電壓范圍為5v~3.4v，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3-2所示：圖3-2電源供電電路3.1.2單片機的主控單元本部分主要介紹單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計。單片機系統(tǒng)的擴展，一般是以基本最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。所謂最小系統(tǒng)，是指一個真正可用的單片機最小配置系統(tǒng)，對于片內(nèi)帶有程序存儲器的單片機，只要在芯片外接時鐘電路和復(fù)位電路就是一個小系統(tǒng)了。小系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開發(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)位電路及時鐘電路。AT89C52單片機：AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。4K字節(jié)可系統(tǒng)編程的Flash程序存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，看門狗(WDT)，兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C52停止CPU的工作，但允許RAM、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RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止其它所有部件工作，直到下一個硬件復(fù)位。AT89C52單片機的引腳說明VCC：供電電壓；GND：接地。P0是一個8位雙向I/O端口，端口置1時作高阻抗輸入端，作為輸出口時能驅(qū)動8個TTL電平。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收指令字節(jié)；校驗程序時輸出指令字節(jié)，需要接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時，P0口是分時轉(zhuǎn)換的地址(低8位)/數(shù)據(jù)總線，訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/0端口。輸出時可驅(qū)動4個TTL電平。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收低8位地址信息。P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/0端口。輸出時可驅(qū)動4個TTL電平。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收高8位地址和控制信息。在訪問外部程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址。而在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“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）；P3.4T0（記時器0外部輸入）；P3.5T1（記時器1外部輸入）；P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）；P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）；P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，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，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取值期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。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)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來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。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。本設(shè)計STC89C52單片機的P14、P15、P16、P17口接的是四位按鍵，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。3.1.3復(fù)位電路計算機在啟動運行的時候都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并且從這個初始狀態(tài)開始工作。單片機的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的，MCS-51單片機有一個復(fù)位引腳RST，高電平有效。MCS-51單片機通常采用上電自動復(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，RC電路充電，RST引腳出現(xiàn)正脈沖，提供復(fù)位信號直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號，為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時，才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。RC復(fù)位電路可以實現(xiàn)上述基本功能。調(diào)整RC常數(shù)會令對驅(qū)動能力產(chǎn)生影響。復(fù)位電路如下圖3-3所示：圖3-3復(fù)位電路圖3.1.4時鐘電路時鐘電路提供單片機的時鐘控制信號，單片機時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。最常用的是內(nèi)部時鐘方式是采用外接晶振和電容組成的。時鐘振蕩電路如圖3-4所示：圖3-4時鐘振蕩電路單片機內(nèi)部有一個用于構(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)成一個自己振蕩器，這種方式形成的時鐘信號稱為內(nèi)部時鐘方式。