毕业论文-基于PID控制的热处理炉设计.doc

河南科技大学本科毕业设计（论文） 题 目 _基于pid控制的热处理炉设计_学生姓名 专业班级 学 号 所 在 系 指导教师 完成时间 2012 年 3 月 12 日 河南科技大学本科毕业设计论文基于pid控制的热处理炉设计摘 要热处理炉是利用电流通过热处理体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。热处理炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此热度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。热处理炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，随炉种的不同而已。热度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如热度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中热度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制热度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、热处理炉、电热水器、空调等家用电器，热度与我们息息相关。可见热度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对热度进行控制是非常有必要和有意义的。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，用热电偶作为测量元件，用固态继电器作为输出控制元件来实现对热处理炉热度自动控制。单片机控制k型热电偶热度传感器，把热度信号通过a/d转换器采集到单片机里。单片机经数据处理、pid运算，发出控制信息改变执行模块的状态，同时用led显示显示值pv、设定值sv。本设计通过4个按键来进行人机交互和led显示，进而使热处理炉的热度始终保持在要求范围内。关键字：热处理炉；热度；单片机； pid控制res is tance furnace temperature control sys tembased on single chip computerabstract heat treatment furnace is using the electric current through the resistance body heat generation to heating or a kind of electric stove melt materials. heat treatment furnace in chemical industry, metallurgy industry, etc widely application, so the temperature control in the industrial production and scientific research has important significance in 1. heat treatment furnace body, by electric control system and auxiliary systems. furnace shell, heater, from furnace lining (including insulation screen), and other components 2. electrical control system including electronic circuits, microcomputer control, the instrument shows and electrical parts, etc. auxiliary system usually refers to the transmission system, vacuum system, cooling system, etc, with the difference of the boiler. the temperature is the production process and scientific experiments are very common and important physical parameter. in the industrial production process, in order to efficiently carried out, production, must on production process in the process of the main parameters, such as temperature, pressure, and flow velocity, effective control, temperature control in the production process of occupies a large proportion. accurate measurement and effective control of temperature is high quality, high output, low cost and safe production of the important conditions. and in our daily life and can use microwave oven, electric resistance furnace, electric water heater, air conditioning and other home appliances, temperature and everyday life. temperature