电阻炉温度控制系统硬件设计【设计+开题+综述】

1、BI YE SHE JI（二零届）电阻炉温度控制系统硬件设计所在学院专业班级电气工程及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年 月电阻炉被广泛运用于当今国民经济发展中，而大功率的电阻炉则运用于各种 工业生产过程中。温度控制系统是自动控制系统中很常见的一种控制类型，温度 控制系统在工业、农业及人们的日常生活中起到非常重要的作用，研究它具有重 要意义。本设计釆用8051作为主控制芯片。用8155接口电路用于键盘/LED显示器 接口，通过可控硅调功器实现温度控制电路。在给定周期内，8051改变可控硅 管的接通时间便可改变加热丝功率，达到调节温度的H的。系统采用PID温度控 制算法达到控制温度的目的

2、。关键词：单片机，温度控制，PID调节4The Hardware Design of Resistance Furnace TemperatureControl SystemAbstractResistance furnace is widely used for the national economy development, and high-power resistance furnace is used for industry production process Temperature control system is the most common control syste

3、m type of automatic control system. It makes an important function on industry, agriculture, and people' s daily life. So. it is important to research this taskThis design chooses 8051 as the main control chip, 8155 interface circuit for the keyboard/LED display interface, and via SCR adjustable

4、 dynamometer control temperature In a given cycle, 8051 could change the heater strip power through control the SCR adjustable dynamometer closing time, and hit the mark of control temperature This system adopts PID temperature control arithmetic to control temperature Keywords: Single chip. Tempera

5、ture Control, PID adjustment目录摘要IAbstractII1绪论I1.1课题的背景及意义I1.2电阻炉温度控制技术国内外发展现状错误!未定义书签。1.3课题研究的主要内容与基本要求2131主要内容21.3.2基本要求22电阻炉温度控制系统总体设计方案32.1系统的主要任务与目标32. 2系统的原理32.2.1电阻炉电加热原理32.2.2炉温自动控制原理32. 3电阻炉温度控制系统的总体设计43系统硬件设计63. 1系统结构图63. 2 8051单片机63. 3单片机的8155接口电路103. 4温度传感器123.5 A/D转换器133. 6温度检测电路153. 7可

6、控硅温度控制电路183. 8显示电路和报警电路194 PID温度控制214. 1 PID基本控制原理214.2 PID控制算法225系统软件设计245. 1主程序265.2中断服务程序265.3功能模块程序255. 4资源分配26结论227参考文献2错误!未定义书签。致谢2错误!未定义书签。1绪论课题的背景及意义电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备。它广泛应用于冶金、机械、石油 化工、电力等行业，大功率的电阻炉应用于各种工业生产过程中。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，温度控制技术也成为 现代科技发展中一项重要技术。温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域， 所

7、以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。1.2电阻炉温度控制技术国内外发展状况温度控制技术发展共经历了三个阶段：一、定制开关控制；二、PID控制； 三、智能控制。定制开关控制方法的原理是若所测温度比设定温度低，则开启控 制开关加热，反之则断开控制开关。这种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、震荡明显。PID控制温度的效果主 要取决于P、I、D三个参数，对于控制大滞后、大惯性、时变性稳定系统，控制 品质则难以保证。电阻炉是山电阻丝加热升温，鼎自然冷却降温，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。L

8、I前国内成熟的电阻炉温度控制系统是以PID控制器为主，PID 控制对于小型实验用的电阻炉控制效果良好，但对于大型工业电阻炉就难以保证 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LI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。应用广泛的稳定智能控制方法有 模糊控制、神经网络控制、专家控制等，具有自适应、自学习、自协调等能力， 保证控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。国际上从70年代就开始了电阻炉计算机控制系统的研究，近十年来，由于 计算机技术的迅速发展，电阻炉计算机控制的应用也日趋广泛，控

9、制水平明显提 高，取得了一些应用成果。随着数字讣算机向小型、高速、大容量、低成本方向 的发展，传统的PID控制和现代控制理论都在不断的发展，并取得了丰硕的成果。 智能化、网络化已成为发展的趋势。80年代以后，国内对电阻炉的控制进行了广泛的研究，并且随着微型计算 机技术的发展，电阻炉计算机控制逐步进入实用化阶段。LI前，国内电阻炉控制 系统的研究现状如下：随着单片机、工业控制机、可编程控制器等先进控制系统的发展，逐步取代 了以前大规模的继电器、模拟式仪表。单片机也因其极高的性价比而受到人们的 重视和关注“，获得广泛地应用和迅速地发展。单片机的优点是体积小、重量轻、 抗干扰能力强，对环境要求不高，

