单片机课程设计-加热窑炉温度控制系统设计.docx

青海大学昆仑学院课程设计课程名称： 加热窑炉温度控制系统 班 级： 自动化2008级（1）班 学 号： 姓 名： 设计日期： 2011-12-42011-12-11 加热窑炉温度控制系统图纸所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。但是，由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。设计要求1、绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。2、以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。3、假设主对象的传递函数为，其中,副对象的传递函数为，主、副控制器的传递函数分别为，,，请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。4、利用simulink实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。5、根据两种系统仿真结果分析串级控制系统的优缺点设计方案温度控制器控制阀炉膛炉膛壁温度检测、变送仪表加热炉出口一、 加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图 图2 加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图二、 串级控制系统加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求。串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。由加热炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如图4所示。主控制器副控制器调节阀炉膛出口主检测、变送仪表副检测、变送仪表炉膛壁 图3 加热炉出口温度串级控制系统结构方框图三、 主、副控制器参数整定及simulink仿真主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选pi控制规律。副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器只要选p控制规律就可以了。在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：逐步逼近法；两步整定法；一步整定法。逐步逼近法费时费力，在实际中很少使用。两步整定法虽然比逐步逼近法简化了调试过程，但还是要做两次4：1衰减曲线法的实测。对两步整定法进行简化，在总结实践经验的基础上提出了一步整定法。为了简便起见，本设计采用一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为：（1）在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据k02/20.5这一关系式，通过副过程放大系数k02，求取副调节器的比例放大系数2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。（2）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。（3）改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数k1 和副调节器放大系数k2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。（4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数ti，即可得到改善。对于该温度串级控制系统，在一定范围内，主、副控制器的增益可以相互匹配。根据表1，可以大致确定副控制器的增益kc2及比例带。表1 常见对象的副控制器比例带的经验法副控制器对象 温 度 压 力流 量液 位比例带 2060307040802080增益kc2 1.75.01.43.01.252.51.255.0根据本设计，适当选取kc2=3.5（整定时可以根据具体情况再做适当调整）。然后在副回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器，本方案采用衰减曲线法整定，考虑到4：1衰减太慢，因此采用10：1衰减曲线法整定主控制器参数。一般地取kv=1,将x=45（学号最后三位）带入可计算出主对象的传递函数。衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至10：1衰减过程为止。这时的比例度称为10：1衰减比例度，用s表示之。相邻两波峰间的距离称为10：1衰减周期ts。