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电加热炉温度控制硬件系统设计
东华理工学院毕业设计(论文)封面东华理工学院长江学院毕业设计（论文）题 目：电加热炉温度控制硬件系统设计英文题目： 英文题目：The Hardware System Design for Electricity Heating Furnace Temperature Control系别：电子与机械工程系 余天豪023122 罗先喜学生姓名： 学生姓名： 班 级：指导教师： 专 业：自动化二零零六年六月东华理工学院毕业设计(论文)摘要摘要本文以电加热炉的温度控制为被控对象， 通过对电加热炉的温度控制对象特性的 分析来确定电加热炉的温度控制硬件系统的设计和控制方案。 本课题是高温电加热炉的温度控制系统为研究对象，其中第一部分为硬件设计， 主要由控制电路（包括 8031 处理器） 、存储器 2716、键盘/显示器接口 8279 等） 、测 、调功电路等组成。系统采 温及报警电路（包括声光报警、温度检测及 A/D 转换等） 用温度补偿和过零触发等技术，从硬件上保证了测温精度，为提高控制精度打下了基 础。在第二部分建立了被控对象的数学模型，控制采用比较成熟的变速积分分离 PID 算法，并通过仿真选择了控制律的参数。利用 8031 单片机构成了控制器，实现了实 时控制。 测量温度部分是靠热电偶来实现，热电偶的冷端补偿采用热电偶(铂 10铂铑热电偶)温度传感器，测量标准，克服了常规方法补偿误差大的缺点，该系统具 有软启动、程序升温、键盘输入、显示打印等功能，使温度控制为误差达到≤±5℃， 调节温度的超调量小于 30%，实时显示炉内温度，记录温度变化的过程。 为了在工业现场应用中具有较强的抗干扰能力，采取了一系列抗干扰措施。以单 片机为核心，采用温度变送器桥路和 8031，实现对电炉温度的自动控制。该控制系 统具有硬件成本低、控温精度较高、可靠性好、抗干扰能力强等特点。有较高的适用 价值和理论价值。关键字电加热炉；温度控制；8031 单片机东华理工学院毕业设计(论文)AbstractAbstractThe heating furnace temperature control to call for the alleged target, Through Feb heating furnace temperature control analysis to determine the identity of the target heating furnace temperature control system hardware design and control programmers. This paper studies on improving the high-temperature resistance stove temperature control system. The hardware has been described on the first part of this paper. It consists of the control-circuit (included 831 CPU, A memory, key-board and display unit interface 8279 etc), temperature measurement and alarm circuit (included sound-light alarm, temperature measurement and A/D conversion circuit) and power control circuit etc. The technique of temperature compensation and zero-point trigging has been used in the system, and the precision of temperature measurement guaranteed from hardware builds a foundation to upgrade the precision of control. The mathematical model of the control object has been founded in the second part of this paper. The mature algorithm of variable speed integral separation PID has been adopted in control rule, and the parameter of control rule is selected by the simulation analysis in computer. used to organize control unit by the 8031. Single chip. For applications in the industrial scene had a strong anti-interference capability, adopted a series of anti-interference measures. To Shanpianji at the core, using temperature Biansongqi Kin Road and 8031, the achievement of an electric temperature automatic. The control system has a low cost hardware, electri reliability is good, strong anti-interference capability characteristics. High value and the theoretical value of the application. The real-time control isKey wordsElectrical heating stove；Temperature is controlled；8031 Single chip东华理工学院毕业设计(论文)目录目录摘要与关键词 英文摘要与关键词 绪论…………………………………………………………....……………………………1 1. 电加热炉温度单片机控制系统总体方案设计…………………..