control circuit is widely used in every field of the society, so the temperature control is very necessary and meaningful. this design uses the single chip microcomputer as the data processing and the control unit, the thermocouples used as measuring element, with solid state relay as the output control elements to achieve heat treatment furnace temperature automatic control. single-chip microcomputer control thermocouple temperature sensor type k, the temperature signal through the a/d converter collection to the single chip microcomputer. the single chip microcomputer data processing, pid operation, a control information change executive module state, at the same time use the led display the display value, setting pv sv 3. this design through the 4 buttons for human-computer interaction and led display, and heat treatment furnace temperature remains in requirements range.key words：the resistance furnace; temperature; scm; pid controliii目 录摘 要iabstractii目 录1第1章 绪论1第2章 热处理炉热度控制系统硬件22.1 系统设计方案的论证与比较22.2 最小系统结构框图42.3 热度采集与传感器52.3.1 热电偶热度信号的线性化72.3.2 a/d转换电路82.3.3 控制器控制流程9第3章 单片机103.1 单片机的主控单元103.2复位电路123.2.1时钟电路133.3 人机交互电路143.3.1 按键143.3.2 显示电路153.4 串口通信183.5 报警单元19第4章 软件设计与pid控制224.1 设计思路224.2 pid控制基本特性234.2.1模糊控制234.2.2模糊控制与pid的结合244.3 pid控制工作流程244.4程序设计274.4.1 采样程序274.4.2 显示子程序284.4.3 按键子程序294.4.4 pid控制子程序30结 论33参考文献34致 谢35附录1:原理图36附录2:程序37第1章 绪论随着社会的发展，科技的进步，以及测热仪器在各个领域的应用，智能化已是现代热度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，热度控制系统已应用到人们生活的各个方面，是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个热度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。热处理炉是利用电流通过热处理体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。它的特点：电路简单；对炉料种类的限制少；（小型热处理炉可以加热食品、干燥木材等）；炉热控制精度高；容易实现在真空或控制气氛中加热等特点。它适用于：机械零件的淬火、回火、退火、渗碳、氮化等热处理 ；各种材料的加热、干燥、烧结、钎焊、熔化等。热处理炉的主要参数有额定电压、额定功率、额定热度、工作空间尺寸。热处理炉按炉热不同可以分为低热热处理炉(600700以下)、中热热处理炉(7001200)、高热热处理炉(1200以上)。热处理炉被广泛应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中，在很多生产过程中，热度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。因此各个领域对热处理炉热度控制的稳定性、可靠性、精度等要求也越来越高，热度测量控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。热度控制技术的发展经历了三个阶段：1、定值开关控制；2、pid控制；3、智能控制。pid控制热度的效果主要取决于p、i、d三个参数4。pid控制大滞后、大惯性、时变热度系统时，其控制质量难以保证。热处理炉是由热处理丝加热升热，靠自然冷却降热，pid控制对小型热处理炉的热度控制效果良好。本文以热处理炉为控制对象，以模糊pid为硬件核心，利用单片机使热处理炉的热度维持在一个稳定的范围。第2章 热处理炉热度控制系统硬件2.1 系统设计方案的论证与比较根据题目要求，热度控制器是由核心处理模块、热度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成，所以本设计要考虑这些模块器件的选型以及所设计出来的热度控制器的可行性，其主要有以下几种设计方案。方案一： 经典控制方案经典控制方案可分为数字控制器的间接设计方案和数字控制器的直接设计方案。数字控制器的间接设计方案是一种根据模拟设计方案转换而来的设计方案。传统模拟系统中的控制器设计己有一套成熟的方法，其中以pid控制器为代表。pid控制器具有原理简单、易于实现、适用范围广等优点。