根据s和ts，运用表2所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。 表2 衰减曲线法整定计算公式 衰减率 整定参数调节规律 titd0.75 ps pi 1.2s 0.5ts pid 1.8s 0.3ts 0.1ts 0.9 p s pi 1.2s 2ts pid 1.8s 1.2ts 0.4ts 衰减曲线法的第一步就是获取系统的衰减曲线，采用10：1衰减曲线法。在simulink中，如图5，把积分输出线断开，kc1的值从大到小进行试验，观察示波器的输出，直到输出10：1衰减振荡曲线为止。图6即为系统10：1衰减曲线。 图4 串级系统simulink模型（未连积分输出线时）当kc1=7.7时，在t1=8.1时出现第一峰值，为1.15；在t2=23.8时出现第二峰值，为0.89，曲线稳定值为0.86，可计算出衰减度为（1.15-0.86）：（0.89-0.86）=10：1。因此，当kc1=7.7时，系统出现10：1衰减振荡，且ts=t2-t1=23.8-8.1=15.7,根据表2可知，积分时间常数ti=2ts=31.4。 图5 串级系统10：1衰减振荡曲线 将kc1的值设置为7.7，1/ti的值设置为1/31.4=0.032，将积分器的输出连线连上，如图7所示，运行仿真后，得到如图8所示的结果，它即为pi控制时系统的单位阶跃响应。根据结果可知，参数整定后系统达到比较理想的效果。 图6系统simulink模型（积分输出线连上时） 图7 系统pi参数整定后的单位阶跃响应曲线综上可知，主、副控制器参数整定结果为：kc1=7.7,kc2=3.5,ti=31.4，kv=1。四、单回路系统和串级系统仿真输出响应曲线对比 图8 单回路控制系统simulink模型 图9 单回路控制系统阶跃响应输出曲线图8与图10即分别为串级控制系统和单回路控制系统阶跃响应输出曲线五、串级控制系统性能分析图8与图10比较可知，串级系统输出曲线第一峰值出现时间明显比单回路系统更早，缩短了上升时间，减小了对象时间常数，系统快速性增强。串级系统输出曲线的调节时间缩短，使系统更早进入稳定状态，系统振荡幅度明显得到改善，增强了系统的稳定性。 对串级控制系统和单回路控制系统阶跃响应输出曲线对比可知，串级控制系统由于增加了副控制回路，使控制系统的的抗干扰性能、动态性能、工作频率及自适应能力都得到明显改善。其性能可归纳为： 1、可以显著提高系统对二次扰动的抑制能力，甚至是二次干扰在对主被控量尚未产生明显影响时就被副回路克服了。由于副回路调节作用的加快，整个系统的调节作用也加快，对一次扰动的抑制能力也得到提高。 2、提高了系统的工作频率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例带可以更窄，从而提高了系统工作频率。3、提高了系统的动态性能，由于副回路显著改善了包括控制阀在内的副对象的特性，减少了时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能得到明显改善。4、对负荷干扰或操作条件的变化有一定的自适应能力。包括控制阀在内的副对象在操作条件和负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地削弱。但串级控制系统也存在一些不足：只有当中间变量能够检测出来时，才可能采用串级控制系统，但许多过程在结构上是不容易以这种方式加以分割的；串级控制系统比单回路控制系统需要更多的仪表，串级控制系统的投放和整定也比单回路控制系统复杂些。在实际生产中，如果是单回路控制系统能够解决的问题，就不一定非要采用串级控制系统方案，一般当单回路控制方案质量达不到实际要求时，才考虑采用串级控制系统。六、控制系统实现本系统设计要求的方案有多种：(1)用plc为控制器，热电阻/热电偶作为测温器件，实现闭环控制。(2)用单片机结合温度传感器和加热执行机构对温度进行控制，键盘修改温度参数、显示。每一种方案都有其各自的优点。本章详细列举、说明了两种不同的设计方案的优缺点进行对比，选出了最佳控制方案。1.可选方案方案一：以plc为控制器此方案用plc作为主要控制器的核心，利用热电偶作为测温器件，然后通过一个变送器将温度转换成电压信号，送入到a/d转换器进行模拟到数字量的转换，转换结转送入plc，由plc根据给定值与测量值的大小作比较得到一个偏差，再由d/a将偏差数字量转换成模拟量来调节加热丝的工作时间或者通过调节不同电压来调节加热丝的加热功率，最终达到窑炉恒温控制的目的。系统原理框图如下图1所示： 实际温度加热给定值d/a转换plc控制器a/d转换变送器热电偶图1 方案一的原理框图方案二：采用51单片机为主控芯片此方案采用单片机为主控芯片。