10、价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容 易。它的软件编程比较简单，广大工程技术人员通过学习单片机的知识后，就能 根据自己的实际需要开发、设汁一个单片机系统，并可获得较高的经济效益。正 因为如此，在我国单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪 表、家用电器等各个方面。它将成为智能仪器和中、小型控制系统中应用最多的 一种微型计算机。对传统的负反馈、单一 PID控制系统做了多种补充，从而使控制性能更佳。 同时，越来越多的控制系统采用现代控制理论，最优控制、自适应控制、自校正 控制器、自整定PID参数控制器，有些已成功地在工业中得以应用。除了传统的现场过程级闭环控制以外，电阻炉控制系统

11、还具备了统一管理、 数据存储、报警记录、报表主成等主要功能。管理系统应用的扩展，大大提高了 电阻炉控制系统的应用性能和实用价值，提高了生产效率。1 3课题研究的主要内容与基本要求1.3.1主要内容内容主要包括：利用单片机作为系统的主控制器，测量电路中的温度反馈信 号经A/D变换后，送入单片机中进行处理，经过一定的算法后，单片机的输出用 来控制加热炉的输出功率，从而实现对温度的控制。1.3.2基本要求基本要求：设计采样、温度测量、键盘显示、加热控制系统，单片机的开发 及系统应用软件的开发等。1、温度控制系统的总体设计和思路；2、各部分原理说明；3、温度控制系统的硬件设计，需要有理论依据，有分析计

12、算过程，选择的 主要元件要有原理和说明，所有元件必须有型号和参数，各部分硕件连线电 路图；4、温度控制系统的软件设计，使用汇编语言或C语言编程。主要软件必须 能在设计制作的硬件电路上正确运行。II数器溢出中断决定。在等待T1中断时，将本次采样值转换成对应的温度值放入 显示缓冲区，然后调用显示子程序。从T1中断返回后，再从TO中断返回主程序 并且、继续显示本次采样温度，等待下次TO中断。二位式调节一它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开； 当炉温高于给定值时执行器全闭。（执行器一般选用接触器）三位式调节一它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时招待器全 开；当炉温在上、下限给定

13、值之间时执行器部分开启；当炉温超过上限给定值时 执行器全闭。（如管状加热器为加热元件时，可采用三位式调节实现加热与保温 功率的不同）比例调节（P调节）一调节器的输出信号（M）和偏差输入（e）成比例。B|J： M二k式中：K比例系数。比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在一对应的比例关系，因此炉 温变化经比例调节达到平衡时，炉温不能加复到给定值时的偏差一称“静差”。比例积分（PI）调节一为了 “静差”，在比例调节中添加积分（I）调节积 分，调节是指调节器的输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，直到偏差消除 才无输出信号，故能消除“静差”比例调节和积分调节的组合称为比例积分调 节。比例积分微分

14、（PID）调节一比例积分调节会使调节过程增长，温度的波动 幅值增大，为此再引入微分（D）调节。微分调节是指调节器的输出与偏差对时 间的微分成比例，微分调节器在温度有变化“苗头”时就有调节信号输出，变化 速度越快、输出信号越强，故能加快调节速度，降低温度波动幅度，比例调节、 积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。（一般釆用晶闸管调节器为 执行器）。根据生产现场的运行情况，这种控温方法，精度比较高，系统性能稳定，满 足生产的实际需要。主要设备:热电偶或热电阻，智能PID温控仪，可控硅触发调 功器等。2. 3电阻炉温度控制系统的总体设计单片机温度系统主要是通过温度传感器对温度进行采集，把温度