将模拟控制器转换成数字控制器是用离散时近似方法将一连续时间系统的控制规律离散为数字控制器的控制规律，其中为确保数字控制器与模拟控制器的近似，要适当选择采样周期，这种方案可行但太过于简单。方案二：采用比较流行的at89c51作为电路的控制核心,at89c51是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器8。数据的采集部分采用k型热电偶传感器，数据转换部分采用adc0832，它改变传统热度测试方法,能在现场采集热度数据,并直接将热度物理量变换为数字信号传送到计算机进行数据处理,测试热度范围为- 270 + 1300。可应用于各种领域、各种环境的自动化测试和控制系统,使用方便灵活,测试精度高,优于任何传统的热度数字化、自动化测控设备。控制电路部分采用固态继电器以实行对被控热度的控制,此方案电路简单并且可以满足一般的控制要求。方案三：采用plc作为控制电路的核心，以状态空间法为基础来分析和设计控制系统。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和提示了系统的内部状态和性能。基于现代控制理论的设计方案是建立在对系统内部模型的描述之上的。它是通过数学方法对控制系统进行分析综合。控制规律的确定是通过极小化预先确定的性能指标函数或使控制系统满足希望的回应而推导出来的。此类设计方案主要有:系统辨识、最优控制、自校正控制等。这类设计方案适用范围广，适合于多输入多输出系统、某些非线性时变系统和一些具有随机扰动的系统。该方法理论严谨，控制系统的稳定性问题可以严格证明，性能指标能定量分析，得到的控制质量较好。但这类方法需要知道精确的被控对象的数学模型形式但这种方法设计起来比较昂贵，不是学生可以承受的。综上分析,我们采用方案二。系统由单片机at89c52、热度检测电路、键盘显示、显示电路、热度控制电路等部分组成。在系统中，热度这一物理参数变化缓慢，大惯性和大滞后的特点，本论文考虑采用模糊控制与pid控制相结合的参数模糊自整定pid控制方法。本文首先介绍常规pid控制，模糊控制和自适应模糊pid控制的基础，然后对热处理炉热度这一控制对象利用热电偶测得热处理炉实际热度并转换成毫伏级电压信号。该电压信号经过热度检测电路转换成与炉热相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过液晶显示器显示热度，同时将热度与设定热度比较，根据设定计算出控制量，根据控制量通过控制继电器的导通和关闭从而控制热处理丝的导通时间，以实现对炉热的控制。系统设计总体框图如下图2-1所示： 图2-1 控制器设计总体框图在本系统的电路由四部分组成(1)控制部分主芯片采用单片机at89c52；(2)显示部分采用4位led数码管实现热度显示；(3)热度采集部分采用k型热电偶传感器；(4)热度控制部分采用固态继电器。根据热度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，我们设计了以at89c52单片机为检测控制中心，将热度控制在设定的范围之内。其主要的控制原理为：对被控对象的热度进行实时采集，其主要是通过热电偶传感器将热度转变成模拟电信号，并由a/d转换器adc0832将所得的模拟量转变成数字量送入单片机中。单片机将传感器所采集到的热度和事先设定的热度进行对比，当小于设定值时将发出信号启动加热装置；当大于设定值时将关闭加热装置，从而使得被控热度控制在一定的范围之内，达到实时控制的功能。整个控制器主要有以下功能：(1)被控热度可以根据实际的需要设定；(2)实时显示当前热度值；(3)按键控制：a、设置复位键、加一键、减一键、确定键；b、修改p、i、d系数；(4)越限报警。2.2 最小系统结构框图本系统以stc89c52单片机为核心，本系统选用12mhz的晶振，使得单片机有合理的运行速度,复位电路为按键高电平复位7。stc89c52单片机最小系统电路设计如图2-2所示：图2-2 stc89c52单片机最小系统2.3 热度采集与传感器图2-3 热电偶传感器热度检测是本次设计前向通道的重要组成部分，它的精确程度将直接影响到控制效果。因此，我们首先要选择合适的测热元件，对热度进行准确的测量。热电偶的冷锻热度补偿有四种方法：补偿导线法；冷端补偿法；计算修正法；电桥补偿法。补偿导线法：图2-4 补偿导线法的连接图冷端补偿法：（1）将热电偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端热度保持0不变的方法称为冰浴法。采用这种方法可以消除冷端热度t0不等于0而引起的误差。由于冰融化比较快，因而一般只适合在实验室中使用。（2）将热电偶的冷端置于电热恒热器中，恒热器的热度要略高于环境热度的上限。（3）将热电偶的冷端置于恒热的空调房间中，使冷端热度保持恒定。计算修正法：当热电偶的冷端热度t0 0c时，由于热端与冷端的热差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势eab（t，t0）与冷端为0 c时所测得的热电势eab（t，0c）不等。若冷端热度高于0 c，则eab（t，t0）eab（t，0 c）。可以利用下式计算并修正测量误差：eab（t,0c）= eab（t,t0）+ eab（t0,0c）电桥补偿法：图2-5 电桥补偿法的接线图本次设计采用计算修正法。2.3.1 热电偶热度信号的线性化热电偶热度信号非线性是比较大的，如b型热电偶，从0c升高到1800c，热电势从0mv变化到13.585mv，每100c热电势增加最大的约为最小的8倍。b偶的最大输出热电势只有13.585mv，而且当热度升高到约1700c时，该增加值下降。其他热电偶都存在类似的问题，尽管稍有不同。这又给线性化增加了难度。从这一特性出发，热电偶热度信号的线性化主要有如下几种方法。(1)单反馈法：利用负反馈，可以改善其线性，但是很有限。几种非线性稍小的热电偶，可以采用这种方法，特别是在热区要求不宽的情况下。