利用热电阻pt100作为温度传感器件，然后通过运算放大器op-07构建差分放大器将温度信号转换成adc0809模拟通道的输入的0-5v标准信号，再由adc0809将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机p0口，单片机将实时温度和设置参数通过数码管显示出来，同时通过键盘输入设定温度，单片机将设定温度同adc0809传送过来的数据进行比较运算，利用pid运算，作出相应的判断，从单片机p1.0输出一个pwm波形来控制固态继电器的导通与关闭，从而控制窑炉的加热丝在一个固定周期中通电加热时间的长短来达到恒温控制的目的。系统原理框图如下图2所示：键盘电路pwm控制ssr51单片机温度信号处理a/d转换加热机构 pt100ssr工作指示显示和报警电路图2 方案二的原理框图2.方案选定根据两个方案的原理和组成结构，主要考虑以下一些因素考虑。从组成结构来比较，以plc为控制器的方案安装接线比较繁琐，而实际显示需要单独的显示屏，调节温度时不太方便，若要改变给定值，需要添加专门的输入模块或者需要重新下载控制程序。而51单片机控制系统，整个控制系统可以规划的一块pcb电路板上，从而安装起来更加方便，而且其功能比较齐全，显示模块简单，调节温度可通过键盘来设置，使用很方便。从成本上来看。以plc为控制器的方案比较昂贵，51单片机控制系统更加经济。考虑到用户的心里接受倾向，51单片机控制系统更有市场推广价值。通过以上分析和比较从而得出：窑炉温度控制系统采用单片机作为控制器的系统比plc控制系统成本更低，使用更加方便，快捷。基于上述原因，最终确定采用方案二。七、窑炉温度控制系统硬件电路设计本系统硬件电路主要由以下部分组成：供电电源电路、单片机最小系统电路、温度检测电路、数模转换电路、键盘输入电路、声光报警电路、继电器输出电路、led显示电路1.系统供电电源电路设计主控电路所需的+5v电源；外围电路（如继电器、运算放大器）所需的+12v和-12v电源。如图3系统供电电源电路原理图所示：此电路采用“降压整流滤波稳压滤波”的线形电源模式。这里选用了78m12、79m12、78m05三端稳压器。(原理图见图纸2)由于78m系列三端集成稳压器内部有过热、过流保护电路，外围元件少，性能优良，体积小、价格低，所以在很多电路中广泛应用。它的工作原理与一般的分立件组成的串联调整式稳压电源相似，区别在于增加了启动电路、恒压源以及保护电路。为了使稳压器能在比较大的电压范围内正常工作，在基准电压形成和误差放大部分设置了恒流源电路，启动电路的作用就是为恒流源建立工作点。实际电路是由一个电阻网络构成，在输出不同电压稳压器中，采用不同的串并联接法，形成不同的分压比，通过误差放大之后去控制调整管的工作状态，以形成和稳定一系列的输出电压。虽然三端稳压器有很多优点，但因目前功率集成技术水平的限制，它的最大电流只能达到1.5a。然而本次设计需要的是电压，可以不考虑电流部分。使用三端集成稳压器时一定要注意：输入电压与输出电压差不能过大，一般选择在610v为宜，压差过小，输出电压纹波大，起不到稳压作用，压差过大，稳压器本身消耗的功率就随之增大，容易损害稳压器。78m05集成稳压器是将功率调整管、取样电阻以及基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在一个芯片上而形成的一种稳压集成电路。电路中两个二极管in4007是：防止系统不稳定时，输出电压高于输入电压，从而导致三端集成稳压器被烧毁，起到保护作用。上述电源中所用的电源变压器功率为10w。电路中的压敏电阻vdr是防雷、抑制过电压作用，保护电路免受过电压的损害。压敏电阻vdr在它上面的电压低于它的阀值un=471v时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过471v时，流过它的电流激增，相当于短路，这时fuse会因为电流激增而烧毁，使电路断开。2.单片机最小系统单片机最小系统指的是由最基本的电路元件组成的，外接部分简单的电路就能够独图4单片机最小系统原理图立成一定的工作任务的单片机系统。51单片机的最小系统由单片机芯片、电源、时钟电路、和复位电路组成。如图4单片机最小系统原理图所示，其中的晶振时钟电路用来产生时钟信号，以提供单片机片内各种数字逻辑电路工作的时间基准。按键s6_1能实现手动复位，电容c6_1能实现上电复位，复位电路用来使片内电路完成初始化的操作，具体功能是使程序计数器pc=0000h，引导程序从0000h地址单元开始执行； sfr中的21个特殊功能寄存器复位后的状态是确定。3.主控单片机at89s51芯片介绍at89s51是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes isp(in-system programmable)的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和isp flash存储单元，at89s51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。