15、转换成变化 的电压，然后山放大器将信号放大，通过A/D转换器，将模拟温度电压信号转化 为对应的数字温度信号电压。经过计算机进行数据转换，得到应有的控制量，去 控制加热功率，从而实现对温度的控制。同时，超过上下限时进行自动报警，控 制中自动显示温度值。单片机温度控制系统框图如下图2-1所示：温度采集信号放大爲度控制温度谓节图2-1单片机温度控制系统框图其中，单片机功能包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，还要对执行单元进行控制。它是整个系统的控制核心及数据处理核心。V3系统硬件设计3. 1系统结构图本系统是以8051单片机为核心，包括温度检测模块、温度控制模块、显 示和报警4

16、个主要部分。温度检测部分包括温度传感器、放大器、A/D转换器。 温度控制模块包括光耦、驱动器、可控硅调功器和电阻炉。系统结构图如图3-1 所示：人机对话部分温度检测部分图3-1硬件结构框图3. 2 8051单片机单片机是单片微型计算机SCM（single chip micro-computer）的译名简称, 在国内也常简称为“单片机”。它包括中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读 存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O接口等等。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以 及对应用对象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和 灵活机动等许多

17、优点，单片微型汁算机（简称单片机）是微型讣算机的一个重要 分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种，特别适合用于智能控制系统。目前，国内市场中8位单片机占用重要地位。其中NfCS-51系列及其兼容机 所占份额最大。MCS-51系列单片机的最典型的产品有内部无ROM的8051、 内部具有4KB字节掩膜ROM的8051及内部具有4KB字节EPROM的8751。这三 种型号的单片机除内部程序存贮器ROM不同外，其他内部资源均相同。本设讣 中主要釆用的是8051单片机。（1）8051的内部资源8051的内部资源为：1. 8 位 CPU；2. 4KB字节掩膜ROM程序存贮器；3. 128字节内部RAM数

18、据存贮器；4. 2个16位定时器/计数器：5. 5个中断源、两级中断优先级的中断控制器：6. 一个全双工的异步串行I/O 口；7. 时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz12MHz的时钟频率。（2） 8051的内部结构8051单片机的内部总体结构如图3-2所示。按功能划分为8个组成部分。中央处理单元（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存贮器（RAH）、特殊功 能寄存器（SFR）、I/O 口、串行口、定时器/计数器及中断系统是通过片内单 一总线连接起来的。各部分的功能简述如下：1. 中央处理单元（CPU）CPU是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，山运算器和控制器组 成。运算器包括一个

19、可进行8位算数运算和逻辑思维运算的单元ALU, 8位的暂 存器1,暂存器2, 8位的累加器ACC,寄存器B和程序状态寄存器PSW。控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器和定 时电路。8031片内振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容，其频率范围 为 1.2MHz12MHz。2. 程序存储器（ROM）8051的片内程序存储器容量为4KB,地址从0000H开始，用于存放程序和 表格常数。它通过16位程序计数器寻址，寻址能力为64KBo3. 数据存储器（RAM）8051/8751/8051片内数据存储器均为128B,地址为00H、7FH,用于存放运 算的中间结果、数据暂存

20、以及数据缓冲。在这128B的RAM中，有32个字节 单元可指定为工作寄存器，8051的片内RAM和工作寄存器排在一个队列里统一 编址。PO. oPO. 7P2. 0P2 7Pl. OPl. 7P3. 0P3. 7图3-2 8051结构图4. I/O 接口8051有四个8位并行接口，即P0'P3。它们都是双向端口，每个端口各有 8条I/O线，均可输入/输出。P0>3 口四个锁存器同RAH统一编址，可以把I/O 口当一般特殊功能寄存器来寻址。（3） 8051单片机引脚及其功能8051单片机是高性能单片机，它采用40条引脚的双列直插式封装（DIP）, 引脚排列如图3-3所示,40条引脚

21、按功能可分为四部分。各引脚功能说明如下：1. 电源引脚Vcc和VssVcc （40脚）：接+5V电源Vss （20脚）：接地端2. 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1 （19脚）：接外部晶体和微调电容的一端。在片内，它是振荡电路 反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。Pl.0 u Pi.i =Pl2 UPl.3 =Pl.4 =P>,5 =Pl.6 =P1.7=RST/VPD = RxD pyo = TxD Pn = 1NT P3.2 = INTi P3.3 =To P34 = Pj 5 = 墜P“ =RD P3.7XTAL：= XTALi =1VZ40939