系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時鐘頻率就為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30μF。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近，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，外部振蕩信號應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。3.2溫度采集與傳感器圖3-5熱電偶傳感器溫度檢測是本次設(shè)計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溫元件，對溫度進行準確的測量。熱電偶的冷鍛溫度補償有四種方法：補償導(dǎo)線法；冷端補償法；計算修正法；電橋補償法。補償導(dǎo)線法：圖3-6補償導(dǎo)線法的連接圖冷端補償法：（1）將熱電偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端溫度保持0℃不變的方法稱為冰浴法。采用這種方法可以消除冷端溫度t0不等于0（2）將熱電偶的冷端置于電熱恒溫器中，恒溫器的溫度要略高于環(huán)境溫度的上限。（3）將熱電偶的冷端置于恒溫的空調(diào)房間中，使冷端溫度保持恒定。計算修正法：當熱電偶的冷端溫度t010°C時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢EAB（t，t0）與冷端為0°C時所測得的熱電勢EAB（t，0°C）不等。若冷端溫度高于0°C，則EAB（t，t0）EAB（t,0°C）=EAB（t,t0）+EAB（t0,0電橋補償法：圖3-7電橋補償法的接線圖本次設(shè)計采用計算修正法。3.2.1放大電路運算放大器使所有的線性電路中最重要的基本構(gòu)件。他在如飲品功率放大器、定時器、穩(wěn)壓器、傳感測試電路等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。運算放大器這一術(shù)語最早應(yīng)用于在模擬計算機中執(zhí)行默寫數(shù)學運算的下限頻率為零赫茲的高增益放大器。這種高增益放大器現(xiàn)在已廣泛用于各個方面，即使不再涉及數(shù)學運算，但通常仍成為運算放大器或op-amp。早期的運算放大器使用分立元件，但現(xiàn)在使用集成電路就更為方便了。電路設(shè)計者對集成電路內(nèi)部元件不感興趣，而只關(guān)心作為一個整體的單元性能。因此，圖3-8所示的符號用來表示運算放大器。由圖可以看出，運算放大器有2個輸入端，一個輸出和連接正、負電源線端子。圖3-8運算放大器的符號圖3-9運算放大器的封裝3.2.2溫度傳感器的選擇傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，其主要作用是將感知的被測非電量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一量值輸出，通常是電信號。也就是說，傳感器是借檢測元件（敏感元件）將被測對象的一種信息按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成另一種信息的器件或裝置。傳感器所獲取的信息通常有物理量、化學量和生物量等，而經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的信息多數(shù)為電量，如電阻、電容、電感、電壓、電流及頻率與相位的變化等，它是實現(xiàn)自動化檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器將被測信息如溫度、壓力、流量等轉(zhuǎn)換成電信號輸出，一般稱為一次變換。一般情況下經(jīng)過一次變換后的信息具有以下特點：輸出電信號通常為模擬量；輸出電信號一般較微弱；輸出電信號的信號噪聲比較小，甚至有用信號淹沒在噪聲之中；傳感器的輸入輸出特性通常存在一定的非線性，并易受環(huán)境溫度及周圍電磁干擾的影響；傳感器的輸出特性與電源的定性等有關(guān)，通常要求恒壓或恒流供電。本部分主要是論證溫度傳感器的選型。傳感器的選擇受到很多因素的影響，首先是各種溫度傳感器自身的優(yōu)缺點，其次是各種不同的環(huán)境因素，還有就是系統(tǒng)所要求實現(xiàn)的精度等，所以在不同的設(shè)計當中溫度傳感器的選擇也將不同。方案一：熱電偶傳感器熱電偶傳感的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化。它是利用兩種不同材料的金屬連接在一起，構(gòu)成的具有熱電效應(yīng)原理的一種感溫元件。其優(yōu)點為精確度高、測量范圍廣、構(gòu)造簡單、使用方便，型號種類比較多且技術(shù)成熟等。目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用產(chǎn)品中。熱電偶傳感器的種類很多，在選擇時必須考慮其靈敏度、精確度、可靠性、穩(wěn)定性等條件。方案二：熱電阻傳感器熱電阻傳感器的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。熱電阻傳感器是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點是：測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制作成標準的基準儀。從熱電阻的測溫原理可以知道，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來表現(xiàn)的。因此，熱電阻的引出線的電阻的變化會給測溫帶來影響。為消除引線電阻的影響，一般采用三線制或四線制。熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線、顯示儀表組成。方案三：半導(dǎo)體集成模擬溫度傳感器半導(dǎo)體IC溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流、電壓與溫度變換關(guān)系來測溫的一種感溫元件。這種傳感器輸出線性好、精度高，而且可以把傳感器驅(qū)動電路、信號處理電路等，與溫度傳感器部分集成在同一硅片上，體積小，使用方便，應(yīng)用比較廣泛的有AD590等。IC溫度傳感器在微型計算機控制系統(tǒng)中，通常用于室溫或環(huán)境溫度的檢測，以便微型計算機對溫度測量值進行補償。方案四：半導(dǎo)體集成數(shù)字溫度傳感器隨著科學技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，新型溫度傳感器的種類繁多，應(yīng)用逐漸廣泛，并且開始由模擬式向著數(shù)字式、單總線式、雙總線式、多總線式發(fā)展。