8031单片机实现电阻炉温度的控制 -接口电路设计

1、燕山大学课程设计说明书摘 要本文用8031单片机实现电阻炉温度的控制，重点介绍接口电路的设计。电阻炉是一类使用非常广泛的工业设备，利用单片机实现温度的实时控制，对提高劳动生产率和产品质量，节约能源都有着积极意义。本控制系统是对水加热的控制过程，工作时水的温度由数字温度计和精密放大器放大至05v电压信号，由ADC0809转换成单片机所能接受的数字信号，此信号与温度的给定值比较得到温度偏差，通过PID控制算法运算得到控制量，此控制量通过对可控硅触发角的控制，来调节加在电阻炉上的电压的通断时间以达到控温的目的。系统的给定值等参数可由键盘输入，并可以随时修改，给定温度和PID的参数可显示在LED上。

2、关键词： 单片机；电阻炉；控制; 接口电路 目 录第一章 概 述31.1 题目来源及意义31.2 电阻炉温度控制系统的结构工作原理3第二章 电阻炉温度控制系统的硬件设计62.1硬件电路设计原则62.2单片机的选择62.2.1 8031芯片介绍72.2.2 8031的引脚介绍72.3 单片机程序存储器的扩展92.3.1 地址译码器的选择92.3.2 程序存储器的设计92.4 温度检测接口电路设计102.4.1 数字温度计的选择102.4.2 AD转换器的接口电路设计122.5键盘、显示器接口电路152.5.1 显示器接口电路152.5.2 键盘接口电路172.6报警接口电路182.7 电阻炉温度

3、控制执行机构的设计19第三章 温度控制算法213.1 温度控制算法213.2 采样周期T的确定24第四章 软件设计254.1接口软件设计254.2 PID程序设计26第五章 结 论33- 36 - 第一章 概 述1.1 题目来源及意义热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证，直接关系到热处理技术水平的高低和工件质量的好坏。对热处理技术的基本要求是：先进、可靠、经济、 安全，能满足热处理工艺的要求，并保证工艺的稳定和再现性，节省能源，保护环境，改善劳动环境，降低生产成本，提高机械化和自动化水平。在工业领域，如冶金、 机械、 建材及化工等部门，都有大量使用各种炉窑，如用于热处理的加热炉，用于熔化的坩

4、埚炉等。炉窑运行时，温度是需要测控的最基本参数。不同的炉窑，加热方法与所用燃料有所差异，但被控对象都可归于有纯滞后的一阶惯性环节。温度以往多采用归仪表加接触器的断续控制，存在不少固有的缺点。为了提高产品质量与数量，节约能源，改善劳动环境，并且随着科学技术的发展，上述对设备对温度控制要求越来越高，除要求有较高的控制精度外，还要求能对温度的上升速度及下降速度进行控制，显然应用常规仪表方法难以满足这些要求。然而，随着电子技术的发展，特别是单片机计算机的出现，对上述被控制对象采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置进行控制成为现实。本文将介绍用单片机对热水电阻炉进行温度控制的过程。1.2 电阻炉

5、温度控制系统的结构工作原理系统原理图如图1.1所示。整个系统由四部分组成，即：8031单片机系统；温度检测通道；输出控制通道及报警显示系统。工作时，温度由集成温度传感器AD590转换成电流信号，经运放放大至0-5v的电压信号，由ADC0809转换成单片机所能接受的数字信号，此信号与温度的给定值比较得到温度的偏差，通过PID控制器运算，此控制量经可控硅控制加在电阻炉上的电压的通断时间，以达到控温目的。系统的给定值、PID参数由键盘输入，并可以随时修改，给温度和采样温度同时显示在LED上。 图1.1 电阻炉温度控制系统原理框图一、输入通道a、温度检测及放大在温度控制系统中，温度检测及放大任务通常用

6、温度变送器来完成。为了降低成本，简化结构，本系统采用了 OP07型温度变送器的输入回路部份，这输入回路是一平衡电桥，它与AD590热电偶配合使用，实现温度零点迁移。不平衡电桥的输出信号经精密放大器放大到A/D转换所需标准信号，根据热电偶分度号和量程的不同，可选择和调整放大器的反馈电阻以改变放大倍数，从而实现了温度标准信号的转换。B、A/D转换 A/D转换功能由AD0809完成，它是一种逐次逼近式8路模拟输入、 8位数字量输出的A/D转换器。在这里我们将接到8031的转换结束信号OEC经一个与非门接8031的INT0 ，置外部中断为边沿触发方式，这样，每次A/D转换结素时都将结果送入数据存贮区。

