電阻爐溫度智能控制系統畢業(yè)論文

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

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

3、造紙行業(yè)、冶金工業(yè)和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。其中溫度控制在生產過程中占有相當大的比例，即使日常生活中的電熱水器、空調、微波爐、電烤箱等家用電器也同樣需要溫度監(jiān)控?？梢姕囟瓤刂齐娐窂V泛應用于社會生活的各領域，所以對溫度進行控制是非常有必要和有意義的。準確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質、高產、低耗和安全生產的重要條件1-2。原有的溫度控制系統（控制柜）存在以下缺點：(1) 原有的溫度控制柜體積龐大，系統未采用微處理器，溫度控制的精度低，故障率高，爐溫波動大，影響熱處理質量；(2) 原有的溫度控制系統通過對繼電器的通斷實現爐溫的調節(jié)控

4、制，電路工作時對電網的質量有影響，在一定程度上影響了實驗室其他的用電設備；(3) 原有的溫度控制系統沒有故障自診斷與提示功能，當系統出現故障后，無法為操作人員及時指示故障類型和準確位置；(4) 原有的溫度控制系統沒有預留通信接口，無法與實驗室其他的電爐聯網工作，也無法通過上位機進行數據的采集與管理，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沒有溫度參數設定與溫度保持定時功能，如果需要溫度保持（定時）必須要有操作人員現場監(jiān)控，自動化程度非常低，使用不方便；正是由于存在以上的問題，它直接影響到了產品的產量、質量和正常的教學工作。所以，

5、單位提出重新設計電阻爐的溫度控制系統，實現降低故障率，并提高爐溫的控制精度，使控制系統能更加可靠、穩(wěn)定的運行，更好的滿足生產與教學要求。1.2 電阻爐爐溫控制的國內外發(fā)展電阻爐是熱處理生產中應用最廣泛的加熱設備，它在機械、冶金等行業(yè)的生產中占有十分重要的地位3-4，溫度控制質量的好壞將直接影響著熱處理產品的產量和質量，對于提高生產率和節(jié)約能源也有舉足輕重的意義，所以國內外關于電阻爐自動控制的研究一直備受重視，發(fā)展比較快，已有廣發(fā)的應用案例。1.2.1 電阻爐國外的發(fā)展動態(tài)國際上對電阻爐計算機控制系統的研究始于上世紀從70年代，隨著計算機技術的飛速發(fā)展與新的控制方法的出現，電阻爐計算機控制的水平

6、得到了大幅提高，應用也日趨廣泛。國外電阻爐計算機控制應用的現狀如表 1-1 所示5。表 1-1 電阻爐計算機控制在國外的一些應用現狀廠家名稱所用機型應用現狀日本PLC鋼坯目標出爐溫度計算，鋼溫預報，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，設定值選擇，生產調度模型隨著數字計算機向小型、高速、大容量、低成本方向的發(fā)展，傳統的PID控制和現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、網絡化已成為發(fā)展的趨勢。1.2.2 電阻爐國內的發(fā)展動態(tài)我國對電阻爐的控制進行了廣泛的研究始于上世紀80年代，隨著微型計算機控制技術

7、的發(fā)展，電阻爐計算機控制逐步進入實用化階段6。目前，國內電阻爐控制系統的研究現狀如下：(1) 采用先進的控制設備隨著單片機、可編程控制器與工業(yè)控制機等先進控制系統的發(fā)展，逐步取代了以前大規(guī)模的繼電器、模擬式控制儀表。單片機也因其極高的性價比而受到人們的重視和關注，獲得廣泛地應用和迅速地發(fā)展。(2) 采用新的控制方法對傳統的負反饋、單一PID控制系統做了多種補充，從而使控制性能更佳。同時，越來越多的控制系統采用新的控制方法如：模糊控制、神經網絡控制、遺傳算法控制、最優(yōu)控制、自整定PID參數控制器、自適應控制和自校正控制器等，這些在工業(yè)上都有了成功應用的工程案例7。單片機具有體積小、重量輕、控制功