數(shù)字溫度傳感器，更因適合與各種微處理器的I/O接口相連接，組成自動溫度控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)克服了模擬傳感器與微處理器接口時需要信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器的弊端，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電子測溫、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中比較有代表性的有DS18B20等。PT100與AD590都不能與單片機的I/O口直接相連，需要設(shè)計信號調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路。而DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，并且采用單總線技術(shù)，使該傳感器不但可以直接與單片機I/O口相連，并且只需要一個I/O就可以連接多個溫度傳感器，實現(xiàn)多點溫度測量與控制。所以使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20不但可以節(jié)約單片機I/O口，還能使系統(tǒng)設(shè)計成本降低。但是DS18B20的測溫范圍僅限-55℃～+125℃，而電阻爐的溫度大約在一千度左右，所以從測溫范圍的大小、精度要求以及價格等多方面因素綜合考慮，最終選擇K型熱電偶傳感器。K型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶可測量1300熱電偶的結(jié)構(gòu)形式是熱電極，絕緣材料和保護管，并與顯示儀表、記錄儀表或計算機等配套使用。在現(xiàn)場使用中根據(jù)環(huán)境，被測介質(zhì)等多種因素研制成適合各種環(huán)境的熱電偶。熱電偶簡單分為裝配式熱電偶，鎧裝式熱電偶和特殊形式熱電偶；按使用環(huán)境細分有耐高溫熱電偶，耐磨熱電偶，耐腐熱電偶，耐高壓熱電偶，隔爆熱電偶，鋁液測溫用熱電偶，循環(huán)硫化床用熱電偶，水泥回轉(zhuǎn)窯爐用熱電偶，陽極焙燒爐用熱電偶，高溫熱風爐用熱電偶，汽化爐用熱電偶，滲碳爐用熱電偶，高溫鹽浴爐用熱電偶，銅、鐵及鋼水用熱電偶，抗氧化鎢錸熱電偶，真空爐用熱電偶，鉑銠熱電偶等。3.2.熱電偶溫度信號非線性是比較大的，如B型熱電偶，從0°C升高到1800°C，熱電勢從0mV變化到13.585mV，每100°C熱電勢增加最大的約為最小的8倍。B偶的最大輸出熱電勢只有13.585mV，而且當溫度升高到約1700°C時，該增加值下降。其它熱電偶都存在類似的問題，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)，熱電偶溫度信號的線性化主要有如下幾種方法。(1)單反饋法：利用負反饋，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，特別是在溫區(qū)要求不寬的情況下。有時，由于在其一溫區(qū)有精度要求，那么就在該溫區(qū)對信號進行調(diào)理，達到要求的目標；在其它溫區(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：這是一種對非線性較大的信號處理的較好的方法。處理得好可以達到較高的精度。這種方法普遍適用于各種熱電偶的整個正信號溫區(qū)。圖3-10折線近似法該種方法的電路原理圖如圖3-10所示。該電路的工作過程是：當輸入的電壓信號較低時，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點同樣），IC1的輸出端電壓較高，D1截止。當輸入信號電壓接近IC1的同相端時，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點電壓為止。這就有效地限制了熱電偶信號迅速增加，降低了非線性。IC2的工作過程與此類似，不同的是B點電位比A點高。當輸入電壓在A點電壓以下時，D2截止，IC2不工作；只有當輸入電壓高于A點電壓或接近B點電壓時IC2才工作。工作過程與IC1相同。所用折線的段數(shù)是根據(jù)精度要求決定的。對于熱電偶信號處理來說，有三段就可以使精度達到0.5%以上。3.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計中溫度檢測電路輸出信號為模擬量，要想將檢測數(shù)據(jù)送入單片機，必須將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這里選用集成A/D轉(zhuǎn)換器——ADC0832。A/D轉(zhuǎn)換電路用來把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字形式，即二進制數(shù)。實際的轉(zhuǎn)換過程包括在特定時刻的信號采樣并保持其值直到一個穩(wěn)定信號被輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即止。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的二進制數(shù)通過微機的輸入通道進入微型機。復(fù)雜的硬件或具有合適的軟件指令的簡單硬件都可能實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。軟件的使用會降低模數(shù)轉(zhuǎn)換過程的速度。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換的整個過程均需要使用硬件。用于特定用途的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可按其精度和速度分類。出于各種實用的目的，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可視為一個黑盒子，它能把在一定范圍取任意連續(xù)值的模擬電壓轉(zhuǎn)換成離散的二進制代碼。模擬電壓轉(zhuǎn)換得到的二進制碼的數(shù)值取決于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。一個N位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將提供2N個離散代碼來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)生該位確切的二進制值(0或1)。最先產(chǎn)生的為最高位，最后產(chǎn)生的則是最低位。