電阻爐溫度智能控制系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、長春理工大學(xué)本科畢業(yè)論文編號 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)Intelligent Temperature Control System of Resistance Furnace學(xué) 生 姓 名專 業(yè)學(xué) 號指 導(dǎo) 教 師學(xué) 院二一四年六月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（文論）原創(chuàng)承諾書1本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)，是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解學(xué)校的長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作條例后，在教師的指導(dǎo)下，保質(zhì)保量獨(dú)立地完成了任務(wù)書中規(guī)定的內(nèi)容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內(nèi)容。2本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中引用他人的觀點(diǎn)和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對本文的研究工作做出重要

2、貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中注明。3在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中對侵犯任何方面知識產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。4本人完全了解學(xué)校關(guān)于保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交論文和相關(guān)材料的印刷本和電子版本；同意學(xué)校保留畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），可以公布其中的全部或部分內(nèi)容。 以上承諾的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)！ 作 者 簽 名： 年 月 日 第一章 緒論1.1 選題的背景在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、流速、流量、壓力和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在機(jī)械制造、電力工程、化工生產(chǎn)、

3、造紙行業(yè)、冶金工業(yè)和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制。其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例，即使日常生活中的電熱水器、空調(diào)、微波爐、電烤箱等家用電器也同樣需要溫度監(jiān)控。可見溫度控制電路廣泛應(yīng)用于社會生活的各領(lǐng)域，所以對溫度進(jìn)行控制是非常有必要和有意義的。準(zhǔn)確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件1-2。原有的溫度控制系統(tǒng)（控制柜）存在以下缺點(diǎn)：(1) 原有的溫度控制柜體積龐大，系統(tǒng)未采用微處理器，溫度控制的精度低，故障率高，爐溫波動(dòng)大，影響熱處理質(zhì)量；(2) 原有的溫度控制系統(tǒng)通過對繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)爐溫的調(diào)節(jié)控

4、制，電路工作時(shí)對電網(wǎng)的質(zhì)量有影響，在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)室其他的用電設(shè)備；(3) 原有的溫度控制系統(tǒng)沒有故障自診斷與提示功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，無法為操作人員及時(shí)指示故障類型和準(zhǔn)確位置；(4) 原有的溫度控制系統(tǒng)沒有預(yù)留通信接口，無法與實(shí)驗(yàn)室其他的電爐聯(lián)網(wǎng)工作，也無法通過上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與管理，多臺電爐工作效率低；(5) 原有的溫度控制系統(tǒng)采用指針式顯示，不便于觀察與記錄；(6) 原有的溫度控制系統(tǒng)沒有溫度參數(shù)設(shè)定與溫度保持定時(shí)功能，如果需要溫度保持（定時(shí)）必須要有操作人員現(xiàn)場監(jiān)控，自動(dòng)化程度非常低，使用不方便；正是由于存在以上的問題，它直接影響到了產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和正常的教學(xué)工作。所以，

5、單位提出重新設(shè)計(jì)電阻爐的溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)降低故障率，并提高爐溫的控制精度，使控制系統(tǒng)能更加可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，更好的滿足生產(chǎn)與教學(xué)要求。1.2 電阻爐爐溫控制的國內(nèi)外發(fā)展電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的加熱設(shè)備，它在機(jī)械、冶金等行業(yè)的生產(chǎn)中占有十分重要的地位3-4，溫度控制質(zhì)量的好壞將直接影響著熱處理產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，對于提高生產(chǎn)率和節(jié)約能源也有舉足輕重的意義，所以國內(nèi)外關(guān)于電阻爐自動(dòng)控制的研究一直備受重視，發(fā)展比較快，已有廣發(fā)的應(yīng)用案例。1.2.1 電阻爐國外的發(fā)展動(dòng)態(tài)國際上對電阻爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究始于上世紀(jì)從70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與新的控制方法的出現(xiàn)，電阻爐計(jì)算機(jī)控制的水平

6、得到了大幅提高，應(yīng)用也日趨廣泛。國外電阻爐計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用的現(xiàn)狀如表 1-1 所示5。表 1-1 電阻爐計(jì)算機(jī)控制在國外的一些應(yīng)用現(xiàn)狀廠家名稱所用機(jī)型應(yīng)用現(xiàn)狀日本PLC鋼坯目標(biāo)出爐溫度計(jì)算，鋼溫預(yù)報(bào)，空燃比控制，爐溫最優(yōu)控制瑞典PLC確定最佳加熱曲線和爐溫控制美國DEV MICTO VAXIII空燃比控制，爐壓控制，設(shè)定值選擇，生產(chǎn)調(diào)度模型隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)向小型、高速、大容量、低成本方向的發(fā)展，傳統(tǒng)的PID控制和現(xiàn)代控制理論都在不斷的發(fā)展，并取得了豐碩的成果。智能化、網(wǎng)絡(luò)化已成為發(fā)展的趨勢。1.2.2 電阻爐國內(nèi)的發(fā)展動(dòng)態(tài)我國對電阻爐的控制進(jìn)行了廣泛的研究始于上世紀(jì)80年代，隨著微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

