共43頁第1頁裝訂線第一章緒論1引言隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制。然而，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。采用單片機(jī)來對它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。模糊PID單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，是利用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，測量電路中的溫度反饋信號經(jīng)A/D變換后，送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，經(jīng)過模糊PID算法后，單片機(jī)的輸出用來控制可控硅的通斷，控制加熱爐的輸出功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。本設(shè)計運用MCS-51系列單片機(jī)集中的8051單片機(jī)為主控制器，對加熱爐的溫度進(jìn)行智能化控制，最終通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)人機(jī)對話功能，實現(xiàn)對加熱爐的溫度控制。本設(shè)計主要介紹模糊PID單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，內(nèi)容主要包括：采樣、濾波、鍵盤顯示、加熱控制系統(tǒng)，單片機(jī)MCS-51的開發(fā)及系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)等。全文共分四章。第一章緒論介紹相關(guān)技術(shù)發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計概述及設(shè)計要求，方案論證。第二章硬件電路的設(shè)計介紹主控電路核心MCS-51單片機(jī)AT80C51的基本結(jié)構(gòu)和配置以及一些子模塊的設(shè)計。第三章典型芯片的介紹MAX6675包括了A/D采樣技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)。第四章軟件設(shè)計介紹以模糊PID為主的溫度控制算法及系統(tǒng)加熱控制系統(tǒng)。第五章主要是系統(tǒng)軟件編程。2單片機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展單片機(jī)又稱為微控制器（Microcontroller），是把中央處理器(CPU)、隨機(jī)存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、定時器/計數(shù)器、I/O接口電路等部件集成在一塊芯片上的微型計算機(jī)。自問世以來，性能不斷提高和完善，加之具有控制能力強(qiáng)、體積小、功耗??；成本低、開發(fā)周期短、集成度高；速度快，指令周期為S級；功能強(qiáng)，有豐富的內(nèi)置資源；易于商品化，多數(shù)廠商提供配套外圍借口芯片；抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，因此，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理、通信系統(tǒng)、高級計算機(jī)、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，并且正在逐步取代現(xiàn)有的多片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，數(shù)字單片機(jī)的位數(shù)越來越多，精度也越來越高。另外，在需要極高響應(yīng)速度的控制場合，共43頁第2頁裝訂線還出現(xiàn)了模糊單片機(jī)，它是專門執(zhí)行模糊邏輯信號的器件，具有極高的模糊推理速度。今天，還出現(xiàn)了不少高級語言的開發(fā)工具，這些系統(tǒng)經(jīng)過仿真可在更高的開發(fā)平臺上進(jìn)行快速的開發(fā)，為單片機(jī)的廣泛應(yīng)用鋪平了道路。所以，在未來的社會主義工業(yè)化建設(shè)中，單片機(jī)無疑會發(fā)揮更大的作用。單片機(jī)具有處理能強(qiáng)、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應(yīng)用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。3系統(tǒng)設(shè)計概述及設(shè)計要求采用單片機(jī)為控制核心器件，選擇合適的傳感器對電阻絲加熱爐溫度進(jìn)行測量，并采用模糊PID控制算法使其保持在某一設(shè)定的溫度值。溫度值可由鍵盤設(shè)定，并在LED顯示器上顯示。具體要求如下：1）溫度范圍為50015002）系統(tǒng)有必要的保護(hù)和報警3）溫度值有顯示4）誤差范圍14方案論證4.1總體方案比較與論證方案一：采用CPLD作為主控制器控制外圍電路進(jìn)行溫度測量、鍵盤和LED控制、報警控制。方案二：采用AT89C51單片機(jī)來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。AT89C51內(nèi)部自帶程序存儲器，采用Intel8279鍵盤/顯示器的控制，K型熱電偶（鎳鉻-鎳硅）作為測溫傳感器,AD574芯片作數(shù)模量轉(zhuǎn)換芯片,用繼電器對電阻爐加熱進(jìn)行控制。