基于單片機(jī)的智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要電加熱爐是典型的工業(yè)過程控制對(duì)象，在我國(guó)應(yīng)用廣泛。電加熱爐的溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后、時(shí)變性等特點(diǎn)。其升溫保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。溫度超調(diào)時(shí)，通過工人反復(fù)操作調(diào)節(jié)閥很難達(dá)到理想的控制效果。本文就是在不用現(xiàn)場(chǎng)工人操作的前提下，建立以電加熱爐為研究對(duì)象，針對(duì)電加熱爐的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用計(jì)算機(jī)來(lái)控制電加熱爐溫度的智能控制系統(tǒng)。本文以STC898C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了硬件原理圖及軟件程序。并詳細(xì)論述了各個(gè)硬件組成部分的工作原理，和各部分所使用的元器件，以及各軟件部分流程圖。理論上將其應(yīng)用于電加熱爐的溫度控制系統(tǒng)，可以滿足溫度控制穩(wěn)

2、定性的要求，可以減少操作人員的勞動(dòng)量和帶來(lái)的人為誤差，可以提高產(chǎn)品的熱處理質(zhì)量。關(guān)鍵詞：電加熱爐；溫度控制；單片機(jī)控制Design Of Intelligent Temperature Control System Based on MCSAbstractThe electric heating stove is the typical member of Industrial process control, applies widely in our country. The electric heating stove's temperature control has the

3、elevation of temperature unidirectivity, big inertia, big lag, when characteristics and so on denaturation. Its elevation of temperature and the heat preservation are depend upon the resistance wire heating but the temperature decrease depend upon the environment natural cooling. Once its temperatur

4、e over modulation by workers repeated operation control valves to achieves the ideal control effect with difficulty. The paper is under the premise which without the field operations workers operation control valves, establishes take the electric heating stove as the object of study, in view of the

5、electric heating stove's characteristic, designed has controlled heating furnace's furnace temperature with the computer control system. This article has designed the hardware schematic diagram and the software procedure take the STC898C52 monolithic integrated circuit as the core.And in det

6、ail elaborated each hardware constituent principle of work, uses the primary device with various part, as well as various softwares partial flow charts.Theory general it applies in the electric heating stove temperature control system, may satisfy the temperature control stable request, may reduce t

7、he personal error which operator's labor and brings, may enhance the product the heat treatment quality. Keywords: electric heating stove;temperature control;MCS conller目 錄摘要IIAbstractIII第一章 緒論1前言1電加熱爐簡(jiǎn)介1智能溫度控制系統(tǒng)3第二章 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)5電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成5電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)的原理6電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6第三章 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)的硬件

8、設(shè)計(jì)7檢測(cè)變換部分7熱電偶測(cè)溫基本原理7熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)7熱電偶冷端溫度補(bǔ)償8溫度測(cè)量?jī)x表的分類8輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分8轉(zhuǎn)換類型83.2.2 ADC0832芯片介紹10單片機(jī)微處理部分113.3.1 STC89C51特點(diǎn)11管腳說(shuō)明12振蕩器特性14顯示部分14鍵盤部分152.5.1鍵盤結(jié)構(gòu)分類15系統(tǒng)鍵盤電路設(shè)計(jì)16輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換部分16第四章 智能溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)18主程序的設(shè)計(jì)18轉(zhuǎn)換子程序18控制算法子程序19控制規(guī)律介紹20積分飽和問題的處理23人機(jī)接口部分的設(shè)計(jì)25鍵盤部分的設(shè)計(jì)25顯示部分的設(shè)計(jì)27轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì)28系統(tǒng)整定的方法30參數(shù)整定31比例（P）調(diào)節(jié)器315比例積分

9、調(diào)節(jié)器(PI)32比例積分微分作用調(diào)節(jié)器(PID)33附錄A35附錄B36參考文獻(xiàn)46致謝48第一章 緒論前言工業(yè)控制的形成和發(fā)展在理論上經(jīng)歷了三個(gè)階段：50年代末起到70年代為第一階段，即經(jīng)典控制理論階段，這期間既是經(jīng)典控制理論應(yīng)用發(fā)展的鼎盛時(shí)期，又是現(xiàn)代控制理論應(yīng)用和發(fā)展時(shí)期。70年代至90年代為第二階段，即現(xiàn)代控制理論階段：90年代至今為第三階段，即智能控制理論階段。無(wú)論是經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論，都是建立在系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的。但在實(shí)際系統(tǒng)中被控對(duì)象一般都具有大慣性、大滯后、時(shí)變性、關(guān)聯(lián)性、不確定性和非線性的特點(diǎn)。這里的關(guān)聯(lián)性不僅包含過程對(duì)象中各物理參數(shù)之間的藕合交錯(cuò)，而且