(1) 主要性能特点1、4k bytes flash片内程序存储器； 2、128 bytes的随机存取数据存储器（ram）； 3、32个外部双向输入/输出（i/o）口； 4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断； 5、6个中断源； 6、2个16位可编程定时器/计数器； 7、2个全双工串行通信口； 8、看门狗（wdt）电路； 9、片内振荡器和时钟电路； 10、与mcs-51兼容； 11、全静态工作：0hz-33mhz； 12、三级程序存储器保密锁定； 13、可编程串行通道； 14、低功耗的闲置和掉电模式。 (2) 管脚说明vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 图5 at89s51管脚图p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 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口除了作为普通i/o口，还有第二功能： 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。 i/o口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89c51的p0、p1、p2、p3口作为输入时都是准双向口。除了p1口外p0、p2、p3口都还有其他的功能。 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指期间，每个机器周期两次/psen有效。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（0000h-ffffh），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。 (3) 下载程序at89sxx系列单片机实现了isp下载功能，故而取代了89cxx系列的下载方式，也是因为这样，atmel公司已经停止生产89cxx系列的单片机，现在市面上的at89cxx多是停产前的库存产品。4.温度测量电路本系统利用热电阻pt100作为温度传感器件，然后通过运算放大器op-07构建差分放大将温度信号转换成adc0809模拟通道的输入的0-5v标准信号，再将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机p0口。5.温度信号测量电路如图纸3温度信号测量处理电路所示，利用热电阻pt100作为温度传感器件，然后通过运算放大器op-07构建差分放大电路将温度信号转换成adc0809模拟通道的输入标准电压信号。将pt100接入到电桥中，由pt100的阻值来反映窑炉的温度的变化，电桥输出电压为：uba=vccr1_4/( r1_2+r1_4)- r1_3/( r1_1+r1_3) （其中下桥臂r1_3=100，r1_4=1k，上桥臂r1_2=1k，vcc=5v），所以uba=5*1k/( 1k+1k)- r1_3/( r1_1+100)=2.5-5* 100/( r1_1+100)其中ar1作用是将电桥电位vb、va作差分比例放大作用，由差分比例运算放大电路的计算方式：auf = uo1/(u1_ - u1+)=- r1_8/r1_6（其中r1_8=100k，r1_6=10k，u1_ - u1+=-uba）从而得到：uo1=10uba=25-50* 100/( r1_1+100)。（电路图见图纸3）根据pt100铂电阻r/t曲线可知电阻-温度的关系线性度非常好，电阻-温度的关系可以近似确实测量上限温度，uo1=25-50* 100/( r1_1+100)，当uo1=5v时，可以计算出测量上限温度时对应的电阻为：150欧姆，查pt100的分度表，可得：测量上限温度为131，即当t=0时，可得uo1=0v；当t=131时，可得uo1=5v。由铂电阻电阻-温度线性关系特性和计算公式可得以下两个结论：(1)、pt100铂电阻在0600电阻-温度的关系线性度很好。(2)、当温度在0131的范围，运放输出的电压分别线性对应是05v的标准。5.热电阻pt100介绍pt100是铂热电阻，它是用很细的铂丝（直径为0.030.07mm）绕在云母架上制成，是国际公认的高精度测温标准传感器。因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好性能可靠的特点，铂电阻在中温（-200650）范围内得到广泛应用。它的阻值会随着温度的变化而改变。pt后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。图7 pt100铂电阻r/t曲线它的工作原理：当pt100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。以下是pt100铂电阻r/t曲线和相应的分度表。6.a/d转换单元 经过温度信号测量处理电路后所得到的05v电压模拟信号要经过ad转换后才能送给单片机，如图8 温度信号ad转换电路所示，电压模拟信号输入给in-0通道，转换完成后，输送给单片机的p0口。