采用PID控制算法對溫度進(jìn)行控制，此系統(tǒng)硬件簡潔，將復(fù)雜的硬件功能用軟件實現(xiàn)，因此系統(tǒng)控制靈活，能很好地滿足本題的基本要求和擴(kuò)展要求。比較以上兩種方案的優(yōu)缺點：方案一邏輯電路復(fù)雜，且靈活性較低，不利于各種功能的擴(kuò)展，而且開發(fā)成本很高。方案二簡潔、靈活、可擴(kuò)展性好，能完全達(dá)到設(shè)計要求。通過大量的資料的查找與對比采用第二種方案較好。故采用方案二。共43頁第3頁裝訂線4.2典型模塊電路的設(shè)計方案與比較4.2.1溫度檢測方案方案一：利用熱釋電紅外傳感器（探測器）進(jìn)行非接觸式紅外測溫的原理、紅外測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號處理電路的組成，目的是實現(xiàn)對移動物體的非接觸式溫度測量。以此為基礎(chǔ)，組裝了一套微機(jī)紅外測溫實驗裝置，用該裝置測定了目標(biāo)表面溫度變化規(guī)律。在大約190測量精度達(dá)到最高，其殘差為9.5。但是在測定高溫時誤差大，而且系統(tǒng)的造價高。方案二：選用K型熱電偶（鎳鉻鎳硅），具有線性度好、測溫范圍適中、輸出電動勢大、價格便宜等特點。另外，為保證檢測精度，采用補(bǔ)償導(dǎo)線法對熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償。4.2.2鍵盤顯示方案方案一：采用獨立按鍵按口，這種方式是各種按鍵相互獨立，每個鍵各按一根輸入線，一根輸出線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。所以通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個鍵按下。獨立式按鍵電路配置靈活、軟件簡單，但是每個鍵占一根輸入口線，在按鍵數(shù)較多時需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)簡單，故使用于按鍵少，操作速度高的場合。它直接與單片機(jī)I/O相接，通過讀I/O口，判斷各個I/O口線電平狀態(tài)，即可識別出按下鍵盤。方案二：采用3*3矩陣鍵盤輸入，這種接口方式適用于按鍵數(shù)量較多場合，由行、列線組成，行列分別連接到按鍵兩端。按鍵位于行列交叉點，行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵按下時，行處于高電平，而當(dāng)按下時行電平將由此與此電平相連的列線電平?jīng)Q定。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在的行和列電平，所以各按鍵彼此將相互影響，所以必須將行列信號配合起來并做適當(dāng)處理才能決定閉合鍵位置。方案三：采用Intel8279鍵盤/顯示電路，該接口電路設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高，編程容易，具有很強(qiáng)的使用性。4.2.3顯示模塊的選擇方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管亮度高、體積小、重量輕，但其顯示信息簡單、有限，在本題目中應(yīng)用受到很大的限制。方案二：采用液晶顯示。液晶顯示功耗低、輕便防震。由于本題顯示信息比較復(fù)雜，采用液晶顯示界面友好清晰，操作方便，顯示信息豐富。共43頁第4頁裝訂線第二章硬件設(shè)計1系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計AT89C51電阻爐溫度控制系統(tǒng)是以AT89C51單片機(jī)為核心，采用模糊PID控制的方法，使電阻爐的溫度得到較為理想的控制。本系統(tǒng)所要控制的電阻爐加熱功率1500W，使用電壓范圍0220V（AC），升溫速度0.3/min，控制精度1，控制溫度范圍為500-1500度?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖2-1系統(tǒng)組成基本框圖整個系統(tǒng)由3部分組成，即由單片機(jī)AT89C51構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；由K型熱電偶、運算放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的溫度檢測通道；由雙向可控硅構(gòu)成的輸出控制通道。工作時,溫度由K型熱電偶檢測溫度值，經(jīng)過冷端溫度補(bǔ)償運算放大器和A/D轉(zhuǎn)換，將溫度信號送入單片機(jī)；單片機(jī)將溫度信號進(jìn)行數(shù)字濾波，標(biāo)度變換后，由LED顯示。同時與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較，按照模糊PID控制算法進(jìn)行運算，通過輸出信號去控制雙向可控硅的通斷，從而控制電阻爐的平均輸入功率，實現(xiàn)電阻爐爐溫的控制。并可直接顯示。熱電偶將爐溫變換為模擬電壓信號，經(jīng)MAX6675芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送單片機(jī)。同時，熱電偶的冷端溫度也由IC溫度傳感器變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)放大和轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)。標(biāo)度變換程度根據(jù)溫檢測值求得實際爐溫。數(shù)字調(diào)節(jié)器程序根據(jù)恒溫給定值。