第一次比較時，用輸入的電壓與參考信號電壓的一半(1/22)進行比較。如果輸入電壓大于參考信號的一半，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的一半，對8位ADC來說，第一次比較將產(chǎn)生二進制碼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)生的二進制代碼將是11000000(模擬輸入電壓大于代碼電壓時)，或者是10000000(模擬輸入電壓小于代碼電壓時)。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二進制值。這個過程重復(fù)進行N次(模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù))。因此對于第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位的二進制值。本設(shè)計采用的A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0832一．ADC0832簡介ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。ADC0832具有以下特點：8位分辨率；雙通道A/D轉(zhuǎn)換；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間；工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32μS；一般功耗僅為15mW；8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC多種封裝；商用級芯片溫寬為0°C~+70°C，工業(yè)級芯片溫寬為40°C~+圖3-11《ADC0832引腳圖》二．信號引腳ADC0832引腳如圖3-11所示。CS片選使能，低電平芯片使能。CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。GND芯片參考0電位（地）。DI數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。DO數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。CLK時鐘信號。ADC0832的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時鐘信號。VREF——參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V,Vref(-)=-5V)。三．單片機與ADC0832的接口ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。圖3-12ADC0832與單片機的連接正常情況下ADC0832與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。ADC0832與單片機的連接如上圖3-12所示。當ADC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。3.2.5數(shù)字PID算法PID調(diào)節(jié)的一般步驟：a.確定比例增益P：確定比例增益P時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數(shù)設(shè)定說明），使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當前值的60%~70%。比例增益P調(diào)試完成。b.確定積分時間常數(shù)Ti比例增益P確定后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設(shè)定PID的積分時間常數(shù)Ti為當前值的150%~180%。積分時間常數(shù)Ti調(diào)試完成。c.確定積分時間常數(shù)Td積分時間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。d.系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對PID參數(shù)進行微調(diào)，直至滿足要求。溫控系統(tǒng)采用數(shù)字PID算法，并由軟件實現(xiàn)，所謂PID控制就是按設(shè)定值與測量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢進行控制。它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此PID控制律的實現(xiàn)，必須用數(shù)值逼近法。當采樣周期相當短時，可以用求和代替積分，用差商代替微分，即做如下近似變換：（3-1）式中，k為采樣序號，k=l，2，3，……；T為采樣周期。顯然，上述離散化過程中，采樣時間T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書寫方便，將e(kT)簡化表示成e(k)等，即省去T?？梢缘玫诫x散的PID表達式為：（3-2）式中，k為采樣序號，k=1，2，3，……；u(k)為第k次采樣時刻的計算機輸出值；e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k-1)為第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值；KI為積分系數(shù)；KD為積分系數(shù)。該系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，是指數(shù)字控制器輸出只是控制量的增量，該算法編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運算快。根據(jù)遞推原理可得：（3-3）用式（3-2）減去式（3-3），可得增量式PID控制算法如下：（3-4）3.3人機交互電路人機交互的主要功能是輔助控制、方便調(diào)試，提高系統(tǒng)的可用性和實用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統(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，在當今的各種實時自動控制和智能化儀器儀表中，人機交互是不可缺少的一部分。一般而言，人機交互是由系統(tǒng)配置的外部設(shè)備來完成，其實現(xiàn)方式有兩種：一種是由MCU的I/O口驅(qū)動專用芯片實現(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)動芯片等，來實現(xiàn)人機交互功能。