….………………4 1.1 系统的设计原则……………………...….………………………………………4 1.2 系统总体方案设计和工艺要求……….……………………….……………...4 1.3 系统概述……...………………………………………………………………..5 1.3.1 系统的总体结构和框架图………...…………...………………………5 1.3.2 系统的基本工作原理………….……...…………………………………6 2. 温度控制硬件系统设计…………………...…………………………………………7 2.1 原理图的设计原则………………………………………………………………7 2.2 芯片功能介绍………………………………………………………………….7 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 2.3.8 8031 芯片介绍…………………………………………………………7 8279 芯片介绍………………………...…..………………………….10 AD574A 芯片介绍………………………...………………………….12 其他主要芯片……………………………...…………………………16 交流电过零检测电路……………………….....…………..…………18 A/D 转换电路…………………………………….…………………...19 温度检测和变送器………………………………….………………..21 报警电路……………………………………………….………….….24 显示模块与键盘电路………………………………………….……..25 PC 机与单片机(8031)的串行通讯………………….……. …...……26 存储器扩展电路………………………………………………...……27 其他主要电路…………………………………………………….…..282.3 分模块详述系统各部分的实现方法…………………..………...…………….182.4 电加热炉温度控制系统的硬件结构图………………………...…………..….29 3. 系统软件与模型………………...…………………...………………………………..30 3.1 3.2 3.3 3.4 数学模型建立……………….………………...………………………………30 控制系统的算法设计…………..……………...……………………………...30 软件结构…………………………..…...……………………………………...32 软件设计……………………………..…...…………………………………...36东华理工学院毕业设计(论文)目录4. 系统实现技术………………………...………...…..…………………………………40 4.1 4.2 硬件调试..………………………………...…………………………………...40 软件调试……..……………………...………………………………………...40结论…………………………………..……………………………………………………41 致谢………………………………………………………………………………………..42 参考文献..…………………………………………………………………………………43 附录 1 程序清单………..………………………………………………………………..44 附录 2 电加热炉温度控制系统的硬件结构图…………………………………………55东华理工学院毕业设计(论文)绪论绪论随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、 控制灵活、 使用方便及性能价格比高的优点得到了广泛的应用。 它不仅在航空、 航天、 铁路交通、冶金、电力、电讯、石油化工等领域得到了广泛应用，而且在日常生活中 诸如电梯、微波炉、电冰箱、电视机等高科技产品中也有广阔的使用前景，为工业生 产的自动化、智能控制奠定了坚实的技术基础。 加热炉作为一种应用广泛的热工设备之一。尽管它使用的加热方法不同， 或工 艺要求不同，温度有高低、精度也有差异，但作为被控参数之一的温度总是可用不同 的测温元件和方法来获得，并通过微型计算机加以处理和控制，并按一定温度曲线工 作，以满足生产需要。 本课题的研究现状和研究意义： 电加热炉以其无污染、操作方便、自动化程度高、可调范围大、节省基建投资等 诸多优点逐渐受到人们的欢迎。但这其中对温度的控制上不是很理想，温差大、温度 控制精度不准确 。针对这一情况。本论文将介绍一种应用单片机对电热加热炉进行 智能控制的温度系统。 一般的电加热炉温度控制系统（如温度控制表控制接触器）的主要缺点是温度波 动范围大。 传统的以普通双向晶闸管(SCR) 控制的高温电加热炉采用移相触发电路改 变晶闸管导通角的大小来调节输出功率, 达到自动控制电炉温度的目的。这种移相方 式输出一种非正弦波, 实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰, 并通过电网传 输, 给电力系统造成“公害”。他们的工作多数是采用 PID 及改善的 PID 控制规律进 行的。但是，PID 控制算法也有它的局限性。尤其在离散系统中，采用周期较大或对 象具有较大时滞特性时，控制效果不是很理想。 本论文的研究意义是怎么用 51 系列单片机作为控制器去实现温度控制，达到需 要的工业要求，实现起温度控制的作用，达到工作稳定、性能可靠。利用热电偶的冷 端补偿采用铂电阻温度传感器，测量标准，克服了常规方法补偿误差大的缺点，该系 统具有软启动、程序升温、键盘输入、显示打印等功能，使温度控制为误差达到≤± 5℃，调节温度的超调量小于 30%，实时显示炉内温度，记录温度变化的过程。 单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛， 在很多的电子产品中也用到了温度 检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样性，各种适用于不同场 合的智能温度控制器应运而生。在科研、生产中，常常需要对某些系统进行温度的监 测和控制。需检测和控制的温度系统一旦确定，其热惯性大小和散热等各项硬件条件 就确定了。这时，影响系统热平衡的因素主要有：系统温度 T、设定温度 Ta、系统周 围的环境温度 Ts 以及加热方式和调节方法。目前已有的实现温控的方法有很多种， 如：恒温法、比例式、积分式及其组合的调节方法等等，其中有的方法达到热平衡需1东华理工学院毕业设计(论文)绪论要的时间很长，但是其控温精度很高，而有的是达到热平衡的时间短，但其控温精度 却不够高。