7、的發(fā)展，電阻爐計(jì)算機(jī)控制逐步進(jìn)入實(shí)用化階段6。目前，國內(nèi)電阻爐控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下：(1) 采用先進(jìn)的控制設(shè)備隨著單片機(jī)、可編程控制器與工業(yè)控制機(jī)等先進(jìn)控制系統(tǒng)的發(fā)展，逐步取代了以前大規(guī)模的繼電器、模擬式控制儀表。單片機(jī)也因其極高的性價(jià)比而受到人們的重視和關(guān)注，獲得廣泛地應(yīng)用和迅速地發(fā)展。(2) 采用新的控制方法對傳統(tǒng)的負(fù)反饋、單一PID控制系統(tǒng)做了多種補(bǔ)充，從而使控制性能更佳。同時(shí)，越來越多的控制系統(tǒng)采用新的控制方法如：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法控制、最優(yōu)控制、自整定PID參數(shù)控制器、自適應(yīng)控制和自校正控制器等，這些在工業(yè)上都有了成功應(yīng)用的工程案例7。單片機(jī)具有體積小、重量輕、控制功

8、能強(qiáng)、價(jià)格低與開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)應(yīng)用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的意義在于，單片機(jī)的應(yīng)用從根本上改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。以前采用硬件電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在可以用單片機(jī)通過軟件的方法來實(shí)現(xiàn)。以前自動(dòng)控制中的PID調(diào)節(jié)，現(xiàn)在可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)具有智能化的數(shù)字計(jì)算控制、模糊控制和自適應(yīng)控制。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)稱為微控技術(shù)8。1.3 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求電阻爐溫度控制系統(tǒng)應(yīng)具備溫度測量、顯示、與上位機(jī)通信、過限報(bào)警等功能，并要求具有良好的穩(wěn)定性、高控制精度，以滿足實(shí)驗(yàn)室熱處理對溫度的需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，

9、確定溫度控制器的規(guī)格與技術(shù)指標(biāo)，這對于明確設(shè)計(jì)的目的性和控制功能的邏輯性有重要的意義。然后設(shè)計(jì)系統(tǒng)的操作面板，面板設(shè)計(jì)遵循簡潔實(shí)用的原則，并規(guī)劃出相關(guān)的操作規(guī)范及運(yùn)行參數(shù)，為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)確定具體的目標(biāo)。1.3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)針對原有電阻爐溫度控制系統(tǒng)的功能缺陷及現(xiàn)有控制要求，確定本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)如下：(1) 系統(tǒng)滿足穩(wěn)、準(zhǔn)、快的系統(tǒng)要求；(2) 系統(tǒng)的測溫范圍在01000，控溫精度2，顯示精度0.1；(3) 控制面板能便捷輸入控制參數(shù)，如P、I、D及保溫時(shí)間；(4) 用7段高亮數(shù)碼管顯示設(shè)定爐溫（5位數(shù)碼管）、爐溫實(shí)時(shí)溫度（5位數(shù)碼管）、保溫時(shí)間（3位數(shù)碼管）等系統(tǒng)信息；(5) 用四個(gè)發(fā)光二

10、極管以不同的顏色和發(fā)光狀態(tài)來指示顯系統(tǒng)的工作狀態(tài)。1.3.2系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與規(guī)格整個(gè)系統(tǒng)最終達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)是由系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)共同作用后完成的。比如要提高溫度檢測的精度，只用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器是不夠的，還要好的抗干擾措施、精確度高的傳感器及軟件線性化處理等9。據(jù)實(shí)驗(yàn)室熱處理的實(shí)際需要，確定所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表 1-2 ： 表 1-2 主要技術(shù)參數(shù)額定功率（KW）12額定電壓（V）單相220V10% 50Hz1Hz輸出電壓（V）220V（調(diào)功控制）最大電流（A）30最高控制溫度（）1000控溫誤差（）2保溫時(shí)間（min）0600（最大10個(gè)小時(shí)）熱電偶類型K型熱電偶顯示方式1

11、3個(gè)高亮LED數(shù)碼管（MAX7219驅(qū)動(dòng)控制）輸入方式5個(gè)輕觸按鍵報(bào)警方式聲、光報(bào)警器與上位機(jī)通信接口RS-4851.4.操作規(guī)范設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)之前必須規(guī)劃好操作的流程，也就是做好規(guī)范化設(shè)計(jì)。操作規(guī)范是編寫操作程序的重要依據(jù)，良好的操作設(shè)計(jì)便于操作與程序的編寫。為了提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，應(yīng)對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行規(guī)劃，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)步驟如圖 1-2 所示。圖 1-2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)步驟第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電阻爐控制系統(tǒng)應(yīng)具備溫度測量、顯示、記錄、參數(shù)輸入等功能，并要求具有可靠性高、通用性強(qiáng)、控制精度佳等特點(diǎn)，以滿足控制需求?；谏鲜鲂阅芤?，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示，系統(tǒng)包括單片機(jī)AT89S51、