22、3837536635734833980513210311130122913281427152616251724182319222021=» Vccn Po on P0.1n P0.2=> PO 3n P04n P0.5n P0.6=> P0.7n EA/Vppn ALE/PROGnpsEN图3-3 8051引脚图XTAL2 （18脚）：接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是振荡电 路反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即 把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。要检查8051的振荡电路是否正常 工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号

23、输出。3.控制信号引脚RST/VPD （9脚）：RST是复位信号输入端，高电平有效。当振荡器运行时, 在此引脚上加上两个机器周期的高电平将使单片机复位。复位后，应使此引脚 电平为W0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD）,以保持内部RAM中的数据不丢失。 当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（5±0. 5V）时，VPD 就向内部RAM提供备用电源。ALE （30脚）：地址锁存允许信号端。CPU访问片外存储器时，ALE输出信 号作为锁存低8位地址的控制信号。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期 性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的

24、1/6。但是，每当访问外部数据存贮器 时在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8 个TTL负载。PSEN （29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。在从外部程序存贮器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。但 在此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的PSM信号将不出现。 酥同样可以驱动8个TTL负载。可/匕p （31脚）：当可端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮 器，但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当鬲端 保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。4. 输入/输出引脚

25、输入/输出（I/O） 口引脚包括4个并口，即PO、Pl、P2和P3 口。POD （P0. 0P0. 7）:为双向8位三态I/O 口，当作为I/O 口使用时，可 以直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱 动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。P1 口（P1.0P1.7）:是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P1 口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。在P1 口作为输入口使用时，应先 向P1 口锁存器写入全1,此时P1 口引脚由内部上拉电阻成高电平。P2 口（P2. 0P2. 7）:为8位准双向I/O 口，当作为I/O 口使用时，可 直接连接外

26、部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载， 一般作为扩展时地址总线的高8位使用。P3 口（P3.0P3.7）：为8位准双向I/O 口，是双功能复用口，可驱动4 个TTL负载。3. 3单片机的8155接口电路8155芯片内具有256个字节的RAM,两个8位、一个16位的可编程I/O口和一个14位计数器。它与51型单片机接口简单，是单片机应用系统中广 泛使用的芯片。其管脚图如图3-4所示。52r-36a32JJ2&羽2£il-543210 76543210 rcrcrcrcrcrcPBPBPEPEPEPEPEPE76543210 PAPAPAPAPAPAPAP

27、AAD鹉综ADAD竽图3-4 8155管脚图4361171Uy19is打Idli14i31RESETTMRiri <TMROUTALEIO皿WRRDCE8155用作键盘/LED显示器接口电路，当I0/M为高电平时，8155选通片内的I/O端口。A, B, C三个口可以作为扩展的I/O 口使用,MCS-51单片 机的P0 口与8155的ADOAD7相连。此时P0输出的低8位地址只有3位有效，用于片内选址，其他位无用。 使用A, B, C三个口时，首先向命令寄存器写入一个控制字以确定三个口的 工作方式。如果写入的控制字规定他们工作于方式【或方式II下，则这三个 口都是独立的基本I/O 口。可

28、以直接利用MOVX A, DPTR或MOVX DPTR, A 指令完成这三个口的读/写（输入/输出）操作。工作在方式III或方式IV时，C 口用作控制口或部分用于控制。HCS 51单片机可以和8155直接连接，不需要任何外加电路，给系统增 加了 256个字节的RAM. 22位I/O线及一个讣数器。当P2. 0 = 0且P2. 1=0时,选中8155的RAM工作；在P2. 0=1和P2. 0=0时,8155选中片内三个I/O端口。8155 内部 RAH 命令/状态口A 口相应地址分配为:OOOOH-OOFFH0100H0101H0102HB 口0103HC 口0104H定时器低八位口0105H定

29、时器高八位口8051与8155接口电路图如图3-5所示。图3-5 8051与8155接口电路图3. 4温度传感器温度检测元件的类型选择和被控温度及精度等级有关。热电偶是将温度量转换成电流大小的热电传感器，设计要求控制温度范 围为0500°C,所以选择钮铐一钮热电偶。钮铐一钮热电偶由直径为0.5mm 的纯钳丝和相同直径的钳错丝（% 90%和链10%）制成。其分度号为S。在S型 热电偶中钳铐丝为正极，钳丝为负极。此种热电偶在1300°C以下范围内长期 可用。山于容易得到高纯度的钳和釦错，故釦铐一钳热电偶复制精度和测试 准确性较高，可用于精密温度测量和作标准热电偶，它在氧化性或中