本文介绍如何用单片机模型来实现系统温度的自动控制。 用这种方法控温，使整个系统灵活、可靠性高，系统达到热平衡较快，而且精度 也比较高，融合了前面列举方法的优点，而且更加简单方便。“单片机模型法”是根据 设计需要建立模型曲线，再根据模型曲线各阶段的特点，选择相应的加热模式，然后 通过软件设计实现温度的自动调节。 论文的目的、内容及研究方向： 温度是工业对象中主要的被控参数之一， 象冶金、 机械、 食品、 化工各类工业中， 广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，计 算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。 电阻炉炉温控制系统的控制过 程是：单片机定时对炉温进行检测，经 A/D 转换芯片得到相应的数字量，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。 电加热炉是一个非线性的、时变的、分布参数的复杂被控对象。要实现其最优控 制，必须建立被控对象的数学模型，然后求取相应的控制器方程，例如自适应控制、 随机最优控制、预测控制、解耦控制和变结构控制等。 这类控制方法由于数学工具深奥，算法复杂，现场工程师难以理解和接受，因而 这些先进控制算法的推广受到制约。人们在实践中知道，许多复杂的生产过程难以实 现目标控制，但是熟练的操作工、技术人员和专家操作自如，而不要建立什么数学模 型，就可以得到比较满意的控制效果。设想把这些专家的经验和知识总结起来赋予计 算机，让计算机参与生产过程控制，这类系统一般称为智能控制系统，它包含专家控 制、模糊控制和神经网络控制。 本文就没有建立电加热炉的数学模型，而直接采用算法简单、效果好的单神经元 自适应 PID 智能控制算法和单神经元自适应 PSD 智能控制算法。与传统 PID 控制算 法相比，智能控制算法具有计算量小、控制器结构简单、静动态性能指标好的特点， 有较高的实用价值和理论价值。 在普通的电加热炉是一种常见的设备。在其控制系统中，温度控制是其中的关键 部分，目前国内电加热炉普遍采用 PID 模拟控制算法，而这种算法一般温差大，很 难保证温度控制在≤±5℃，本论文的目的的怎么用 51 系列单片机去实现此功能。 温度是工业控制对象中的主要被控参数，特别是在冶金、化工、机械、检定计量 等领域，广泛的使用着各种加热炉、热处理等，所采用的加热方法及燃料也不相同， 但就温度控制系统本身而言，均属于一阶纯滞后环节，本论文介绍的温度控制系统， 是对电加热炉的改良，它能与 PC 机及数据采集器一起构成对炉温的多点控制及热电 偶的自动检测主要技术指标有：电加热炉温度加热范围：≤1500℃，施加电压范围： 0-220V 相 AC 或 DC，加热方式：电阻丝直接加热，炉内容积：0.3×0.25×0.3M3， 最大功率：4KW。2东华理工学院毕业设计(论文)绪论使用电加热炉其主要优点是： (1)污染小； (2) 能量转化率高； (3) 可以完全实现智能化无人操作； (4) 占地面积及空间小，锅炉房造价低； (5) 安全性能好； 这些同时也是本论文的内容及其研究方向。3东华理工学院毕业设计(论文)电加热炉温度单片机控制系统总体方案设计1. 电加热炉温度单片机控制系统总体方案设计在本章中主要介绍了系统的设计原则和总体方案及系统概述等。1.1 系统的设计原则(1)安全可靠[1]首先要选用高性能的AT89C52单片机，保证在恶劣的工业环境下能正常运行。其 次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，如报警、事故预测、事故处理 和不间断电源等。 (2)操作维护方便 操作方便表现在操作简单、 直观形象和便于掌握且不强求操作工要掌握计算机知 识才能操作。 (3)实时性强 选用高性能的8031单片机的实时性，表现在内部和外部事件能及时地响应，并做 出相应的处理。 (4)通用性好 系统设计时应考虑能适应不同的设备和各种不同设备和各种不同控制对象， 并采 用积木式结构，按照控制要求灵活构成系统。主要表现在两个方面：一是硬件板设计 采用标准总线结构（如PC总线），配置各种通用的模板，以便扩充功能时，只需增加 功能模板就能实现；二是软件功能模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不 需要二次开发，只需各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。 (5)经济效益高1.2 系统总体方案设计和工艺要求(1)确定系统的性质和结构 (2)确定系统的构成方式 (3)现场设备选择 (4)确定控制策略和控制算法 (5)硬件、软件的功能划分 (6)系统总体方案[2]①系统的主要功能、技术指标、原理性方框及文字说明。 ②系统的硬件结构几配置，主要软件的功能、结构框图。 ③保证性能指标要求的技术措施。 ④抗干扰性和可靠性设计。 (7)工艺要求 ①设定出口温度、实际测量的出口温度、入口温度数码管显示。4东华理工学院毕业设计(论文)电加热炉温度单片机控制系统总体方案设计②调节温度的超调量小于 30%。 ③实现温度闭环控制，控制温度误差范围≤±5℃。 ④实时显示炉温内温度，记录变化过程。 ⑤温度范围：0℃ ～ 1500℃。 ⑥供电电压：交流220V 。1.3 系统概述一般的电加热炉控制系统（如温度控制表控制接触器）的主要缺点是温度波动范 围大。由于它重主要通过接触器的通断时间比例来达到该表加热功率的目的，受仪表 本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低，故温度控制精度低，单片机脉宽 调温闭环系统以 8031 单片机作为该控制系统的核心，采用脉冲调宽技术，双向可控 硅输出， 工作稳定、 性能可靠。 热点偶的冷端补偿采用热电阻温度传感器， 测量准确， 克服了常规方法补偿误差大的缺点。该系统具有软启动、程序升温、键盘输入、显示 打印等功能，使温度控制稳态误差精度达±5℃。 1.3.1 系统的总体结构和框架图[3] 过程计算机控制系统的设计过程分为总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试 四个部分。 在进行控制系统设计前， 应该首先考虑对控制对象进行深入的调查和分析， 并熟悉工艺流程，根据生产中提出来的问题，确定系统所需要完成的任务。然后写出 论证，选择控制方案，控制方案的好坏，直接影响控制效果、系统投资和系统的经济 效益。 