8、能強、價格低與開發(fā)方便等優(yōu)點。單片機應用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來的經濟效益，更重要的意義在于，單片機的應用從根本上改變了控制系統傳統的設計思想和設計方法。以前采用硬件電路實現的大部分控制功能，現在可以用單片機通過軟件的方法來實現。以前自動控制中的PID調節(jié)，現在可以用單片機實現具有智能化的數字計算控制、模糊控制和自適應控制。這種以軟件取代硬件并能提高系統性能的控制技術稱為微控技術8。1.3 溫度控制系統的設計要求電阻爐溫度控制系統應具備溫度測量、顯示、與上位機通信、過限報警等功能，并要求具有良好的穩(wěn)定性、高控制精度，以滿足實驗室熱處理對溫度的需求。系統設計時，首先確定系統的設計目標，

9、確定溫度控制器的規(guī)格與技術指標，這對于明確設計的目的性和控制功能的邏輯性有重要的意義。然后設計系統的操作面板，面板設計遵循簡潔實用的原則，并規(guī)劃出相關的操作規(guī)范及運行參數，為硬件設計和軟件設計確定具體的目標。1.3.1 設計目標針對原有電阻爐溫度控制系統的功能缺陷及現有控制要求，確定本次設計的目標如下：(1) 系統滿足穩(wěn)、準、快的系統要求；(2) 系統的測溫范圍在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，如P、I、D及保溫時間；(4) 用7段高亮數碼管顯示設定爐溫（5位數碼管）、爐溫實時溫度（5位數碼管）、保溫時間（3位數碼管）等系統信息；(5) 用四個發(fā)光二

10、極管以不同的顏色和發(fā)光狀態(tài)來指示顯系統的工作狀態(tài)。1.3.2系統的技術指標與規(guī)格整個系統最終達到的技術指標是由系統中的各個環(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。據實驗室熱處理的實際需要，確定所設計的溫度控制系統的主要技術參數如表 1-2 ： 表 1-2 主要技術參數額定功率（KW）12額定電壓（V）單相220V10% 50Hz1Hz輸出電壓（V）220V（調功控制）最大電流（A）30最高控制溫度（）1000控溫誤差（）2保溫時間（min）0600（最大10個小時）熱電偶類型K型熱電偶顯示方式1

11、3個高亮LED數碼管（MAX7219驅動控制）輸入方式5個輕觸按鍵報警方式聲、光報警器與上位機通信接口RS-4851.4.操作規(guī)范設計程序設計之前必須規(guī)劃好操作的流程，也就是做好規(guī)范化設計。操作規(guī)范是編寫操作程序的重要依據，良好的操作設計便于操作與程序的編寫。為了提高系統設計效率，應對系統的設計過程進行規(guī)劃，系統的總體設計步驟如圖 1-2 所示。圖 1-2 系統總體設計步驟第二章 系統硬件設計電阻爐控制系統應具備溫度測量、顯示、記錄、參數輸入等功能，并要求具有可靠性高、通用性強、控制精度佳等特點，以滿足控制需求。基于上述性能要求，系統的硬件結構如圖 2-1 所示，系統包括單片機AT89S51、

12、溫度檢測與處理電路、鍵盤與顯示接口電路、聲光報警電路、串口通信電路以及計時電路10。圖 2-1 溫度控制系統硬件結構圖控制系統采用熱電偶作為溫度傳感器，熱電偶把溫度轉換為毫伏級的電壓信號，這個信號必須進行放大處理、冷端補償、非線性化處理和數字處理后才能送到單片機中，這個過程環(huán)節(jié)多，容易受到干擾，為簡化設計，在設計中采用集成芯片MAX6675來完成整個過程的溫度數據處理。單片機對溫度數據進行數據處理后，首先進行超限報警處理，如果超限就調用超限處理子程序，若未超限就對溫度數據進行數字濾波后進行PID算法控制，得到輸出控制量。具體控制過程是：當溫度偏差大于50時，讓雙向晶閘管全導通或全關閉實現快速縮

