电阻炉温度控制系统的设计.doc

摘 要电阻炉被广泛地应用在工业生产中，它的温度控制效果直接影响到生产效率和产品质量，因而对温度控制系统的要求很高。目前工业电阻炉通常采用常规PID控制，但是工业电阻炉的温度控制具有非线性、大惯性、大滞后等特点，难以对其建立精确的数学模型，因而常规PID控制难以取得良好的控制效果。因此，设计一个控制精度高、运行稳定的电阻炉温度控制系统具有很高的应用价值。本文以电阻炉为控制对象，以单片机AT89C51为硬件核心元件，采用智能控制方法，设计一种控制精度高的温度控制系统。在论文中详细阐述了控制系统的硬件设计、软件设计和几种控制方法并进行了比较。本系统的温度检测电路中采用芯片MAX6675，简化了系统的软硬件设计，提高了温度检测的精度。在输出控制中主要采用硬件电路实现，降低了程序的复杂性。在系统的硬件电路中采用了抗干扰设计，增强了系统的抗干扰能力。系统的软件设计采用了模块化结构，具有可移植性强和通用性强的特点。系统中采用模糊PID控制算法，其控制效果优于常规PID和模糊控制。将采用常规PID控制、模糊控制和论文设计的控制系统在MATLAB上进行仿真，并对控制效果进行比较和分析。仿真结果表明，该控制系统的控制效果优于常规PID和模糊控制，其具有超调小、控制精度高、抗干扰性强、运行稳定等优点，具有较好的应用前景。关键词：电阻炉；单片机；温度控制；模糊PID控制；仿真AbstractResistance furnace is applied extensively in industry productionThe control result of temperature control system will directly affect quality of products and efficiency of production so the exact precision is demandedAt present conventional PID control method is used usually by most domestic resistance furnace in industriesThe temperature control for resistance furnace has many characteristics such as nonlinear, large inertia, big lagIt is difficult to establish its accurate mathematic model so we cant obtain the satisfied result using the conventional PID control methodTherefore，it is very valuable to design the temperature control system which has exact precision and steady operationIn this paper, for the control object resistance furnace with single-chip microcomputer AT89C51 for hardware core components, using intelligent control method, design a kind of high control precision temperature control system. In the thesis illustrates the control system hardware design, software design, and several control methods, and compares them.System by using fuzzy PID control algorithm, the control effect is better than that of the conventional PID and fuzzy control. Will the conventional PID control, fuzzy control and papers in the control system design MATLAB simulation, and the control effect for comparison and analysis. The simulation results show that this control system control effect is better than that of the conventional PID and fuzzy control, it has the overshoot small, high control accuracy, anti-jamming of strong, stable operation, etc, and has a good application prospect.Keywords: Resistance furnace; Single-chip computer; Temperature control; Fuzzy PID control; simulation II 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究的背景及意义11.2 课题国内外研究现状及趋势21.2.1 几种控制方案的概述21.2.2 目前快速发展的几种电阻炉温控方案31.3 