7、 由于炉温度化缓慢，输入通道中没有设置采样保持器。二、 输出通道 执行机构采用可控硅控制器，单片机只须输出能改变可控硅控制周期内的通断时间就行了，因此省去了D/A转换器，仅用了一条I/O线，通过软件支持，在这条I/O线上输出一个高电平宽度在控制周期内随调节值变化的方波信号，从而达到控温的目的。三、 单片机基本系统及I/O扩展 16K存贮器EPROM（27128）通过一片地址锁存器74LS373与数据总线与8031组成基本系统。四、 键盘与显示器 这部分由三个共阳极数码管和三个驱动器组成，其中显示器用于准备符、炉内温度、控温时间、显示以及支持键盘进行控制参数设定显示。 键盘完成控制器参数设定与控

8、制器的启动、停止操作。五、控制算法为了提高系统的快速性，同时也避免运行算溢出，本控制采用了最大、最小值控制。即在偏差（阀值）时才进入PID调节。算术表达式为： 为了提高调节品质，选用改进PID算法之一，本控制系统输入通道用测温电路和精密放大器，省去可采样保持器；输出通道取消了D/A转换器，执行机构选用了可控硅控制器。从而使整个控制系统结构简单，操作方便，控制精度高，具有很高的性价比。第二章 电阻炉温度控制系统的硬件设计2.1硬件电路设计原则一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容；一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如RAM，ROM，I/O口，定时/计数器，中断系统等容量不能满足应用

9、系统的要求时，必须在另外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘，显示器，A/D，D/A转换器等，要设计合适的接口电路。系统的扩展和配置设计应遵循下列原则：（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规算法。为硬件系统的标准化，模块化打下良好基础。（2）系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响。考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现

10、来得长，而且占用CPU时间。因此，选者软件方案时，要考虑到这些时间因素。（4）整个系统中相关的器件要尽可能做到性能相匹配，例如，选用晶振频率高时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片；选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。（5）可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片，器件选择，去耦滤波，印刷电路板布线，通道隔离等。（6）单片机外接较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足，系统工作不可靠，解决的办法是增强驱动能力，增设驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。2.2单片机的选择在众多单片机成员中，MCS-51系列单片机以

11、其优越的性能，成熟的技术及高可靠性和高性能价格比。迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。近年来，MCS-51系列单片机以8位机，如8031/8032，8051/8052，8751/8752尤为变得热门由于MCS-51单片机的程序计数器为16位，因此，可寻址的地址空间为64K空间。805和8751单片机内部有4K字节ROM/EPROM程序存储器，当管脚=1时，低4K地址（0000H-0FFFH）指向片内，而当=0时，低4K地址指向片外。8052内部有8KROM程序存储器，外部同样可扩展到64K。对于片内无ROM/EPROM的单片机8031/8032构成应用

12、系统时，必须使=0，程序存储器只能外部扩展。另外，MCS-51系列单片机内部有128个字节的数据存储器（8052/8032内部有256个字节的RAM）。针对本系统，则只需要采用8031即可，由于EPROM的擦写比较麻烦，给开发制造了一定的困难，因此，我采用INTEL公司生产的新型单片机（8位），指令与8031完全兼容，但片内的4KE2PROM采用的是4K的Flash ROM存储器，这种存储器可电擦写，速度快，且擦写次数1000余次，从而缩短了开发周期，方便开发者，因此，我的最终选择是INTEL公司的8031单片机，以其高性能价格比得到用户的信赖。2.2.1 8031芯片介绍8031是由8个部件

13、组成，即CPU，时钟电路，数据存储器，并行口（P0P3）串行口，定时计数器和中断系统，它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上，即组成了单片微型计算机，8031就是MCS-51系列单片机中的一种。1、CPU中央处理器中央处理器是8031的核心，它的功能是产生控制信号，把数据从存储器输出口或输入口送到CPU或CPU数据写入存储器或送到输出端口。还可以对数据进行逻辑和算术的运算。 2、时钟电路8031内部有一个频率最大为12MHZ的时钟电路，它为单片机产生时钟序列但需要外接石英晶体做震荡器和微调电容。3、内存内部存储器可分做程序存储器和数据存储器，但在8031中无片内程序存储器 。4、定时/