13、小溫差，減小調節(jié)時間，當溫度偏差小于50時調用PID控制算法，由算法得到雙向晶閘管導通率實現對雙向晶閘管正弦半波的個數控制以達到調溫的目的。系統中的時鐘電路的功能是根據熱處理工藝要求設置保溫時間，溫度控制系統所有的參數通過13位高亮7段數碼管顯示，狀態(tài)信息通過4個發(fā)光二極管指示。2.1 CPU選型本溫度控制系統選用ATMEL89系列單片機中的AT89S51作為微處理器。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS型8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)Flash存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指

14、令系統及80C5引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes 的Flash片內程序存儲器，128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。AT89S51在空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時

15、計數器，串行口，外中斷系統可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求11。2.2 溫度檢測電路的設計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，它具有構造簡單、精度高、熱響應時間快、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，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。考慮設計成本與實際的溫度范圍（01000），在本設計中選用分度號為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極材料線徑與作用溫度的關系（）正極負極線徑（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體或半導體兩端焊接起來，構成一個閉合回路，當兩導體之間存在溫差時，便產生電動勢，在回路中就會形成一個大小的電流，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢13。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質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生的熱電勢。不同種類的兩根金屬導線A、B連接起來并保持接點的溫度為t0。若設由電壓計引出的導線與金屬線A、B連接點的溫度為t，則顯現出來的熱電勢EAB(t，t0)為： （2-1）對于已選定的熱電偶，當參考端溫度t0時，EAB(t，t0)=C為常數，則

18、總的電動勢與連接的方法和沿金屬線的溫度分布等細節(jié)無關，僅由熱電偶的類型及測量溫度t決定。2.2.3 熱電偶的溫度補償熱電偶都有對應的分度表，即在參考端溫度為0時，熱電勢和測量溫度的對應表。熱電偶的分度表是以冷端溫度0為基準進行分度的，熱電偶的實際工作環(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行溫度補償。常用的冷端溫度補償方法有：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、電橋補償法和冷端溫度自動補償法等。在本設計中采用集成芯片MAX6675完成冷端溫度的自動補償，可在很大程度上簡化系統的設計14。2.2.4 爐溫數據采集電路的設計型熱電偶

19、是工業(yè)生產中最常用的溫度傳感器，具有結構簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬等特點，本次設計就是選用K型熱電偶作為系統的溫度傳感器。目前，在以型熱電偶為測溫元件的工業(yè)測溫系統中，熱電偶輸出的熱電勢信號必須經過中間轉換環(huán)節(jié)，才能輸入基于單片機系統。中間轉換環(huán)節(jié)包括信號放大、冷端補償、線性化及數字化等幾個部分，實際應用中，由于中間環(huán)節(jié)較多，調試較為困難，系統的抗干擾性能往往也不理想。MAXIM公司推出的MAX 6675，它是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、A/D轉換器及SPI串口的熱電偶放大器與數字轉換器，可以直接與單片機接口，大大簡化系統的設計，保證了溫度測量的快速性與準確性。故在本設計中，為

20、簡化系統電路設計采用芯片 MAX 6675作為熱電偶電勢與溫度的轉換。2.2.5 MAX6675芯片MAX6675是具有冷端補償和A/D轉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，其主要功能特點如下：(1) 直接將熱電偶信號轉換為數字信號；(2) 具有冷端補償功能；(3) 簡單的 SPI 串行接口與單片機通訊；(4) 12 位 A/D 轉換器、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個引腳，腳1（GND）接地，腳2（T-）接熱電偶負極，腳3（T

21、+）接熱電偶正極，腳4（VCC）電源端，腳5（SCK）串行時鐘輸入端，腳6（CS）片選端，使能啟動串行數據通訊，腳7（SO）串行數據輸出端，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是一復雜的單片熱電偶數字轉換器，其內部結構主要包括：低噪聲電壓放大器A1、電壓跟隨器A2、冷端溫度補償二極管、基準電壓源、12位AD轉換器、SPI串行接口、模擬開關及數字控制器。其工作原理如下：K型熱電偶產生的熱電勢，經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是測量點溫度，T0是周圍溫度。在將溫度電壓值轉換為相應的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與 0實際參考值之間的差值。通過冷端溫度補償二極管，產生補償電壓U2經S4輸入ADC轉換器。 （2-3）在數字控制器的控制下，ADC 首先將U1、U2 轉換成數字量，即獲得輸出電壓U0的數據，該數據就代表測量點的實際溫度值T，這就是MAX6675進行冷端溫度補償和測量溫度的原理15-16。2.2.7 MAX6675與單片機的連接MAX6675采用標準的SPI串行外設總線與單片機