本文的主要研究内容5第2章 系统的硬件设计62.1 系统总体方案设计62.2 温度检测电路的设计72.2.1 温度传感器的选择72.2.2 检测电路设计92.3 显示电路132.4 键盘电路设计152.5 报警电路的设计162.6 输出控制电路设计162.6.1 固态继电器简介172.6.2 输出控制电路的硬件电路182.7 硬件抗干扰设计19第3章 系统的软件设计213.1 单片机的软件编程213.2 系统运行主程序213.3 MAX6675温度采集设计223.4 键盘显示程序设计24第4章 电阻炉温度控制系统的模糊PID设计314.1 模糊PID控制314.1.1 常规PID控制314.1.2 PID控制器的优缺点334.2 模糊控制344.2.1 模糊控制系统组成344.2.2 模糊控制系统优缺点354.3 模糊PID控制354.3.1 自适应模糊PID控制基本特性364.3.2 自适应模糊PID控制工作流程374.4 电阻炉温度控制系统的设计384.4.1 电阻炉系统数学模型的建立384.4.2 电阻炉模糊控制器的建立404.4.3 电阻炉模糊PID控制42第5章 仿真研究与比较505.1 PID控制505.2 电阻炉模糊控制515.3 电阻炉模糊PID控制525.4 控制方法的比较53第6章 结论54参 考 文 献55致 谢57附 录58 IV沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 研究的背景及意义从20世纪20年代开始，电阻炉就在工业上得到使用。随着科学技术的发展电阻炉被广泛的应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中，在很多生产过程中，温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。因此各个领域对电阻炉温度控制的精度、稳定性、可靠性等要求也越来越高，温度测控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。温度控制技术的发展大致经历了定值开关控制、PID控制和智能控制二个阶段。定值开关控制方法的原理是若所测温度比没定温度低，则开启控制开关加热，反之则关断控制开关。其控温方法简单，没有考虑温度变化的滞后性、惯性，导致系统控制精度低、超调量大、振荡明显。PID控制温度的效果主要取决于P、I、D三个参数。PID控制对于确定的温度系统，控制效果良好，但对于控制大滞后、大惯性、时变性温度系统，控制品质难以保证。电阻炉是由电阻丝加热温，靠自然冷却降温，当电阻炉温度超调时无法靠控制手段降温，因而电阻炉温度控制具有非线性、滞后性、惯性、不确定性等特点。目前国内成熟的电阻炉温度测控系统主要以PID控制器为主，由于其参数整定不理想，因此很难保证电阻炉控制系统的精度、稳定性等。智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动智能机械而实现其目标的自动控制，随着科学技术和控制理论的发展，国外的温度测控系统发展迅速，实现对温度的智能控制。应用广泛的温度智能控制的方法有模糊控制、神经网络控制等，具有自适应、自学习、自协调等能力，保证了控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。比较而言，国外温度控制系统的性能要明显优于国内，其根本原因就是控制算法的不同1。本文的研究，以电阻炉为控制对象，以单片机AT89C51为硬件核心元件，采用智能控制方法-模糊PID控制，设计一种新型的温度测控系统，使其具有硬件电路简单、控制算法先进、系统性能优良等优点。1.2课题国内外研究现状及趋势1.2.1几种控制方案的概述电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械，冶金等行业的生产中占有十分重要的地位。对电阻炉温度控制的好坏直接影响工艺要求的温度水平和加热质量，以致直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标，所以国内外关于电阻炉自动控制的研究一直备受重视，发展比较快，也取得了较为丰硕的成果。总的来说，电阻炉温度控制的发展分为以下三类：第一类: 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。第二类: 基于现代控制理论的设计方案现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，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响应而推导出来的。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，得到的控制品质较好。但这类方法需要知道精确的被控对象的数学模型形式。第三类: 智能控制方案智能控制方案是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道对象精确模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。智能控制系统有以下一些特点(1)智能控制系统一般具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程。它适用于含有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性和不存在己知算法的生产过程。