用单片机实现的电加热炉温度控制系统如下:图 1-1 系统的结构框架图(1)键盘输入系统，主要用于预置温度的输入，修改个其他功能操作。 (2)温度传感器，采用高精度热电偶检测老炉温信号。 (3)中心控制单元， 主要由微处理器 （8031 单片机） 片外存储器和接口电路组成， 、 担负数据的比较、运算、内外部中断处理以及驱动外设的任务。5东华理工学院毕业设计(论文)电加热炉温度单片机控制系统总体方案设计(4) 功率放大电路，采用大功率双向可控硅控制加热炉的温度。 (5)过零检测电路，双向可控硅过零触发电路，以往通过控制双向可控硅导通角 来改变流过可控硅的电流，从而改变输出功率。 (6)键盘显示器，本系统键盘/显示器接口采用 8279 芯片。8279 用硬件完成键盘 与显示器扫描。 (7)本系统用其“看门狗”功能和对主电源 Vcc 的监视功能。 本系统温度控制范围为 0~1500℃；控制精度高，控制温度误差范围≤±5℃；调 节温度的超调量小于 30%；最大功率：4KW；炉内容积：0.3×0.25×0.3M 。 1.3.2 系统的基本工作原理[4] 工作原理：炉温控制程序及温度与热电偶电势之间的对于关系表存放在 EPROM2746 中，双向可控硅采用过零触发方式。触发脉冲由过零同步脉冲形成电路提 供。在每个工作周期 T 内的工作占空比与单片机输出的门控脉冲信号决定。键盘与显 示器用于各种参数的设置和显示。 热电偶与放大器将被测温度转换成热电势信号并放 大，再由 A/D 转换器换成相应的数字量供单片机识别处理。单片机每隔一定时间要启 动一次 A/D 转换、 采样一次现场温度， 将温度数据与给定温度 W 进行比较， 得到温差， 再根据偏差的大小和正负，通过 PID 控制算法送出 1 个相应脉冲，让一定数量的触发 脉冲在高电平上通过控制门去触发可控硅，送入 8031，通过键盘显示来去控制温度。 同时反应炉温的热电偶的电势，经冷端补偿后送运算放大器放大，其电压范围为 0~10V，将此电压经多路开关 CC4051 送入 12 位 A/D 转换器后，计算机通过数据口 获得相应的表征炉温的数字量。该数字量经数字滤波、线性化处理以及标度变换后， 一方面通过 LED 显示炉温，另一方面当采样周期到达时，与设定温度进行比较，再 做 PD/PID 运算；根据运算结果。计算机通过 I/O 口改变控制脉冲宽度，从而改变双 向可控硅在一个固定的控制周期 T 内导通的时间（或交流电的周波数） ，即改变电加 热炉的平均输入功率，以此达到控温的目的。 本系统的功能主要有数据采集、数据处理、输出控制。能对 0～1500°C 范围内的 各种电加热炉的温度进行精密测量，同时，四位 LED 显示器直接跟踪显示被控对象 的温度值，准确度高，显示清晰，稳定可靠，使用方便（在具体设计编程、调试过程 中，为了调试方便，编程把温度范围设在 0～1500°C。 数据采集部分能完成对被测信 号的采样，显示分辨率 1°C，测量精度 1°C ，控制精度 1°C，可以实现采集信号的放 大及 A/D 转换，并自动进行零漂校正，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率， 自动进行 FID 参数自整定和运算，并输出 0～10mA 控制电流，配以主回路实现温度 的控制。数据处理分为预处理、功能性处理、抗干扰等子功能。输出控制部分主要是 数码管显示控制。36东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计2. 温度控制硬件系统设计在本章中分块说了原理图的设计原则、芯片介绍，以及实现温度控制硬件系统的 原理图，并做了分块仔细介绍。2.1 原理图的设计原则原理图主要由设计、诊断与检查组成。 原理图的设计要符合以下几点要求： (1)原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确。 (2)图中所使用的元器件要合理选用，电阻，电容等器件的参数要正确标明。 (3)原理图要完整，CPU，外围器件，扩展接口，输入/输出装置要一应俱全。 原理图的设计、诊断与检查在 Protel DXP 软件环境下完成。 系统设计完成后，进入印制板制作、器件焊接及软件编程阶段。在印制板设 计时，要仔细考虑印制板的面积、布局及连线长度，以减小对信号的延时和抗干 扰。对加工好的印制板还要进行仔细的检查，最后将器件、插座及元件等逐一焊 接在印制板上。2.2 芯片功能介绍在下面分别介绍了电路原理图中用到的芯片，如 8031 芯片、8279 芯片、AD574A 芯片等。 2.2.1 8031 芯片介绍[5] 8031 单片机是 Intel 公司生产的 MCS-51 系列单片机中的一种，除无片内 ROM 外，其余特性与 MCS-51 单片机基本一样。 MCS-51 单片机的引脚描述及片外总线 结构。 芯片的引脚描述： HMOS 制造工艺的 MCS-51 单片机都采用 40 引脚的直插庾埃DIP 方式，制造工艺为 C HMOS 的 80C51/80C31 芯片除采用 DIP 封装方 式外，还采用方型封装工艺，引脚排列如图。 其中方型封装的 CHMOS 芯片有 44 只引脚， 但其中 4 只引脚（标有 NC 的引脚 1、12、23 、34）是不使用的。在以后的讨论中，除有特 殊说明以外，所述内容皆适用于 CHMOS 芯片。 如图，是 MCS-51 的逻辑符号图。在单片 机的 40 条引脚中有 2 条专用于主电源的引脚。 2 条外接晶体的引脚，4 条控制或与其它电源图 2-1 8031 芯片7东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计复用的引脚，32 条输入/输出（I/O）引脚。图 2-2 8031 结构图下面按其引脚功能分为四部分叙述这 40 条引脚的功能。 (1)主电源引脚 VCC 和 VSS。 VCC――（40 脚）接+5V 电压； VSS――（20 脚）接地。 (2)外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2。 XTAL1（19 脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器 的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对 HMOS 单片机， 此引脚应接地；对 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2（18 脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放 大器的输出端。