與的偏差A(yù)0，按積分分離的PID控制算法得到輸出控制量i。數(shù)字觸發(fā)器程序根據(jù)c控制電阻爐子的導(dǎo)通時間，調(diào)節(jié)爐溫冷端處的溫度值的變化使之與給定恒溫值一致。鍵盤顯示報警89C51A/D放大熱電耦電阻爐雙向可控硅光偶共43頁第5頁裝訂線導(dǎo)通時間長，輸出功率大，溫度升高快；導(dǎo)通時間短，輸出功率小，溫度升高變慢。顯示與恒溫判斷程序完成爐溫與恒溫時間顯示、恒溫開與恒溫完成判別、恒溫完成時給出聲光指示信號。斷偶判斷程序根據(jù)溫度檢測值判斷溫度傳感是否開路，若開路，則給出斷偶報警信號。2溫度檢測設(shè)計采用熱電偶傳感器。熱電偶傳感器具有價廉、精度高、構(gòu)造簡單、測量范圍寬(通?？捎梢?O度到+1600度)及反應(yīng)快速的優(yōu)點。熱電偶傳感器輸出的電壓信號較為微弱(只有幾毫伏到幾十毫伏)，型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，目前，在以型熱電偶為測溫元件的工業(yè)測溫系統(tǒng)中，熱電偶輸出的熱電勢信號必須經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，才能輸入基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)。中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)包括信號放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化等幾個部分，實際應(yīng)用中，由于中間環(huán)節(jié)較多，調(diào)試較為困難，系統(tǒng)的抗干擾性能往往也不理想。在電阻爐溫度檢測中，采用MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一個集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以直接與單片機(jī)接口，大大簡化系統(tǒng)的設(shè)計，保證了溫度測量的快速、準(zhǔn)確。2.1MAX6675電阻爐溫度控制系統(tǒng)的型熱電偶溫度采集電路如圖2.1-1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)部可擦寫程序存儲器和32個輸入/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)提供時鐘。無數(shù)據(jù)傳輸時，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警口，報警時輸出低電平，驅(qū)動故障指示LED顯示。在單片機(jī)的上述4個引腳各接一個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。共43頁第6頁裝訂線P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETRXDTXDINT0INT1T0T1WRDRXTAL2XTAL1GNDP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7PSENALE/PROGEA/VppP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0VCC89C51cs6T+3T-2VCC4GND1scx5so7dc8max667512熱電偶C10.1uFVCCR1010KR1110KR1210KR1310KVCCR151KDVCCP2.3P2.2P2.1P2.0RESETP1.0P1.1P1.2P1.3P3.4P3.5P3.6P3.7P1.4圖2.1-1AX6675與AT89C51單片機(jī)組成的熱電偶溫度采集電路AX6675是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖二所示。主要包括：低噪聲電壓放大器A1、電壓跟隨器A2、冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、12位AD轉(zhuǎn)換器、SPI串行接口、模擬開關(guān)及數(shù)字控制器。其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢信號U1，再經(jīng)過S4送至ADC。對于K型熱電偶，電壓變化率為(41V/)，電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。U1=(41V/)(T-T0)上式中，U1為熱電偶輸出電壓（mV），T是測量點溫度；T0是周圍溫度。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0實際參考值之間的差值。通過冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉(zhuǎn)換器。U2=(41V/)T0在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測量點的實際溫度值T。這就是MAX6675進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測量溫度的原理。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖二所示共43頁第7頁裝訂線2.2MAX6675的特性與MAX6675引腳功能MAX6675是具有冷端補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換功能的單片集成型熱電偶變換器，測溫范圍010