14、计数器8031有两个16位的定时计数器，每个定时器和计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数结果对计算机进行控制。5、并行I/O口MCS-51有四个8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以实现数据的并行输出。6、串行口它有一个全双工的串行口，它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间的通信，该并行口功能较强，可以作为全双工异步通讯的收发器也可以作为同步移位器用。7、中断控制系统8031有五个中断源，即外部中断两个，定时计数中断两个，串行中断一个，全部的中断分为高和低的两个输出级。2.2.2 8031的引脚介绍 图2.1引脚图8031的制作工艺为HMOS

15、，采用40管脚双列直插DIP封装，引脚说明如图（2.1）所示：（1）VCC（40引脚）正常运行时提供电源，VSS（20引脚）接地。（2）XTAL1（19引脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的震荡器，可以提供单片机的时钟信号，此引脚也可以接外部的晶振的一个引脚，如采用外部振荡器时，对于8031此引脚应该接地。XTAL2（18引脚）为输出端引脚 ，此引脚还能为应用系统中的其它芯片提供时钟。 （3）RST/VPD（9引脚）在振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将单片机复位后应使此引脚电平保持不高于0、5V低电平以保证8031正常工作。在掉电时，此引脚接备用电源

16、VDD，以保持RAM数据不丢失，当BVCC低于规定的值时，而VPD在其规定的电压范围内时，VPD就向内部数据存储器日工备用电源。（4）ALE/PROG（30引脚）当8031访问外部存储器时，包括数据存储器和程序存储器，ALE9地址锁存允许0输入的脉冲的下沿用语锁存16位地址的低8位，在不访问外部存储器的时候，ALE仍有两个周期的正脉冲输出，其频率为振荡器的频率的1/6，在访问外存储器的时候，在两个周期中，ALE只出现一次，ALE断可驱动8个LSTTL负载，对于有片内EPROM的而言，在EPROM编程期间， 此引脚输入编程脉冲PROG。（5）PSEN（29引脚）此脚输出为单片机内访问外部程序存储

17、器的读选通信号，在读取外部指令期间，PSEN有两次在每个周期有效，在此期间，每当访问外部存储器时，两个有效的PSEN将不再出现，同样这个引脚可驱动8个LSTTL负载。 （6）EA/VPP（31引脚）当EA非保持高电平时，单片机访问内部存储器，当PC值超过0FFFH时，将自动转向片外存储器。当EA非保持低电平时，则只访问（18引脚）在内部，接至上述振荡器的反向输入端，当采用外部振荡器时，对MCS51系列该引脚接收外部震荡信号，即把该信号直接接到内部时钟的输入端。外部程序存储器，对8031而言，此脚必须接地。（7）P0，P1，P2，P3，8031有四个并行口，在这四个并行口中，可以在任何一个输出数

18、据，又可以从它们那得到数据，故它们都是双向的，每一个I/O口内部都有一个8位数据输出锁存器和一个8位数据输入缓冲器，各成为SFR中的一个，因此CPU数据从并行I/O口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲，但他们在功能和用途上的差异很大，P0和P2口内部均有个受控制器控制的二选一选择电路，故它们除可以用做通用I/O口以外还具有特殊的功能，P0口通常用做通用I/O口为CPU传送数据，P2口除了可以用做通用口以外，还具有第一功能，除P0口以外其余三个都是准双向口。（8）8031有一个全双工串行口，这个串行口既可以在程序下把CPU的8位并行数据变成串行数据一位一位的从发送数据线发送出去，也可以

19、把串行数据接受来变成并行数据给CPU，而且这种串行发送和接收可以单独进行也可以同时进行。(9)8031的串行发送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3、1做串行数据接收线，串行接口的电路结构还包括了串行口控制寄存器SCON，电源及波特率选择寄存器PCON和串行缓冲寄存器SBUF，他们都属于SFR，PCON和SCON用于设置串行口工作方式和确定数据发送和接收，SBUF用于存放欲发送的数据起到缓冲的作用。2.3 单片机程序存储器的扩展 由于本系统的功能需求片内的程序存储器的资源还不能满足需要，还需要外扩存储器。又由于8031单片机的引脚有限，数据线和地址线需重复使用，由P0口兼用。为了将它们分离出