23、接口。MAX6675從SPI串行17接口輸出數據的過程如下：單片機使CS置為低電平，并提供時鐘信號給SCK，由SO讀取測量結果。CS變低將停止任何轉換過程，CS變高將啟動一個新的轉換過程。將CS變低在SO端輸出第一個數據，一個完整串行接口讀操作需16個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀 16 個輸出位，第1個輸出位是D15，是一偽標志位，并總為0；D14位到D3位為以MSB到LSB順序排列的轉換溫度值；D2位平時為低，當熱電偶輸入開放時為高，開放熱電偶檢測電路完全由MAX6675實現，為開放熱電偶檢測器操作，T-必須接地，并使接地點盡可能接近GND腳；D1位為低以提供MAX6675器件身份碼，D0位為

24、三態(tài)標志位17。MAX6675的SO端輸出溫度數據的格式如表 2-2 所示。表 2-2 MAX 6675SO 端輸出溫度數據的格式位標志位12位溫度數據熱電偶開路判斷設備序號狀態(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的控制時序可知，在CS=0且SCK有脈沖輸入時，SO引腳就輸出轉換的數據。在每一個脈沖信號的下降沿SO輸出一個數據，16個脈沖信號完成一串完整的數據輸出。輸出數據的格式先高位后低位，16位數據中D1

25、4D3為轉后的溫度數據。D14D3其最小值為0，對應的實際溫度值為0；最大值為4095，對應的溫度值為1023.75，分辨率為0.2518。實際溫度與轉換結果滿具有很好的線性關系，實際溫度與轉換后的數字量的計算式為：實際溫度值=1023.75轉換后的數字量4095 (2-1)圖 2-2 MAX 6675與 AT89S51 的連接2.3 輸入/輸出接口設計鍵盤和顯示電路實現了人機交互功能，通過鍵盤電路可以設置系統運行狀態(tài)和系統參數（P、I、D和保溫時間），顯示電路可以顯示系統的運行狀態(tài)、控制時間、設定溫度、實際溫度等。該溫度控制系統采用7段高亮LED數碼管（紅色）顯示系統的設置參數、保溫時間及實

26、際溫度值等?？傆?3數碼管和4個發(fā)光二極管（指示控制系統的工作狀態(tài)）。數碼管的驅動動采用MAX7219，MAX7219是美國MAXIM公司生產的串行輸入輸出共陰極顯示驅動器。該芯片可直接驅動最多8位7段數字LED顯示器，或64個LED和條形圖顯示器。它與微處理器的接口非常簡單，僅用3個引腳與微處理器相應端連接即可實現最高10MHz串行口。MAX7219的位選方式獨具特色，它允許用戶選擇多種譯碼方式譯碼選位，而且，每個顯示位都能個別尋址和刷新，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。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。本溫度控制系統采用兩片MAX7219級聯的方式驅動控制13個7段數碼管，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系統的工作狀態(tài)由四個發(fā)光二極管以不同的顏色與狀態(tài)顯示，如有報警信號蜂鳴器啟動，四個發(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)指示燈及報警電路設計對于參數的輸入通過按鍵實現，所設計的控制面板總計有5個按鍵，按鍵數量少，按鍵采用獨立按鍵的連接方式，其電路如圖 2-5 所示。圖

28、2-5 按鍵輸入電路2.4 與上位機通信電路的設計在數據通信，計算機網絡以及分布式工業(yè)控制系統當中，經常需要使用串行通信來實現數據交換。目前有RS-232，RS-485，RS-422幾種接口標準用于串行通信。RS-232是最早的串行接口標準，在短距離（15M），較低波特率串行通信當中得到了廣泛應用。其后針對 RS-232接口標準的通信距離短，波特率比較低的狀況，在RS-232接口標準的基礎上又提出了RS-422接口標準，RS-485接口標準來克服這些缺陷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：(1) RS-232接口的信號