(2)智能控制具有信息处理和决策机构，它实际上是对人神经结构或专家决策机构的一种模仿。(3)智能控制器具有非线性。这是因为人的思维具有非线性，作为模仿人的思维进行决策的智能控制也具有非线性的特点。(4)智能控制器具有变结构的特点。(5)智能控制器具有总体自寻优的特点。智能控制方案主要包括模糊控制、神经网络和遗传算法控制等2。1.2.2目前快速发展的几种电阻炉温控方案常用的电阻炉温度控制方案根据应用场合和要求的性能指标有所不同。除了传统的PID控制方法，近几年来快速发展的是将模糊控制、神经网络等智能控制方法应用于电阻炉温控系统中，包括智能控制与PID控制相结合及这些智能控制之间的结合。具体有如下一些方法：(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。模糊温控的实现过程为:将温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，变成精确的值去驱动执行机构，调整输入，达到调节温度，使其稳定的目的。(2)专家控制专家系统通过某种知识获取手段，把人类专家的领域知识和经验技巧移植到计算机中，并且模拟人类专家的推理、决策过程，表现出求解复杂问题的人工智能。因而，专家系统是一种人工智能的计算机程序系统，这些程序软件具有相当于某个专门领域的专家的知识和经验水平，以及解决专门问题的能力。专家系统在结构上有两个基本要素：一、知识库-存储有某个专门领域中经过事先总结的按某种格式表示的专家水平的知识条目。二、推理机制-按照类似专家水平的问题求解方法，调用知识库中的条目进行推理、判断和决策。专家控制是将专家系统的理论和技术同控制理论方法和技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。专家控制系统不同于离线的专家系统，其不仅是独立的决策者，而且是具有获得反馈信息并能实时在线控制的系统。专家控制系统一般由数据库、规则库、推理机、人机接口及规划环节五个部分组成，控制系统具有下述特点：一、高可靠性及长期运行的连续性。二、在线控制的实时性。三、优良的控制性能和抗干扰性。四、使用的灵活性及维护的方便性。(3)神经控制人工神经网络(ANN)是近几十年发展的一门新兴的交叉学科，所谓“人工神经网络实际上是以一种简单计算-处理单元(神经元)为节点，采用某种网络拓扑结构构成的活性网络，可以用来描述几乎任意的非线性系统，ANN还具有学习能力、记忆能力、计算能力以及各种智能处理能力，在不同程度和层次上模仿人脑神经系统的信息处理、存储和检索的功能。基于神经网络的控制系统是指在控制系统中采用神经网络这一工具对难以精确描述的复杂的非线性对象进行建模，或充当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障诊断等，以及同时兼有上述功能的适当组合，其控制方式称为神经网络控制，简称神经控制。相对于传统的控制方法，神经控制具有以下特征和性质：人工神经网络在理论上能逼近任何非线性函数，而且比其它建模方法更经济；信息的并行分布式处理与存储，具有较强的容错能力和数据处理能力；能对知识环境提供的信息进行学习和记忆以适应环境的变化3。(4)神经网络与PID的结合神经网络是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。人工神经网络以其高度的非线性映射、自组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快，抗干扰能力强、算法简单，且易于用硬件和软件实现。在温度控制系统中，将温度的影响因素作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络极值，达到自整定PID控制器参数的目的，也就是神经网络整定PID参数的方法。 (5)模糊控制与PID的结合具体结合形式有多种，主要是Fuzzy-PID复合控制和模糊整定PID参数的方法。Fuzzy-PID复合控制:当偏差较大时采用模糊控制，响应速度快，动态性能好；偏差较小时采用PID控制，使具有好的静态性能。是一种模糊控制和PID控制的分阶段切换控制方法。模糊整定PID参数的方法:根据偏差和偏差变化率，由模糊推理来调整PID参数，也就是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制方法。(6)模糊控制与神经网络的结合模糊控制所基于的经验不易获得，一成不变的控制规则也很难适应不同被控对象的要求。所以应使模糊控制向着自适应的方向发展。基于这样的要求，可以利用神经网络的来修正偏差和偏差变化率的比例系数，达到优化模糊控制器的作用，从而进一步改进实时控制的效果，有强的鲁棒性和适应能力4。神经网络和模糊控制都属于智能控制方法，它们与PID控制结合，适应温控系统非线性、干扰多、大滞后、时变等特点。模糊控制特别适应于大惯性和纯滞后的系统 。1.3本文的主要研究内容本研究内容以电阻炉为研究对象，针对电阻炉的温度控制系统进行设计。论文将阐述电阻炉温度控制的几种不同算法及区别，从而得出一种最优算法。设计并开发以80C51单片机为控制核心，外置数据采集电路、功率控制电路、键盘与显示电路声光报警电路和存储等电路的硬件设计。从而实现数据采集、处理、存储、显示，系统的故障自诊断，声光报警等功能。参数设计与计算；软件设计：参数设定、修改人机管理界面设计和智能控制算法设计。本设计完成后实现一种硬件电路简单、控制算法先进、系统优良的新型温度控制系统。使系统具有较高的控制精度以及较高的灵活性和可靠性。第2章 系统的硬件设计2.1系统总体方案设计控制系统总体方案设计是本文的一项重要工作，制定一个好的总体方案能为系统的详细设计提供良好的指导，是研究工作顺利完成的保证。