30、性介质 中具有较好的物理化学稳定性。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。 当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因 而在回路中形成一个电流，这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利 用这一效应来工作的。热电效应图如图3-6所示。热电偶测量温度时要求其冷端(测量端为热端，通过引线与测量电路连接 的端称为冷端)的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关 系。若测量时，冷端的(环境)温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端 釆取一定措施补偿山于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。本 文釆用补偿电桥法进行冷端补偿。补偿电桥如

31、图3-7,它的四个桥臂中有一个铜电阻RCu,铜的电阻温度系 数较大，阻值随温度而变，其余三个臂由阻值恒定的猛铜电阻制成，铜电阻 必须和热电偶冷端靠近，处于同一温度。设计时使RCu在20°C下的阻值和其余三个桥臂电阻完全相等，即 RCu20二R1二R2二R3,这种情况下电桥处于平衡状态，图中d和b之间电压Uab=O, 对热电势没有补偿作用。当冷端温度t0>20°C,随之热电势将减少，但这时RCu亦增大，使电桥不 平衡，并且Uab电压方向与热电势相同，即a点为负，b点为正，所以总电压 U二E(t, tO)+Uabo若t0<20°C,则a点为正，b点为负，所

32、以总电压U二E(t, tO)-Uabo3.5 A/D转换器ADC0809是一种比较典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器。(1) 主要特性)8路8位A/D转换器，即分辨率8位。(b) 具有转换起停控制端。(c) 转换时间为lOOpSo(d) 单个+ 5V电源供电。(e) 模拟输入电压范围0+5V,不需零点和满刻度校准。(f) 工作温度范围为-40+85°C -(g) 低功耗，约15mWo(2) 内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图3-8所示, 它山8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、 逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等

33、其它一些电路组成。因此，ADC0809可处 理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单 独工作。输入输出与TTL兼容。EOC0E2-82'图3-8 ADC0809内部结构框图43(3)外部特性(引脚功能)ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-9所示。下面说 明各引脚功能。in3 KI1Ns3叫4IN?5START6EOC72 6 80E9CLOCK10Vcc11REF(+)12GND132丁142R2726252423ADC08092221201918171615NIN|IN0ADDA ADDB ADDC ALE21222-3£-

34、42 s REF(-)2 s图39 ADC0809引脚图引脚功能说明：INOIN7： 8路模拟量输入端。2-1 (2-8)： 8位数字量输出端。ALE(22)：地址锁存允许信号，高电平有效。START(6): A/D转换动信号，高电平有效。EOC(7): A/D转换结束信号，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平 (转换期间一直为低电平)。0E(9)：数据输出允许信号，高电平有效。当A/D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(IO):时钟脉冲输入端。典型值为640KHZ。REF(+)、RE (-):参考电压输入端。Vcc(ll)：电源，+5V 和 GND(1

35、3)：地。ADDA、ADDB、ADDC： 3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 如表3-1所示。表3-1 ADDA、ADDB、ADDC模拟通道地址码ADDCADDBADDC输入通道°00INO01IN110IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7(4)ADC0809的工作过程首先输入3位地址，并使ALE二1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译 码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下 降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D 转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存

36、入锁存器，这 个信号可用作中断申请。当0E输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的 数字量输出到数据总线上。3. 6温度检测电路检测电路包括温度传感器、信号放大器和A/D转换器三部分。温度传感 器的选择与被控温度的范圉有关，钳错一钳热电偶适合于0500°C的温度测 量范围，可以满足本系统的要求：用。放大电路将钳错一钳热电偶输出的电流 信号转化成电压信号，再经A/D转换器转换成数字信号，提供给单片机。检 测电路框图如图3-10所示。图3-10温度检测电路框图一般传感器的输出信号都比较微弱，要将该微弱信号转换成有用的信号以 便于后期使用，就要加入信号放大电路，其作用是进行信号放大和去除干