有时，由于在其一热区有精度要求，那么就在该热区对信号进行调理，达到要求的目标；在其他热区可以放宽精度要求，甚至不要求，只作监视用。(2)折线近似法：这是一种对非线性较大的信号处理的较好的方法。处理得好可以达到较高的精度。这种方法普遍适用于各种热电偶的整个正信号热区。图2-6 折线近似法该种方法的电路原理图如图2-6所示。该电路的工作过程是：当输入的电压信号较低时，ic1中的反相端电压较同相端(a)低得多（同相端的电压大小是根据线性化要求设定的，b点同样），ic1的输出端电压较高，d1截止。当输入信号电压接近ic1的同相端时，ic1的输出逐渐降低，随之，d1逐渐导通，v4逐渐增大，直到v4接近a点电压为止。这就有效地限制了热电偶信号迅速增加，降低了非线性。ic2的工作过程与此类似，不同的是b点电位比a点高。当输入电压在a点电压以下时，d2截止，ic2不工作；只有当输入电压高于a点电压或接近b点电压时ic2才工作。工作过程与ic1相同。所用折线的段数是根据精度要求决定的。对于热电偶信号处理来说，有三段就可以使精度达到0.5%以上。2.3.2 a/d转换电路 本设计中热度检测电路输出信号为模拟量，要想将检测数据送入单片机，必须将其转换为数字信号，这里选用集成a/d转换器adc0832。a/d转换电路用来把连续的模拟信号转变成数字形式，即二进制数。实际的转换过程包括在特定时刻的信号采样并保持其值直到一个稳定信号被输入到模/数转换器即止。模/数转换器产生的二进制数通过微机的输入通道进入微型机。复杂的硬件或具有合适的软件指令的简单硬件都可能实现模数转换。软件的使用会降低模数转换过程的速度。高速模数转换的整个过程均需要使用硬件。用于特定用途的模/数转换器可按其精度和速度分类。出于各种实用的目的，模/数转换器可视为一个黑盒子，它能把在一定范围取任意连续值的模拟电压转换成离散的二进制代码。模拟电压转换得到的二进制码的数值取决于模/数转换器的位数。一个n位模/数转换器将提供2n个离散代码来代表输入的模拟电压。大多数模/数转换器基于逐次逼近和双斜式转换技术。n位的逐次逼近模/数转换器涉及n次比较操作。每次比较可以产生该位确切的二进制值(0或1)。最先产生的为最高位，最后产生的则是最低位。第一次比较时，用输入的电压与参考信号电压的一半(1/22)进行比较。如果输入电压大于参考信号的一半，那么最高位置为1，否则置为0。假定输人电压大于参考信号的一半，对8位adc来说，第一次比较将产生二进制码10000000。下一步是把参考电压的四分之一(1/22)迭加到由上面代码产生的电压上，并再次用它与输入电压比较。根据这次比较，产生的二进制代码将是11000000(模拟输入电压大于代码电压时)，或者是10000000(模拟输入电压小于代码电压时)。接着把参考电压的八分之一(1/23)迭加到第二位转换后的二进制代码所产生的电压上，把迭加后 的电压与输入模拟电压比较以确定第三位的二进制值。这个过程重复进行n次(模数转换器的位数)。因此对于第n位，由第n-1位产生的代码得到的电压被迭加到1/2n倍的参考电压后，并且让它与输入电压比较以决定第n位的二进制值。 2.3.3 控制器控制流程目前模糊pid控制器有多种结构形式，但工作原理基本一致。人们运用模学的基本原理和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制则以及其有关信息作为知识存入计算机的知识库中，然后计算机根据系统的实回应情况运用模糊推理，即可自动实现对pid参数的最佳调整，构成模糊自整pid控制器。自整定模糊pid控制是在pid算法的基础上，通过计算当前系统的误差e和误差变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数的整定。因此模糊自整定pid控制器设计的核心是总结工程设计人员的技术知识实际操作经验，建立合适的模糊控制规则表，得到针对，三个参分别整定的模糊控制表。基于以上相关的理论研究和分析，我们总结出模糊pid控制器的设计分为如下部分:(l)确定模糊pid控制器的输入和输出变量。模糊控制器的输入变量通常取误差e和误差的变化ec，构成二维模糊pd控制器，输出变量一般选择控制量的增量。模糊pid控制系统中控制量通常是，取其增量kp,ki, kd为输出量。(2)根据输入输出变量的变化范围，确定它们的量化等级、量化因子、比例因子。在每个变量的量化论域内定义模糊子集。首先确定模糊子集个数，确定每个模糊子集的语言变量，然后为各语言变量选择合适的隶属度函数。(3)建立模糊控制规则。模糊控制是语言控制，因此用语言归纳专家的手动控制策略，从而建立模糊控制规则表。模糊控制规则实际上是一组多重条件语句。(4)模糊推理模糊判决。通过模糊控制规则，得到从误差论域到控制量的模糊关系矩阵r，再通过误差的模糊矢量e和误差变化的模糊矢量ec与模糊关系r合成进行模糊推理，得到控制量的模糊矢量。采用清晰化方法将模糊控制矢量转化为精确量。(5)求模糊控制表。模糊关系、模糊推理以及模糊判决的运算可以离线进行，最后得到模糊控制器输入量的量化等级e、ec与pid控制量，之间的确定关系。 (6)把采样得到的偏差、偏差变化再经过模糊化，代入模糊控制规则表，得出新的pid参数，再经过pid算法的计算就得出了最后的输出量，也就是系统的控制量。(7)通过仿真分析模糊pid控制性能，再对比例因子和量化因子进行调整以获得最佳的控制效果。第3章 单片机在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。at89c52是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个8kb的flash可编程、可擦除只读存储器（eprom）。它采用了cmos工艺和atmel公司的高密度非易失性存储器（nuram）技术，而且其输出引脚和指令系统都与mcs-51兼容、片内的flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此，at89c52是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。