12、溫度檢測與處理電路、鍵盤與顯示接口電路、聲光報(bào)警電路、串口通信電路以及計(jì)時(shí)電路10。圖 2-1 溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)采用熱電偶作為溫度傳感器，熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換為毫伏級的電壓信號，這個(gè)信號必須進(jìn)行放大處理、冷端補(bǔ)償、非線性化處理和數(shù)字處理后才能送到單片機(jī)中，這個(gè)過程環(huán)節(jié)多，容易受到干擾，為簡化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中采用集成芯片MAX6675來完成整個(gè)過程的溫度數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，首先進(jìn)行超限報(bào)警處理，如果超限就調(diào)用超限處理子程序，若未超限就對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波后進(jìn)行PID算法控制，得到輸出控制量。具體控制過程是：當(dāng)溫度偏差大于50時(shí)，讓雙向晶閘管全導(dǎo)通或全關(guān)閉實(shí)現(xiàn)快速縮

13、小溫差，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，當(dāng)溫度偏差小于50時(shí)調(diào)用PID控制算法，由算法得到雙向晶閘管導(dǎo)通率實(shí)現(xiàn)對雙向晶閘管正弦半波的個(gè)數(shù)控制以達(dá)到調(diào)溫的目的。系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路的功能是根據(jù)熱處理工藝要求設(shè)置保溫時(shí)間，溫度控制系統(tǒng)所有的參數(shù)通過13位高亮7段數(shù)碼管顯示，狀態(tài)信息通過4個(gè)發(fā)光二極管指示。2.1 CPU選型本溫度控制系統(tǒng)選用ATMEL89系列單片機(jī)中的AT89S51作為微處理器。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS型8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)Flash存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指

14、令系統(tǒng)及80C5引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes 的Flash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。AT89S51在空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)

15、計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求11。2.2 溫度檢測電路的設(shè)計(jì)2.2.1 熱電偶的選擇熱電偶在工程上使用最為廣泛的溫度傳感器之一，它具有構(gòu)造簡單、精度高、熱響應(yīng)時(shí)間快、測溫范圍大（-200+2000均可連續(xù)測溫）以及性能可靠使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，在溫度測量中占有很重要的地位。熱電耦的種類很多，熱電偶有K型（鎳鉻-鎳硅）WRN系列，N型（鎳鉻硅-鎳硅鎂）WRM系列，E型（鎳鉻-銅鎳）WRE系列，J型（鐵-銅鎳）WRF系列，T型（銅-銅

16、鎳）WRC系列，S型（鉑銠10-鉑）WRP系列，R型（鉑銠13-鉑）WRQ系列，B 型（鉑銠30-鉑銠6）WRR系列等12。考慮設(shè)計(jì)成本與實(shí)際的溫度范圍（01000），在本設(shè)計(jì)中選用分度號為K的鎳鉻-鎳硅熱電偶WRN-120，表 2-1 所列的是常用熱電偶的材料規(guī)格和線徑使用溫度的關(guān)系：表 2-1 常用熱電偶材料規(guī)格和線徑使用溫度熱電偶分度號熱點(diǎn)極材料線徑與作用溫度的關(guān)系（）正極負(fù)極線徑（mm）長期短期S鉑銠10純鉑0.513001600R鉑銠13純鉑0.513001600B鉑銠30鉑銠60.516001800K鎳鉻鎳硅1.280010002.5110012003.2120013002.2.2

17、 熱電耦的測溫原理將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩導(dǎo)體之間存在溫差時(shí)，便產(chǎn)生電動(dòng)勢，在回路中就會形成一個(gè)大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢稱為熱電勢13。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端，另一端叫做冷端；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。不同種類的兩根金屬導(dǎo)線A、B連接起來并保持接點(diǎn)的溫度為t0。若設(shè)由電壓計(jì)引出的導(dǎo)線與金屬線A、B連接點(diǎn)的溫度為t，則顯現(xiàn)出來的熱電勢EAB(t，t0)為： （2-1）對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度t0時(shí)，EAB(t，t0)=C為常數(shù)，則

18、總的電動(dòng)勢與連接的方法和沿金屬線的溫度分布等細(xì)節(jié)無關(guān)，僅由熱電偶的類型及測量溫度t決定。2.2.3 熱電偶的溫度補(bǔ)償熱電偶都有對應(yīng)的分度表，即在參考端溫度為0時(shí)，熱電勢和測量溫度的對應(yīng)表。熱電偶的分度表是以冷端溫度0為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，熱電偶的實(shí)際工作環(huán)境，冷端溫度往往不為0，不能直接使用分度表，因此必須對熱電偶的冷端溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常用的冷端溫度補(bǔ)償方法有：冷端0恒溫法（將冷端放在冰水混合物的恒溫容器中等）、冷端溫度修正法、電橋補(bǔ)償法和冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法等。在本設(shè)計(jì)中采用集成芯片MAX6675完成冷端溫度的自動(dòng)補(bǔ)償，可在很大程度上簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)14。2.2.4 爐溫?cái)?shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)型熱電偶