20、来，以便同单片机外扩的扩展芯片27128正确连接，需要在单片机外部增加地址锁存器74SL373。2.3.1 地址译码器的选择由于单片机本身不能成为系统，需外扩一些芯片，对于众多的扩展元件，必须进行地址分配译码（即以一列二进制代码作输入）得到唯一的一位输出。地址译码有两种方式：线选法和片选法。本系统中选用片选法。利用译码电路将地址空间划分成若干块，用来分别选通各扩展芯片，如此就可以充分地利用地址空间。本系统选用74LS373译码器，三八线译码器，包含三个允许输入端，因而能简化级联和数据接收，延迟时间22秒。2.3.2 程序存储器的设计8031片内无程序存储器，所以必须进行程序存储器的扩展。紫外线

21、擦除电可编程的只读存储器的扩展可作为8031的外部程序存储器，电路片 的玻璃窗口在紫外线光下照射20分钟左右，存储器的各位信息全变为1，通过相应的编程器将工作程序固化到这些芯片中，使可作为8031的外部程序存储器使用。本设计采用27128（16K*8）作为外扩程序存储器芯片。8031的P0口经地址锁存器74LS373与27128的A0A7相连，P2口的低5位P2。0P2。4接27128的A8A12，PSEN与OE相连，27128的片选信号来自与8031的P2。7，当P2。7=0时，27128的片选信号有效。27128共有13根地址线，分别与地址总线A0A12相连，因此，27128所占地址空间为

22、0000H1FFFH。8031与27128接口电路图如图（2.2）所图2.2 8031与27128的接口电路图A0A12地址线、CE片选线、OE 输出允许端、PGM 编程控制信号程序存储器扩展电路芯片74LS373简介：程序存储器扩展时，除必须有EPROM芯片外，还必须有锁存器芯片。程序存储器扩展时，地址锁存信号为ALE，故本系统的地址锁存器可使用带清除端的八D锁存器74LS373。74LS373是透明的带有三态门的八D锁存器。其引脚芯片如图（2.3）所示 图2.3 8031单片机与74LS373接口当三态门的使能信号线CE为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q端输出；当CE 为高电平时，输出

23、三态门断开，输出端对外电路呈高阻状态。因此74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号端CE为低电平，这时，当G输入端为高电平时，锁存器输出（1Q8Q）状态和输入端（1D8D）状态相同，当G端从高电平逐回低电平时，输入端（1D8D）的数据锁入1Q8Q中。地址所存器74LS373与8031接口电路如图（2.3）所示。2.4 温度检测接口电路设计2.4.1 数字温度计的选择一、传感器的性能指标对传感器的精度高低，性能好坏直接影响到整个自动测试系统的品质和运行状态。一般说来，对传感器的要求是全面的，严格的，它们是选用传感器的数据。1、技术指标要求（1）静态特性要求：线性度及测量范围、灵敏

24、度、分辨率、精确度和重复性等；（2）动态特性要求：快速性和稳定性等；（3）信息传递要求：形式和距离等；（4）过载能力要求：机械、电气和热的过载。2、使用环境要求温度、湿度、大气压力、振动、磁场、附近有无大功率用电设施、加速度、倾斜、防火、防爆、防化学腐蚀以及不含有害于周围材料寿命及操作人员的身体健康等。二、本系统选用的是集成芯片下面介绍AD590芯片AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：式中：流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为

25、-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V 。电源电压可在 4V6V 范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。三、AD590的应用电路1、基本应用电路AD590的封装形式和AD590用于测量热力学温度的基本应用电路如图（2.4）所示。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kW时，输出电压VO随温度的变化为 1mV/K 。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使VO

26、 =273、2mV 。或在室温下（25）条件下调整电位器,使VO=273.2+25=298.2（）。但这样调整只可保证在0或25附近有较高精度。2、摄氏温度测量电路图 2.5 摄氏温度测量电路如图（2.5）摄氏温度测量电路所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放AD301的增益。调整方法如下：在0时调整R2，使输出VO=0，然后在100时调整R4使VO =100mV 。如此反复调整多次，直至0时，VO =0mV ，100时VO =100mV 为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25，那么VO应为 25mV 。冰水混合物是0环境，沸水为100环境。要使图(2.5)中的输出为200mV