基于上述这些特点，这里选择at89c52单片机作为控制核心。因为单片机的工作电源为+5v，at89c52电源输入支持的电压范围为5v3.4v，且底层电路功耗很小。vcc，电源端；gnd，接地端。其电源供电电路如图3-1所示：图3-1 电源供电电路3.1 单片机的主控单元本部分主要介绍单片机最小系统的设计。单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统为基础的。所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于片内带有程序存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。小系统是嵌入式系统开发的基石。本电路的小系统主要由三部分组成，一块at89c52芯片、复位电路及时钟电路。at89c52单片机：at89c52是美国atmel公司生产的低功耗，高性能cmos8位单片机，器件采用atmel公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。4k 字节可系统编程的flash 程序存储器，128字节内部ram，32个i/o口线，看门狗(wdt)，两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5矢量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路12。同时，at89c52停止cpu的工作，但允许ram、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram中的内容，但振荡器停止工作，并禁止其他所有部件工作，直到下一个硬件复位。at89c52 单片机的引脚说明vcc：供电电压； gnd：接地。p0是一个8位双向i/o端口，端口置1时作高阻抗输入端，作为输出口时能驱动8个ttl电平。对内部flash程序存储器编程时，接收指令字节；校验程序时输出指令字节，需要接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，p0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。p1是一个带有内部上拉电阻的8 位准双向i/0端口。输出时可驱动4个ttl电平。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。p2是一个带有内部上拉电阻的8位准双向i/0端口。输出时可驱动4个ttl电平。端口置1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，p2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3口也可作为stc89c52的一些特殊功能口，如下所示： p3.0 /rxd（串行输入口）；p3.1 /txd（串行输出口）；p3.2 /int0（外部中断0）； p3.3 /int1（外部中断1）；p3.4 t0（记时器0外部输入）； p3.5 t1（记时器1外部输入）； p3.6 /wr（外部数据存储器写选通）； p3.7 /rd（外部数据存储器读选通）； p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时，ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。本设计stc89c52单片机的p14、p15、p16、p17口接的是四位按键，p1.0口和p1.1口接led显示，x1和x2接的是晶振电路，reset接复位电路。3.2复位电路计算机在启动运行的时候都需要复位，使中央处理器cpu和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并且从这个初始状态开始工作。单片机的复位是靠外部电路实现的，mcs-51单片机有一个复位引脚rst，高电平有效。mcs-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。复位电路的基本功能是系统上电时，rc电路充电，rst引脚出现正脉冲，提供复位信号直至系统电源稳定后，撤销复位信号，为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时，才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。rc复位电路可以实现上述基本功能4。调整rc常数会令对驱动能力产生影响。复位电路如下图3-2所示：图3-2 复位电路图3.2.1时钟电路 时钟电路提供单片机的时钟控制信号，单片机时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式。最常用的是内部时钟方式是采用外接晶振和电容组成的。时钟振荡电路如图3-3所示：图3-3 时钟振荡电路 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚xtal1和引脚xtal2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自己振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12mhz，时钟频率就为6mhz。晶振的频率可以在1mhz-24mhz内选择。电容取30pf左右。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12mhz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值为30f。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。