10、包含被控量、操作量和干擾量之間的聯(lián)系；不確定性不單指結(jié)構(gòu)上的不確定性，而且還指參數(shù)的不確定性；非線性既有非本質(zhì)的非線性，又有本質(zhì)非線性?；诒豢貙?duì)象的這種復(fù)雜性，決定了控制的艱難性。傳統(tǒng)控制方法絕大多數(shù)是基于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，即按照建?？刂苾?yōu)化進(jìn)行，建模的精確程度決定著控制質(zhì)量的高低，盡管目前的建模理論和方法己有長(zhǎng)足的長(zhǎng)進(jìn)，但仍有許多過程和對(duì)象的機(jī)理不清楚，動(dòng)態(tài)特性難以掌握，使我們不得不對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化或近似，將一個(gè)理論上極為先進(jìn)的控制策略應(yīng)用在這樣的模型上，控制效果自然會(huì)大打折扣，因此，用傳統(tǒng)的控制手段進(jìn)一步提高控制對(duì)象的質(zhì)量遇到了極大的困難，傳統(tǒng)控制方法面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。10工業(yè)控制中

11、存在著工業(yè)過程復(fù)雜、數(shù)學(xué)模型難以確定的系統(tǒng)，智能控制理論的產(chǎn)生正是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出的。1987年智能控制正式成為一門獨(dú)立的學(xué)科，它是人工智能、運(yùn)籌學(xué)和自動(dòng)控制理論等多門學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科。它與傳統(tǒng)控制的主要區(qū)別在于可以解決非線性模型化系統(tǒng)的控制問題。就目前而言，智能控制是解決傳統(tǒng)過程控制局限性問題和提高控制質(zhì)量的一個(gè)重要途徑。在各種儀表高速發(fā)展的今天，控制裝置己經(jīng)不是主要問題，影響被控對(duì)象性能指標(biāo)的主要因素取決于控制器本身，控制器本身的智能化設(shè)計(jì)將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。電加熱爐簡(jiǎn)介電加熱爐是工業(yè)生產(chǎn)過程和實(shí)驗(yàn)室里廣泛使用的加熱設(shè)備，是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量

12、轉(zhuǎn)換裝置。布置在爐內(nèi)的加熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過輻射或?qū)α鞯姆绞綄崮軅鬟f給加熱對(duì)象，從而改變對(duì)象的溫度。通常的工業(yè)過程都對(duì)爐溫的控制提出了一定的要求，這就需要對(duì)電加熱爐進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)它的通電強(qiáng)度來(lái)改變它輸出的熱能。電加熱爐具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的以煤和石化產(chǎn)品為燃料的鍋爐相比還具有基本投資少、占地面積小、操作方便、熱效率高、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)。電加熱爐控制作為過程控制的一個(gè)典型，動(dòng)態(tài)特性具有大慣性大延遲的特點(diǎn)，而且伴有非線性。其溫度特性曲線如圖所示。圖電加熱爐溫度特性曲線最近幾年來(lái)，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，需要消耗大量的能源，并且環(huán)境污染問題越來(lái)越突出，節(jié)省能源、保

13、護(hù)環(huán)境己被人們所接受，成為今后科學(xué)技術(shù)發(fā)展的方向。因此，通過國(guó)內(nèi)加熱技術(shù)在工業(yè)行業(yè)的應(yīng)用情況的總結(jié)及對(duì)比分析，可以預(yù)見出國(guó)內(nèi)加熱爐的發(fā)展方向及趨勢(shì)。對(duì)于現(xiàn)在講品種、講效益的時(shí)代，一個(gè)加熱爐的自動(dòng)化水平的高低和加熱形式的多樣性，決定了該加熱爐適應(yīng)的生產(chǎn)行業(yè)。但是隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，用計(jì)算機(jī)來(lái)控制加熱爐的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行加熱己成為一個(gè)新的發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)各種形式的加熱爐發(fā)展到現(xiàn)在，還不能講哪一種形式是最先進(jìn)、最成熟的，都多多少少存在一些問題，還有待我們?nèi)ヌ剿?，如各熱工參?shù)之間和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最優(yōu)化，但計(jì)算機(jī)控制加熱爐系統(tǒng)是一種發(fā)展方向。2智能溫度控制系統(tǒng)

14、在工業(yè)生產(chǎn)過程中，控制對(duì)象各種各樣，溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)之一。在生產(chǎn)過程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)它的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量等進(jìn)行有效的控制。溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例，其關(guān)鍵在于測(cè)溫和控溫兩方面。溫度測(cè)量是溫度控制的基礎(chǔ)，技術(shù)己經(jīng)比較成熟?；诳刂茖?duì)象越來(lái)越復(fù)雜，在溫度控制方面，還存在著許多問題。溫度控制一般指對(duì)某一特定空間的溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到工藝過程的要求。本文主要研究電加熱爐溫度控制的方法。智能控制的發(fā)展主要得益于模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論的不斷成熟。90年代以后，智能控制的集成技術(shù)研究取得很大重大進(jìn)展，如模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊專家