另一種就是MCU本身具有驅(qū)動功能，它通過數(shù)據(jù)總線與控制信號直接采用存儲器訪問形式或I/O設(shè)備的訪問形式來控制鍵盤和LED實現(xiàn)人機交互。3.3.1按鍵按鍵是現(xiàn)階段電子設(shè)計中最常用、最實用的輸入設(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優(yōu)點：工作原理、硬件電路連接簡單、操作實用性強、價格便宜，程序編寫簡單。缺點：機械抖動比較嚴重、外型不夠美觀。按鍵部分實現(xiàn)的主要原理是單片機讀取與按鍵相連接的I/O口狀態(tài)，來判定按鍵是否按下，達到系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的目的。鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、命令輸入，是人工干預(yù)的主要手段。獨立式按鍵就是按鍵相互獨立，每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵的工作狀態(tài)，不會影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。各按鍵開關(guān)均需要采用了上拉電阻，是為了保證在按鍵斷開時，各I/O有確定的高電平。當輸入口線內(nèi)部已有上拉電阻，外電路的上拉電阻可省去。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷是哪個按鍵被按下了。優(yōu)點：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。缺點：每個按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費大，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合。在本設(shè)計當中，由于只需要四個按鍵，所以采用獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)，電路連接圖如圖3-13所示：圖3-13獨立式鍵盤當用手按下一個鍵時，往往按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個鍵時，也回會出現(xiàn)類似的情況。這就是抖動。抖動的持續(xù)時間隨鍵盤材料和操作員而異，不過通?？偸遣淮笥?0ms。很容易想到，抖動問題不解決就會引起對閉合鍵的識別。用軟件方法可以很容易地解決抖動問題，這就是通過延遲10ms來等待抖動消失，再讀入鍵盤碼。按鍵控制電路分別接在單片機P1.4—P1.7口。它由4個按鍵構(gòu)成，直接與單片機I/O口相連。當用于溫度調(diào)節(jié)時，開關(guān)分別用于調(diào)整溫度的上下限值，以及控制溫度的輸出。另外，設(shè)定1鍵用于顯示采集的溫度，第二次按下則進行溫度的上限調(diào)整，第三次按下進行溫度的下限調(diào)整，第四次按下則進行采集溫度的顯示構(gòu)成循環(huán)。選擇2鍵進行移位調(diào)整，第一次顯示個位，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，這個值在0-9之間變化。4鍵用于減少一個數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上減1，這個值在0-9之間變化。當用于PID參數(shù)調(diào)節(jié)時，設(shè)定1鍵為確認鍵，按下第五次后，顯示設(shè)置PID系數(shù)狀態(tài)。選擇2鍵進行移位調(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，這個值在0-9之間變化。4鍵用于減少一個數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上減1，這個值在0-9之間變化。3.3.2顯示電路電子設(shè)計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)計中普遍使用的一種顯示設(shè)備，每個數(shù)碼管由七個發(fā)光二極管按照一定的排列結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)七個發(fā)光二極管的正負極連接不同，又分為共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管兩種，選擇的數(shù)碼管不同，程序設(shè)計上也有一定的差別。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中的任意一個數(shù)字，一個數(shù)碼管可以顯示一位，多個數(shù)碼管就可以顯示多位，在顯示位數(shù)比較少的電路中，程序編寫，外圍電路設(shè)計都十分簡單，但是當要顯示的位數(shù)相對多的時候，數(shù)碼管操作起來十分煩瑣，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，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動手設(shè)計的圖案。當需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時候，它的優(yōu)點就突現(xiàn)出來了，并且當硬件設(shè)計完成時，可以通過軟件的修改來不斷擴展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅(qū)動電路設(shè)計比較簡單，顯示能力的擴展將不會涉及到硬件電路的修改，可擴展性很強。字符型液晶顯示屏已經(jīng)成為了單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件之一。不足之處在于其價格比較昂貴，驅(qū)動程序編寫比較復(fù)雜。由于本設(shè)計所需要顯示的內(nèi)容比較簡單，只包括現(xiàn)場溫度值、溫度限定值以及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)容有溫度值的千位、百位、十位、個位。LED顯示電路如下圖3-14所示。圖中的P1.1和P1.0分別連接到單片機的P1.1和P1.0引腳，作為時鐘輸入端和數(shù)據(jù)端口。圖3-14LED顯示電路由于單片機不能直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示，所以必須在單片機與LED164之間加上74LS164，它的管腳圖如圖3-15所示。