xtal1是片内振荡器的反相放大器输入端，xtal2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到xtal1，而xtal2悬空。3.3 人机交互电路人机交互的主要功能是辅助控制、方便调试，提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，在当今的各种实时自动控制和智能化仪器仪表中，人机交互是不可缺少的一部分。一般而言，人机交互是由系统配置的外部设备来完成，其实现方式有两种：一种是由mcu的i/o口驱动专用芯片实现，如键盘显示控制芯片，串行数据传输数码显示驱动芯片等，来实现人机交互功能。另一种就是mcu本身具有驱动功能，它通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式或i/o设备的访问形式来控制键盘和led实现人机交互。3.3.1 按键按键是现阶段电子设计中最常用、最实用的输入设备。按键能够成为最普遍的输入设备，主要是其具备了以下几个优点：工作原理、硬件电路连接简单、操作实用性强、价格便宜，程序编写简单。缺点：机械抖动比较严重、外型不够美观。按键部分实现的主要原理是单片机读取与按键相连接的i/o口状态，来判定按键是否按下，达到系统参数设置的目的。键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据输入、命令输入，是人工干预的主要手段。独立式按键就是按键相互独立，每个按键单独占用一根i/o口线，每根i/o口线的按键的工作状态，不会影响其他i/o口在线的工作状态。各按键开关均需要采用了上拉热处理，是为了保证在按键断开时，各i/o有确定的高电平。当输入口线内部已有上拉热处理，外电路的上拉热处理可省去。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断是哪个按键被按下了。优点：电路配置灵活，软件结构简单。缺点：每个按键需占用一根i/o口线，在按键数量较多时，i/o口浪费大，电路结构显得复杂。因此，此键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。在本设计当中，由于只需要四个按键，所以采用独立式键盘结构，电路连接图如图3-4所示：图3-4 独立式键盘当用手按下一个键时，往往按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态的情况；在释放一个键时，也回会出现类似的情况。这就是抖动。抖动的持续时间随键盘材料和操作员而异，不过通常总是不大于10ms。很容易想到，抖动问题不解决就会引起对闭合键的识别。用软件方法可以很容易地解决抖动问题，这就是通过延迟10ms来等待抖动消失，再读入键盘码。按键控制电路分别接在单片机p1.4p1.7口。它由4个按键构成，直接与单片机i/o口相连。当用于热度调节时，开关分别用于调整热度的上下限值，以及控制热度的输出。另外，设定1键用于显示采集的热度，第二次按下则进行热度的上限调整，第三次按下进行热度的下限调整，第四次按下则进行采集热度的显示构成循环。选择2键进行移位调整，第一次显示个位，第二次显示十位，第三次显示百位，第四次显示千位。3键增加键，按下一次在原基础之上加1，这个值在0-9之间变化。4键用于减少一个数，按下一次在原基础之上减1，这个值在0-9之间变化。当用于pid参数调节时，设定1键为确认键，按下第五次后，显示设置pid系数状态。选择2键进行移位调整，第一次显示kp，第二次显示ki，第三次显示kd。3键增加键，按下一次在原基础之上加1，这个值在0-9之间变化。4键用于减少一个数，按下一次在原基础之上减1，这个值在0-9之间变化。3.3.2 显示电路电子设计中常用的输出显示设备有两种：数码管和lcd。数码管是现在电子设计中普遍使用的一种显示设备，每个数码管由七个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从0到9中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单，但是当要显示的位数相对多的时候，数码管操作起来十分烦琐，显示的速度受到限制。液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案8。当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，可扩展性很强。字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用的信息显示器件之一。不足之处在于其价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。由于本设计所需要显示的内容比较简单，只包括现场热度值、热度限定值以及pid系数的显示，所以本系统的数据显示设备采用led数码管。设计中采用4位共阴极led静态显示方式，选用7段显示数码管。显示内容有热度值的千位、百位、十位、个位。led显示电路如下图3-5所示。图中的p1.1和p1.0分别连接到单片机的p1.1和p1.0引脚，作为时钟输入端和数据端口。图3-5led显示电路由于单片机不能直接驱动数码管显示，所以必须在单片机与led164之间加上74ls164，它的管脚图如图3-6所示。图3-6 74ls164管脚图a和b为74ls64的串行输入端；qa-qh为74ls64的串行输出端；clk是串行时钟输入端；clr是串行输出清零端；vcc：+5v；gnd：接地端。74ls164功能如表3.1所示。表3.1 74ls164功能表输 入输 出清除时钟abqaqbqhllllhlqa0qb0qh0hhhhqanqgnhllqanqgnhllqanqgnled164的管脚如图3-7所示，其中a-g段用来显示数字或字符的笔划，dp显示小数点，9和10引脚作为公共地。