基于PID電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于pid電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)紀(jì)和增摘要 電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。對(duì)于這樣一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效果。單片機(jī)以其高可靠性、高性能價(jià)格比、控制方便簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可以提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平。關(guān)鍵字 pid；電加熱爐；溫度控制系統(tǒng)；單片機(jī)1 緒論在本控制對(duì)象電阻加熱爐功率為8可

2、w，由220v交流電供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)針對(duì)一個(gè)溫度區(qū)進(jìn)行溫度控制，要求控制溫度范圍50350c，保溫階段溫度控制精度為正負(fù)1度。選擇合適的傳感器，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過(guò)雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓。其對(duì)象問(wèn)溫控?cái)?shù)學(xué)模型為： 其中：時(shí)間常數(shù)td=350秒，放大系數(shù)kd=50，滯后時(shí)間=10秒，控制算法選用改pid控制實(shí)時(shí)溫度采樣顯示設(shè)定值單片機(jī)設(shè)定溫度電源控制電阻加熱爐圖1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2 控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)數(shù)字pid控制算法 在電子數(shù)字計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，pid控制器是通過(guò)計(jì)算機(jī)pid控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣-

3、數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)-時(shí)間信號(hào),必須經(jīng)過(guò)采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。受控對(duì)象pid位置算法reuy+-圖2.1位置pid控制算法簡(jiǎn)化示意圖 在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，pid控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使pid算法離散化，將描述連續(xù)時(shí)間pid算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散-時(shí)間pid算法的差分方程。 用矩形積分時(shí)，有 （1） 用差分代替微分 （2） 由上式得 (3) 式中 u0控制量的基值，即k=0時(shí)的控制；u(k)第k個(gè)采樣時(shí)刻的

4、控制；kp比例放大系數(shù)；ki積分放大系數(shù)； kd微分放大系數(shù)；ts采樣周期。 式（3）是數(shù)字pid算法的非遞推形式，稱全量算法。算法中，為了求和，必須將系統(tǒng)偏差的全部過(guò)去值e(j)（j=1，2，3，. ，k）都存儲(chǔ)起來(lái)。這種算法得出控制量的全量輸出u(k)，是控制量的絕對(duì)數(shù)值。在控制系統(tǒng)中，這種控制量確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，例如在閥門控制中，這種算法的輸出對(duì)應(yīng)了閥門的位置（開(kāi)度）。所以，將這種算法稱為“位置算法”。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，需要用pid的“增量算法”。yuerpid增量算法受控對(duì)象-+步進(jìn)電機(jī)u 由位置算法求出 再求出 兩式相

5、減，得出控制量的增量算法 (4) 式(4)稱為增量式pid算法。對(duì)增量式pid算法（4）歸并后，得 (5) 其中（5）已看不出是pid的表達(dá)式了，也看不出p、i、d作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對(duì)控制作用的影響。從式（5）看出，數(shù)字增量式pid算法，只要貯存最近的三個(gè)誤差采樣值e(k)，e(k-1)，e(k-2)就足夠了。3 硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)3.1 at89c51系列基本組成及特性at89c51是一種帶4k字節(jié)flash存儲(chǔ)器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓、高性能cmos 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。a

6、t89c2051是一種帶2k字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。圖3.1at89c51管腳管腳說(shuō)明：vcc：供電電壓。 gnd：接地。 p0口：p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p0口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在fiash編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須接上拉電阻。 p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電

7、平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口作為低八位地址接收。 p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)ttl門電流，當(dāng)p2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 p3口：p

8、3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at89c51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳備選功能：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

9、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低位字節(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

10、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)器取指期間，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（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式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

11、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。 3.2采樣測(cè)量部分在檢測(cè)裝置中，溫度檢測(cè)用wzp-231鉑熱電阻（pt100），采用三線制接法，采樣電路為橋式測(cè)量電路，其輸入量程為50350c，經(jīng)測(cè)量電路采樣后輸出25v電壓，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adc0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量后送入單片機(jī)進(jìn)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(guān)系而制成的溫度傳感器,由于其測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定

12、性好等,被廣泛用于中溫(-200650)范圍的溫度測(cè)量中。pt100是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在-50600范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)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(duì)應(yīng)起來(lái)后存入eeprom中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的ad值以查表方式計(jì)算相應(yīng)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(diǎn)是將pt100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)