在本文中，电阻炉温度控制系统由单片机、温度检测电路、键盘、显示、保护及报警电路和温度控制电路等部分组成，其系统框图如图2-1所示。图2-1电阻炉温度控制系统总体设计框图在系统中，利用传感器测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号，该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温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温度，同时将温度与设定温度进行比较并判断是否报警，然后由设定的控制算法计算出控制量，根据控制量，通过控制双向晶闸管的导通和关断从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。2.2温度检测电路的设计温度检测电路是温度控制系统的重要部分，它承担着检测电阻炉温度并将温度数据传输到单片机的任务。2.2.1温度传感器的选择热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器，它具有构造简单、使用方便、准确度高、稳定性好、温度测量范围宽等特点，在温度测量中占有很重要的地位。热电偶的类型有多种，在测量高温时通常使用的有镍铬-镍硅(K型)、铂铑-铂(S型)、镍铬-镍(E型)三种热电偶，在本设计中选用的是镍铬-硅K型热电偶。(1)热电偶的测温原理图2-2热电偶回路两种不同材料的导体(或半导体)组成一个闭和回路(如图2-2所示)，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应。这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体A、B称为热电极。热电效应中的电动势由温差电势和接触电势组成，接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势，图中两接点的接触电势额eAB(T)和eAB(T0)可分别表示为：eAB(T)=KTlnNATNBT (2-1)eAB(T0)=KT0lnNAT0NBT0 (2-2)式中K为波尔兹曼常数，NAT、NBT和NAT0，NBT0是温度分别为T和T0时，A、B两种材料的电子密度。温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势，其公式为：eA(T,T0)=KT0T1NAtd(NAtt)dtdt (2-3)eBT,T0=KT0T1NBtd(NBtt)dtdt (2-4)式中，NAt和NBt分别为A导体和B导体的电子密度。在热电偶回路中产生的总热电势为eAB (T, T0)= eA (T)+ eB(T, T0)- eAB (T0)- eA(T, T0) (2-5)在总热电势中，温差电势比接触电势小的多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为 eAB(T, T0)= eAB (T)- eAB(T0) (2-6)对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定T0时，eAB T0=C为常数，则总的电动势就只与温度T成单值函数关系。热电偶在使用中满足中间导体定律，即在热电偶测温回路中内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，就对回路的总热电势没有影响5。(2)热电偶的冷端温度补偿热电偶的分度表是以冷端温度0为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为0，所以需要对热电偶的冷端温度进行温度补偿。常用的冷端温度补偿方法有：冷端温度修正法、冷端0恒温法、冷端温度自动补偿法等。2.2.2检测电路设计K型热电偶是工业生产中被广泛应用的廉价高温传感器，本设计中选用K型热电偶来进行温度检测。K型热电偶作为测温元件时，有以下几个方面的问题：(1)测温时其产生的模拟信号很微弱(约为41V)，需要对其进行放大处理。(2)热电偶输出的热电势为冷端保持为0时与测量端的电势差值，在通常情况下冷端温度并非0，因而需要进行温度补偿。(3)输出热电势与温度之间是非线性关系，需进行线性化处理。(4)信号为模拟信号，与单片机等数字电路接口时要采用数字化输出和数字化接口，需进行AD转换。因而传统的温度检测电路采用“传感器-滤波器-放大器-冷端补偿-线性化处理-AD转换”模式，将热电偶输出的毫伏级电压信号最终转换为与温度相对应的数字信号与CPU通信，但其具有转换环节多、电路复杂、抗干扰能力差、精度低等缺点。MAX6675是K型热电偶串行模数转换器，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、AD转换及SPI串口数字化输出功能，大大简化了热电偶测量智能装置的软硬件设计。在本设计中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势-温度”的转换，不需外围电路、YO接线简单、精度高、成本低。(1)MAX6675的引脚排列与引脚配置该器件采用8引脚S0贴片封装，引脚排列如图2-3所示，引脚功能如表2-1所列。(2)MAX6675的工作原理及功能特点MAX6675的内部由精密运算放大器A1、A2、基准电压源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC等组成，完成了热电偶微弱信号的放大、冷端补偿及模数转换功能，其内部结构图如图2-4所示。