（温度信号ad转换电路图见图纸4）其中adc0809的a、b、c三个端口作为它in0-in8八个输入通道的选择信号，由于此处只用到了in0通道，所以将此a、b、c三个端口全部接地，电路中adc0809的转换结束信号引脚eoc接在单片机p3.5上，单片机启动adc0809的转换后，延时一段时间，然后程序采取扫描方式检测adc0809是否转换结束，单片机然后去检测p3.5电平，当接收到一个高电平时，发出一个read信号，使得adc0809输出锁存缓冲器开放，将数据输送到数据线上，从而完成温度数字信号的采集过程。7. adc0809介绍adc0809是m美国国家半导体公司生产的cmos工艺8通道，8位逐次逼近式a/d转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。是目前国内应用最广泛的8位通用a/d芯片 (1) 主要特性1）8路输入通道，8位ad转换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s(时钟为640khz时)，130s（时钟为500khz时） 4）单个5v电源供电 5）模拟输入电压范围05v，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mw。 (2) 内部结构adc0809是cmos单片型逐次逼近式ad转换器，内部结构如图9所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型a/d转换器、逐次逼近 图9 adc0809内部结构图 (3) 外部引脚功能特性adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图10所示。下面说明各引脚功能。 图10 adc0809引脚配置图in0in7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 adda、addb、addc：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 start： ad转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动a/d转换）。 eoc： ad转换结束信号，输出，当ad转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 oe：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当ad转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：基准电压。 vcc：电源，单一5v。 gnd：地。 (4) clock引脚时钟频率由于adc0809的clock引脚时钟脉冲输入端时钟频率要求不高于640khz，而单片机的ale（地址锁存使能端）输出的频率是单片机的振荡频率12mhz的1/6，即频率是 2mhz，所以不能直接将单片机的ale脚接在adc0809的clock端。如下图所示，可以用两片cd4013构成如下的4分频电路将2mhz的ale频率分成512khz640khz。图11 cd4013构成4分频电路一个d触发器cd4013有6个端子：2个输出，4个控制。4个控制分别是r、s、ck、d。 其中：(1)r和s不能同时为高电平。(2)当r为1、s为0时，输出q一定为0，因此r可称为复位端。(3)当s为1、r为0时，输出q一定为1。(4)当r、s均为0时，q在cp端有脉冲上升沿到来时动作，具体是q=d，即若d为1则q也为1，若d为0则q也为0。其中各种工作状态如下表所示表2：d触发器cd4013真值表qn dqn+1qn dqn+10 00 1011 01 101 ck(ale)： q(u3_8a)： q(clk)：由以上电路可以得到以下4分频时序图：图12 4分频时序图8. 输出模块本控制系统的输出单元主要有三个：(1) 继电器输出控制加热执行机构的开与关。(2)当水温高于上限温度和低于下限温度时，系统进行声光报警。(3)数码管用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值。9.继电器输出加热执行机构的开与关状态由固态继电器（solid state relay），如图13所示。（固态继电器输出电路内部结构见图纸4）当系统采集到温度信号后与设定温度进行比较得到一个偏差，然后通过pid运算，从单片机p1.0口输出一个pwm波，pwm波形的高电平期间，固态继电器ssr输入端in1为高电平，从而out1和out2两触点闭合，将加热执行机构加热丝连入到交流220v回路中，控制加热机构对窑炉进行加热动作，与此同时工作指示灯led点亮。pwm波形低电平期间，ssr输入端in1为低电平，从而out1和out2两触点断开，将加热执行机构加热丝从220v回路中切断，控制加热机构对窑炉停止加热，与此同时工作指示灯led点熄灭。