29、電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接；(2) RS-232接口傳輸速率較低，在異步傳輸時，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成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；(4) RS-232接口傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在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接口的數據最高傳輸速率為 10Mbps；(7) RS-485 接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好；(8) RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米，另外RS-232接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(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備網絡。RS-485接口組成的半雙工網絡，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 串口通信電路設計美國Maxim公司推出的RS485異步通信收發(fā)芯片MAX1487，具有差分平衡系統抗干擾能力強、速度快、控制方便等優(yōu)點，在通信上有著廣泛的應用，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腳為驅動器輸出使能端（DE），第4腳為驅動器輸出端（DI），A接收器同相輸入端和驅動器同相輸出端，B接收器反相輸入端和驅動器反相輸出端。在RS-485串行通信的時候，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B電平較A電平高出200mV或更高，那么接收器輸入為“0”。驅動器帶負載輸出邏輯“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為單片機的串口通信接口電路。圖2-6 通信接口電路2.5 保溫定時電路設計電爐在某些時候需要某個溫度值保持一定的時間，系統必須有定時的功能單元。單片機有很多途徑實現定時與計時的功能，如軟件延時、采用內部定時器定時。其中軟件定時要占用CPU資源，特別當定時時間比較長的時候，其定時的精度也無法保證；采用定時器定時，雖然能夠實現精確定時，但長久定時也不能有效保證定時精度。為了提高定時精度、降低系統程序設計的復雜度，在本次設計采用

33、專用時鐘芯片DS1302來完成系統計時功能。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或 RAM 數據。DS1302內部有一個318的用于臨時性存放數據的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力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。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc10.2V時，Vcc2給DS1302供電。當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數據傳送。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)數據的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數據傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終

35、止此次數據傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數據輸入輸出端(雙向)，SCLK為時鐘輸入端。2.5.2 DS1302 的控制與寄存器DS1302的控制字如表 2-3 所示。控制字節(jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數據寫入DS1302中，位6如果為0，則表示存取日歷時鐘數據，為1表示存取RAM數據；位5至位1指示操作單元的地址；最低有效位(位0)如為0表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作，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SCLK時鐘的上升沿時，數據被寫入DS1302，數據輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數據，讀出數據時從低位0位到高位7。DS1302有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關，存放的數據位為BCD碼形式,其日歷、時間寄存器及其控制字見表 2-4。表 2-4 日歷、時間寄存器及其控制字電寄存器名命令字取值范圍各位內容寫操作讀操作7654321秒寄存器80H81H0059CH10SECSEC分鐘寄存器82H83H0059010MINMIN小時寄存器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、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關的寄存器等。時鐘突發(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容。DS1302與RAM相關的寄存器分為兩類：一類是單個RAM單元共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0HFDH，其中奇數為讀操作，偶數為寫操作；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個字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。2.5.3 DS1302 與單片機的連接DS1302工作機理與MAX1487相似，與單片機的連接非常簡單，具體連接如圖 2-9 所示。圖2-7 DS1302與單片機的連接2.6 溫度控制電路設計溫控系統的精度不僅受制于輸入檢測量的精度，同時也受制于輸出控制量的精度，要提高整個系統的精度，必須使兩者匹配。工藝要求加熱時在升溫階段快速，采用較大的恒定功率，但隨著溫度偏差減少，逐漸減少定周期內的導通周波。降低加熱功率，防止熱慣性的作用而產生較大的溫度超調。控制器能夠及時控制加熱器件在電源半波內的輸入有效值。可控硅調

39、功控制溫度具有不沖擊電網，對用電設備不產生干擾等優(yōu)點，是一種應用廣泛的控溫方式。所謂調功控溫就是在給定周期內控制可控硅的導通時間，從而改變加熱功率，來實現溫度調節(jié)。目前，采用可控硅進行功率調節(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)方式調功實際上是控制可控硅的導通角，達到調節(jié)功率的目的，此方式易造成電磁干擾且電路復雜。據文獻專門介紹22：采用移相觸發(fā)的可控硅交流調功裝置，往往在可控硅導通的瞬間使電網電壓出現畸變，當控制角為90時，產生的三次諧波電流為基波電流的50，五次諧波也可達到基波的1/6。這些諧波分量引起電網電壓波形畸變，功率因數下降，給其它用電設備和通訊系統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，它可把可控硅導通的起始點限制在電源電壓過零點，從而大大降低了諧波分量。MOTOROLA公司生產的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，具有價格低廉、觸發(fā)電路簡單可靠的特點。本系統采用MOC3061作為可控硅的驅動器，控制可控硅的導通與關斷，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。MOC3061系列光電雙向可控硅驅動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，具有結構簡單、成本低、觸發(fā)可靠等優(yōu)點。采