13、的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路，一為恒流源式測(cè)溫電路。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了第一種方法，即橋式測(cè)溫。測(cè)溫原理：電路采用tl431和電位器vr1調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096v的參考電源；采用r1、r2、vr2、pt100構(gòu)成測(cè)量電橋（其中r1r2，vr2為100精密電阻），當(dāng)pt100的電阻值和vr2的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè)mv級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放lm324放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連ad轉(zhuǎn)換芯片。差動(dòng)放大電路中r3r4、 r5r6、放大倍數(shù)r5/r3，運(yùn)放采用單一5v供電。 設(shè)計(jì)及調(diào)試注意點(diǎn)： 1. 同幅度調(diào)整r1和r2的電阻值

14、可以改變電橋輸出的壓差大小； 2. 改變r(jià)5/r3的比值即可改變電壓信號(hào)的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計(jì)者對(duì)溫度范圍的要求 3. 放大電路必須接成負(fù)反饋方式，否則放大電路不能正常工作。4. vr2也可為電位器，調(diào)節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點(diǎn)設(shè)定，例如pt100的零點(diǎn)溫度為0，即0時(shí)電阻為100，當(dāng)電位器阻值調(diào)至109.885時(shí)，溫度的零點(diǎn)就被設(shè)定在了25。測(cè)量電位器的阻值時(shí)須在沒(méi)有接入電路時(shí)調(diào)節(jié)，這是因?yàn)榻尤腚娐泛鬁y(cè)量的電阻值發(fā)生了改變。5. 理論上，運(yùn)放輸出的電壓為輸入壓差信號(hào)放大倍數(shù)，但實(shí)際在電路工作時(shí)測(cè)量輸出電壓與輸入壓差信號(hào)并非這樣的關(guān)系，壓差信號(hào)比理論值小很多，實(shí)際輸出信號(hào)為 ：4.0

15、96*(rpt100/(r1+rpt100)- rvr2/(r1+rvr2) （1） 式中電阻值以電路工作時(shí)量取的為準(zhǔn)。 6. 電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)，因?yàn)槿绻苯觱cc的話，當(dāng)網(wǎng)壓波動(dòng)造成vcc發(fā)生波動(dòng)時(shí)，運(yùn)放輸出的信號(hào)也會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)再到以vcc未發(fā)生波動(dòng)時(shí)建立的溫度-電阻表中查表求值時(shí)就不準(zhǔn)確。3.3驅(qū)動(dòng)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(guān)鍵是設(shè)計(jì)雙向可控硅的驅(qū)動(dòng)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(guò)零觸發(fā)的光耦moc3061來(lái)驅(qū)動(dòng)。（1）光耦驅(qū)動(dòng)電路在驅(qū)動(dòng)電路中，由于是弱電控制強(qiáng)電，而弱電又很

16、容易受到強(qiáng)電的干擾，影響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時(shí)性，甚至燒毀整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致不可挽回的后果，因此必須要加入抗干擾措施，將強(qiáng)弱電隔離。光耦合器是靠光傳送信號(hào)，切斷了各部件之間地線的聯(lián)系，從根本上對(duì)強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離，從而可以有效地抑制掉干擾信號(hào)。此外，光耦合器提供了較好的帶寬，較低的輸入失調(diào)漂移和增益溫度系數(shù)。因此，能夠較好地滿足信號(hào)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(diǎn)。所以在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了帶過(guò)零檢測(cè)的光電隔離器moc3061，用來(lái)驅(qū)動(dòng)雙向可控硅并隔離控制回路和主回路。moc3061是一片把過(guò)零檢測(cè)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

17、重復(fù)浪涌電流為1.2a，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2-2驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路中，當(dāng)單片機(jī)的p2.0、p2.1、p2.2發(fā)出邏輯數(shù)字量為高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)三極管放大后驅(qū)動(dòng)光耦合器的放光二極管，moc3061的輸入端導(dǎo)通，有大約15ma的電流輸入。當(dāng)moc306的輸出端6腳和4腳尖電壓稍稍過(guò)零時(shí)，光耦內(nèi)部雙向可控硅即可導(dǎo)通，提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給外部晶閘管使其導(dǎo)通；當(dāng)p2.0、p2.1、p2.2為低電平時(shí)，moc3061截止，雙向可控硅始終處于截止?fàn)顟B(tài)。（2）驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)元件的選擇r25，c10組成吸收電路，并接在雙向可控硅的兩極之間。吸