27、/，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由R3与电位器R4串联而成）来实现。另外，测量华氏温度（符号为F）时，因华氏温度等于热力学温度减去255.4再乘以9/5，故若要求输出为1mV/F，则调整反馈电阻约为 180k W，使得温度为0时，VO =17.8mV ；温度为100时，VO =197.8mV 。AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V ，输出 10V。2.4.2 AD转换器的接口电路设计本系统选择A/D芯片时，考虑到芯片的性能结构及应用的特性，在性能上满足A/D转换的技术要求；在结构上和应用上接口电路方便外围电路简单价格低廉。A/D转换器的功能是将模拟量电信号转换成数字量。 1、

28、A/D转换器的主要参数(1)分辨率：是指A/D转换器可转换成二进制数的位数。例：若一个10位A/D转换器，去转换一个满量程为5V的电压，则它能分辨的最小电压为5000mV/2105mV。(2)转换时间指从输入启动转换信号开始到转换结束，得到稳定的数字输出量为止的时间。其他参数与D/A转换器类似。2、A/D转换器与CPU的接口方法(1)A/D转换器与CPU连接应注意以下几点：ADC转换好的数据必须经过三态缓冲器件与CPU数据总线相连接（在芯片内部没有三态输出缓冲器时）； 为了输入正确的转换结果，必须解决好A/D转换器和CPU取数之间的时间配合问题。(2)ADC芯片的控制信号 启动转换信号（STA

29、RT）：是由CPU提供给ADC芯片的，在正脉冲的下降沿转换开始； 转换结束信号（EOC）：一旦启动转换，EOC立即变低，直至转换结束，EOC输出高电平，通知CPU转换已结束； 允许输出信号（OE）：ADC转换结束后，转换结果存放在输出锁存器中，并没有送入数据总线上。CPU取数时，发出OE信号选通芯片内部三态输出缓冲器将数据输出。(3)A/D转换器与CPU之间传送数据的方法延时等待法（2.6）所示：图2.6 等待法ADC接口电路如图 图2.7 查询法接口电路 是利用CPU执行一条输出指令，启动ADC转换，然后CPU执行延时程序，延时时间大于所选用的ADC芯片转换时间，延时结束，CPU执行输入指令

30、，打开三态门获取ADC转换好的数据。查询法查询法是由CPU来检查EOC信号。当CPU启动ADC芯片开始转换之后，再通过状态端口读取EOC信号，检查ADC是否转换结束。若转换结束，则读取转换结果，否则继续查询。查询法ADC接口电路如图（2.7）所示：中断法用中断法可提高CPU的利用率，当ADC转换结束，由EOC信号上升沿通过8259A中断控制逻辑向CPU发出中断请求，CPU响应中断在服务程序中读取结果。中断法接口电路如图（2.8）所示： 2.8中断法接口电路3、A/D转换芯片ADC0809及其接口(1)主要性能8位逐次逼近型A/D转换器，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容；带有锁存功能的8路模拟量转

31、换开关，可对8路05V模拟量进行分时转换；输出具有三态锁存/缓冲功能；分辨率：转换时间为100us；不可调误差：±1LSB，功耗：15mW；工作电压：+5V，参考电压标准值+5V；片内无时钟，一般需外加640KHz以下且不低于100KHz的时钟信号。(2)ADC0809的内部结构与引脚功能内部结构拟多路转换开关和A/D转换两大部分。模拟多路转换开关由8路模拟开关和3位地址锁存与译码器组成，地址锁存允许信号ALE将三位地址信号ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通其中一路摸信号加到A/D转换部分进行转换。A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器SAR、256R电阻网络