采用外部振荡器时，对 HMOS 单片机，该引脚接外部振荡器的信号， 即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对 XHMOS，此引脚应悬 浮。 (3)控制或与其它电源复用引脚 RST/VPD、ALE/PROG、PSEN 和 EA/VPP。 ①RST/VPD（9 脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使8东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计单片机复位。推荐在此引脚与 VSS 引脚之间连接一个约 8.2k 的下拉电阻，与 VCC 引脚之间连接一个约 10μF 的电容，以保证可靠地复位。 VCC 掉电期间，此引脚可 接上备用电源，以保证内部 RAM 的数据不丢失。当 VCC 主电源下掉到低于规定的 电平，而 VPD 在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD 就向内部 RAM 提供备用电 源。 ②ALE/PROG（30 脚） ：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用 于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的频率周期性地 出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或 用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉 冲。ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）8 个 LS 型的 TTL 输入电路。对于 EPROM 单片机（如 8751） ，在 EPROM 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG） 。 ③PSEN（29 脚） ：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序 存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次 PSEN 有效。但在此期间，每当访 问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。PSEN 同样可以驱动（吸 收或输出）8 个 LS 型的 TTL 输入。 ④EA/VPP（引脚） ：当 EA 端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在 PC（程 序计数器）值超过 0FFFH（对 851/）或 1FFFH（对 8052）时，将自动转 向执行外部程序存储器内的程序。当 EA 保持低电平时，则只访问外部程序存储器， 不管是否有内部程序存储器。对于常用的 8031 来说，无内部程序存储器，所以 EA 脚必须常接地， 这样才能只选择外部程序存储器。 对于 EPROM 型的单片机 （如 8751） ， 在 EPROM 编程期间，此引脚也用于施加 21V 的编程电源（VPP） 。 (4)输入/输出（I/O）引脚 P0、P1、P2、P3（共 32 根） 。 ①P0 口（39 脚至 32 脚） ：是双向 8 位三态 I/O 口，在外接存储器时，与地址总 线的低 8 位及数据总线复用，能吸收电流的方式驱动 8 个 LS 型的 TTL 负载。 ②P1 口（1 脚至 8 脚） ：是准双向 8 位 I/O 口。由于这种接口输出没有高阻状态， 输入也不能锁存，故不是真正的双向 I/O 口。P1 口能驱动（吸收或输出电流）4 个 LS 型的 TTL 负载。对 ，P1.0 引脚的第二功能为 T2 定时/计数器的外部输 入，P1.1 引脚的第二功能为 T2EX 捕捉、重装触发，即 T2 的外部控制端。对 EPROM 编程和程序验证时，它接收低 8 位地址。 ③P2 口（21 脚至 28 脚） ：是准双向 8 位 I/O 口。在访问外部存储器时，它可以 作为扩展电路高 8 位地址总线送出高 8 位地址。在对 EPROM 编程和程序验证期间， 它接收高 8 位地址。P2 可以驱动（吸收或输出电流）4 个 LS 型的 TTL 负载。 ④P3 口（10 脚至 17 脚） ：是准双向 8 位 I/O 口，在 MCS-51 中，这 8 个引脚还 用于专门功能，是复用双功能口。P3 能驱动（吸收或输出电流）4 个 LS 型的 TTL 负载。作为第一功能使用时，就作为普通 I/O 口用，功能和操作方法与 P1 口相同。9东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。值得强调的是，P3 口的每一条引脚 均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 P3 各口线的第二功能定义： 口线引脚第二功能 P3.010RXD（串行输入口） P3.212INT0（外部中断 0） P3.515T1（定时器 1 外部输入） P3.717RD（外部数据存储器读脉冲） 2.2.2 8279 芯片介绍[6] 由 80C51 系列单片机构成的小型测控系统或智能仪表中，常常需要扩展显示器 和键盘以实现人机对话功能。8279 芯片在扩展显示器和键盘时功能强、使用方便。 8279 是 Intel 公司为 8 位微处理器设计的通用键盘/显示器接口芯片，其功能是：接收 来自键盘的输入数据并作预处理；完成数据显示的管理和数据显示器的控制。单片机 应用系统采用 8279 管理键盘和显示器，软件编程极为简单，显示稳定，且减少了主 机的负担。 P3.111TXD（串行输出口） P3.414T0（定时器 0 外部输入）P3.616WR（外部数据存储器写脉冲） P3.313INT1（外部中断 1）图 2-3 827910东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计数据缓冲器将双向三态 8 位内部数据总线 D0~D7 与系统总线相连， 用于传送 CPU 与 8279 之间的命令和状态。 控制和定时寄存器用于寄存键盘和显示器的工作方式，锁存操作命令，通过译码 器产生相应的控制信号，使 8279 的各个部件完成相应的控制功能。 