37、扰等。放大器我选用变送器。因为变送器的输出为传感器规定的标准信号。 变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成。A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。本系统要求温度控制误±f %«x5OO°c| = ±O.98O°C差±rc,釆用8位A/D转换器，其最大量化误差为丿能满足精度要求。因此，本系统釆用ADC0809作为A/D转换器。电路设计好后， 调整可调电阻R,调节放大电路的输出，使0500°C的温度变化对应于04.9V 的输出电压，则A/D转换对应的数字量为00HFAH。ADC0809与8051单片机的连接如图3-11

38、所示。图3-11 ADC0809与8051单片机的连接硬件接线图由于本设计中使用8选1模拟开关来进行信号的选择，因此，ADC0809的 信号选择功能就不使用了，设计时把ADC0809的地址选择端A、B、C都接地， 即ABC二000,这样，选通通道始终是IN0。将E0C通过非门连接到MCS-51的INT1 脚，可通过查询方式来检测转换是否完成。因为ADC0809的地址选择端A、B、C都接地，所以ADC0809的数据采集通 道只有IN0被选通。釦铐一釦热电偶输出的电流信号经放大电路转换成电压信 号和ADC0809的IN0相连，以进行A/D转换。P2. 7(地址总线最高位A15)可作 为A/D转换的

39、启动开关，P2. 7为低电平有效。在启动A/D转换时，可由写信号 WR和P2. 7控制ADC0809的地址锁存和转换启动。而在读取转换结果时，则山 读信号RD和P2. 7控制ADC0809的0E信号，用于打开三态输出锁存器。若令 P2. 7为0, ADC0809的E0C端经反相器连接到单片机的P3.0(INT 1)引脚，作为 查询或中断信号。当釆用查询方式时，对IN0的信号进行取样，并把转换结果 存储到片内存RAM中。采用中断方式可大大节省CPU的时间。当转换完成后， 数据将保存到一数组中，直到当PC机通过串行口发信号时，8051通过检测地 址是否和本机地址相符来作出动作。如果地址相符，则由中

40、断服务程序读取A/D 转换结果并存储到RAM中，然后启动ADC0809的下一次转换。由于ADC0809的典型工作频率640 kHz不太容易得到，所以通常使用相近 频率且容易获得的信号进行替代。本设计中，单片机的晶振频率12MHz, ALE信 号输出为晶振频率的六分之一（即2MHz）,可将该2 MHz经过四分频后得到500 kHz信号来给ADC0809使用3.7可控硅温度控制电路8051对温度的控制是通过可控硅调功器电路实现的。双向可控硅管和加热电阻丝串接在交流220V, 50HZ市电回路。在给定周 期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，达到调节 温度的目的。可控硅接通时

41、间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲山 8051用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光藕管和驱动器输 出送到可控硅的控制极上。3-12图示出了可控硅管在给定周期T内具有不同接通时间的情况。图3-12可控硅调功器输出功率与通断时间的关系图山图3-13可知可控硅在给定周期T的100%时间内接通时的功率最大。对 于这样的执行机构，单片机只要输出能控制可控硅通断时间的脉冲作为信号就 可以了，这可用一条功线通过程序输出控制脉冲。为了达到过零触发的U的，需要交流电过零检测电路，此电路输出对应于 50HZ交流电压过零时刻的脉冲作为触发双向可控硅的同步脉冲，是一种50HZ 交流电压过

42、零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。过 零同步脉冲曲过零触发电路产生，如图3-13所示，图中电压比较器LM311用于 把50HZ正弦交流电压变成方波。方波的正边缘和负边缘分别作为两个单稳态触 发器的输入触发信号，单稳压触发器输出的两个窄脉冲经二极管或门混合后就 得到对应于交流220V市电的过零同步脉冲。此脉冲一方面作为可控硅的触发同 步脉冲加到温度控制电路，另一方面还作为计数脉冲加到单片机8051和P3. 4、 P3.5输入端。°4iVW2Y图3J3过零触发电路图3. 8显7F和报警电路这部分包括键盘、显示和报警三部分。单片机控制系统的键盘、显示和报 警如图3-1