32、、树状电子开关、控制与时序电路等，另外具有三态输出锁存缓冲器，其输出数据线可直接连CPU的DB。 A引脚功能D7D0：8位数据输出线；IN7IN0：8路模拟信号输入；ADDC、ADDB、ADDA：8路模拟信号输入通道的地址选择线；ALE：地址锁存允许，其正跳变锁存地址选择线状态，经译码选通对应的模拟输入信号；START：启动信号，上升沿使片内所有寄存器清零，下降沿启动A/D转换；EOC：转换结束，转换开始后，此引脚变为低电平，转换一结束，此引脚变为高电平；OE：输出允许，此引脚为高电平有效，当有效时，芯片内部三态数据输出锁存缓冲器被打开，转换结果送到D7D0；CLOCK：时钟，最高可达1280

33、KHz，由外部提供；REF（+）、REF（-）：参考电压正极、负极，通常REF（+）接Vcc，REF（-）接GND；Vcc：电源，+5V；GND：地线模拟输入与数字量输出的关系为N（VIN-VREF ）×256/（VIN-VREF ），当VIN+5V，VREF0V，若输入模拟电压为2.5V，则转换后的数字量N128，即10000000B。在本系统中采用查询法接口电路与CPU相连接，当ADDC、ADDB、ADDA三个管脚接成“000”状态，ALE有效时，ADC0809将IN0管脚上的模拟输入信号进行转换。若三位地址输入信号接CPU的数据线D2D0，其状态由CPU提供，则可分时对8路不同

34、的测量或控制电路进行A/D转换。其接口如图2.9所示：图2.9单片机与ADC0809的接口电路2.5键盘、显示器接口电路2.5.1 显示器接口电路1、显示器的种类很多，从液晶显示、发光二极显示到CRT显示器，都可以与微机配接。在单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显示器简称LED显示器以及液晶显示器LCD等。LED、LCD显示器具有耗电省、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动寿命长的优点。本系统要求显示数字所以选择LED显示器。LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就

35、能显示出各种字符。常用的LED显示器有7段和米字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极相连接在一起，通常公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应得段被显示。LED结构及外形如图(2.10)所示。两个显示器都有显示短，用于显示小数点。7段LED的字型码（段选码），由于只有7个段（如有段，则为8个段）发光二极管，所以字型码为一个字节。“米”字段的LED的字型码如下表，由于有15个段发光二极

36、管，所以字型码为两个字节。7段LED段码显示字符共阳极字符码共阴极字符码显示字符共阳极字符码共阴极字符码03FHC0HAc39HC6H106HF9Hd5EHA1H25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H8EH466H99HP73H8CH56DH92HU3EHC1H67DH82HT31HCEH707HF8HY6EH91H87FH80HH76H89H96FH90HL38HC7HA77H88H灰00HFFHb7CH83H（a）共阴极 （b）共阳极 （c）引脚图 2.10显示器LED的结构图2、静态显示接口在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是

37、每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 I/O 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中 CPU 的开销小。在本系统中采用了静态显示方法。选用串并转换电路74LS164静态显示电路。 MCS -51单片机串行口方式移位寄存器方式，外接3片74LS164作为3位显示器的静态显示接口，把8031的 RXD 作为数据输出线， TXD 作为移位时钟脉冲。74LS164为 TTL 单向5位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律

38、输入信号，公一个输入信号时可并接。T（第8脚）为时钟输入端，可连接到串行口的 TXD 端。每一个时钟信号的上升沿加到T端时，移位寄存器移一位，5个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74LS164中。R（第9脚）为复位端，当R=0时，移位寄存器各位复0，只有当R=1时，时钟脉冲才起作用。Q1Q8（第3-6和10-13引脚）并行输出端分别接须导显示器的 hg -各段对应的引脚上。这种静态显示亮度大，很容易做到显示不闪烁。静态显示的优点是CPU不必频繁的为显示服务，因而主程序可不必扫描显示器，软件设计比较简单，从而使单片机有更多的时间处理其它的事物。显示接口电路见图2.11图2.11 显示接口2.5

39、.2 键盘接口电路 键盘在本系统中是一个关键的部件，能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要功能。按键设置在行和列交点初，行和列线分别连接到按键开关的两端。当行线通过上拉电阻接+5V时，被钳位在高电平状态。键盘中无按键按下是由列线送入全扫描字。行线读入行线状态来判断的。其方法是：给列线的所有I/O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A中，如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为1。键盘中哪一个键按下是由列线逐列置低电平后，检查行输入状态，其方法是：依次给列线送低电平，然后检查所有行线状态，如果不全为1，则所按下的键一定在此列。而且是与0电平