圖3-1574LS164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是串行時鐘輸入端；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3.174LS164功能表輸入輸出清除時鐘ABQAQBQHLLLLHLQA0QB0QH0H↑HHHQAnQGnH↑LLQAnQGnH↑LLQAnQGnLED164的管腳如圖3-16所示，其中a-g段用來顯示數(shù)字或字符的筆畫，dp顯示小數(shù)點，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)方式中，確定電源電壓VCC時，每只LED工作電壓通常以2.0V計算，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)有共陰極和共陽極之分。本設(shè)計采用的是共陰極數(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(負極)都聯(lián)在一起，此數(shù)碼管陰極(負極)在外部只有一個引腳。圖3-16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與上位機的通信，便于進行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎(chǔ)工作。串行通信的主要功能是實現(xiàn)單片機與PC機的數(shù)據(jù)交換，當需要進行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析的時候，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，使用上位機進行數(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。這樣可以大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，還可以方便的對單片機進行控制。計算機與外界的數(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3-17所示：圖3-17串行口通信3.5輸出電路設(shè)計3.5.1報警單元報警電路實現(xiàn)的是當環(huán)境溫度值超過系統(tǒng)設(shè)置的上限值或者小于系統(tǒng)設(shè)置的下限值時，都將通過I/O口驅(qū)動蜂鳴器，進行蜂鳴器報警[2]。而單片機I/O口輸出的電流無法直接驅(qū)動蜂鳴器，所以設(shè)計了蜂鳴器驅(qū)動電路，具體電路連接如圖3-18所示：圖3-18報警電路圖3.5.2輸出控制單元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(diào)節(jié)方式，實質(zhì)就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)計中采用的是通斷控制調(diào)節(jié)方式。固態(tài)繼電器的簡介：固態(tài)繼電器（SOLIDSTATERELAYS），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(guān)元件，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(guān)”。固態(tài)繼電器SSR-40DA是由固態(tài)元件組成的無觸點開關(guān)，具有工作安全可靠、壽命長、無觸點、無火花、無污染、高絕緣、高耐壓（越過2.5kv）、低觸發(fā)電流、開關(guān)速度快、可與數(shù)字電路巨配，以阻燃型環(huán)氧樹脂為原料，采用灌封技術(shù)，使與外界隔離，具有良好的耐壓、防潮、防腐、抗震動等性能。固態(tài)繼電器內(nèi)部采用電壓過零時開啟，負載過零時關(guān)斷的特性，在負載上可以得到一個完整的正弦波形。因此電路的射頻干擾很小，可降低感性負載（如風扇、三相電動機等）的反電動勢以及驅(qū)動阻性負載（如白熾燈、發(fā)熱絲等）時可顯著降低浪涌電流等優(yōu)點,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖3-19所示：圖3-19SSR-40DA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖固態(tài)繼電器控制電阻爐溫度電路圖如圖3-20所示：圖3-20固態(tài)繼電器控制電阻爐溫度電路圖第四章軟件設(shè)計4.1設(shè)計思路本部分詳細介紹了基于AT89C52單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計分為若干個子程序進行設(shè)計，如溫度采集子程序，數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序、PID控制子程序。采用KeiluVision3集成編譯環(huán)境和C語言來進行系統(tǒng)軟件的設(shè)計。本章從設(shè)計思路、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現(xiàn)，最終編寫出滿足任務(wù)需求的程序。本系統(tǒng)要完成溫度信號的采集與控制，需要實現(xiàn)溫度信號的采集與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浞譃闇囟刃盘柌杉癆/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、人機交互、執(zhí)行四大部分進行設(shè)計。溫度信號采集子程序，主要完成溫度信號采集與A/D功能。溫度信號采集子程序主要包括傳感器初始化、單片機給傳感器寫命令、單片機給傳感器寫數(shù)據(jù)、單片機從傳感器讀數(shù)據(jù)等部分。數(shù)據(jù)處理子程序，當單片機收到溫度傳感器發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理子程序?qū)υ摂?shù)據(jù)進行處理，主要是把采集到的二進制的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制溫度數(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；爐溫測定、鍵盤輸入、時間確定和顯示、控制算法等都由子程序來完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)測溫。流程圖如圖4-1所示。