43、4和图3-15所示。8155丄图3-14 8051单片机的键盘显示实验图报警电路分为蜂鸣器报警电路和LED发光报警电路组成。当输入端P1. 0为 低电平时，有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器发出声音报警。而当输入端为高电平时 不报警。当输入端Pl. 1为低电平时，LED点亮报警，反之输入端P1.1为高电 平则不报警。4 PID温度控制PID控制在工业上乂称为偏差控制，它是工业控制中常用的控制形式，一般能收到令人满意的效果。4.1 PID基本控制原理在连续系统中，PID调节是技术最成熟、应用最广泛的调节方式。它的实 质是根据输入的偏差量，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结 果是其输入的比例、积

44、分、微分的函数，用于输出控制。山于PID控制结构简 单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型变可以调节，所以模拟调节 器和数字调节器大多都釆用PID调节规律问。PID控制系统原理框图如图4-1所示。图4-1控制系统原理图PID控制是一种线性控制，它根据给定值r(t)和实际输出值c(t)构成控制 偏差e(t)： e(t)=r(t)-c(t),将偏差的比例(P)、积分和微分(D)通过线性 组合构成控制量，对被控对象进行控制刖。其控制规律u(t)：(4-1)式(4-1)中，心为比例系数；刀为积分时间常数；。为微分时间常数。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：(1) 比例环节及时成比例的反

45、映控制系统的偏差信号e (t)，偏差一旦产生, 控制器立即产生控制作用，以减少偏差。(2) 积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的稳定性。积分作用的强弱 取决于积分时间常数刀，刀越大积分作用越弱，反之则越强。(3) 微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早起修正信号，从而达到加快系统的动 作速度，减小调节时间的目的。因为计算机控制是一种釆样控制，它是根据采样时刻偏差值来讣算控制量 冋,所以(4-1)式中的积分和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。令 t二nT, T为控制系统的采样周期，则其离散的PID表达式为："(“)

46、 = Kpe(灯+呛)+ ¥讹)一心一1) > + "oI 7 / /=01,二知何+如(")+"/> ()+%(4_2)式中n为釆样序号，n=0, 1, 2,；u(n)为第n次釆样时刻的控制输出量；e(n)为笫n次采样时刻输入的偏差量； e (n-1)为第(n-1)次采样时刻输入的偏差量。4.2 PID控制算法在数字PID各种算法中，两种基本的形式是:位置式算法和增量式算法 这两者相比较，增量式算法有许多优点。首先，在增量式算法中，计算误差对 控制量影响小；其次，从手动切换到自动或反过来从自动切换到手动，对系统 冲击小，即可做到无冲击切换；

47、最后，因为计算机输出的是而叫t早已保 持在系统中，所以，即使计算机出现故障令皿=°,系统仍可在控制量叫-的作用下按原状态工作，因此系统的可靠性较高。 控制算法釆用增量PID算式，其离散形式为:T nn-1心)=心心)一咖一1) +齐工如-工啲 7 / L/-0i-0+ ¥卜何-2e(“-l) +心-2)J=Kp其中"何=e(n)-en-)、(4-3)(4-4)¥山(町一&("一 1)2(”) = £()_( _1)实际输出为:M(n) = w(/i-l)+Aw(w)为计算方便，增量型的算式乂可写为:(4-5)Az心)=d()心

48、)+qw ( _ 1)+空 _ 2)式中兔叫1+卜尊4 =心(1 + ¥)显然，按增量型PID算法计算“()只需要保留时刻以及以前的二个偏差 值£何、£(”-1)、e(n-2)o初始化程序值e(w-l) = e(n-2) = 0,由中断服务 程序对过程变量进行采样，并根据参数勺、角、a?以及e(n).e(n-2)计算“何。图4-2为增量型PID算法的程序流程。图4-2 PID控制算法流程图5系统软件设计5. 1主程序主程序的流程图如图5-1所示：用于进行初始化处理过程，包括各端口的初始化、定时/计数器的设定、中断允许的设定等，与此同时进行键盘的扫描输入。图5-1主