15、系統(tǒng)、傳統(tǒng)PID控制與智能控制的結(jié)合等。這些都為智能控制技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的前景。6 智能控制是一類無(wú)需人的干預(yù)就能夠針對(duì)控制對(duì)象的狀態(tài)自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的控制策略。它避開了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計(jì)算與分析的困難性。它實(shí)質(zhì)上是一種無(wú)模型控制方案，即在不需要知道被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的情況下，通過自身的調(diào)節(jié)作用，使實(shí)際響應(yīng)曲線逼近理想響應(yīng)曲線。隨著微機(jī)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)于70年代中已開始用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱爐的控制。由于計(jì)算機(jī)控制最大的特點(diǎn)是控制算法可靈活變動(dòng)，因此，為電加熱爐的計(jì)算機(jī)控制提供了方便。若已通過辨識(shí)建立了電加熱爐的數(shù)學(xué)模型，則可采用最優(yōu)控制或自

16、適應(yīng)控制。若未建立電加熱爐的數(shù)學(xué)模型，則可采用數(shù)字PID控制、非線性PID控制、帶積分型適應(yīng)模糊控制或智能控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。PID 智能控制算法和單神經(jīng)元自適 PSD 智能控制算法，由于算法簡(jiǎn)單、控制效果好，因而受到了人們廣泛的關(guān)注，受到工程上廣泛應(yīng)用且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的常規(guī) PID 控制器的啟發(fā)，利用具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的單神經(jīng)元來(lái)構(gòu)成單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制器。PID 和 PSD 控制算法比較結(jié)果：(1)單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 智能控制算法和單神經(jīng)元自適應(yīng) PSD 智能控制算法都比傳統(tǒng) PID 控制算法超調(diào)量小、速度快、實(shí)時(shí)控制效果好。(2)采用不同學(xué)習(xí)速率的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID智能控制算法較

17、采用相同學(xué)習(xí)速率的有較好的快速性、較小的超調(diào)量和較強(qiáng)的魯棒性。(3)改進(jìn)后的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID智能控制算法較改進(jìn)前的具有較小的超調(diào)量和較好的實(shí)時(shí)控制效果。(4)與單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 智能控制算法相比，單神經(jīng)元自適應(yīng) PSD智能控制算法具有可調(diào)參數(shù)范圍大、自適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于控制過程時(shí)變、有大滯后的復(fù)雜對(duì)象，是一種價(jià)值較高的智能控制算法?？傊?，在上述兩種算法中，學(xué)習(xí)速率不同的單神經(jīng)元自適應(yīng) PSD智能控制算法具有較滿意的實(shí)時(shí)控制效果，實(shí)用價(jià)值較高。5但是考慮到本人目前的學(xué)識(shí)所限，有許多技術(shù)上的問題需要解決，這就需要在以后的工作和學(xué)習(xí)中加以改進(jìn)，因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)將采用算法簡(jiǎn)單、實(shí)用價(jià)值

18、較高的PID 控制算法，資料表明，采用該算法也可以取得良好的控制效果。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，己經(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。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的消耗與日俱增，怎樣降低功耗提高經(jīng)濟(jì)效益，已成為人們關(guān)注的問題。例如在冶金行業(yè)軋鋼生產(chǎn)過程中，加熱爐能耗約占全廠總能耗的60%左右，是軋鋼工序的能耗大戶，尤其是近二十年來(lái)，加熱爐的硬件設(shè)備裝備水平有了很大的提高，因此提高加熱爐操作水平，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)全自動(dòng)燒鋼，降低加熱爐能耗意義很大。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

19、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。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，高校的專業(yè)合并與滲透使工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)化、信息技術(shù)改造了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。機(jī)電一體化、數(shù)控、先進(jìn)制造技術(shù)、CIMS 之間的技術(shù)、專業(yè)、學(xué)科之間的界限越來(lái)越模糊，這是實(shí)際發(fā)展的需要，也是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。第二章 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成電加熱爐廣泛用于冶金、石油化

20、工、紡織印染等工業(yè)生產(chǎn)過程。因此對(duì)加熱爐溫度的控制是必不可少的。作為被控對(duì)象，電加熱爐具有非線性、時(shí)變性、分布參數(shù)等特點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的控制，必須建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后求取相應(yīng)的控制器方程，例如自適應(yīng)控制、隨機(jī)最優(yōu)控制、預(yù)測(cè)控制、解耦控制和變結(jié)構(gòu)控制等。這類控制方法由于數(shù)學(xué)工具深?yuàn)W，算法復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)工程師難以理解和接受，因而這些先進(jìn)控制算法的推廣受到制約。人們?cè)趯?shí)踐中知道，許多復(fù)雜的生產(chǎn)過程難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制，但是熟練的操作工、技術(shù)人員和專家操作自如，而不要建立什么數(shù)學(xué)模型，就可以得到比較滿意的控制效果。設(shè)想把這些專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)總結(jié)起來(lái)賦予計(jì)算機(jī)，讓計(jì)算機(jī)參與生產(chǎn)過程控制，這類系統(tǒng)一般稱