热电偶的热电势输出端与MAX6675的引脚T+，T-相连，热电偶输出的热电势经放大器A1、A2进行放大和滤波处理后送至ADC的输入端，在转换之前，先需要对热电偶的冷端温度进行补偿，MAX6675通过内置的冷端补偿的电路来实现冷端补偿。它将冷端温度通过冷端补偿二极管转换为相应的电压信号，MAX6675内部电路将二极管电压和放大后的热电偶电势同时送到ADC中进行转换，即能得到测量端的绝对温度值。K型热电偶的特性可用线性公式VOUT=(41 V)(TR-TAMB)来表示，其中VOUT为热电偶输出电压，TR是测量点温度，TAMB是冷端温度6。表2-1 MAX6675引脚功能引脚 名称 功能12345678GNDT-T+VCCSCK接地端K型热电偶负极K型热电偶正极正电源端 串行时钟输入片选信号串行数据输出悬空 不用SONC图2-3 MAX6675引脚图(3)MAX6675的操作MAX6675的典型应用就是采用SPI串行外设总线与单片机接口，其与单片机通信时工作过程如下：当单片机使MAX6675的CS引脚从低电平变为高电平时MAX6675将进行新的转换；当单片机使MAX6675的CS引脚从高电平变为低电平并给双X时钟信号时，MAX6675将停止信号转换并从阳端输出串行转换数据。图2-4 MAX6675内部结构图一个完整的数据输出过程需要16个时钟周期，数据的输出通常在SCK的下降沿完成。其中D15位是伪标志位，始终为0；D14D3是由高位到低位顺序排列的温度转换值：D2用于热电偶是否断线，当D2为1时表明热电偶断开；Dl为MAX6675的标识符，始终为0；DO位为三态。表2-2中MAX6675的SO端口串行输出时的输出数据，MAX6675的串行接口操作时序图，如图2-5所示7。表2-2 MAX6675的SO端口串行输出数据位空标志位12位温度数据热电偶器件标识状态位15014MSB131211109876543LSB2100三态图2-5 MAX6675时序图(4)MAX6675的特点MAX6675的特点如下：对K型热电偶输出直接进行数字转换；内部集成有冷端补偿电路；简单的SPI串行口温度值输出；可将温度信号转换成12位数字量，温度分辨率为025；内部含有热电偶断线检测电路。电阻炉温度控制系统的型热电偶温度采集电路如图2-6所示。其微控制器采用ATMEL公司的FLASH单片机AT89C51，该微控制器具有4K内部可擦写程序存储器和32个输入/输出端口，满足本系统中液位测量、数据显示、温度测量、数据通讯、看门狗电路的需要。作为一款廉价的通用型单片机，AT89C51没有SPI接口。因此采用I/O口线模拟SPI串行口来对MAX6675读取数据。MAX6675的CS端接单片机的P1.0脚，CS低电平停止转换，MAX6675准备将数据输出；SCK引脚接单片机的P1.1脚，为传输数据提供时钟。无数据传输时，SCK应置为低电平；SO引脚接单片机的P1.2脚，用于传输数据。单片机的P1.3脚作为型热电偶探头断线报警口，报警时输出低电平，驱动故障指示LED显示。在单片机的上述4个引脚各接一个10K的上拉电阻，保证数据的可靠传送。由于MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感，为降低电源噪声影响，在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1F陶瓷旁路电容。在印刷电路板的设计中，采用大面积接地技术来降低芯片自热引起的测量误差，提高温度测量精度8。图2-6 MAX6675与AT89C51单片机组成的热电偶温度采集电路2.3显示电路键盘和显示电路实现了人机交互功能，通过键盘电路可以设置系统运行状态和系统参数，显示电路可以显示系统的运行状态、控制时间、设定温度、实际温度等。(1)LED显示器结构LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件，由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个或一个笔画发光，控制不同组合的二极管导通，这就能显示出不同字符。常用的LED显示器有7段和“米”字段之分。该设计采用的七段LED显示器。七段LED共有8个发光二极管其中7个发光二极管七段字形“8”，一个发光二极管构成小数点。发光二极管阴极连在一起的称为共阴极显示器，如图2-7（a）所示。共阴极LED显示器的发光管阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，即逻辑电平“1”时，发光二极管点亮。发光二极管阳极接在一起的称为共阳极显示器，如图2-7所示。图2-7 LED显示器共阳极LED显示器的阳极接在+5v电压源上，当某个发光二极管的阴极为低电平，即逻辑“0”时，发光二极管点亮。(2)LED显示器原理点亮显示器有静态和动态两种方式。所谓静态显示就是显示器在显示某个字符时，相应的发光二极管恒定的导通和截止。这种显示方式每个显示器都需要一个8位输出口控制，需要硬件多，适用于显示位数较少的场合。当显示位数较多时采用动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各位显示器，对于每位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的点亮和点亮时的导通电流有关，还与点亮时间和间隔时间有关，调整电流和时间参数，可实现亮度比较高、比较稳定的显示。若显示的位数不大于8位，则控制显示器公共电极只需一个I/O控制各位显示器，所显示的字形也需要一个I/O口。