計算機控制技術課程設計任務書題目基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計設計內容電阻加熱爐用于合金鋼產品熱力特性實驗，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預定的時問內將爐內溫度穩(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。本設計針對一個溫區(qū)進行溫度控制，要求控制溫度范困50350，保溫階段溫度控制精度為土L選擇和合適的傳感器，計算機輸出信號經(jīng)轉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)學模型為1STEKGD其中時間常數(shù)TD350秒放大系數(shù)KD50滯后時間TD10秒控制算法選用PID控制。設計步驟一、總體方案設計二、控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設計三、硬件的設計和實現(xiàn)1、選擇計算機機型（采用51內核的單片機）；2、設計支持計算機工作的外圍電路（EPROM,RAM、I/O端口、鍵盤、顯示接口電路等）3、設計輸入信號接口電路；4、設計D/A轉換和電流驅動接口電路；5、其它相關電路的設計或方案（電源、通信等）四、軟件設計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轉換和溫度檢測子程序樞圖；3、編寫控制程序和D/A轉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、編寫課程設計說明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖（A3幅面）。課程設計說明書要求1課程設計說明書應書寫認真字跡工稚，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課程設計說明書應有目錄、摘要、序言、主干內容（按章節(jié)編寫）、主要結論和參考書，附錄應有系統(tǒng)方樞圖和電路原理圖。4課程設計說明書應包括按上述設計步驟進行設計的分析和思考內容和引用的相關知識摘要單片機的應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，還應根據(jù)具體硬件結構，以及具體應用對象特點的軟件結合，以作完善。本設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用AT89C51、ADC0809、LED顯示器，通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，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，軟件的設計采用模塊化結構，使程序設計的邏輯關系更加簡潔明了，使硬件在軟件的控制下協(xié)調運作。而系統(tǒng)的過程則是首先,通過設置按鍵,設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轉換器中進行模擬數(shù)字轉換，再將轉換后的數(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。關鍵詞單片機系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；模數(shù)轉換器；溫度；加熱爐ABSTRACTTHEAPPLICATIONOFSCMISTOKEEPATTHESAMETIME,TRADITIONALCONTROLTESTINGUPDATEONCRESCENTBENEFITSINREALTIMEDETECTIONANDAUTOMATICCONTROLSYSTEMOFSINGLECHIPAPPLICATIONS,OFTENASASINGLECHIPCORECOMPONENTTOUSEONLYSINGLECHIPISNOTENOUGHKNOWLEDGE,BUTALSOTHESPECIFICHARDWARESTRUCTUREANDTHESPECIFICFEATURESOFAPPLICATIONSOFTWAREOBJECTSCOMBINETOMAKEPERFECTINTHISPAPER,BOTHHARDWAREANDSOFTWAREFORAUTOMATICCONTROLOFWATERTEMPERATUREONTHEPROCESS,INTHECONTROLOFTHEMAINAPPLICATIONOFTHEPROCESSOFAT89C51,ADC0809,LEDDISPLAY,THROUGHTHEDIGITALTEMPERATURESENSORDS18B20COLLECTINGAMBIENTTEMPERATURETOSINGLECHIPMICROCOMPUTERASTHECORECONTROLCOMPONENTS,ANDTHROUGHFOURREALTIMEDIGITALDISPLAYOFADIGITALTHERMOMETERTEMPERATURESOFTWAREUSINGASSEMBLYLANGUAGEFORPROGRAMMING,SOTHATTHEIMPLEMENTATIONOFDIRECTIVESPEED,TOSAVESTORAGESPACEINORDERTOFACILITATETHEEXPANSIONANDCHANGESTOTHEDESIGNOFMODULARSOFTWARESTRUCTURE,SOTHATTHELOGICOFTHERELATIONSHIPBETWEENPROGRAMDESIGNMORECONCISE,HARDWARESOFTWARECOOPERATIONUNDERTHECONTROLOFITANDSYSTEMATICPROCESSISFIRSTOFALL,BYSETTINGTHEBUTTON,SETTHETHERMOSTATTEMPERATUREATTHETIMEOFOPERATION,ANDDIGITALDISPLAYOFTHETEMPERATURETHEN,INTHERUNNINGTEMPERATUREOFTHEPROCESSOFSAMPLINGANALOGINTOTHEA/DCONVERTERINTHESIMULATIONDIGITALCONVERTER,ANDTHENCONVERTEDDIGITALCONTROLWITHDIGITALDISPLAY,THELASTSINGLECHIPMICROCOMPUTERTOCONTROLTHEHEATERUSEDFORHEATINGORSTOPHEATINGUNTILTHETEMPERATUREINTHEPROVISIONSUNDERTHECONSTANTTEMPERATUREHEATINGKEYWORDSSINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEM；DATAACQUISITION；ADC；TEMPERATURE；HEATINGFURNACE；目錄計算機控制技術課程設計任務書I摘要II第一章基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體設計111系統(tǒng)總體設計112控制系統(tǒng)的建模213數(shù)字控制器設計5第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設計821主電路設計8211系統(tǒng)硬件結構8212系統(tǒng)硬件8213選擇計算機機型922控制電路設計20221顯示單元20222按鍵控制單元20223溫度采樣單元21224電源部分21225采樣測量部分22226驅動執(zhí)行部分23第三章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)軟件設計2531軟件結構2532算法實現(xiàn)26321LED顯示模塊26322報警模塊27323鍵盤模塊27324A/D轉換器模塊28325通信模塊28心得體會30參考書目31附錄32第一章基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體設計11系統(tǒng)總體設計1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)生產過程中重要的被控對象參數(shù)之一，當今計算機控制技術在這方面的應用，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（11）SSKET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)顯示和鍵盤設定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。通過對機內數(shù)字PID參數(shù)的設置對受控對象的精確控制。使得系統(tǒng)所沒得結果的精度大大提高。12控制系統(tǒng)的建模1加熱爐內水溫為被控對象，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QUA（TTA）MC（12）DQ發(fā)熱量，U總傳熱系數(shù)，A傳熱面積，TA冷卻水平均溫度，T加熱爐內水溫，M爐內水的質量，C水的比熱容把式21整理成一階時滯模型的形式，即（13）MCDTQAUA由穩(wěn)態(tài)熱平衡方程，利用對數(shù)平均溫差的關系式（14）TIOTIQFCLNOLNF冷卻水流量，TI冷卻水入口溫度TO冷卻水出口溫度（12）TIUACLNO（15）FICF（16）（17）QCCTO（18）DKFTT將上式進行拉氏變換，得到了過程傳遞函數(shù)為（19）OSSGOSE1選擇鍋爐的高為和H400MM，直徑D200MM，則傳熱面積A05024體積V00293。冷卻水入口溫度TI20，冷卻水出口溫度TO50。3M帶入已知參數(shù)如下水的比熱容C41868310JKG水的傳熱系數(shù)U06W/MK水的密度310KGM爐內水的質量2DMVH756KG3C4186004AU3KO89301GS47TOSSEE根據(jù)以上數(shù)學模型，在MATLAB中進行仿真7。首先創(chuàng)建M文件，輸入MATLAB仿真程序CLC；CLEAR；SYSLTF（1389,407,1,IODELAY,30）；STEP（SYS1）然后保存并且運行，可加熱爐以得到對象的響應曲線為下圖所示。圖12加熱爐溫度對象開環(huán)階躍響應曲線根據(jù)以上數(shù)學模型，打開MATLAB中的SIMULINK模塊，選用數(shù)字PID控制，完成各組件連接。圖13單閉環(huán)控制回路采用工程整定經(jīng)驗法10，設置PID的三個參數(shù)，如下圖圖14PID三個參數(shù)階躍響應閉環(huán)控制效果圖如下圖15PID控制階躍響應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。13數(shù)字控制器設計增量式PID控制算法公式為12111212KKKKKPKKDIDDPKPKPKIKKKEETUUKETTKEKEAEBCE其中21DPIDPDPTKBTCK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，因此在實際中得到廣泛的應用。TYPEDEFSTRUCTPIDINTSETPOINTLONGSUMERRORDOUBLEPROPORTIONDOUBLEINTEGRALDOUBLEDERIVATIVEINTPREVERRORPIDSTATICPIDSPIDSTATICPIDSPTRVOIDINCPIDINITVOIDSPTRSUMERROR0SPTRLASTERROR0SPTRPREVERROR0SPTRPROPORTION0SPTRINTEGRAL0SPTRDERIVATIVE0SPTRSETPOINT0INTINCPIDDALCINTNEXTPOINTREGISTERINTIERROR,IINCPIDIERORSPTRSETPOINTNEXTPOINTIINCPIDSPTRPROPORTIONIERRORSPTRINTEGRALSPTRLASTERRORSPTRDERIVATIVESPTRPREVERRORSPTRPREVERRORSPTRLASTERRORSPTRLASTERRORIERRORRETURNIINCPID第二章數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設計21主電路設計211系統(tǒng)硬件結構13圖21系統(tǒng)硬件結構框圖212系統(tǒng)硬件圖22系統(tǒng)硬件213選擇計算機機型（采用51內核的單片機）AT89C51的簡介及其組成特性14AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）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擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS51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圖23AT89C51功能特性AT89C51提供以下的功能標準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/O口，2個16位定時/計數(shù)器，1個5向量兩級中斷結構，1個串行通信口，片內震蕩器和時鐘電路。另外，AT89C51還可以進行0HZ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)存儲器中的內容，但震蕩器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一個復位。