21、為智能控制系統(tǒng)，它包含專家控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。本文就沒有建立電加熱爐的數(shù)學(xué)模型，而是在設(shè)計(jì)出加熱爐硬件原理圖的基礎(chǔ)上，直接采用算法簡(jiǎn)單、效果好的PID 智能控制算法。其系統(tǒng)框圖如圖所示。圖2.1 智能溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖電加熱爐溫度智能控制系統(tǒng)硬件連接框圖電加熱爐爐膛溫度是由多組爐絲的供電能量來(lái)調(diào)節(jié)的，它們分別由多套晶閘管調(diào)功器供電。調(diào)功器的輸出功率由改變過零觸發(fā)器的給定電壓來(lái)調(diào)節(jié)。為了控制爐溫，設(shè)計(jì)了一套電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如圖所示。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，包括A/D 轉(zhuǎn)換電路、鍵盤電路、LED顯示電路、D/A轉(zhuǎn)換電路等幾部分組成。電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)的原理電加熱爐計(jì)算機(jī)控

22、制系統(tǒng)是一多輸入、多輸出的多變量系統(tǒng)，但本次設(shè)計(jì)僅以一組為例，即輸入信號(hào)有八組，經(jīng)過放大后再經(jīng)過多路選擇，之后在經(jīng)控制電路處理。電加熱爐爐溫的控制過程如下：測(cè)溫元件將檢測(cè)到的溫度信號(hào)經(jīng)過放大、隔斷處理后，在某一時(shí)刻被選擇的信號(hào)送到 A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì) A/D 結(jié)果處理（包括冷端補(bǔ)償計(jì)算），得出加熱爐溫度測(cè)量值，一路信號(hào)經(jīng)74LS164驅(qū)動(dòng)LED顯示，一路信號(hào)將溫度測(cè)量值與給定溫度值進(jìn)行 PID運(yùn)算（可通過鍵盤調(diào)節(jié)PID參數(shù)），運(yùn)算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，送給SCR調(diào)功器來(lái)控制加熱爐的加熱過程。電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)包括軟件和硬件兩大部分。硬件

23、是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。硬件包括檢測(cè)變換部分，輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，微處理部分，顯示部分，鍵盤部分及輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換部分等。溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，硬件要在軟件的配合下才能完成預(yù)先確定要實(shí)現(xiàn)的各種功能。硬件設(shè)計(jì)具有通用性，而軟件設(shè)計(jì)的大部分工作是針對(duì)某一特定對(duì)象，可以完成硬件不能完成的功能。軟件設(shè)計(jì)具有充分的靈活性，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求而變化。單片機(jī)的智能功能要由軟件來(lái)完成，溫度控制系統(tǒng)軟件在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，將控制器所要完成的功能分別編寫和調(diào)試，所有模塊調(diào)試成功以后，將各個(gè)模塊連接，構(gòu)成單片機(jī)軟件系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)有利于程序代碼的優(yōu)化，而且便于調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)。整個(gè)系統(tǒng)由

24、 3 部分組成：系統(tǒng)主程序、各功能子程序、中斷程序。系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度，子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)子功能，中斷程序負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)的中斷事件。主程序在完成系統(tǒng)初始化后，順序執(zhí)行各子模塊程序，而中斷發(fā)生時(shí)或預(yù)定義的時(shí)間到時(shí) (例如控制時(shí)間到) ，系統(tǒng)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理完畢后程序回到中斷發(fā)生前的狀態(tài)，主程序繼續(xù)執(zhí)行。第三章 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)檢測(cè)變換部分熱電偶測(cè)溫范圍廣、測(cè)量精度高、便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中檢測(cè)和自動(dòng)控制；需自由端溫度補(bǔ)償，在低溫段測(cè)量精度較低。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測(cè)量范圍廣。常用的

25、熱電偶從-50+1600均可持續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如鎢-錸）。構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。14熱電偶測(cè)溫基本原理圖 熱電偶原理將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖 所示。當(dāng)導(dǎo)體 A 和 B 的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn) 1 和 2 之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。3.1.2熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電

26、偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 我國(guó)從 1988 年 1 月 1日起，熱電偶和熱電阻全部按 IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下：組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分

27、隔離。熱電偶冷端溫度補(bǔ)償由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t00時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過 100。溫度測(cè)量?jī)x表的分類溫度測(cè)量?jī)x表按測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。通