19、是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬等特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)就是選用K型熱電偶作為系統(tǒng)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)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(gè)部分，實(shí)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。MAXIM公司推出的MAX 6675，它是一個(gè)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(jì)，保證了溫度測量的快速性與準(zhǔn)確性。故在本設(shè)計(jì)中，為

20、簡化系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)采用芯片 MAX 6675作為熱電偶電勢與溫度的轉(zhuǎn)換。2.2.5 MAX6675芯片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01024，溫度范圍滿足本臺電爐的溫度需要，其主要功能特點(diǎn)如下：(1) 直接將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；(2) 具有冷端補(bǔ)償功能；(3) 簡單的 SPI 串行接口與單片機(jī)通訊；(4) 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、0.25分辨率；(5) 單一+5V 的電源電壓；(6) 熱電偶斷線檢測；16(7) 工作溫度范圍-20+85。MAX6675采用SO-8封裝形式。有8個(gè)引腳，腳1（GND）接地，腳2（T-）接熱電偶負(fù)極，腳3（T

21、+）接熱電偶正極，腳4（VCC）電源端，腳5（SCK）串行時(shí)鐘輸入端，腳6（CS）片選端，使能啟動(dòng)串行數(shù)據(jù)通訊，腳7（SO）串行數(shù)據(jù)輸出端，腳8（NC）未用。在VCC 和GND之間接0.1F電容。2.2.6 MAX6675的測溫原理MAX6675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)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/)

22、，電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。 （2-2）上式中，U1為熱電偶輸出電壓（mV），T是測量點(diǎn)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(shí)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。 （2-3）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(diǎn)的實(shí)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15-16。2.2.7 MAX6675與單片機(jī)的連接MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與單片機(jī)

23、接口。MAX6675從SPI串行17接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：單片機(jī)使CS置為低電平，并提供時(shí)鐘信號給SCK，由SO讀取測量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程，CS變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過程。將CS變低在SO端輸出第一個(gè)數(shù)據(jù)，一個(gè)完整串行接口讀操作需16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀 16 個(gè)輸出位，第1個(gè)輸出位是D15，是一偽標(biāo)志位，并總為0；D14位到D3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；D2位平時(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開放時(shí)為高，開放熱電偶檢測電路完全由MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開放熱電偶檢測器操作，T-必須接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近GND腳；D1位為低以提供MAX6675器件身份碼，D0位為

24、三態(tài)標(biāo)志位17。MAX6675的SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如表 2-2 所示。表 2-2 MAX 6675SO 端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式位標(biāo)志位12位溫度數(shù)據(jù)熱電偶開路判斷設(shè)備序號狀態(tài)位15141312111098765432100MSBLSB0三態(tài)MAX6675與AT89S51的電路連接如圖 2-2 所示。AT89S51的P3.5與SCK相連，P3.6與片選CS相連，P3.5與SO相連。由MAX6675的控制時(shí)序可知，在CS=0且SCK有脈沖輸入時(shí)，SO引腳就輸出轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。在每一個(gè)脈沖信號的下降沿SO輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，16個(gè)脈沖信號完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出。輸出數(shù)據(jù)的格式先高位后低位，16位數(shù)據(jù)中D1

25、4D3為轉(zhuǎn)后的溫度數(shù)據(jù)。D14D3其最小值為0，對應(yīng)的實(shí)際溫度值為0；最大值為4095，對應(yīng)的溫度值為1023.75，分辨率為0.2518。實(shí)際溫度與轉(zhuǎn)換結(jié)果滿具有很好的線性關(guān)系，實(shí)際溫度與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的計(jì)算式為：實(shí)際溫度值=1023.75轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量4095 (2-1)圖 2-2 MAX 6675與 AT89S51 的連接2.3 輸入/輸出接口設(shè)計(jì)鍵盤和顯示電路實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能，通過鍵盤電路可以設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)（P、I、D和保溫時(shí)間），顯示電路可以顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、控制時(shí)間、設(shè)定溫度、實(shí)際溫度等。該溫度控制系統(tǒng)采用7段高亮LED數(shù)碼管（紅色）顯示系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)、保溫時(shí)間及實(shí)

26、際溫度值等?？傆?jì)13數(shù)碼管和4個(gè)發(fā)光二極管（指示控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)）。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)動(dòng)采用MAX7219，MAX7219是美國MAXIM公司生產(chǎn)的串行輸入輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器。該芯片可直接驅(qū)動(dòng)最多8位7段數(shù)字LED顯示器，或64個(gè)LED和條形圖顯示器。它與微處理器的接口非常簡單，僅用3個(gè)引腳與微處理器相應(yīng)端連接即可實(shí)現(xiàn)最高10MHz串行口。MAX7219的位選方式獨(dú)具特色，它允許用戶選擇多種譯碼方式譯碼選位，而且，每個(gè)顯示位都能個(gè)別尋址和刷新，而不需要重寫其他的顯示位，這使得軟件編程十分簡單且靈活。另外，它具有數(shù)字和模擬亮度控制以及與MOTOROLA SPI，QSPI及MATIONAL MICR