引腳描述VCC電源電壓GND地P0口P0口是一組8位漏極開路雙向I/O口，即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅動8個TTL電路。當“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，轉換地址和數(shù)據(jù)總線復用，并在這時激活內部的上拉電阻。P0口在閃爍編程時，P0口接收指令，在程序校驗時，輸出指令，需要接電阻。P1口P1口一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動4個TTL電路。對端口寫“1”，通過內部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因為內部有電阻，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P2口是一個內部帶有上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動4個TTL電路。對端口寫“1”，通過內部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。因為內部有電阻，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P3口是一組帶有內部電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖故可驅動4個TTL電路。對P3口寫如“1”時，它們被內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/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表21所示表21端口引腳第二功能P30RXDP31TXDP32INT0P33INT1P34T0P35T1P36WRP37RDP3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復位輸入。當震蕩器工作時，RET引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。ALE/當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D0位置禁止ALE操作。這個位置后只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被應用。此外，這個引腳會微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置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)。EA/VPP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，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平，CPU則執(zhí)行內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部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2震蕩器反相放大器的輸出端。ADC0809概述ADC0809是美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉換器。其內部有一個8通道多路開關，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轉換。是目前國內應用最廣泛的8位通用A/D芯片圖24ADC0809管腳圖1主要特性1）8路輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位。2）具有轉換起?？刂贫恕?）轉換時間為100S時鐘為640KHZ時，130S（時鐘為500KHZ時）4）單個5V電源供電5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點和滿刻度校準。6）工作溫度范圍為4085攝氏度7）低功耗，約15MW。2內部結構ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉換器，內部結構如圖所示，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型A/D轉換器、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。下面說明各引腳功能。IN0IN78路模擬量輸入端。21288位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC3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。STARTA/D轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100NS寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉換）。EOCA/D轉換結束信號，輸出，當A/D轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉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A/D轉換結束時，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（）基準電壓。VCC電源，單一5V。GND地。ADC0809的工作過程首先輸入3位地址，并使ALE1，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位。下降沿啟動A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。轉換數(shù)據(jù)的傳送A/D轉換后得到的數(shù)據(jù)應及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。ADC0809的內部邏輯結構圖如圖25所示。圖25ADC0809內部邏輯結構圖中多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換器進行轉換，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，其轉換結果通過三態(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22為通道選擇表。通道選擇表22MCS51單片機與ADC0809的接口ADC0809與MCS51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轉換完成后轉換數(shù)據(jù)的傳送。