計(jì)控 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) 摘 要 基于PID電加熱爐溫度控制系統(tǒng)以PID控制為核心，硬件方面包括電源部分、采樣測(cè)量部分、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分。PID控制不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)中，而且對(duì)于大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過(guò)程也可應(yīng)用，在眾多工業(yè)過(guò)程控制中取得了滿(mǎn)意的應(yīng)用效果。PID 控制又分為位置式PID 控制和增量式PID 控制，公式4 給出了控制量的全部大小，所以稱(chēng)之為全量式或者位置式控制；如果計(jì)算機(jī)只對(duì)相鄰的兩次作計(jì)算，只考慮在前一次基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)輸出量的大小變化，而不是全部輸出信息的計(jì)算，這種控制叫做增量式PID 控制算法?？刂葡到y(tǒng)的軟件主要包括：采樣、標(biāo)度變換、控制計(jì)算、控制輸

2、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。 關(guān)鍵字 電機(jī)熱爐；溫度；PID 1概述溫度是工業(yè)對(duì)象中的很重要參數(shù)的之一。廣泛應(yīng)用在冶金、化工、機(jī)械各類(lèi)加熱爐熱、處理爐和反應(yīng)爐等工業(yè)中。 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(lèi)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。PID（

3、Proportional Integral Derivative）控制是控制工程中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。它不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)中，而且對(duì)于大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過(guò)程也可應(yīng)用，在眾多工業(yè)過(guò)程控制中取得了滿(mǎn)意的應(yīng)用效果。在本控制對(duì)象電阻加熱爐功率為800W，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50350，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：

4、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PID控制2系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)控制器、可控硅輸出部分、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對(duì)象組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如下：LED顯示報(bào)警提醒通信接口鍵盤(pán)看門(mén)狗微型控制機(jī)AT89S52測(cè)量變送8路A/D轉(zhuǎn)器 ADC0809溫度溫度檢測(cè)PT100加熱電阻驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)8路D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 圖2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖2.1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?/p>

5、壓值，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

6、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。2.2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50350°C，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

7、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)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

8、，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(hào)的放大倍數(shù)，以便滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者對(duì)溫度范圍

9、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 4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) （1） 式中電阻

10、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苯覸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。2.3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

11、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(mǎn)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，

12、輸入控制電流為15mA。在驅(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

13、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?？捎肧ETB或CLR指令直接控制P2.0、P

14、2.1、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埽诮涣麟姷恼?fù)半周都可以導(dǎo)通。其英文名TRIAC即三級(jí)交流開(kāi)關(guān)的意思，并把它的兩極稱(chēng)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

15、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

16、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(xiāo)售的雙向可控硅

17、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控制電路及程序流程圖3.1 微處理器89C5189C51是一種帶4K字節(jié)Flash可編程可擦除的高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反

18、復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器。單片機(jī)的抗干擾性設(shè)計(jì)。單片機(jī)干擾最常見(jiàn)的現(xiàn)象就是程序出現(xiàn)不可逆狀態(tài)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)一般要添加一個(gè)看門(mén)狗監(jiān)控模塊，在系統(tǒng)出現(xiàn)不可逆狀態(tài)的干擾時(shí)，監(jiān)控模塊將重啟系統(tǒng)。MAX1232微處理器監(jiān)控電路給微處理器提供輔助功能以及電源供電監(jiān)控功能，當(dāng)電源過(guò)電壓、欠電壓時(shí)，MAX1232將提供至少250ms寬度的復(fù)位脈沖，其中的容許極限能用數(shù)字式的方法來(lái)選擇5%或10%的容限。3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊NY置位狀

19、態(tài)位F0F0=0F0=0結(jié)果>or<設(shè)定值的20%結(jié)果=0-20%<結(jié)果<20%設(shè)定值與AD結(jié)果比 較報(bào)警子程序F0是否等于零關(guān)閉報(bào)警NY輸出控制量PSW出棧并返回調(diào)PID控制算法程序交流電是否過(guò)零溢出標(biāo)志TF1是否為零讀A/D結(jié)果將PSW壓棧調(diào)顯示程序開(kāi)始 圖3.1 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)程序流程圖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。

20、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(mén)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)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

21、電平有效。將START和ALE連在一起，與74LS02的輸出端相連?；蚍情T(mén)74LS02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?。寒?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC端輸出高電平。可用查詢(xún)和中斷的方法進(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。3.3 LED顯示模塊8段LED顯示屏是最常用的顯示器件，分為

22、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 (1)動(dòng)態(tài)顯示：動(dòng)態(tài)掃描，分時(shí)循環(huán) 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：一次輸出，結(jié)果保持靜態(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