定时器包含一些计数器，其中有一个可编程的 5 位计数器（计数值在 2～31 间） ， 对 CLK 输入的时钟信号进行分频，产生 100 KHz 的内部定时信号（此时扫描时间为 5.1ms，消抖时间为 10.3ms） 。外部输入时钟信号周期不小于 500ns。 扫描计数器有两种输出方式：一是编码方式，计数器以二进制方式计数，4 位计数状 态从扫描线 SL3~SL0 输出，经外部译码器可以产生 16 位的键盘和显示器扫描信号； 另一种是译码方式，扫描计数器的低两位经内部译码后从 SL3~SL0 输出，直接作为 键盘和显示器的扫描信号。 回送缓冲器、键盘消抖及控制完成对键盘的自动扫描以搜索闭合键，锁存 RL7~RL0 的键输入信息，消除键的抖动，将键输入数据写入内部先进先出存储器 （FIFO RAM） 。RL7~RL0 为回送信号线作为键盘的检测输入线，由回送缓冲器缓冲 并锁存，当某一键闭合时，附加的移位状态 SHIFT、控制状态 CNTL 及扫描码和回 送信号拼装成一个字节的“键盘数据”送入 8279 内部的 FIFO（先进先出）RAM。表 2-1 表键盘的数据格式位7 CNTL6 SHIFT543210扫描（闭合键行号）回送（闭合键行号）在传感器矩阵方式和选通方式时，回送线 RL7~RL0 的内容被直接送往相应的 FIFO RAM。输入数据即为 RL7~RL0。数据格式为：表 2-2 数据格式位7 RL76 RL65 RL54 RL43 RL32 RL 21 RL10 RL0FIFO/传感器 RAM 是具有双功能的 8×8 RAM。 在键盘或选通方式时，它作为 FIFO RAM，依先进先出的规则输入或读出，其状 态存放在 FIFO/传感器 RAM 状态寄存器中。只要 FIFO RAM 不空，状态逻辑将置中 断请求 IRQ=1； 在传感器矩阵方式，作为传感器 RAM，当检测出传感器矩阵的开关状态发生变 化时，中断请求信号 IRQ=1。在外部译码扫描方式时，可对 8×8 矩阵开关的状态进 行扫描，在内部译码扫描方式时，可对 4×8 矩阵开关的状态进行扫描。 显示 RAM 用来存储显示数据，容量是 16×8 位。 在显示过程中，存储的显示数据轮流从显示寄存器输出。显示寄存器输出分成两组， 即 OUTA0~OUTA3 和 OUTB0~OUTB3，两组可以单独送数，也可以组成一个 8 位的 字节输出，该输出与位选扫描线 SL0~SL3 配合就可以实现动态扫描显示。显示地址11东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计寄存器用来寄存 CPU 读/写显示 RAM 的地址，可以设置为每次 读出或写入后自动递增。 DB7~DB0 为双向外部数据总线 ； 为片选信号线，低电平有效； 和为读和写选通信号线； IRQ 为中断请求输出线。 RL7~RL0 为键盘回送线。 SL3~SL0 为扫描输出线。 OUTB3~OUTB0、OUTA3~OUTA0 为显示寄存器数据输出线。 RESET 为复位输入线。 SHIFT 为换档键输入线。 CNTL/STB 为控制/选通输入线。 CLK 为外部时钟输入线。 为显示器消隐控制线图 2-4 8279 引脚8279 是可编程接口芯片，通过编程使其实现相应的功能，编程的过程实际上就 是 CPU 向 8279 发送控制指令的过程。在软件设计中，显示方式采用了 8 个字符显 示，进入方式，编码扫描键盘，双键锁定。 2.2.3 AD574A 芯片介绍[7] 12 位 A/D 转换器 AD574/AD1674。D574A 是美国模拟器件公司生产的 12 位依 次逼近型快速 A/D 转换器。转换速度最大为 35us，转换精度≤0.05%，是目前我国市 场应用最广泛、价格适中的 A/D 转换器。AD574A 片内配有三态输出缓冲电路，因而 可直接与各种典型的 8 位或 16 位的微处理器连接，而无须附加逻辑接口电路， 且能与 CMOS 及 TTL 电平兼容。由于 AD574A 片内含高精度的参考电压源和时钟电路，这使 它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下 完成一切 A/D 转换功能，应用非常方便。 (1)AD574A 的内部结构与引脚功能[8] AD574A 的内部结构主要由模拟芯片和数字 芯片两片混合集成，其中模拟芯片就是该公司生 产的 AD565 型快速 12 位单片机集成 D/A 转换器 芯片。数字芯片则包括高性能比较器、依次 比图 2-5 AD574A12东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计较逻辑寄存器、时钟电路、逻辑控制电路以及三态输出数据锁存器等。 AD574A 的引脚如右上图： CS：片选信号，低电平有效。 CE：芯片允许信号，高电平有效。只有? CS ?和 CE 同时有效，AD574 A 才能工 作。 R／C ?读出或转换控制信号，用于控制 ADC574A 是转换还是读出。当 为低电 平时，启动 A／D 转换；当为高电平时，将转换结果读出。 12／8 ?：数据输出方式控制信号。当为高电平时，输出数据为 12 位； 当为 低电平时，数据是作为两个 8 位字输出。 A0 转换位数控制信号。 当为高电平是， 进行 8 位转换， 为低电平进行 12 位转换。 REFOUT：+10 V 基准电压输出，最大输出电流为 1．5 mA。 REFIN：参考电压输入。 BIPOFFSET：双极性偏移以及零点调整。该引脚接 0 V，单极性输入；接+10 V， 双极性输 入。 10 Vin： 10 V 范围输入端，单极性输入 0～+10 V，双极性输入-5 V～+5 V。 20 Vin： 20 V 范围输入端，单极性输入 0～＋20 V，双极性输入-10 V～＋10 V。 DB11～DB0：12 位数字输出。 STS：转换结束信号。转换过程中为高电平，转换结束后变为低电平。 (2)AD574A 的主要特点如下[9] ① 非线性误差：AD574AJ 为±1LSB；AD574AK 为±2LSB。 ② 转换速度：最大转换时间为 35us，属于中档速度。 ③ 输入模拟信号范围为 0~+10V，0~+20 V，也可以双极性±5V 或±10V。 ④ AD574A 有两个模拟输入端， 分别用于不同的电压范围： 10Vin 是适用于±5V 的模拟输如，20Vin 适用于±10V 的模拟输入端。输出 12 位，即 DB0~DB11。 ⑤ 用不同的控制信号，即可以实现高精度的 12 位变换，又可以做快速的 8 位转 换。转换后的数据有两种读出方式：12 位一次输出；8 位、4 位分两次输出。设有三 态输出缓冲器，可直接与 8 位或 16 位的微处理器接口。 ⑥ 需要三组电源：+5V，Vcc(+12 ~ +15V)，Vee（--12V ~ --15V） 。由于转换精 度高，所以提供电源必须有良好的稳定性，并加以充分滤波，以防止高频率噪声的干 扰。 ⑦ 内设高精度的参考电压（10。00V）只需要外接一只适当阻值的电阻，便可 向 DAC 部分的解码网络提供 Iref，转换操作所需的时钟信号由内部提供，不需要任 何元器件。 ⑧ 低耗型：典型功耗为 3mW。 AD574A 为 28 引脚双列直插式封装，其引脚如图 2-5 所示。13东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计AD574A 引脚介绍如下： Vl：数字逻辑部分电源+5V。 12/8：数据输出格式选择信号引脚。当 12/8=1（+5V）时，双字节输出，即 12 条数据线同时有效输出，当 12/8=0（0V）时，为单字节输出，即只有高 8 为或低 4 为有效。 CS：片选信号端，低电平有效。 AO：字节选择控制线。在转换期间：AO=0 时，高 8 位数据有效；AO=1 时，低 4 位数据有效，中间 4 位为 0，高 4 位为三态。因此当采用两次读出 12 位数据时，应 遵循左对齐原则 R/C：读数据/转换控制信号，当 R/C=1 时，ADC 转换结果的数据允许被读取； 当 R/C=0 时，则允许启动 A/D 转换。 CE：启动转换信号，高电平有效。可作为 A/D 转换启动或读数据的信号。 Vcc , Vee：模拟部分供电的正电源和负电源，为±12V 或±15V。 REF OUT：10V 内部参考电压输出端。 REF IN：内部解码网络所需要参考电压输入端。 BIP OFF：补偿调整。接至正负可调的分压网络，以调整 ADC 输出的零点。 10Vin、20Vin：模拟量 10V 及 20V 两程的输入端口，信号的一端接至 AG 引脚。 DG：数字公共端（数字地） 。 AG：模拟公共端（模拟地） 。它是 AD574A 的内部参考点，必须与系统的模拟参考 点相连。为了在高数字噪声含量的环境中从 AD574A 获得高精度的性能，AG 和 DG 在 封装时已连接在一起，在某些情况下，AG 可在最方便的地方与参考点相连。 DB0 C DB11：数字量输出。 STS：输出状态信号引脚。转换开始时，STS 达到高电平，转换过程中保持高电 平。转换完成时返回低电平。STS 可以作为状态信息被 CPU 查询，也可以用它的下降 沿向 CPU 发中断信号申请。通知 A/D 转换已完成。CPU 可以直接读取转换结果。 (3)AD574A 的应用特性及校准 ① AD574A 控制信号的功能及应用特性。 AD574A 的工作状态由 CE、CS、R/C、12/8、A0 五个控制信号决定，这些控制信号 的组合控制功能如表所示：14东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计表 2-3 AD574A 控制信号的组合功能 CE 0 × 1 1 1 1 1 CS × 1 0 0 0 0 0 R/C × × 0 0 1 1 1 12/8 × × × × 接 1 脚（+5V） 接地 接地 A0A × × 0 1 × 0 1 工作状态 禁止 禁止 启动 12 位转换 启动 8 位转换 12 位并行输出有效 高 8 位并行输出有效 低 4 位加上尾随 4 个 0 有效由上表可见，当 CE=1，CS=0 同时满足时，AD574A 才能处于工作状态。当 AD574A 处 于工作状态时，R/C=0 时启动 A/D 转换；R/C=1 时进行数据读出。12/8 和 A0 端用来 控制转换字长和数据格式。A0=0 时启动转换，则按完整的 12 位 A/D 转换方式工作， 如果按 A0=1 启动转换，则按 8 位 A/D 转换方式工作。当 AD574A 处于疏忽读出工作状 态（R/C=1）时，A0 和 12/8 成为数据输出格式控制器。12/8=1，对应 12 位并行输出， 12/8=0 则对应 8 位双字节输出。其中 A0=0 时输出高 8 位。A0=1 时输出低 4 位，并以 4 个 0 补足尾随的 4 位。必须指出 12/8 端与 TTL 电平不兼容，故只能用通过布线接 至+5V 或 0V 以上。另外 A0 在数据输出期间不能变化。 如果要求 AD574A 以独立方式工作，只要将 CE、12/8 端接入+5V，CS 和 A0 接至 0V，将 R/C 作为数据读出和数据转换启动控制。当 R/C=1 时，数据输出端出现被转换 后的数据，R/C=0 时，即启动一次 A/D 转换。在延时 0.5us 后 STS=1 表示转换正在进 行.经过一次转换周期 Tc(典型值 25us)后 STS 跳回低电瓶表示 A/D 转换完毕,可以从 数据输出端读取新的数据。 ② AD574A 的输入特性 通过改变 AD574A 引脚 8、10、12 的外接点路，可使 AD574A 进行单极性和双极性 模拟信号的转换， 单极性转换电路如图所示， 其系统模拟信号的地线应与引脚 9 相连， 使其地线的接触电阻尽可能小，双极性转换电路如图所示。 单极性输入：图 2-6 单极性输入15东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计双极性输入：图 2-7双极性输入在上面两个图中， 电位器 RP1 用于调节零点， 电位器 RP2 用于调节增益 （满量程） ， 模拟地 AG 和数字地 DG 要一点共地。 2.2.4 其他主要芯片[10] (1) SN74LS138N 译码器：将具有特定含义的输入代码换成相应的输出信号。 译码器的功能：实现译码功能的逻辑电路。图 2-8 框图图 2-9 引脚排列 表 2-4 功能表信号：S1：高电平有效 S2 S3：低电平有效 表达式： 3-8 译码器的功能表：(2)2764 和 74LS373 74LS373 片内是 8 个输出带三态门的 D 锁存器， 其结构图如下。 当使能端 G 程 高 电平时锁存器中的内容可以改变更新，而在返回低电平瞬间实现锁存。如此时芯片的 输出控制端为 OE 低，即输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可经由三态门输出。 74LS373 是带清除端 CLR 的 8D 触发器。