40、行线相交的交点上的那个键。 行列式键盘又叫矩阵式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。用矩阵式键盘可以直接往控制器里输入数据，所以根据该设计的需要，键盘选择矩阵式键盘。本系统具有参数输入功能，因此采用矩阵式键盘；利用8031的串行口P1.1、P1.2作为键入线，P1.4作为同步脉冲输出控制线。 键盘设定（09）数字键，Enter为确定键，Delete为取消键，Home为运行键，End为停止键。键盘接口电路如图（2.12）所示： 图2.12键盘接口电路2.6报警接口电路在系统中设计报警电路是很重要的，在本系统中检测的温度信号高于100度或低于0度时发出警告信号，保证性能好、结

41、构简单、适用，所以选择鸣音报警。单片机报警接口如图（2.13）鸣音报警接口由两种：一种是蜂鸣音报警接口，另一种是音乐报警。本系统选用蜂鸣音报警接口。压电式蜂鸣器需10mA的驱动电流，因此可以使TTL系列集成电路74LS244低电平驱动，驱动器的输入端接入8031的P2.6。当P2.6输出高电平“1”时，74LS32输出为低电平为“0”时，使电压蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣音。当P2.6端输出低电压停止,而不产生蜂鸣音。 图2.13使用74LS06作驱动的蜂鸣音报警电2.7 电阻炉温度控制执行机构的设计本系统采用晶闸管触发电路如图（2.14）8031的输出端口P1.0信号，经反向

42、器74LS06反向驱动，在经功率放大器放大后加到双向晶闸管上。由于热体电阻丝在冷态时电阻很小，启动电流很大，故本电路比继电器更便于对系统的软启动，比继电器价格便宜很多。当P1.0检测到有过零跳变时，即由触发电路输出一个触发脉冲，使晶闸管导通，因而通过晶闸管是完整的正弦波，减少了对电网的干扰公害。本系统采用定周期控制方式，控制周期秒，即250个电网周波。由电阻炉平均输出功率，其中电阻炉全导通时功率，为导通周期数，所以与成正比，也就改变了和温度。如图（2.14）执行机构触发电路 第三章 温度控制算法3.1 温度控制算法 一、算法的种类生产过程的运行情况，通常是用一些物理量来表征的。例如：流量、成分

43、、液位等。当这些物理量偏离了所希望的给定值时，就表示生产过程偏离了规定的工矿，必须对生产过程进行控制。控制是对生产过程一种有目的的干预，控制的目的就是使表征生产过程的这些物理量保持希望的给定值，这个过程控制任务可以由人工操作完成，成为人工控制。一般采用电的或机械的装置来代替人工操作，称为目的控制。不管是人工控制还是目的控制，都必须遵循某种控制规律，即算法。通常有PID算法、大林算法、Smith补偿算法。Smith预估器的实现的实质纯滞后所造成不利影响，使调解质量大大改善，但它有一个致命的要点便是模型要与系统一致，至少要相当接近，否则控制效果不好，它要求参数很准，对参数变化很敏感。当参数模型变化

44、或者系统有随时干扰信号侵入，使模型与系统不一致，系统会很快变坏，直到不稳定，因而它的应用受到限制。大林算法是先将期望的闭环响应设计为一阶惯性加纯滞后，然后反过来综合能满足这样闭环响应的体节器。此算法有消除静差，对纯滞后有补偿作用，当设计具有纯延时对象的计算机控制时，可能会出现振铃现象。所谓真令现象就是指数字控制的输出以1/2的采样频率大幅度上下摆动，产生振铃的主要原因是Z=-1附近有极点。二、 PID控制算法图3.2-1 控制算法框图本系统控制算法框图如图3.2-1所示：PID控制算法的推导：1、 理想PID控制规律如下：（3-1）: 比例系数Ti: 积分时间常数Td: 微分时间常数: e=0