41、用 MOC3061觸發(fā)晶閘管，強、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。經軟件分析所得的控制脈沖送至 MOC3061，直接形成驅動信號，控制可控硅的導通與關斷，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，控制電路見附錄1圖 2-8 輸出電路設計電路中C8、R19為阻容吸收電路，MOC3061在輸出關斷下，有500uA的漏電流，串入R8這個限流電阻，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 系統軟件設計硬件電路

42、確定之后，系統的主要功能將依賴于軟件來實現。對同一個硬件電路，配以不同的軟件，它所實現的功能也就不同，而且有些硬件電路的功能可用軟件來替代。因此，系統的設計很大程度上是軟件設計。在目前的單片機軟件開發(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器指令的符號語言，是最接近機器碼的一種語言。其主要優(yōu)點是占用資源少、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語言是一種結構化的高級語言。它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現對系統硬件的控制，它支持當

43、前程序設計中廣泛采用的由頂向下結構化程序設計技術。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結構，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設計方法提供了有力的保障。因此，用C語言來編寫目標系統軟件，會大大縮短開發(fā)周期，能有效增強軟件的可讀性，便于改進和擴充?；诖耍诒驹O計中程序開發(fā)采用C語言作為編程語言。3.1 軟件總體設計整個溫度控制系統不僅要處理按鍵、顯示和通信功能外，而且要實時處理對溫度的采集信息并處理。整個系統包括主模塊、初始化模塊、溫度檢測模塊、鍵盤處理模塊、顯示控制模塊、計時控制模塊、中斷服務模塊、控制算法模塊、輸出通斷率控制模塊等幾個部分，其軟件總體結構圖如圖 3-1 所示。溫度控制系統設計的重

44、點也就是對控制程序的設計與調試。整個系統軟件相當大，為了便于編寫、調試、修改，并使設計的軟件總體結構合理，在進行程序設計時采用了以下幾個措施：(1) 根據軟件功能的要求，將系統軟件分成若干個相對獨立的部分。各功能程序實現模塊化，在各模塊間通過軟件接口連接，原則是模塊內數據關系緊湊，模塊間數據關系松散；(2) 編寫軟件前，繪制出相應的程序流程圖，這不僅是程序設計的一個重要組成部分，而且是決定程序設計成敗的關鍵部分；(3) 合理分配系統資源，包括定時/計數器，中斷源等；(4) 為了提高程序的可讀性，在程序的有關位置進行功能注釋。圖 3-1 軟件總體結構3.2 主程序設計上電或復位后系統，首先進行系

45、統自檢，診斷正常后各功能模塊進行初始化，接著進行數據采集，經過數字濾波、標度變換后，計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。系統開放定時器及外部中斷，一旦發(fā)生中斷或其他外部響應，首先判斷是哪個響應源，然后調用相應的功能模塊完成執(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計溫度檢測采用K型熱電偶轉換器MAX6675完成，由MAX 6675構成的溫度檢測電路具有控制程序易于編寫，讀數精確度高等優(yōu)點。MAX6675的轉換結果與溫度的數量關系滿足實際溫度值=1023.75熱電偶轉換后的數字量4095 （3-1）MAX 6675芯片實