27、OWIRE 串行口相兼容等特點(diǎn)。該芯片采用24腳DIP和SO封裝，工作電壓4.05.5V，最大功耗1.1W。本溫度控制系統(tǒng)采用兩片MAX7219級聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)控制13個(gè)7段數(shù)碼管，其中DIN引腳接P2.7，LOAD引腳接P2.6，CLCOK 引腳接P2.5，顯示控制電路見附錄1系統(tǒng)的工作狀態(tài)由四個(gè)發(fā)光二極管以不同的顏色與狀態(tài)顯示，如有報(bào)警信號蜂鳴器啟動(dòng)，四個(gè)發(fā)光二極管與蜂鳴器用P2.0P2.4控制，具體電路連接如圖2-4所示。圖 2-4 工作狀態(tài)指示燈及報(bào)警電路設(shè)計(jì)對于參數(shù)的輸入通過按鍵實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的控制面板總計(jì)有5個(gè)按鍵，按鍵數(shù)量少，按鍵采用獨(dú)立按鍵的連接方式，其電路如圖 2-5 所示。圖

28、2-5 按鍵輸入電路2.4 與上位機(jī)通信電路的設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)通信，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及分布式工業(yè)控制系統(tǒng)當(dāng)中，經(jīng)常需要使用串行通信來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。目前有RS-232，RS-485，RS-422幾種接口標(biāo)準(zhǔn)用于串行通信。RS-232是最早的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，在短距離（15M），較低波特率串行通信當(dāng)中得到了廣泛應(yīng)用。其后針對 RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)的通信距離短，波特率比較低的狀況，在RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上又提出了RS-422接口標(biāo)準(zhǔn)，RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)來克服這些缺陷19。2.4.1 RS-232 與 RS-48521RS-485串行接口與RS-232接口相比具有以下性能優(yōu)點(diǎn)：(1) RS-232接口的信號

29、電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接；(2) RS-232接口傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為 20Kbps；(3) RS-232接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；(4) RS-232接口傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺，實(shí)際上也只能用在50米左右；(5) RS-485接口的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2-6)V表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2-6)V表示，接口信號電平比RS-232降低了，就不易損壞接口電路的芯片；(6) R

30、S-485接口的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為 10Mbps；(7) RS-485 接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好；(8) RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，另外RS-232接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器，即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。RS-485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以RS-485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS-485 接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS-485接口采用D

31、B-9(孔)，與鍵盤連接的鍵盤接口RS-485采用DB-9(針)20。2.4.2 串口通信電路設(shè)計(jì)美國Maxim公司推出的RS485異步通信收發(fā)芯片MAX1487，具有差分平衡系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、速度快、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在通信上有著廣泛的應(yīng)用，MAX1487主要管腳功能描述如下：第1腳為接收器輸入端（RO），2腳為接收器輸入使能端（/RE），第3腳為驅(qū)動(dòng)器輸出使能端（DE），第4腳為驅(qū)動(dòng)器輸出端（DI），A接收器同相輸入端和驅(qū)動(dòng)器同相輸出端，B接收器反相輸入端和驅(qū)動(dòng)器反相輸出端。在RS-485串行通信的時(shí)候，接收器同相輸入(A)電平比接收器反相輸入(B)電平高出200mV或更高，那么接收器輸入為

32、“1”；當(dāng)B電平較A電平高出200mV或更高，那么接收器輸入為“0”。驅(qū)動(dòng)器帶負(fù)載輸出邏輯“1”的電壓范圍是1.5V6V；輸出邏輯“0”的電壓范圍是-1.5V-6V，圖2-6為單片機(jī)的串口通信接口電路。圖2-6 通信接口電路2.5 保溫定時(shí)電路設(shè)計(jì)電爐在某些時(shí)候需要某個(gè)溫度值保持一定的時(shí)間，系統(tǒng)必須有定時(shí)的功能單元。單片機(jī)有很多途徑實(shí)現(xiàn)定時(shí)與計(jì)時(shí)的功能，如軟件延時(shí)、采用內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)。其中軟件定時(shí)要占用CPU資源，特別當(dāng)定時(shí)時(shí)間比較長的時(shí)候，其定時(shí)的精度也無法保證；采用定時(shí)器定時(shí)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)精確定時(shí)，但長久定時(shí)也不能有效保證定時(shí)精度。為了提高定時(shí)精度、降低系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，在本次設(shè)計(jì)采用

33、專用時(shí)鐘芯片DS1302來完成系統(tǒng)計(jì)時(shí)功能。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號或 RAM 數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)318的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力21。2.5.1 DS1302 的引腳功能DS1302的引腳排列，其中Vcc1為后備電

34、源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc10.2V時(shí)，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終