8051通过8155扩展I/O控制的8位共阴极显示器的接口。其中8155提供两个输出口，A口输出经同向驱动芯片7407驱动后接显示器公共级，作为字位口，B口输出为字形口，亦经7407接显示器的各个级9。2.4 键盘电路设计键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是一种廉价的输入设备。一个键盘，通常包括有数字键（0-9），字母键（A-Z）以及一些功能键。操作人员可以通过键盘向计算机输入数据，地址，指令或其它控制命令，实现人机对话。用于计算机系统的键盘按其结构形式可分为两类：一类是编码键盘，即键盘上闭合键的识别由专用的硬件来实现；另一类是非编码键盘，即键盘上闭合键的识别由软件来识别。这里采用66矩阵键盘。66的键盘行线通过电阻接+5v。当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线断开，行线都呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，行线X4和列线Y5短路，此时列线Y5的电平由X4行线电位所决定。综上所述，键盘和显示电路设计如图2-8所示。图2-8 8155A与键盘和显示器的连接图2.5报警电路的设计在电阻炉温度控制系统中，经常涉及到中高温控制和恒温控制，当温度达到、超过设定值或时间达到设定时间时，为保证安全和引起操作人员的重视，系统中需要有在紧急状态能引起警觉的报警信号。报警信号通常有两种类型：一是闪光报警，通过闪动的指示灯来提醒人们的注意；二是鸣音报警，通过发出特定的鸣音作用于人的听觉器官，引起和加强警觉。本设计采用喇叭报警，属于鸣音报警，简单实用，其电路图如图2-9所示。在该报警电路中，MCl413是驱动器，接在AT89C51的P3.2口，当AT89C51的P3.2口输出高电平时MCl413输出低电平，使蜂鸣器鸣音，反之，使蜂鸣器停止鸣音，AT89C51的P3.2口的高低电平输出是在中断服务程序中完成的。图2-9 报警电路图2.6输出控制电路设计电阻炉温度控制是通过控制电阻炉输入功率的大小实现对温度的控制，其控制方法有两种：一种是可控硅移相触发调节方式，其触发方式是移相触发，实质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。2.6.1固态继电器简介固态继电器(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器件，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”。其与传统的“线圈-簧片触点式”继电器(简称“MER”)相比，具有开关速度快、无电磁干扰、能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容、无机械触点、无动作噪声、耐振、耐机械冲击、防潮防霉防腐、工作效率高、使用寿命长等特点，如今固态继电器在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广泛的应用。交流固体继电器按开关方式有电压过零导通型(简称过零型)和随机导通型(简称随机型)，交流过零型SSR(Z型SSR)由于采用过零触发技术，因而可以使z型SSR安全地用在计算机输出接口上，不必为在接口上采用MER而产生的一系列对计算机的干扰而烦恼。SSR按使用场合可以分为交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，下面以交流过零型的SSR(Z型SSR)为例来说明它的工作原理，图2-10是它的工作原理框图，图中的部件-构成Z型SSR的主体，从整体上看，Z型SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D)，是一种四端器件。工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入输出端之间的通道，但又在电气上断开Z型SSR中输入端和输出端之间的(电)联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入输出端之间的绝缘(耐压)等级高；由于输入端的负载是发光二极管，这使Z型SSR的输入端很容易就做到与输入信号电平相匹配，在使用时可直接与计算机输出接口相接，即受“l”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时，SSR为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的，一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)10。图2-10 交流过零型固态继电器工作原理图2.6.2输出控制电路的硬件电路用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象为电热杯，采用对加在电热杯两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。对电炉丝通断的控制采用SSR-40DA固态继电器。它的使用非常简单，只要在控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动。当单片机的P1.7为高电平时，三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作，当单片机的P1.7为低电平时固态继电器关断，加热器不工作。