10.固态继电器ssr介绍由于本系统加热执行机构的开与关状态交替比较频繁，一般的机械式继电器在这种工作模式下使用寿命大大降低，所以难以满足这一要求，在此应该选用固态继电器ssr如图14 固态继电器ssr内部结构电路所示，它是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。（固态继电器ssr内部结构电路见图纸5）与一般机械式继电器相比，固态继电器有如下优点：(1) 高寿命，高可靠：固态继电器没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。 (2) 灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好:固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。 (3) 快速转换:固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。 (4) 电磁干扰小:固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。固态继电器注意事项：(1)在pcb上使用固态继电器时，焊接时应在温度小于250。(2)被控负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，所以用户在选用继电器时应对被控负载的浪涌特性进行分析,然后再选择继电器。 (3)固态继电器的负载能力受环境温度和自身温升的影响较大，在安装使用过程中, (4) 在继电器使用时，因过流和负载短路会造成ssr固态继电器内部输出可控硅永久损坏 ,应该考虑过流、过压保护措施 11.声光报警电路如图纸5声光报警电路所示：当水温高于上限温度、低于下限温度或者在误输入时，单片机p1.1口给warn一个低电平信号来导通三极管8550以驱动蜂鸣器和led灯，进行系统声光报警。当温度恢复到设置范围内后，声光报警自动撤销。（声光报警电路见图纸5）12.显示电路用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值等，精确到小数点后一位。如图16所示，单片机的p2口输出段选编码，p3.0、p3.1、p3.2、p3.3分别为四位数码管的位选编码。当其中位选编码输出低电平时，三极管8550导通，使得共阳极数码管公共端得到一个高电平，同时p2口输出相应的要显示的数字共阳极字型码并通过74hc573将段码信号锁存输出。（温度数码管显示电路见图纸6）13. 键盘电路键盘是用来给用户提供设置设定温度上限值、下限值、显示温度等功能。如下图，功能键：选择修改温度设定值、上限值、下限值、显示温度位选键：选择修改百位、十位、个位、十分位这四位的标志加1键：每按一次键，位选标志所指的当前位的值加1减1键：每按一次键，位选标志所指的当前位的值减1确定键：保存设置值并返回到显示温度状态图17 键盘电路及功能说明当按键没有被按下时，p1.3-p1.7通过下拉电阻接地，单片机此时检测的电平是低电平，当有键按下时，对应p1.3-p1.7中的引脚与vcc接通，单片机此时检测的电平是高电平。八、窑炉温度控制系统软件设计1.主程序流程图及分析在窑炉温度控制系统中，主程序的功能主要是实现初始化，温度采集a/d转换，温度值 开始系统初始化采集温度信号，ad转换显示温度值，经pid运算输出pwm控制ssr 是否满足报警条件? n启动声光报警 yn是否有按键？ y 修改设定值修改上限值值修改下限值值显示、保存设定值图18 主程序流程图温度值显示，将实际温度与设定值进行比较进行pid运算，输出pwm波形控制ssr并判断是否要启动报警，反复对键盘进行扫描从而更新温度参数设置、显示。图18是系统分配装置的主程序流程图。2.子程序流程图及分析本系统子程序主要有：数码管显示程序、ad转换程序、键盘扫描程序、pid控制算法子程序。 开始提取要显示的百、十、个、十分位的数值依次向数码管传送段码和位码延时显示下一位n 四位是否全部显示？y结束图19 数码管显示程序操作流程图 开始发送ad启动信号n 转换是 否完成？ y读入数据结束图20 a/d转换程序操作流程图n 是否有按键？ y延时10-20msn 是否有按键？yn 按键已释放？y获键值，键处理图21 按键检测与处理流程图 开始设置各参数kp、ti、td和t提取设定值r(k)和返回值y(k)计算e(k)=kpe(k)-y(k)计算计算kde(k)e(k)-e(k-1)+aae(k)-e(k-1)e(k)e(k-1) 返回图22 pid控制算法程序流程图设计心得此次课程设计-加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计，使用到了过程控制系统很多方面的知识，包括串级控制系统分析、建模与仿真，串级控制系统整定方法，pid调节器的参数工程整定，串级控制系统的性能