路模擬通道選擇圖26ADC0809與MCS51的連接如圖所示模擬通道選擇信號A、B、C分別接最低三位地址A0、A1、A2即（P00、P01、P02），而地址鎖存允許信號ALE由P20控制，則8路模擬通道的地址為0FEF8H0FEFFH此外，通道地址選擇以作寫選通信號，這一部分電路連接如圖所示。圖27ADC0809的部分信號連接圖28信號的時間配合從圖中可以看到，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換。圖919是有關信號的時間配合示意圖。啟動A/D轉換只需要一條MOVX指令。在此之前，要將P20清零并將最低三位與所選擇的通道好像對應的口地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。例如要選擇IN0通道時，可采用如下兩條指令，即可啟動A/D轉換MOVDPTR,FE00H；送入0809的口地址MOVXDPTR,A；啟動A/D轉換（IN0）注意此處的A與A/D轉換無關，可為任意值。2轉換數(shù)據(jù)的傳送A/D轉換后得到的數(shù)據(jù)應及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。（1）定時傳送方式對于一種A/D轉換其來說，轉換時間作為一項技術指標是已知的和固定的。例如ADC0809轉換時間為128S，相當于6MHZ的MCS51單片機共64個機器周期?？蓳?jù)此設計一個延時子程序，A/D轉換啟動后即調用此子程序，延遲時間一到，轉換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。（2）查詢方式A/D轉換芯片由表明轉換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可卻只轉換是否完成，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)據(jù)傳送。不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉換完成，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，把轉換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機接受。DAC0832簡介圖29DAC0832內部結構及管腳圖D0D78位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應大于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（脈寬應大于500NS）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產生LE1，當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（脈寬應大于500NS）有效；WR2DAC寄存器選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500NS）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產生LE2，當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)鎖存器的內容打入DAC寄存器并開始D/A轉換。IOUT1電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內容線性變化；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端外接電阻值可調整轉換滿量程精度；VCC電源輸入端，VCC的范圍為5V15V；VREF基準電壓輸入線，VREF的范圍為10V10V；AGND模擬信號地DGND數(shù)字信號地D/A轉換和控制要實現(xiàn)D/A轉換，可以采用下面的程序。（轉換的數(shù)據(jù)放在1000H單元中）MOVBX,1000HMOVAL,BXMOVDX,PORTAOUTDX,AL運算放大器LM324本次設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。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，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、具有內部補償?shù)墓δ?、共模范圍擴展到負電源、行業(yè)標準的引腳排列、輸入端具有靜電保護功能。其管腳連接圖如下圖210圖210LM324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A、B串行輸入端Q0Q7并行輸出端；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就可增加一們顯示。MR接5V,清除。其引腳圖如下。圖21174LS164管腳連接圖數(shù)碼顯示管圖212數(shù)碼管引腳圖LED顯示器是單片機應用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機的應用上也是被廣泛運用的。如果需要顯示的內容只有數(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，與單片機接口簡單易行。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。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮，控制不同組合的二極管導通，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，相應的段被顯示。本次設計所用的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152V，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)掃描顯示可加大脈沖電流，但一般不超過40MA。22控制電路設計221顯示單元通過74LS48芯片將主機處理的溫度信息顯示在LED數(shù)碼管上。圖33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計過程中的作用也是很大的。圖213顯示單元222按鍵控制單元按鍵控制電路，其中按鍵控制電路這一模塊設置“設置”、“加1”、“右移”、“確定”四個按鍵，來實現(xiàn)人機對話，人為地設定溫度門限值，使電路在人為設定的某一溫度值相對穩(wěn)定的工作。圖214按鍵223溫度采樣單元用于彩信被控對象的溫度參數(shù)，它由溫度電壓轉換、小信號放大及A/D轉換三部分組成。