18、收回路組成緩沖器。有了吸收回路，可控硅通斷過(guò)程中電源電壓的變化率受到r25，c10的限制。r25可以抑制雙向可控硅通斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流。r25和c10根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選，一般c10取0.011.0uf，r25取幾歐到幾十歐，本電路中r25取39歐，c10取0.01 uf。r27為限流電阻，用來(lái)限制moc3061的輸出驅(qū)動(dòng)電流，其數(shù)值為電源電壓峰值除以雙向可控硅的允許重復(fù)電流。在本電路中r27取300歐。r26：由于moc3061在輸出關(guān)斷狀態(tài)下也有小于或等于500ma的輸出電流，所以加入r26分流消除這個(gè)電流對(duì)雙向可控硅的影響，以防止雙向可控硅誤觸發(fā)，提高了系統(tǒng)的可靠性。在此電路中可以看出單片機(jī)的

19、輸出通道采用了moc3061進(jìn)行驅(qū)動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：1.控制簡(jiǎn)單。可用setb或clr指令直接控制p2.0、p2.1、p2.2以控制加熱電阻的工作與否。2.moc3061由于采用了過(guò)零觸發(fā)電路大大簡(jiǎn)化了雙向可控硅的觸發(fā)電路，把scr一向控制變?yōu)閷?shí)用的數(shù)字脈沖控制。3.moc3061與雙向可控硅實(shí)際組成了一個(gè)固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸電控制。 4.輸出通道實(shí)現(xiàn)了光電隔離，防止了射電干擾。 5.輸出通道用p2.0、p2.1、p2.2口直接控制雙向可控硅，省去了的d/a轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)化了接口電路。（3）雙向可控硅電路1.雙向可控硅這種可控硅具有雙向?qū)üδ?，在交流電的正?fù)半周都可以導(dǎo)通。其英文名triac即三

20、級(jí)交流開(kāi)關(guān)的意思，并把它的兩極稱為mt1和mt2，其電路符合如圖所示。雙向可控硅的通斷情況由控制極柵極（g）決定，當(dāng)柵極無(wú)信號(hào)時(shí)mt1和mt2成高阻態(tài)，管截止；而當(dāng)mt1與mt2之間加一個(gè)閾值電壓（一般大于1.5v）的電壓時(shí)，就可以利用控制極柵極電壓來(lái)使可控硅導(dǎo)通。但需要注意的是，當(dāng)雙向可控硅接感性負(fù)載時(shí)，電流和電壓之間有一定的相位差。在電流為零時(shí)，反向電壓可能不為零，且超過(guò)轉(zhuǎn)換電壓，使管子反向?qū)?，故要管子能承受這種反向電壓，并在回路中加入rc網(wǎng)絡(luò)加以吸收。2.觸發(fā)方式控制雙向可控硅從高阻態(tài)（阻斷區(qū)）轉(zhuǎn)換到低阻態(tài)（導(dǎo)通區(qū)）可以用不同的方式實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的分為四種方式：（1） mt1相對(duì)于mt2為

21、正，控制脈沖電壓ug相對(duì)于mt1為正（2） mt1相對(duì)于mt2為負(fù)，控制脈沖電壓ug相對(duì)于mt1為負(fù)（3） mt1相對(duì)于mt2為正，控制脈沖電壓ug相對(duì)于mt1為負(fù)（4） mt1相對(duì)于mt2為負(fù)，控制脈沖電壓ug相對(duì)于mt1為正雙向可控硅通常工作在控制方式（1）和控制方式（2）。在這兩種控制方式下，控制靈敏度特別高。另外兩種控制方式下，要求高一倍的觸發(fā)電流。在本設(shè)計(jì)中，選擇了控制方式（1）和（2）。如同晶閘管的控制極那樣，雙向可控硅的控制極在觸發(fā)后便失去了作用。雙向可控硅長(zhǎng)期維持低阻態(tài)，直到低于維持電流i h，然后在轉(zhuǎn)換到高阻態(tài)。在控制交流電壓時(shí)，每次電源電壓過(guò)零雙向可控硅都會(huì)自動(dòng)截止，所以雙