圖4-1控制系統(tǒng)程序流程圖4.2程序設(shè)計主程序流程圖如圖4-2所示：圖4-2主程序流程圖4.2.1采樣程序系統(tǒng)控制程序采用兩重中斷嵌套方式設(shè)計。首先使T0計數(shù)器產(chǎn)生定時中斷，作為本系統(tǒng)的采樣周期。在中斷服務(wù)程序中啟動A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進行數(shù)字濾波、上下限報警處理，PID計算，然后輸出控制脈沖信號。脈沖寬度由T1計數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時，將本次采樣值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度值放入顯示緩沖區(qū)，然后調(diào)用顯示子程序。從T1中斷返回后，再從T0中斷返回主程序并且、繼續(xù)顯示本次采樣溫度，等待下次T0中斷。圖4-3采樣程序流程圖4.2.2顯示子程序共陰極數(shù)碼管是用高電平（“1”）點亮的，要求驅(qū)動功率較大。圖4-4顯示流程圖4.2.3按鍵子程序在本設(shè)計中，當按鍵被按下時，I/O口電平為低；松開時，I/O口電平為高。按鍵掃描程序通過讀取I/O口的電平即可知道對應(yīng)按鍵的狀態(tài)。按鍵的抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5~10ms，這是一個很重要的參數(shù)。抖動過程引起電平信號的波動，有可能令CPU誤解為多次按鍵操作，從而引起誤處理。為了確保CPU對一次按鍵動作只確認一次按鍵，提高按鍵處理的可靠性，應(yīng)在程序中做按鍵消抖處理。按鍵的消抖，通常有軟件，硬件兩種消除方法。硬件消抖主要是采用濾波電路消除干擾，需要消耗大量硬件，成本比較高，只適用于按鍵數(shù)目較少的情況。如果按鍵較多，硬件消抖無法達到預(yù)期效果。所以通常采用軟件消抖。軟件消抖的常用方法是軟件延時。本系統(tǒng)采用軟件消抖，當單片機第一次檢測到有鍵按下時，即檢測到與按鍵連接的I/O口為低電平是，等待10ms，再去確認該I/O口是否仍舊為低電平，如果還是低電平，就一般的機械按鍵而言，已經(jīng)是出于穩(wěn)定期了，按鍵的抖動被消除了。如果10ms之后I/O口不為低電平，則說明是干擾信號，而不是按鍵被按下。在軟件編寫上，可采用查詢方式，也可采用中斷方式。本系統(tǒng)采用查詢方式。使用按鍵輸入流程圖如圖4-5所示：圖4-5按盤輸入流程圖4.2.4PID控制子程序根據(jù)爐溫對給定溫度的偏差，自動接通或斷開供給爐子的熱源能量，或連續(xù)改變熱源能量的大小，使爐溫穩(wěn)定在給定溫度范圍內(nèi)，以滿足熱處理工藝的需要。溫度自動控制常用調(diào)節(jié)規(guī)律有二位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這樣一個反饋調(diào)節(jié)過程，比較實際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，去調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率，從而實現(xiàn)對電阻爐溫度的控制。按照偏差的比例、積分和微分產(chǎn)生控制作用（PID控制），是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式。二位式調(diào)節(jié)——它只有開、關(guān)兩種狀態(tài)，當爐溫低于限給定值時執(zhí)行器全開；當爐溫高于給定值時執(zhí)行器全閉。三位式調(diào)節(jié)——它有上下限兩個給定值，當爐溫低于下限給定值時招待器全開；當爐溫在上、下限給定值之間時執(zhí)行器部分開啟；當爐溫超過上限給定值時執(zhí)行器全閉。如管狀加熱器為加熱元件時，可采用三位式調(diào)節(jié)實現(xiàn)加熱與保溫功率的不同。比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）——調(diào)節(jié)器的輸出信號（M）和偏差輸入（e）成比例。即：M=k式中：K——比例系數(shù)。比例調(diào)節(jié)器的輸入、輸出量之間任何時刻都存在一一對應(yīng)的比例關(guān)系，因此爐溫變化經(jīng)比例調(diào)節(jié)達到平衡時，爐溫不能復(fù)加到給定值時的偏差稱“靜差”。比例積分（PI）調(diào)節(jié)，為了“靜差”，在比例調(diào)節(jié)中添加積分（I）調(diào)節(jié)積分，調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差存在隨時間的增長而增強，直到偏差消除才無輸出信號，故能消除“靜差”比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分調(diào)節(jié)。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)——比例積分調(diào)節(jié)會使調(diào)節(jié)過程增長，溫度的波動幅值增大，為此再引入微分（D）調(diào)節(jié)。微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出與偏差對時間的微分成比例，微分調(diào)節(jié)器在溫度有變化“苗頭”時就有調(diào)節(jié)信號輸出，變化速度越快、輸出信號越強，故能加快調(diào)節(jié)速度，降低溫度波動幅度，比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分微分調(diào)節(jié)。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的運行情況，這種控溫方法，精度比較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)的實際需要。主要設(shè)備：熱電偶或熱電阻，智能PID溫控儀，可控硅觸發(fā)調(diào)功器等。PID控制是在連續(xù)的生產(chǎn)過程中，將偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制。在常規(guī)PID的應(yīng)用中，PID三個參數(shù)往往根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況或調(diào)試經(jīng)驗人工設(shè)定的，通過調(diào)試實驗改變參數(shù)以改變控制性能。電阻爐溫度控制通常采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理而獲得控制信號起調(diào)節(jié)