49、程序流程图5.2中断服务程序中断服务的子程序主程序流程图如图5-2所示：中断服务程序是温度控制 体系的主体，用来温度检测、控制和报警（包括启动A/D转换、读入采样数据、 数字滤波、越限温度报警处理等）。图5-2中断服务子程序流程图中断由TO产生，根据需要每隔15秒中断一次，即每15秒系统采样控制一 次。因为系统采用12MHz晶振，最大定时为130ms,为实现15s定时，需要另 行设计一个软件计数器。5. 3功能模块程序功能模块：键盘管理模块一上电或复位后系统处于键盘管理状态，其功能 是键盘扫描和处理，接收温度预置和启动键；温度检测模块一启动A/D转换器 进行A/D转换，求取转换结果的平均值，存

50、入指定单元，以得到检测温度值； 温度控制模块一通过比较键盘设定值与温度检测值的差别，按照一定的控制规 律，控制输出口线的状态，实现电炉的控制；温度显示模块一进行温度设定时, 显示设定温度值；在每次温度检测后，进行一次温度显示刷新；报警模块一当 预置温度或当前检测的温度超过上下限值时自动报警，输出报警信号。5. 4资源分配在编程前，首先要对8031的资源进行分配。它包括显示单元、预置温度单 元、当前检测温度、BCD码显示缓冲区、二进制码显示缓冲区、报警允许标志、 堆栈等。然后，还需要对键盘输入和报警、控制电路的端口地址进行分配。单片机8051内存的资源分配可以利用伪指令进行定义。数据存储器的定义

51、 及分配见表5-1所示。表51温度控制软件数拯存储器分配表地址功能名称初始化值5OH 51H当前检测温度，高位在前TEMPITEMPOOOH52H 53H预置温度，高位在前ST1 STOOOH54H 55H温度BCD码显示缓冲区T100, T10, TOOH56H 57H二进制显示缓冲区，高位在、P刖BT1, BT0OOH59H 7FH堆栈区PSW.5报警允许标志F00P1. 4P2. 2为键盘输入接口，P1. 0和P1. 2分别为报警控制和控制接口 o ADC0809的输入通道为7FF8H7FFFH,本系统使用IN0通道。结论本设计以电阻炉为被控对象，确定电阻炉温度控制系统的构成和控制方法,

52、 详细介绍了电阻炉温度控制系统的硬件设计。本系统使用8051单片机作为主控芯片进行控制用8155接口电路用于键盘 /LED显示器接口，通过可控硅调功器实现温度控制电路。在给定周期内，8051 改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，达到调节温度的的，运用积 分分离的PID控制实现对电阻炉温度的控制。研究本系统具有较高的理论价值 和实用价值。参考文献1何立民单片机高级教程应用M北京：北京航空航天大学出版社，2000, 3142赖寿宏.微型计算机控制技术M.北京：机械匸业出版社.2003, 2142.3康华光主编电子技术基础M北京：高等教育出版社,1998, 121 -142.4秦实宏等.单片机

53、原理与应用技术M.北京：中国水利水电出版社，2005, 27 4&李洪编著.Protel 99电路设计Z.北京：人民交通出版社，2000, 6192.6方大千等实用电子控制电路M北京：国防工业出版社，2002, 234304.7郑炳坤。简单的温控箱温控电路J。仪器与未来,1991 (7) 22.8鲍可进。PID参数自整定的温度控制J。江苏理工大学学报J995 (6) 74.9章正宇。新型大功率高精度双向开关温控系统设计J。激光与红 外，1999(12)353.10胡泽新，周金荣,黄道。多变量非线自整定PID控制器J。控制理论与应 用。1996(4) 268.11王文杰。模糊控制理论在温

54、度控制中的应用J。西北纺织工学院学报，1995 (6) 151.12吕剑虹，陈来九.模糊PID控制器及在汽温控制系统中的应用研究J.中 国电机工程学报，1995 (1) 16.13李正军编著.计算机测控系统设计与应用M.北京：机械工业出版社,2004, 01.14孙宝元，杨宝清主编.传感器及其应用手册M.北京：机械工业岀版社， 2004, 0415李正军编著.现场总线及其应用技术M.北京：机械工业出版社，2005, 0L16粟塔山.最优化讣算原理与算法程序设计M.北京：国防科技大学出版社, 2001. 05-17刘飞。须文波单片机FUSSY2PID双模温控仪J.电子与自动化.1996 (4) 10.18胡社教，徐晓冰,杨柳.温度控制仪表的模糊PID控制J.合肥工业大学 学报(自然科