35、止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在Vcc2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，SCLK為時(shí)鐘輸入端。2.5.2 DS1302 的控制與寄存器DS1302的控制字如表 2-3 所示?？刂谱止?jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果為0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)；位5至位1指示操作單元的地址；最低有效位(位0)如為0表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。表2-3 DS1302的控制字1RAM/CKA4

36、A3A2A1A0RAM/K在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位0位到高位7。DS1302有12個(gè)寄存器，其中有7個(gè)寄存器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式,其日歷、時(shí)間寄存器及其控制字見表 2-4。表 2-4 日歷、時(shí)間寄存器及其控制字電寄存器名命令字取值范圍各位內(nèi)容寫操作讀操作7654321秒寄存器80H81H0059CH10SECSEC分鐘寄存器82H83H0059010MINMIN小時(shí)寄存器84H85H0012或002

37、312/24010HRHRAP日期寄存器86H87H0128,2930，310010DATEDATE月份寄存器88H89H011200010MMONTH周日寄存器8AH8BH010700000DAY年份寄存器8CG8DH0099YEARYEAR此外，DS1302還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時(shí)鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄存器等。時(shí)鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個(gè)RAM單元共31個(gè)，每個(gè)單元組態(tài)為一個(gè)8位的字節(jié)，其命令控制字為C0HFDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，

38、此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個(gè)字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。2.5.3 DS1302 與單片機(jī)的連接DS1302工作機(jī)理與MAX1487相似，與單片機(jī)的連接非常簡單，具體連接如圖 2-9 所示。圖2-7 DS1302與單片機(jī)的連接2.6 溫度控制電路設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)的精度不僅受制于輸入檢測量的精度，同時(shí)也受制于輸出控制量的精度，要提高整個(gè)系統(tǒng)的精度，必須使兩者匹配。工藝要求加熱時(shí)在升溫階段快速，采用較大的恒定功率，但隨著溫度偏差減少，逐漸減少定周期內(nèi)的導(dǎo)通周波。降低加熱功率，防止熱慣性的作用而產(chǎn)生較大的溫度超調(diào)?？刂破髂軌蚣皶r(shí)控制加熱器件在電源半波內(nèi)的輸入有效值。可控硅調(diào)

39、功控制溫度具有不沖擊電網(wǎng)，對用電設(shè)備不產(chǎn)生干擾等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用廣泛的控溫方式。所謂調(diào)功控溫就是在給定周期內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變加熱功率，來實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。目前，采用可控硅進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的觸發(fā)方式有兩種：過零觸發(fā)和移相觸發(fā)。移相觸發(fā)方式調(diào)功實(shí)際上是控制可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，此方式易造成電磁干擾且電路復(fù)雜。據(jù)文獻(xiàn)專門介紹22：采用移相觸發(fā)的可控硅交流調(diào)功裝置，往往在可控硅導(dǎo)通的瞬間使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變，當(dāng)控制角為90時(shí)，產(chǎn)生的三次諧波電流為基波電流的50，五次諧波也可達(dá)到基波的1/6。這些諧波分量引起電網(wǎng)電壓波形畸變，功率因數(shù)下降，給其它用電設(shè)備和通訊系統(tǒng)的工作帶來不良影響。為

40、此，人們研究了各種避免電壓瞬間大幅度下降和抑制高次諧波的方法，過零觸發(fā)方式很好地解決了此類問題，它可把可控硅導(dǎo)通的起始點(diǎn)限制在電源電壓過零點(diǎn)，從而大大降低了諧波分量。MOTOROLA公司生產(chǎn)的MOC3021-3081器件可以很好地解決這些問題。該器件用于觸發(fā)晶閘管，具有價(jià)格低廉、觸發(fā)電路簡單可靠的特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用MOC3061作為可控硅的驅(qū)動(dòng)器，控制可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，改變平均電壓的大小值，形成最佳加熱方式，從而控制溫度的超調(diào)。MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器是一種光電耦合器件，它可用直流低電壓、小電流來控制交流高電壓、大電流。用該器件觸發(fā)晶閘管，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、觸發(fā)可靠等優(yōu)點(diǎn)。采

41、用 MOC3061觸發(fā)晶閘管，強(qiáng)、弱的電之間在電氣上完全隔離，且可以直接可靠地觸發(fā)50A或更大的功率的晶閘管。經(jīng)軟件分析所得的控制脈沖送至 MOC3061，直接形成驅(qū)動(dòng)信號，控制可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，改變平均電壓的大小值，形成最佳加熱方式，從而控制溫度的超調(diào)，控制電路見附錄1圖 2-8 輸出電路設(shè)計(jì)電路中C8、R19為阻容吸收電路，MOC3061在輸出關(guān)斷下，有500uA的漏電流，串入R8這個(gè)限流電阻，可以控制觸發(fā)電流，消除漏電流對雙向可控硅的影響，防止雙向晶閘管的誤觸發(fā)。R13為限流電阻，R14為門極電阻，提高控制級的抗干擾性，電路中Q1集電極發(fā)出正弦過零出發(fā)脈沖。第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件電路