控制电路图如下：图2-11 输出控制电路2.7硬件抗干扰设计温度控制系统中含有微弱模拟信号、高精度的AD转换、大功率驱动电路，抗干扰是设计中必须考虑的问题，否则会出现数据采集信号误差加大、输出误差加大、系统失控、硬件损坏等状况。抗干扰就是针对干扰产生的原因采取相应的方法消除干扰源以提高系统精度，使控制系统正常、稳定地工作。硬件系统的抗干扰性设计是单片机系统可靠性的根本，它能把干扰消除在外围，因此针对干扰产生的基本要素在硬件设计时要尽量采取措施，最大限度抑制干扰的产生。其采取的措施主要有：(1)减小电源噪声系统中的复位、中断和一些控制信号对电源噪声很敏感，电源要采用隔离变压器或加滤波电路，以减小电源噪声的干扰。(2)在系统的每个集成电路的电源和地线之间都要加去耦电容，其作用一方面提供和吸收集成电路开门瞬间的充放电能量，另一方面旁路掉集成电路的高频噪声。去耦电容值一般取0.01-0.1，且一般应选用高频特性好的独石电容或瓷片电容。(3)隔离技术物理隔离是对小信号低电平的隔离，一般是对单片机前端的输入信号线而言的，信号在传输过程中极易受到干扰，其信号线要尽量远离高电平大功率的导线，以减少噪声和电磁场的干扰。光电隔离是通过光电耦合器件实现的，光电耦合器件不但能实现信号的传递，而且能实现电气的隔离。由于光电耦合器件的输入端和输出端在电气上是绝缘的，因而具有较强的电气隔离和抗干扰能力。(4)PCB设计时抗干扰设计在进行电源线设计时应尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻，降低耦合噪声；接地线应尽量加粗，最好不少于3mm；晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定；用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接电源地；电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号等；尽可能把干扰源(如电机、继电器)与敏感元件(如单片机)远离；对于单片机闲置的IO片，要接地或接电源，其他IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源1112。第3章 系统的软件设计3.1单片机的软件编程单片机的主要任务是接受来自主机的命令并执行命令，对整个控制系统进行模糊控制，同时返回系统的状态和当前的压力值。在主机工作之前，片机已启动。在设计中，单片机定时器T1工作于方式2，波特率9600，串行口工作方式1，允许接受，或允许发送，晶振11.0592，根据此设置，（TMOD）=20H，(TH1)=FD，(TL1)=FD，(SCON)=50H。3.2系统运行主程序图3-1 主程序流程图3.3 MAX6675温度采集设计温度测量开始进行温度测量，这一部分程序作为一个独立的程序段，定时调用，主要包括MAX6675数据读取、开路判断、数据处理和码制转换等几个部分。程序流程如下：图3-2 MAX6675温度采集程序流程MAX6675温度值读取程序设计：CS BIT P1.0 ；数据输入SCK BIT P1.1 ；片选SO BIT P1.2 ；时钟DATAH DATA 40H ；读取数据高位DATAL DATA 41H ；读取数据低位TDATAH DATA 42H ；温度高位TDATAL DATA 43H ；温度低位CLR CS ；CS低电平，停止数据转换，输出数据D15CLR CLK ；时钟置为低电平MOV R7, #08HRD_DATAH： ；读数据高位字节D15-D8MOV C，SO ；读SO端数据RLC A ；累加器左移一位SETB SCKNOPCLR SCKDJNZ R7，RD_DATA MOV DATAH，A ；将数据高位移入缓冲区MOV R7，#08HRD_DATAL: ；读数据低位字节D7-D0MOV C，SO ；读SO端数据RLC A ；累加器左移一位SETB SCKNOPCLR SCKDJNZ R7，RD_DATALMOV DATAL，A ；将数据低位移入缓冲区SETB CS ；CS高电平，停止数据输出，启动新的数据转换；数据转换子程序，将读得的16位数据转换为12位温度值，去掉无用的位MOV A，DATAL RLC A MOV DATAL，AMOV A，DATAHRLC A ；整个数据位左移一位，去掉D15位SWAP A ；将DATAH中的高低4位数据互换MOV B，A ；数据暂存于B中ANL A，#0FH ；得到温度数据高位字节部分D14 D11MOV TDATAH，A ；将温度值高位字节保存MOV A，BANL A，#0F0H ；得到温度数据低位字节部分D10 D7MOV B，A MOV A，DATAL ；ANL A，#0FH ；得到温度数据低位字节部分D6 D3ORL A，B ；合并的温度低位字节MOV TDATAL，A ；将温度值低位字节保存3.4键盘显示程序设计1)初始化程序设计在使用显示子程序DIR和键盘输入子程序KEYI时，在系统的初始化程序中应对8155的I0口进行初始化编程，使8155的PA、PB口工作于基本输出方式，PC口工作于基本输入方式，对堆栈指针置初值。则8155的I0初始化程序如下：START：MOV SP，#50H ；设置堆栈指针MOV DPTR，#OFDOOH ；控制字03H写入8155命令寄存器MOV A,#03H ；8155编程使PA、PB作为基本输出MOVX DPTR,A ；PC口作为基本输入2)动态显示程序设计对于6位显示器，在AT89C51内部RAM中设置6个显示缓冲单元79H7EH，分别存放显示器的6位数据，8