28、常來(lái)說(shuō)接觸式測(cè)溫儀表比較簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度較高；但因測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測(cè)量。非接觸式儀表測(cè)溫是通過熱輻射原理來(lái)測(cè)量溫度的，測(cè)溫元件不需與被測(cè)介質(zhì)接觸，測(cè)溫范圍廣，不受測(cè)溫上限的限制，也不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分從上面的介紹我們知道，本設(shè)計(jì)使用的是計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)只能接受數(shù)字信號(hào)，而熱電偶輸出的是模擬信號(hào)，所以必須把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就需要 A/D 轉(zhuǎn)換。

29、3./D轉(zhuǎn)換類型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)是現(xiàn)實(shí)各種模擬信號(hào)通向數(shù)字世界的橋梁，作為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有以下幾種。（1）積分型轉(zhuǎn)換 積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)在低速、高精度測(cè)量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)字儀表領(lǐng)域。積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)有單積分和雙積分兩種轉(zhuǎn)換方式，單積分模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作原理是將被轉(zhuǎn)換的電信號(hào)先變成一段時(shí)間間隔，然后再對(duì)時(shí)間間隔記數(shù)，從而間接把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，它的主要缺陷是轉(zhuǎn)換精度不高，主要受到斜坡電壓發(fā)生器、比較器精度以及時(shí)鐘脈沖穩(wěn)定性的影響。為了提高積分型轉(zhuǎn)換器在同樣條件下的轉(zhuǎn)換精度，可采用雙積分型轉(zhuǎn)換方式，雙積分型轉(zhuǎn)換器通過對(duì)模擬輸入信號(hào)的兩次積分，

30、部分抵消了由于斜坡發(fā)生器所產(chǎn)生的誤差，提高了轉(zhuǎn)換精度。雙積分型轉(zhuǎn)換方式的特點(diǎn)表現(xiàn)在：精度較高，可以達(dá)到 22 位；抗干擾能力強(qiáng)，由于積分電容的作用，能夠大幅抑止高頻噪聲。但是，它的轉(zhuǎn)換速度太慢，轉(zhuǎn)換精度隨轉(zhuǎn)換速率的增加而降低，每秒 100300 次（SPS）對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換精度為 12 位。所以這種轉(zhuǎn)換方式主要應(yīng)用在低速高精度的轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。（2）逐次逼近型轉(zhuǎn)換 逐次逼近型轉(zhuǎn)換方式在當(dāng)今的模數(shù)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它是按照二分搜索法的原理，類似于天平稱物的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換過程。也就是將需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)與已知的不同的參考電壓進(jìn)行多次比較，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對(duì)應(yīng)值。逐次逼近型轉(zhuǎn)

31、換方式的特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換速度較高，可以達(dá)到 100 萬(wàn)次/秒（MPSP）；在低于 12 位分辨率的情況下，電路實(shí)現(xiàn)上較其他轉(zhuǎn)換方式成本低；轉(zhuǎn)換時(shí)間確定。但這種轉(zhuǎn)換方式需要數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，由于高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路需要較高的電阻或電容匹配網(wǎng)絡(luò)，故精度不會(huì)很高。（3）并行轉(zhuǎn)換 并行轉(zhuǎn)換方式在所有的模數(shù)轉(zhuǎn)換中，轉(zhuǎn)換速度最快，并行轉(zhuǎn)換是一種直接的模數(shù)轉(zhuǎn)換方式。它大大減少了轉(zhuǎn)換過程的中間步驟，每一位數(shù)字代碼幾乎在同一時(shí)刻得到，因此，并行轉(zhuǎn)換又稱為閃爍型轉(zhuǎn)換方式。并行轉(zhuǎn)換的主要特點(diǎn)是它的轉(zhuǎn)換速度特別快，可達(dá) 50MPSP，特別適合高速轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。缺點(diǎn)是分辨率不高，一般都在 10 位以下；精度較高時(shí)，功耗較大。這主要

32、是受到了電路實(shí)現(xiàn)的影響，因?yàn)橐粋€(gè) N 位的并行轉(zhuǎn)換器，需要 2N1 個(gè)比較器和分壓電阻，當(dāng) N10 時(shí)，比較器的數(shù)目就會(huì)超過 1000 個(gè)，精度越高，比較器的數(shù)目越多，制造越困難。12本設(shè)計(jì)采用逐次逼進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832。3.2.2 ADC0832芯片介紹ADC0832 是美國(guó)國(guó)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，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)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(diǎn)：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(shí)輸入電壓在05V之間；工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)

33、間為32S；一般功耗僅為15mW；8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；商用級(jí)芯片溫寬為0°C to+70°C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為。40°C 85°C；芯片頂視圖：（圖）圖32芯片頂視圖芯片接口說(shuō)明：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(hào)輸入，選擇通道控制。DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。CLK 芯片時(shí)鐘輸入。Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。ADC0832 與單片機(jī)的接口電路如圖3.3所示。

34、圖ADC0832與單片機(jī)接口電路ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，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05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)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(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。單片機(jī)微處理部分單片機(jī)要完成的任務(wù)是：接收ADC0832發(fā)出的數(shù)字量，進(jìn)行標(biāo)度變換，線性化，進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出數(shù)字量一路給DAC0832控制調(diào)功器，一路給74LS164驅(qū)動(dòng)顯示。市場(chǎng)上流行的單片機(jī)

35、有很多種，基于各種因素，本次設(shè)計(jì)選用STC89C51單片機(jī)。STC89C51系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗、的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘機(jī)器周期可任意選擇，最新的D版內(nèi)部集成MAX810專業(yè)復(fù)位電路。 STC89C51特點(diǎn)l 增強(qiáng)型6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12時(shí)鐘/機(jī)器周期8051CPUl 共組電壓：V3.4V(5V單片機(jī))l 工作頻率范圍：0-40MHz，相當(dāng)于普通8051的0-80 MHz,實(shí)際工作頻率可達(dá)48 MHzl 用戶應(yīng)用程序空間4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字節(jié)l 片上集成1280字節(jié)/512字節(jié)

36、RAMl 通用I/O口（32/16個(gè)），復(fù)位后：P1,P2,P3,P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）P0口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻l ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器/仿真器，可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，8K程序3秒即可完成一片l EEPROM功能l 看門狗l 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（D版才有），外部晶體20M以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路l 共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0還可以當(dāng)成2個(gè)8位定時(shí)器使用l 外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Do

37、wn模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒l 通用異步串行口（UART）,還可以用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UARTl 工作溫度范圍：0-75/-40-+85l 封裝：PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44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)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫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)/地址的第八位。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外部必須被拉高。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

38、沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入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口作為第八位地址接收。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“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)行讀寫時(shí)，P2口輸

39、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：P3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：P3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

40、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）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(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

41、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(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。XT

42、AL2：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。13顯示部分在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，常用的顯示方法有兩種：一種為靜態(tài)顯示；一種為動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示，就是微型計(jì)算機(jī)定時(shí)地對(duì)顯示器件進(jìn)行掃描。在這種方法中，顯示器件分時(shí)工作，每次只能有一個(gè)器件顯示。但由于人的視覺有暫留現(xiàn)象，所以只要掃描頻率足夠快，仍會(huì)感覺所有的器件都在顯示。此

43、種顯示的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，因而價(jià)格低，線路簡(jiǎn)單。但它占用機(jī)時(shí)長(zhǎng)，只要微型計(jì)算機(jī)不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。由此可見，這種顯示將使計(jì)算機(jī)的開銷增大，所以，在以微型計(jì)算機(jī)為主的控制系統(tǒng)中應(yīng)用較少。靜態(tài)顯示，是由微型計(jì)算機(jī)一次輸出顯示模型后，就能保持該顯示結(jié)果，直到下次發(fā)送新的顯示模型為止。這種顯示占用機(jī)時(shí)少，顯示可靠，因而在工業(yè)過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。這種顯示方法的缺點(diǎn)是使用原件多，且線路比較復(fù)雜。靜態(tài)顯示的最大優(yōu)點(diǎn)是只要不送新的數(shù)據(jù)，責(zé)顯示值不變。且微型計(jì)算機(jī)不向動(dòng)態(tài)顯示那樣不間斷地掃描，因而節(jié)省了大量機(jī)時(shí)，適用于工業(yè)過程控制及智能化儀器。本次設(shè)計(jì)采用靜態(tài)顯示，硬件電路連接圖如圖所示。圖

44、電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)顯示電路鍵盤部分鍵盤結(jié)構(gòu)分類獨(dú)立式鍵盤 每個(gè)按鍵占用一根I/O線，構(gòu)成單個(gè)按鍵電路，優(yōu)點(diǎn)是配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是按鍵多時(shí)I/O口浪費(fèi)較大，故一般在按鍵數(shù)目較少時(shí)采用。列式鍵盤(又叫矩陣式鍵盤) 它是用I/O口組成行列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交叉點(diǎn)上，在按鍵比較多時(shí)，能節(jié)省I/O口，通常采用較多。系統(tǒng)鍵盤電路設(shè)計(jì)鍵盤部分的設(shè)計(jì)是為了方便操作，讓使用者能夠通過鍵盤進(jìn)行PID參數(shù)設(shè)置。（具體電路見附表）輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換部分從前面的介紹我們知道，本設(shè)計(jì)使用的是計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)只能輸出數(shù)字信號(hào)，而執(zhí)行器接收的是模擬信號(hào)，所以必須把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，這就需要D/A 轉(zhuǎn)換。