42、確定之后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。對同一個(gè)硬件電路，配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的功能也就不同，而且有些硬件電路的功能可用軟件來替代。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很大程度上是軟件設(shè)計(jì)。在目前的單片機(jī)軟件開發(fā)中，常用的語言是匯編語言和C語言兩種。匯編語言是一種用文字助記符來表示機(jī)器指令的符號語言，是最接近機(jī)器碼的一種語言。其主要優(yōu)點(diǎn)是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。C語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級語言。它兼顧了多種高級語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制，它支持當(dāng)

43、前程序設(shè)計(jì)中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。因此，用C語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，能有效增強(qiáng)軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充?；诖耍诒驹O(shè)計(jì)中程序開發(fā)采用C語言作為編程語言。3.1 軟件總體設(shè)計(jì)整個(gè)溫度控制系統(tǒng)不僅要處理按鍵、顯示和通信功能外，而且要實(shí)時(shí)處理對溫度的采集信息并處理。整個(gè)系統(tǒng)包括主模塊、初始化模塊、溫度檢測模塊、鍵盤處理模塊、顯示控制模塊、計(jì)時(shí)控制模塊、中斷服務(wù)模塊、控制算法模塊、輸出通斷率控制模塊等幾個(gè)部分，其軟件總體結(jié)構(gòu)圖如圖 3-1 所示。溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重

44、點(diǎn)也就是對控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試。整個(gè)系統(tǒng)軟件相當(dāng)大，為了便于編寫、調(diào)試、修改，并使設(shè)計(jì)的軟件總體結(jié)構(gòu)合理，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了以下幾個(gè)措施：(1) 根據(jù)軟件功能的要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對獨(dú)立的部分。各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，在各模塊間通過軟件接口連接，原則是模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散；(2) 編寫軟件前，繪制出相應(yīng)的程序流程圖，這不僅是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，而且是決定程序設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵部分；(3) 合理分配系統(tǒng)資源，包括定時(shí)/計(jì)數(shù)器，中斷源等；(4) 為了提高程序的可讀性，在程序的有關(guān)位置進(jìn)行功能注釋。圖 3-1 軟件總體結(jié)構(gòu)3.2 主程序設(shè)計(jì)上電或復(fù)位后系統(tǒng)，首先進(jìn)行系

45、統(tǒng)自檢，診斷正常后各功能模塊進(jìn)行初始化，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)字濾波、標(biāo)度變換后，計(jì)算溫度偏差及偏差變化率的大小，再由控制算法模塊得到輸出控制量。系統(tǒng)開放定時(shí)器及外部中斷，一旦發(fā)生中斷或其他外部響應(yīng)，首先判斷是哪個(gè)響應(yīng)源，然后調(diào)用相應(yīng)的功能模塊完成執(zhí)行程序，監(jiān)控程序流程如圖 3-2。 圖 3-2 主程序流程圖3.3 溫度檢測及處理程序設(shè)計(jì)溫度檢測采用K型熱電偶轉(zhuǎn)換器MAX6675完成，由MAX 6675構(gòu)成的溫度檢測電路具有控制程序易于編寫，讀數(shù)精確度高等優(yōu)點(diǎn)。MAX6675的轉(zhuǎn)換結(jié)果與溫度的數(shù)量關(guān)系滿足實(shí)際溫度值=1023.75熱電偶轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量4095 （3-1）MAX 6675芯片實(shí)

46、現(xiàn)了對熱電偶輸出的電壓信號的放大、冷端補(bǔ)償和線性化的自動(dòng)處理，所以其轉(zhuǎn)換程序比較簡單，程序流程如圖 3-3 所示。程序見附錄2 圖 3-3 溫度檢測控制程序流程圖3.4 按鍵檢測程序設(shè)計(jì)操作者要進(jìn)行參數(shù)（P、I、D和保溫時(shí)間等）的設(shè)定或狀態(tài)切換，必需通過按鍵（鍵盤）來實(shí)現(xiàn)，按鍵（鍵盤）是人機(jī)聯(lián)系的重要通道。鍵盤處理程序的主要任務(wù)是進(jìn)行有無按鍵按下的判斷并獲取鍵值，根據(jù)鍵值轉(zhuǎn)入相應(yīng)的按鍵控制程序，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的控制操作。一個(gè)按鍵處理的流程有如下幾步內(nèi)容：首先鍵盤掃描，判斷是否有鍵按下。P1口的第04位分別接5個(gè)按鍵。程序在初始化時(shí)指定P1口為輸入功能，讀P1口的低5位是否全為一，是則無鍵按下，否則有