45、时初值,人工调整U: 控制器输出值在PID三种作用中,微分作用主要用来减小超调,克服振荡,使系统趋向稳定,加快系统的动作速度,减小超调时间,用来改善系统的动作特性、积分作用主要用于消除静差,改变系统的稳态特性、比例，比例作用可对偏差做出响应可以使控制器加快速度，平稳准确,从而获得满意的控制结果、PID的三种结果是各自独立的,互不影响的基本调节,但也不是所有的场合都采用PID调节,实用中常常根据系统的要求，选择P、PI、PID调节方式、在采样系统中,当采样周期远远小于系统时间常数时,常常把PID控制算法离散化处理,便于计算机控制。设采样周期为T,初始时刻为0,第K次采样的偏差为e(k),控制输出

46、为u（k）则（3-1）式即可用离散形式表示为：（3-2）式中：T： 采样周期 U（k）：控制器第K次输出值 e（k）：k次采样偏差 k：采样序数次号 在（3-2）式中所示算式中输出U（k）对应于执行机构所表达的位置，它对于控制变量与设定值偏差进行计算，基本控制形式与常规控制器类似，因此通常称为位置式PID算式。 在很多情况下，控制器控制信号是用来控制马达，给出电动或气动执行机构的位置信号，为了增加可靠性，在计算机发生故障时，保证执行机构不发生危险，在离散控制系统总并不常用位置型PID控制算式，而是采用另一种算法，即让计算机只输出增量，也就是采用增量式PID算法。 增量型PID算法就是让计算计输

47、出相邻两次调节结果增量，控制算式的求法如下。 已经知道第k次调节器的输出V(k),同样可以求出地k-1次调节器的输出V(k-1): （3-3）式中：=*T/Ti 为积分常数 =*Td/T 为微分常数式（3-3）的运算结果表征了阀位改变的增量，执行机构只按增量的大小进行控制。因此，即使计算机出了故障，也不会造成对生产的威胁。式（3-3）所示增量式控制虽然仅是算法上的一点改变，但都来了不少优点： 计算机只输出增量 ，把工作交给执行机构承担，误动作小。 控制器在手动到自动控制切换时，冲击小。 算式中不进行累加计算，增量只与最近几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。 2、积分分离PID算法 执行元件

48、自身的机械物理特性决定了它的受控范围是有限的。另一方面，D/A转换器所能表示的数值范围也是有限的，这就要求输出的控制量只能在一定范围内，即控制量应满足： (3-4)当系统有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于系统的惯性，偏差e将随之增大，积分项中将有较大的积累值，以至于PID运算的结果将超出（3-4）式所限定的范围。尽管PID运算所得到的结果继续增大或减小，执行机构已无相应的动作，这种现象称为积分饱和。积分饱和将使系统的调整时间加长，超调增大。被控对象惯性越大，这一现象越严重。为了克服积分饱和问题，可采用积分分离措施，选取一个门限值E0，当e(k)>E0时，取消积分的作用，只进行PD控制

49、，可使超调量大幅度降低。当 e(k)E0时，才将积分作用投入，进行PID控制，以保证系统的控制精度。为了实现积分分离，需将PID表达式中的积分项分离出来。例如，将（3-3）式分为: (3-5) 从而将积分分离PID算法写为： (3-6) 式中为逻辑系数。 (3-7)三、本系统控制算法的选择PID调节在电阻炉控制系统技术中应用的非常多，且是广泛被对推广的求采用各种PID的变种，如PI、PD控制，不完全微分控制，积分分离式PID控制，带死区的PID控制，变换积分PID控制，比例PID控制等等。在PID控制系统中，系统参数整定方便，而且在大多数工业生产过程中效果比较好。不需要求出数学模型，到目前为止

50、，仍有许多工业对象得不到或很难得到精确的数学模型。因此，应用直接数字控制方法比较困难或根本不可能，所以不得不应用PID算法。控制效果好，虽然计算机控制是断续的，但对于时间常数比较大的系统来说，其可近似为连续变化的。因此，用数字PID完全可以代替模拟调节器，而且可以得到比较满意的效果。所以用数字模型PID是目前应用比较广泛的方法之一。如前所述，对本系统来说，采用PID控制算法。PID在本系统中的应用：首先，计算出给定值温度与实际温度之间的差，反馈给PID控制器，PID控制器根据其大小，来控制晶闸管的导通角的大小，这样使得触发时间t改变，从而改变电阻炉的通电时间。其次，由于本系统是单向控温系统，所以在晶闸管没有导通时其导通角度是。最后，根据公式： PID控制=-来间接控制电阻炉的电压加热情况