45、本次設(shè)計(jì)采用DAC0832轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。DAC0832是采樣頻率為八位的D/A轉(zhuǎn)換器件。DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)資料：芯片內(nèi)有兩級(jí)輸入寄存器，使DAC0832具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。要是需要相應(yīng)的模擬信號(hào)，可通過一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。運(yùn)放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，還可以外接。16 圖芯片原理圖該片邏輯輸入滿足TTL電壓電平范圍，可直接與TTL電路或微機(jī)電路相接，芯片電路原理圖如圖3.5所示。DAC0832與單片機(jī)連接的電路圖如圖所示。此接法是

46、用DAC0832的直通方式，只要二進(jìn)制數(shù)據(jù)送到DAC0832的數(shù)據(jù)口，則會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為相應(yīng)的電壓。圖與單片機(jī)連接電路第四章 智能溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)智能溫度控制系統(tǒng)的軟件部分按其功能分為：監(jiān)測(cè)程序、測(cè)控程序和其他模塊輔助程序。監(jiān)測(cè)程序是整個(gè)系統(tǒng)軟件的中心環(huán)節(jié)，又稱為主程序。它接收和分析各種命令，管理和協(xié)調(diào)全部程序的執(zhí)行，其包括系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)自檢等部分；測(cè)控程序主要包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，輸出控制和自我診斷等部分。其他模塊輔助程序包括顯示子程序和鍵盤中斷子程序。主程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電或復(fù)位后，進(jìn)入控制系統(tǒng)主程序。主程序是軟件設(shè)計(jì)的中樞環(huán)節(jié)，是整個(gè)程序架構(gòu)的關(guān)鍵所在，從中也體現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)模塊化

47、的思想。在主程序中完成系統(tǒng)的初始化、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、顯示處理、鍵盤處理、控制算法處理、輸出控制等功能。主程序流程圖如圖所示。/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì)與芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間、系統(tǒng)參數(shù)的多少以及參數(shù)的變換速度有關(guān)。一般來(lái)講，如果系統(tǒng)的參數(shù)不多，且變換速度比較快，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間比較短，因而多數(shù)采用查詢方式。相反，如果系統(tǒng)的參數(shù)比較多，變換速度比較慢，所采用的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間比較長(zhǎng)，一般可采用中斷方式。具體采用哪種方式好，要根據(jù)具體情況來(lái)確定。A/D轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)主要分為三步：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換；查詢或等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束；讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。對(duì)于8為A/D轉(zhuǎn)換器，一次讀數(shù)即可。由于從模

48、擬量轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)字量需要一定的時(shí)間，所以當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)之后，需要等待轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)生效后才能讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。對(duì)于單片機(jī)而言，其豐富的指令系統(tǒng)，且片內(nèi)設(shè)有定時(shí)器，使得無(wú)論采用軟件方式還是硬件方式提供一段時(shí)間的延時(shí)都是很容易做到的。通常，將延時(shí)的時(shí)間定得略大于轉(zhuǎn)換時(shí)間，以確保讀數(shù)準(zhǔn)確無(wú)誤。至于采用軟件方式，還是通過硬件進(jìn)行延時(shí)，各有利弊。軟件方式編程簡(jiǎn)單，但需要花費(fèi)機(jī)時(shí)；采用定時(shí)器則需要對(duì)其進(jìn)行初始化編程，但延時(shí)過程中不占用機(jī)時(shí)。在設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換程序時(shí)，必須和硬件接口電路結(jié)合起來(lái)進(jìn)行。A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖所示。 圖/D轉(zhuǎn)換程序流程圖圖4.1 主程序流程圖控制算法子程序在工程實(shí)際中

49、，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。ID控制

50、規(guī)律介紹比例（P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制

51、 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重?fù)p失。微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)

52、節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。PID算法的兩種類型：（1）位置型控制 （4-1）位置型的遞推形式 （4-2）其程序流程圖如圖所示。圖位置型控制程序流程圖（2）增量型控制（4-3）增量型PID算法的算式 （4-4）式中，其程序流程圖如圖所示。本文采用的是位置式 PID 控制器。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即作用已減少偏差。比例作用大，可加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但過大的比例，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti，Ti 越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。微分調(diào)節(jié)反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號(hào)

53、的變化率，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，若過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。圖控制增量型程序流程圖現(xiàn)場(chǎng)整定 PID 參數(shù)時(shí)，可以根據(jù)這些參數(shù)在 PID 過程中的作用原理，來(lái)討論我們的對(duì)策：（1）加溫很快就達(dá)到目標(biāo)值，但是溫度過沖很大： 比例系數(shù)太大，致使在未達(dá)到設(shè)定溫度前加溫比例過高。 微分系數(shù)過小，致使對(duì)對(duì)象反應(yīng)不敏感。（2）加溫經(jīng)常達(dá)不到目標(biāo)值，小于目標(biāo)值的時(shí)間較多： 比例系數(shù)過小，加溫比例不夠。 積分系數(shù)過小，對(duì)恒偏差補(bǔ)償不足。（3）基本上能夠在控制目標(biāo)上，但上下偏差偏大，經(jīng)常波動(dòng)： 微分系數(shù)過小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不