其中，將溫度轉化為電量的溫度電壓轉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轉換選擇模數(shù)轉換器ADC0809，將采集到的溫度模擬信號轉換為AT89C51能夠使用。圖215采樣單元模塊224電源部分13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通角，以達到控制加熱電阻功率的目的。225采樣測量部分在檢測裝置中，溫度檢測用WZP231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50350C，經(jīng)測量電路采樣后輸出25V電壓，再經(jīng)模數(shù)轉換芯片ADC0809進行轉換，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)關系而制成的溫度傳感器,由于其測量準確度高、測量范圍大、復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等,被廣泛用于中溫200650范圍的溫度測量中。PT100是一種廣泛應用的測溫元件，在50600范圍內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溫度值。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的兩側相等的的導線長度分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。在本系統(tǒng)設計中，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調節(jié)產生4096V的參考電源；采用R1、R2、VR2、PT100構成測量電橋（其中R1R2，VR2為100精密電阻），當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轉換芯片。差動放大電路中R3R4、R5R6、放大倍數(shù)R5/R3，運放采用單一5V供電。設計及調試注意點1同幅度調整R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大小；2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。4VR2也可為電位器，調節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點設定，例如PT100的零點溫度為0，即0時電阻為100，當電位器阻值調至109885時，溫度的零點就被設定在了25。測量電位器的阻值時須在沒有接入電路時調節(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系，壓差信號比理論值小很多，實際輸出信號為4096RPT100/R1RPT100RVR2/R1RVR2（1）式中電阻值以電路工作時量取的為準。6電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準，因為如果直接VCC的話，當網(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確。226驅動執(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，但電路的關鍵是設計雙向可控硅的驅動電路。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來驅動。在驅動電路中，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)設計中采用了帶過零檢測的光電隔離器MOC3061，用來驅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，最大重復浪涌電流為12A，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22驅動執(zhí)行電路中，當單片機的P20、P21、P22發(fā)出邏輯數(shù)字量為高電平時，經(jīng)過三極管放大后驅動光耦合器的放光二極管，MOC3061的輸入端導通，有大約15MA的電流輸入。當MOC306的輸出端6腳和4腳尖電壓稍稍過零時，光耦內部雙向可控硅即可導通，提供一個觸發(fā)信號給外部晶閘管使其導通；當P20、P21、P22為低電平時，MOC3061截止，雙向可控硅始終處于截止狀態(tài)。第三章數(shù)字PID電加熱爐溫度控制系統(tǒng)軟件設計31軟件結構13本系統(tǒng)的應用程序主要由主程序、中斷服務程序和子程序組成。主程序的任務是對系統(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31所示。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）和溫差變化率智能控制算法程序控制輸出求出輸出控制量）（0結束NY圖31系統(tǒng)主程序控制系統(tǒng)的軟件主要包括采樣、標度變換、控制計算、控制輸出、中斷、顯示、報警、調節(jié)參數(shù)修改、溫度設定及修改。其中控制算法采用數(shù)字PID調節(jié)，應用增量型控制算法，并對積分項和微分項進行改進，以達到更好的控制效果。32算法實現(xiàn)321LED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，相應的字段就被點亮。LED數(shù)碼管的顯示方法動態(tài)顯示動態(tài)掃描，分時循環(huán)靜態(tài)顯示一次輸出，結果保持1動態(tài)顯示動態(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，本設計當中兩組數(shù)碼管均采用了共陰極靜態(tài)顯示。子程序返回譯碼選擇顯示位送入8255PA口將數(shù)據(jù)轉換為七段碼開始圖31顯示子程序322報警模塊根據(jù)設計要求，在保溫階段，溫度控制精度為正負1度，故當溫度下降或上升2度時為故障狀態(tài)，需要報警提醒。所以在電路設計上應用了蜂鳴器和發(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)可通過按鍵復位和系統(tǒng)恢復正常后自動復位圖32報警子程序323鍵盤模塊在本次設計當中，輸入設備采用44矩陣鍵盤。當“設定”鍵按下時觸發(fā)鍵盤中斷服務程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執(zhí)行相應的動作。程控掃描的任務是1首先判斷是否有鍵按下。方法使所有的行輸出均為低電平，然后從端口A讀入列值。如果沒有鍵按下，則讀人值為FFH如果