22、向可控硅每半個(gè)周期都需要重新觸發(fā)。在本設(shè)計(jì)中，考慮到電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定和現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的雙向可控硅型號(hào)，選擇了工作電壓為400v，通態(tài)電流為4a的雙向可控硅bt136。利用單片機(jī)控制雙向可控硅的導(dǎo)通角。在不同時(shí)刻利用單片機(jī)給雙向可控硅的控制端發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，使其導(dǎo)通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓有效值的不同，以達(dá)到調(diào)壓控制的目的。具體如下：（1）由硬件完成過(guò)零觸發(fā)環(huán)節(jié)，即在工頻電壓下，每10ms進(jìn)行一次過(guò)零觸發(fā)信號(hào)，由此信號(hào)來(lái)達(dá)到與單片機(jī)的同步。（2）過(guò)零檢測(cè)信號(hào)接至單片機(jī)的p2.3口，由單片機(jī)對(duì)此口進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，然后進(jìn)行延時(shí)觸發(fā)。3.4電源部分本系統(tǒng)所需電源有220v交流市電、直流5v電壓和低壓交流電，故需

23、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(guò)整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)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(dòng)（一般有+-10%左右的波動(dòng)）、負(fù)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(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，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(cè)量電路和驅(qū)動(dòng)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

24、兩端的電壓，通過(guò)控制雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來(lái)控制加熱電阻的功率。低壓交流電即變壓器二次側(cè)的電壓，通過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)交流電的過(guò)零點(diǎn)，送入單片機(jī)后，由控制程序決定雙向可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到控制加熱電阻功率的目的。四、軟件設(shè)計(jì)4.1初始化程序，中端服務(wù)程序，系統(tǒng)主程序1 初始化程序mov r0，#0a0h;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)首地址mov r2，#08h；8路計(jì)數(shù)器setb it1;邊沿觸發(fā)方式setb ea;終端允許setb ex1；允許外部中斷1中斷mov dptr,#ofef8h;d/a轉(zhuǎn)換器地址loop: movx dptr,a 啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換here:sjmp here;等待中斷2中端服務(wù)程序dj

25、nz r2,adendmovx a,dptr;數(shù)據(jù)采樣movx ro,a;存數(shù)inc dptr;指向下一模擬通道inc ro;指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器下一單元movx dptr, aadend:reti3系統(tǒng)主程序 本系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成。主程序的任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制電加熱爐的正常運(yùn)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(shè)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(shí)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(shí)時(shí)采集電加熱爐的爐溫信號(hào)，計(jì)算出實(shí)際爐

26、溫與理想值的差值以及溫差的變化率，并對(duì)爐溫信號(hào)進(jìn)行濾波和限幅處理。開(kāi)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(jì)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結(jié)束ny 圖4.1系統(tǒng)主程序控制系統(tǒng)的軟件主要包括：采樣、標(biāo)度變換、控制計(jì)算、控制輸出、中斷、顯示、報(bào)警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修改。其中控制算法采用數(shù)字pid調(diào)節(jié)，應(yīng)用增量型控制算法，并對(duì)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到更好的控制效果。 考慮到電加熱爐是一個(gè)非線性、時(shí)變和分布參數(shù)系統(tǒng)，所以本文采用一種新型的智能控制算法。它充分吸取數(shù)學(xué)和自動(dòng)控制理論成果，與定性知識(shí)相結(jié)合，做到取長(zhǎng)補(bǔ)短，在實(shí)時(shí)控制中取得較好的成果。 4.