47、鍵按下；去抖動(dòng)處理。在按鍵被按下與釋放時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突變等原因，在觸點(diǎn)閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)抖動(dòng)，抖動(dòng)會引起按鍵功能的實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)誤操作。因此，必須對抖動(dòng)進(jìn)行處理（去抖動(dòng)），去抖動(dòng)有硬件與軟件兩種方法，在本次設(shè)計(jì)中采用軟件去抖動(dòng)的方法。抖動(dòng)的時(shí)間一般在1020ms，只要調(diào)用延時(shí)程序跳過1020ms 重新在對按鍵的狀態(tài)進(jìn)行判斷，信號仍保持，就認(rèn)為本次按鍵有效；(3) 鍵值的計(jì)算。軟件去抖動(dòng)之后再進(jìn)行一次鍵盤掃描，若仍有按鍵按下就計(jì)算閉合鍵鍵值，程序轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)控制功能去執(zhí)行。計(jì)算方法直接讀取P1口的低5位的電平，無鍵按下則返回。若為11110，則S5（左移）鍵按下；11101則S4（右移）

48、鍵按下；11011則S3（增一）鍵按下；10111則S2（減一）鍵按下；01111則S1（SET設(shè)置）鍵按下，其他則視為無效按鍵返回，變量key_value存放鍵值，key_value=0 xff 表示無鍵或非法按鍵，程序?qū)︽I值進(jìn)行判斷處理后調(diào)用不同的控制子程序；等待鍵釋放。計(jì)算鍵值以后，要進(jìn)行延時(shí)操作等待鍵釋放，其目的是為了保證鍵的一次閉合僅進(jìn)行一次處理。按鍵檢測程序見附錄2圖 3-4 按鍵檢測程序流程圖3.5 計(jì)時(shí)程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中采用DALLAS公司生產(chǎn)的時(shí)鐘芯片DSl302來完成計(jì)時(shí)程序，計(jì)時(shí)程序的作用是使系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)嚴(yán)格按照設(shè)定時(shí)間進(jìn)行，其流程圖如圖 3-5 圖 3-5 DS13

49、02 計(jì)時(shí)流程圖DS1302讀寫時(shí)序要求比較嚴(yán)格，包含位與字節(jié)數(shù)據(jù)的讀寫，得到的時(shí)間信息保存在數(shù)ucCurtime中，具體設(shè)置碼見附錄2。3.6 顯示程序設(shè)計(jì)控制面板要顯示的內(nèi)容比較多總計(jì)有13個(gè)7段數(shù)碼管，為了簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，采用兩片MAX7219級聯(lián)方式來驅(qū)動(dòng)控制所有的數(shù)碼管，MAX7219須進(jìn)行初始化設(shè)置后才能正常工作，MAX7219相關(guān)的常量與函數(shù)見附錄23.7 定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)用到了T0和T1兩個(gè)定時(shí)器，其中定時(shí)器T1作為串口通信的波特率發(fā)生器，定時(shí)器T0作為10ms的定時(shí)中斷，10ms也是一個(gè)正弦半波的時(shí)間，在T0的服務(wù)程序中設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志位如falg10S、falg500m

50、S，若溫度采樣時(shí)間（10S）到時(shí)，則標(biāo)志位flag10S=1，接著判斷讀DSl302時(shí)鐘芯片時(shí)間是否到，若到讀芯片時(shí)間，則標(biāo)志位 flag500mS=l。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中設(shè)置每500ms讀一次DS1302時(shí)鐘芯片時(shí)間。電阻爐是一個(gè)較強(qiáng)的滯后性和慣性的系統(tǒng)，滯后時(shí)間等于采樣周期的N倍，如果滯后時(shí)間是60S，采樣周期可以是10S。本系統(tǒng)采樣周期為10S，每10S進(jìn)行一次溫度采樣，系統(tǒng)根據(jù)控制算法產(chǎn)生新的控制輸出。系統(tǒng)的外接晶振頻率為12MHz，使用T0定時(shí)器產(chǎn)生10ms中斷時(shí)，定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值為=55536，即為d8f0H。第四章 結(jié)論所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)采用的是數(shù)字增量式PID的控制原理，控制

51、原理并不高深，對電阻爐這樣一個(gè)大慣性、大滯后、非線性的被控對象，使用時(shí)干擾和擾動(dòng)比較頻繁，須詳盡考慮溫度測控過程中的各種因素。如在硬件電路設(shè)計(jì)部分，考慮到電阻爐的溫度較高，要求爐溫的控制精度也高，所以在選擇硬件時(shí)做了一些處理，測溫元件選用測量精度高，穩(wěn)定性好的熱電偶作為測溫元件。在軟件方面也充分考慮溫度控制系統(tǒng)擾動(dòng)的特點(diǎn)，采用了軟件濾波去干擾的技術(shù)（本次設(shè)計(jì)采用中值濾波），使系統(tǒng)的工作的穩(wěn)定性有了進(jìn)一步的保障。本系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)試與測試，最終完成了設(shè)計(jì)。可以認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是可行的，設(shè)計(jì)結(jié)果是合理、可靠的。現(xiàn)在將整個(gè)設(shè)計(jì)過程中總結(jié)如下：1、溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路合理。首先提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，規(guī)劃系統(tǒng)的參數(shù)規(guī)格，為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)確定了具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)過程中，查詢了大量的資料與參考文獻(xiàn)，為設(shè)計(jì)的順利完成提供了條件。2、硬件