一英寸以下的的led数码管内，每一笔段含有一只led发光二极管，导通压降为1.2-2.5v；一英寸及以上的led数码管的每一笔段由多只led发光二极管以串、并联方式连接而成，笔段导通电压与笔段内包含的led发光二极管的数目、连接方式有关。在串联方式中，确定电源电压vcc时，每只led工作电压通常以2.0v计算，例如4英寸7段led数码显示器lc4141的每一笔段由四只led发光二极管按串联方式连接而成，因此导通电压应在7-8v之间，电源电压vcc必须取9v以上。数码管结构有共阴极和共阳极之分。本设计采用的是共阴极数码管。共阴极公共端接地，高电平有效（灯亮），共阴极数码管内部发光二极管的阴极(负极)都联在一起，此数码管阴极(负极)在外部只有一个引脚。图3-7 数码管管脚图3.4 串口通信串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行热度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。串行通信的主要功能是实现单片机与pc机的数据交换，当需要进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把数据发送给上位机，使用上位机进行数据处理，并且将数据处理的结果又发送给单片机。这样可以大大提高系统数据处理速度，还可以方便的对单片机进行控制。计算机与外界的数据传送大部分都是串行的，其传送距离可以从几米到几千米。串行口通信原理图如图3-8所示：图3-8 串行口通信3.5 报警单元报警电路实现的是当环境热度值超过系统设置的上限值或者小于系统设置的下限值时，都将通过i/o 口驱动蜂鸣器，进行蜂鸣器报警。而单片机i/o 口输出的电流无法直接驱动蜂鸣器，所以设计了蜂鸣器驱动电路，具体电路连接如图3-9所示： 图3-9 报警电路图热处理炉热度控制是通过控制热处理炉输入功率的大小实现对热度的控制，其控制方法有两种：一种是可控硅移相触发调节方式，实质就是通过改变交流电压每周期内电压波形的导通角从而控制输出功率；另一种是通断控制调节方式，其触发方式是过零触发，实质是通过改变交流电压每周期内电压波头出现的次数从而控制输出功率。通断控制调节方式会防止高次谐波的干扰和污染电网，硬件电路和软件程序都比较简单，因而本设计中采用的是通断控制调节方式。固态继电器的简介：固态继电器（solid state relays），简写成”ssr”，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关元件，它利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅等半导体器件）的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。固态继电器ssr-40da是由固态元件组成的无触点开关，具有工作安全可靠、寿命长、无触点、无火花、无污染、高绝缘、高耐压（越过2.5kv）、低触发电流、开关速度快、可与数字电路巨配，以阻燃型环氧树脂为原料，采用灌封技术，使与外界隔离，具有良好的耐压、防潮、防腐、抗震动等性能。固态继电器内部采用电压过零时开启，负载过零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波形。因此电路的射频干扰很小，可降低感性负载（如风扇、三相电动机等）的反电动势以及驱动阻性负载（如白炽灯、发热丝等）时可显著降低浪涌电流等优点,其内部结构如下图3-10所示：图3-10 ssr-40da内部结构图固态继电器控制热处理炉热度电路图如图3-11所示：图3-11 固态继电器控制热处理炉热度电路图第4章 软件设计与pid控制4.1 设计思路本部分详细介绍了基于at89c52单片机的热处理炉热度控制系统的软件设计。根据系统功能，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如热度采集子程序，数据处理子程序、显示子程序、pid控制子程序。采用keil uvision3集成编译环境和c语言来进行系统软件的设计。本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路，再逐一分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序。本系统要完成热度信号的采集与控制，需要实现热度信号的采集与a/d转换、数据处理、数据显示、数据传输等基本功能。从功能上可将其分为热度信号采集及a/d转换、数据处理、人机交互、执行四大部分进行设计。热度信号采集子程序，主要完成热度信号采集与a/d功能。热度信号采集子程序主要包括传感器初始化、单片机给传感器写命令、单片机给传感器写数据、单片机从传感器读数据等部分。数据处理子程序，当单片机收到热度传感器发送的热度数据后，数据处理子程序对该数据进行处理，主要是把采集到的二进制的热度数据转换成十进制热度数据。在系统软件中，主程序完成系统初始化和电炉丝的导通和关断；炉热测定、键盘输入、时间确定和显示、控制算法等都由子程序来完成；中断服务程序实现测热。流程图如图4-1所示。图4-1 控制系统程序流程图4.2 pid控制基本特性4.2.1模糊控制 模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，它不需要被控对象的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和直觉判断，容易应用。模糊热控的实现过程为:将热控对象的偏差和偏差率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规则，将这些模糊规则写成模糊条件语句，形成模糊模型。根据模糊查询表，形成模糊控制算法。对输入量的精确值模糊化，经数学处理输入计算机，计算机由模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成