23、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)碼管均采用共陰極靜態(tài)顯示。送入8255PA口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為七段碼開(kāi)始譯碼選擇顯示位子程序返回圖3.2顯示子程序3.4報(bào)警模塊置報(bào)警位P3.4開(kāi)始清除報(bào)警狀態(tài)位F0子程序返回 圖3.3報(bào)警子程序 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)行時(shí)綠色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮并且蜂鳴器鳴叫，提醒操作人員注意。報(bào)警狀態(tài)可通過(guò)按鍵復(fù)位和系統(tǒng)恢復(fù)正常后自動(dòng)復(fù)位。3.5鍵盤(pán)模塊在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，輸入設(shè)備采

24、用4*4矩陣鍵盤(pán)。當(dāng)“設(shè)定”鍵按下時(shí)觸發(fā)鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序，由程序程控掃描法確定那個(gè)鍵按下并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。程控掃描的任務(wù)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(méi)有鍵按下，則讀人值為FFH如果有鏈按下則不為FFH。 (2)去除鍵抖動(dòng)。方法：延時(shí)1020 ms，再一次判斷有無(wú)鍵按下，如果此時(shí)仍有鍵按下，則認(rèn)為鍵盤(pán)上確實(shí)有鍵處于穩(wěn)定閉合期。 (3)若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。方法：對(duì)鍵盤(pán)逐行掃描。程序中需等閉合鍵釋放后才對(duì)其進(jìn)行處理。3.6通信模塊在此部分主要是實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，進(jìn)行同一協(xié)調(diào)和集中管理。RS

25、232的電氣接口是單端的、雙極性電源電路。由于RS-232采用的數(shù)據(jù)傳輸線路是非平衡，且是誤無(wú)差分的接收方式，當(dāng)信號(hào)穿過(guò)電氣干擾環(huán)境時(shí)，發(fā)送的信號(hào)將會(huì)受到影響。故數(shù)據(jù)傳輸速率局限于20KB/s；傳輸距離局限于15m，但RS-232也是目前最廣泛使用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，考慮到系統(tǒng)調(diào)試的方便，采用了RS232串行總線。MAX232芯片是美信公司專(zhuān)門(mén)為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路,使用+5v單電源供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分：（1）第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。 （2

26、）第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。（3）第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)YN計(jì)算溫差e（k）和溫差

27、變化率溫度值顯示溫度數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的初始化開(kāi)始智能控制算法程序控制輸出結(jié)束 4.1系統(tǒng)主程序及其功能求出輸出控制量圖4.1系統(tǒng)主程序流程圖本系統(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

28、。主程序流程圖如圖4.1所示。4.2PID控制算法1 PID 簡(jiǎn)介 PID（Proportional Integral Derivative）控制是控制工程中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。它不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)中，而且對(duì)于大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過(guò)程也可應(yīng)用，在眾多工業(yè)過(guò)程控制中取得了滿(mǎn)意的應(yīng)用效果。 PID 工作基理：由于來(lái)自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進(jìn)行。若擾動(dòng)出現(xiàn)使得現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值(以下簡(jiǎn)稱(chēng)被控參數(shù))發(fā)生變化，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件就會(huì)將這種變化采集后經(jīng)變送器送至

29、PID 控制器的輸入端，并與其給定值(以下簡(jiǎn)稱(chēng)SP 值)進(jìn)行比較得到偏差值(以下簡(jiǎn)稱(chēng)e 值)，調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，使調(diào)節(jié)器的開(kāi)度增加或減少，從而使現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值發(fā)生改變，并趨向于給定值(SP 值)，以達(dá)到控制目的 ，如圖 1 所示，其實(shí)PID 的實(shí)質(zhì)就是對(duì)偏差（e 值）進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制執(zhí)行部件的過(guò)程。圖1模擬PID 控制系統(tǒng)原理圖PID 控制器的控制規(guī)律可以描述為：   （2）比例（P）控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的

30、不穩(wěn)定。積分（I）控制的作用是：只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分（D）控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)不同的被控對(duì)象的控制特性，又可以分為P、PI、PD、PID 等不同的控制模型。2數(shù)字PID 的實(shí)現(xiàn) 在連續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)（模擬PID 控制系統(tǒng)）中，PID 控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿(mǎn)足一般的控制要求。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，人們將計(jì)算機(jī)引入到PID 控制領(lǐng)域，也就出現(xiàn)了數(shù)字式PID 控制。 由于計(jì)算機(jī)基于采樣控制理論，計(jì)算方法也不能沿襲傳統(tǒng)的模擬PID 控制算法（如公式1 所示），所以必須將控制模型離散化，離散化的方法：以T 為采樣周期，k 為采樣序號(hào)，用求和的形式代替積分，用增量的形式（求差）代替微分，這樣可以將連續(xù)的PID 計(jì)算公式離散： （k=0