46、現了對熱電偶輸出的電壓信號的放大、冷端補償和線性化的自動處理，所以其轉換程序比較簡單，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 按鍵檢測程序設計操作者要進行參數（P、I、D和保溫時間等）的設定或狀態(tài)切換，必需通過按鍵（鍵盤）來實現，按鍵（鍵盤）是人機聯系的重要通道。鍵盤處理程序的主要任務是進行有無按鍵按下的判斷并獲取鍵值，根據鍵值轉入相應的按鍵控制程序，實現對應的控制操作。一個按鍵處理的流程有如下幾步內容：首先鍵盤掃描，判斷是否有鍵按下。P1口的第04位分別接5個按鍵。程序在初始化時指定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；去抖動處理。在按鍵被按下與釋放時，由于機械觸點的彈性及電壓突變等原因，在觸點閉合或斷開的瞬間會出現抖動，抖動會引起按鍵功能的實現出現誤操作。因此，必須對抖動進行處理（去抖動），去抖動有硬件與軟件兩種方法，在本次設計中采用軟件去抖動的方法。抖動的時間一般在1020ms，只要調用延時程序跳過1020ms 重新在對按鍵的狀態(tài)進行判斷，信號仍保持，就認為本次按鍵有效；(3) 鍵值的計算。軟件去抖動之后再進行一次鍵盤掃描，若仍有按鍵按下就計算閉合鍵鍵值，程序轉向對應控制功能去執(zhí)行。計算方法直接讀取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，程序對鍵值進行判斷處理后調用不同的控制子程序；等待鍵釋放。計算鍵值以后，要進行延時操作等待鍵釋放，其目的是為了保證鍵的一次閉合僅進行一次處理。按鍵檢測程序見附錄2圖 3-4 按鍵檢測程序流程圖3.5 計時程序設計本設計中采用DALLAS公司生產的時鐘芯片DSl302來完成計時程序，計時程序的作用是使系統的各種運行狀態(tài)嚴格按照設定時間進行，其流程圖如圖 3-5 圖 3-5 DS13

49、02 計時流程圖DS1302讀寫時序要求比較嚴格，包含位與字節(jié)數據的讀寫，得到的時間信息保存在數ucCurtime中，具體設置碼見附錄2。3.6 顯示程序設計控制面板要顯示的內容比較多總計有13個7段數碼管，為了簡化系統的硬件設計，采用兩片MAX7219級聯方式來驅動控制所有的數碼管，MAX7219須進行初始化設置后才能正常工作，MAX7219相關的常量與函數見附錄23.7 定時中斷程序設計系統用到了T0和T1兩個定時器，其中定時器T1作為串口通信的波特率發(fā)生器，定時器T0作為10ms的定時中斷，10ms也是一個正弦半波的時間，在T0的服務程序中設置相應標志位如falg10S、falg500m

50、S，若溫度采樣時間（10S）到時，則標志位flag10S=1，接著判斷讀DSl302時鐘芯片時間是否到，若到讀芯片時間，則標志位 flag500mS=l。在本系統軟件設計中設置每500ms讀一次DS1302時鐘芯片時間。電阻爐是一個較強的滯后性和慣性的系統，滯后時間等于采樣周期的N倍，如果滯后時間是60S，采樣周期可以是10S。本系統采樣周期為10S，每10S進行一次溫度采樣，系統根據控制算法產生新的控制輸出。系統的外接晶振頻率為12MHz，使用T0定時器產生10ms中斷時，定時器的計數初值為=55536，即為d8f0H。第四章 結論所設計的溫度控制系統采用的是數字增量式PID的控制原理，控制

51、原理并不高深，對電阻爐這樣一個大慣性、大滯后、非線性的被控對象，使用時干擾和擾動比較頻繁，須詳盡考慮溫度測控過程中的各種因素。如在硬件電路設計部分，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擾動的特點，采用了軟件濾波去干擾的技術（本次設計采用中值濾波），使系統的工作的穩(wěn)定性有了進一步的保障。本系統經過多次調試與測試，最終完成了設計?？梢哉J為整個系統的設計思路是可行的，設計結果是合理、可靠的?，F在將整個設計過程中總結如下：1、溫度控制系統總體設計思路合理。首先提出了系統的總體設計方案，規(guī)劃系統的參數規(guī)格，為硬件設計和軟件設計確定了具體的設計目標。在整個系統的開發(fā)過程中，查詢了大量的資料與參考文獻，為設計的順利完成提供了條件。2、硬件