54、夠快。 積分系數(shù)過大，使微分反應(yīng)被淹沒鈍化。（4）受工作環(huán)境影響較大，稍有變動(dòng)就會(huì)引起溫度的波動(dòng)： 微分系數(shù)過小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快。 設(shè)定的基本定時(shí)周期過長(zhǎng)，不能及時(shí)得到修正。選擇一個(gè)合適的時(shí)間常數(shù)要根據(jù)輸出單元采用什么器件來(lái)確定，如果是采用可控硅的，則可設(shè)定時(shí)間常數(shù)的范圍就很自由；如果采用繼電器的，若過于頻繁的開關(guān)就會(huì)影響繼電器的使用壽命，所以不太適合采用較短周期。18積分飽和問題的處理 (1) 遇限削弱積分法一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。具體地說(shuō)，在計(jì)算Ui時(shí)，將判斷上一個(gè)時(shí)刻的控制量Ui-1是否已經(jīng)超出限制范圍，如果已經(jīng)超出，那么將根據(jù)偏

55、差的符號(hào)，判斷系統(tǒng)是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計(jì)入積分項(xiàng)。其程序流程圖如圖所示。圖遇限削弱積分的PID算法程序流程圖(2) 積分分離法圖積分分離程序控制流程圖圖PID程序流程圖在基本PID控制中，當(dāng)有較大幅度的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)， 由于此時(shí)有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項(xiàng)的作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。特別是對(duì)于溫度、成份等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象將更嚴(yán)重。為此可以采用積分分離措施，即偏差較大的時(shí)，取消積分作用；當(dāng)偏差較小時(shí)才將積分作用投入。 另外積分分離的閾值應(yīng)視具體對(duì)象和要求而定。若閾值太大，達(dá)不到積分分離的目的，若太小又有可能因被控量無(wú)法跳出

56、積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。(3) 有效偏差法當(dāng)根據(jù)PID位置算法算出的控制量超出限制范圍時(shí)，控制量實(shí)際上只能取邊際值U=Umax,或U=Umin,有效偏差法是將相應(yīng)的這一控制量的偏差值作為有效偏差值計(jì)入積分累計(jì)而不是將實(shí)際的偏差計(jì)入積分累計(jì)。因?yàn)榘磳?shí)際偏差計(jì)算出的控制量并沒有執(zhí)行。綜上所述，本次設(shè)計(jì)智能算法程序流程圖如圖4.7所示。人機(jī)接口部分的設(shè)計(jì)人機(jī)接口部分包含鍵盤部分和顯示部分。鍵盤部分的設(shè)計(jì)鍵盤是若干鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備，鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。前者能自動(dòng)識(shí)別按下的鍵并產(chǎn)生相應(yīng)的代碼，以并行或串行方式發(fā)給CPU。它使用方

57、便，接口簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但需要專用的硬件電路。后者則通過軟件來(lái)確定按鍵并計(jì)算鍵值。這種方法雖然沒有編碼鍵盤速度快，但它不需要專用的硬件支持，因此得到了廣泛的應(yīng)用。鍵盤是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分，設(shè)計(jì)時(shí)必須解決下述一些問題。（1）按鍵的確認(rèn)鍵盤實(shí)際上是一組按鍵開關(guān)的集合，其中每一個(gè)鍵值就是一個(gè)開關(guān)量的輸入裝置。鍵的閉合與否取決于機(jī)械彈性開關(guān)的通、斷狀態(tài)。反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或者低電平，例如高電平表示斷開，低電平表示閉合。所以，通過檢測(cè)電平的狀態(tài)（高或低），便可確定按鍵是否已被按下。在工業(yè)過程控制和智能化儀器系統(tǒng)中，為了縮小整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模，簡(jiǎn)化硬件線路，常常希望設(shè)置最少量的按鍵，獲取更多的操作控制功能。（2）重鍵與連擊的處理實(shí)際按鍵操作中，若無(wú)意中同時(shí)或先后按下兩個(gè)以上的鍵，系統(tǒng)確認(rèn)哪個(gè)鍵操作是有效的完全由設(shè)計(jì)者的意志決定的。如視按下時(shí)間最長(zhǎng)者為有效，或認(rèn)為最先按下的鍵為當(dāng)前按鍵，也可以將最后釋放的鍵看成是輸入鍵。不過微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)畢竟資源有限，交互能力不強(qiáng)，通常總是采用單鍵按下有效，多