27、2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊adc0809是一個(gè)典型的逐次逼近型8位a/d轉(zhuǎn)換器。它由8路模擬開(kāi)關(guān)、8位a/d轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成。它允許8路模擬量分時(shí)輸入，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出是三態(tài)的（總線型輸出），可以直接與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線連接。adc0809采用+5v電源供電，外接工作時(shí)鐘。當(dāng)?shù)湫凸ぷ鲿r(shí)鐘為500khz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為128us.（1） 時(shí)鐘信號(hào)：由于adc0809無(wú)片選端，因此電路增加了或非門74ls02，以便對(duì)adc0809進(jìn)行讀/寫(xiě)控制。單片機(jī)采用6mhz/s的晶振，ale輸出66mhz/s時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)74ls74觸發(fā)器2分頻，得到500khz的時(shí)鐘信號(hào)，與adc0809的時(shí)

28、鐘端clk相連。（2） 通道選擇：三位通道選擇端adda、addb、addc與數(shù)據(jù)線p1口的低三位p1.0、p1.1、p1.2相連，用數(shù)據(jù)線進(jìn)行通道選擇，由p1.0、p1.1、p1.2三位決定選擇那一通道。（3） adc0809啟動(dòng)：adc0809的啟動(dòng)端start、地址所存端ale均為高電平有效。將start和ale連在一起，與74ls02的輸出端相連?；蚍情T74ls02的兩個(gè)輸入端/wr和p3.5均為低電平時(shí)，其輸出為高電平，執(zhí)行外部i/o口的寫(xiě)操作。（4） 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取：當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，eoc端輸出高電平?？捎貌樵兒椭袛嗟姆椒ㄟM(jìn)行數(shù)據(jù)讀取處理。輸出允許oe端為高電平，8位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)d0d7

29、輸出到數(shù)據(jù)線上。只有p3.5和/rd同時(shí)為低電平時(shí)，oe端才為高電平。執(zhí)行外部i/o口讀操作/rd為低電平。（5） 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志eoc:轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志eoc端經(jīng)反向器與單片機(jī)的/int1相連，即轉(zhuǎn)換一旦結(jié)束，外部中斷1則申請(qǐng)中斷。開(kāi)始將psw壓棧調(diào)顯示程序讀a/d結(jié)果置位狀態(tài)位f0關(guān)閉報(bào)警f0是否等于零調(diào)pid控制算法程序報(bào)警子程序psw出棧并返回輸出控制量啟動(dòng)定時(shí)器t1溢出標(biāo)志tf1是否為零設(shè)定值與ad結(jié)果比較交流電是否過(guò)零結(jié)果=0結(jié)果or設(shè)定值的20%-20%結(jié)果20%f0=0f0=0nyny 圖4.2 a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)程序流程圖 4.3 d/a轉(zhuǎn)換和控制mov bx.1000hmov

30、 al,bx ；取換資料mov dx,porta ；potra為d/a轉(zhuǎn)換器端口地址out dx,al4.4 led顯示模塊8段led顯示屏是最常用的顯示器件，分為共陽(yáng)極和共陰極兩種形式。共陽(yáng)極led將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接在一起作為公共端，當(dāng)公共端接高電平，某一段的發(fā)光二極管陰極接低電平時(shí)，相應(yīng)的字段就被點(diǎn)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(dāng)公共端接低電平，某一段的發(fā)光二極管陽(yáng)極接高電平時(shí)，相應(yīng)的字段就被點(diǎn)亮。led數(shù)碼管的顯示方法：動(dòng)態(tài)顯示：動(dòng)態(tài)掃描，分時(shí)循環(huán)靜態(tài)顯示：一次輸出，結(jié)果保持(1) 動(dòng)態(tài)顯示 動(dòng)態(tài)顯示，就是微型機(jī)定時(shí)地對(duì)顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時(shí)工作，每次只能一個(gè)器件顯示。但由于人視覺(jué)的暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺(jué)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(jī)一次輸出顯示后，就能保持該顯示結(jié)果，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示占用機(jī)時(shí)少，顯示可靠。通過(guò)比較及對(duì)程序的分析，本設(shè)計(jì)當(dāng)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(zhuǎn)換為七段碼開(kāi)始 圖4.4顯示子程序4.5報(bào)警模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在保溫階段，溫度控制精度為正負(fù)1度，故當(dāng)溫度下降或上升2度時(shí)為故障狀態(tài)，需要報(bào)警提醒。所以在電路設(shè)計(jì)上應(yīng)用了蜂鳴器和發(fā)光二極管，系統(tǒng)正常運(yùn)