它不带三态门，但 CLR 端为低时，8 个 D16东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计触发器中的内容将被清除而输出全零，所以正常工作时该端应接高电平。它在时 钟端 CLK 输入为上升沿时触发器中的内容更新，因此单片机的 ALE 引脚应先经反相， 再与该端相连接。经过我们对他们的分析最终我们采用 74LS373。 2764 用做片外存储器。 (3)DBWM 型热电偶 DBWM 型热电偶温度变送器是 DDZ 一Ⅲ型系列 DBW 热电偶温度变送器的改 进型产品。本仪表与各种不同型号的热电偶配套使用，将被测温度线性地转换成统一 的标准信号 4～ 20mA DC 及 1 ～ 5V DC 输出供给指示记录仪，摸拟调节器，可 编程数字调节器，分散系统及工业过程控制机使用。本仪表采用四线制连接方式，由 于在电路上采用了高性能的功能模块结构方式，使整机结构紧凑，体积缩小，重量轻 安装调校简单，维护工作量小。且具有断偶报警功能（输入信号大于 5V 或小 1V） 。 主要技术指标和如图形状： 输入信号：各档热电势（适配于各种型号热电偶） 输出信号：1～5V DC；4～20mA DC 输出信号：负载电阻：0～500Ω 工作条件： 环境温度：5～40℃ 相对湿度：1O～75% 供电电源：24V±1.2V DC 周围空气中不含有腐蚀性气体 消耗功率：2.5W (4)LM7805CT LM7805CT 主要的功能是电源电路，制作可调稳压电源，常因电位器接触不良 使输出电压升高而烧毁负载。如果增加一只三极管，在正常情况下，T1 的基极电位 为 0，T1 截止，对电路无影响；而当 W1 接触不良时，T1 的基极电位上升，当升至 0.7V 时，T1 导通，将 LM317T 的调整端电压降低，输出电压也降低，从而对负载起 到保护作用。如去掉三极管、断开 W1 中心点连线，3.8V 小电珠立刻烧毁，测输出 电压高达 21V。而加有 T1 时，此时 LM7805CT 输出电压仅为 2V，从而有效的保护 了负载。 (5)热电偶(铂 10-铂铑热电偶 自 1885 年 Le-chatelier 发明铂铑 10-铂铑热电偶以来，已有 100 多年的历史，对 其性能及制造工艺曾作过详细研究。 该种热电偶正极的明义成分为含铑 10%的铂铑合 金（代号为 SP） ，负为纯铂（代号为 SN） 。该种热电偶的特点是热电性能稳定、抗氧 化性强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。长期使用温度为 1400℃，超过此温度 时， 即使在空气中， 纯铂丝也将因再结晶致使晶粒粗大。 故长期使用温度限定在 1400图2-10 DDZ 一Ⅲ17东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计℃以下，短期使用温度为 1600℃。在所有的热电偶中，它的准确度等级最高，通常 用作标准或作为测量高温的热电偶，它的使用温度范围广、均质性及互换性好。 本系统选用铂铑 30-铂铑 6（即 B 型）热电偶作为温度传感器，并配以高精度运 放调理电路和冷端补偿电路实现高精度测温。2.3 分模块详述系统各部分的实现方法[11]下面主要是说明把电路原理图中的部分电路分块介绍。 2.3.1 交流电过零检测电路 同步变压器和电压比较器 LM7805 组成正弦交流电的正半波过零检测电路， 见下 图。它在交流电每一个正半周的起始零点处产生一个下降沿，从而构成一串矩形脉冲 序列，输送给 8031 的一个 I/O 口，在方波的上跳沿或下跳沿刻产生中断。双向可控 硅过零触发电路，以往通过控制双向可控硅导通角来改变流过可控硅的电流，从而改 变输出功率；但这样得到的电压波形并非正弦波，对电网会形成较大的危害。2-11 过零检测电路图 2-12 过零触发电路本设计采用双向可控硅过零触发技术， 如图所示。 8031 的一个 I/O 口输出 0 触发 信号，经反向驱动(光电耦合器 LM113 起控制门和强、弱电隔离作用)，在经过功率 放人后加到双向可控硅的控制端上。由于加热元件(电阻丝)在冷态电阻很小，启动电18东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计流大，故本电路比采用固态继电器更便于系统启动，经济性也十分明显。由于 2-5 可 知，当 8031 引脚 P1.4 检测到有过零跳变时，即由 P1.5 脚输出一个触发泳冲，使双 向可控硅导通(负向触发)。因而，通过晶闸管的电流是完整的正弦波。本系统采用固 定周期控制方式，控制周期 T=1 秒，即 50 个电网周波。由于电阻加热炉平均输出功 率为：P = nPm / 50（2 -1）其中：Pm 为加热炉全导通时功率。n 为在一个控制周期内导通的电网周波数。 可见，P 与 n 成比，即输出功率与每个控制周期内导通的电网周波数成正比，改变了n，就改变了 P，从而也就实现了炉温的自动控制。图中 R 和 C 组成浪涌吸收网络，它起到防止电源尖峰电压和浪涌电流对双向可控硅的冲击。 2.3.2 A/D 转换电路[11] 被采样的模拟信号经放大后进入 A/D 转换器，选用的 A/D 转换器是 AD574A。 工作流程是：当由传感器（由热电偶来实现）传来模拟信号，经放大电路放大之后， 送到 AD574A A/D 转换器，转换为数字信号。此信号到 8031 里，由 8031 发出的控制 信号送到 EPROM2764、键盘显示接口 8279。程序指令由 EPROM2764 送到 8031。 经 8279 输出的信号送到 LED 数码显示器，再送到数码显示器显示。图 2-13 A/D 转换电路本系统选用 12 位 AJD 转换器 AD574A 实现模数转换。对 CE、R/C、12/8、A0 五端的控制，可实现对 AD574A 的转换启停、转换位数、数据读出的控制，如表 2-1 所示。 其中， 和 CS 是片选控制， CE 只有当 CE=1 和 CS=0 同时满足时， 才能对 AD579A 进行启动、 数据读出的操作。 R/C 是工作状态控制端。 R/C=0 为启动转换命令， R/C=1 为数据读出命令。12/8 读出数据字长控制，一般由硬布线确定.12/8 接+5V，输出数据 按一次读出 12 位方式输出:12/8 接 OV，则分高、低字节两次读出(数据有效位仍为十 二位)，并接受 Ao(可以接最低位地址线)。本文用 8031 单片机，因此 12/8 接地，采用 高、低字节读数据。若 Ao=0. DB1~DB4 输出高 8 为数据；若 A0=1，DB8~DB11 出 低 4 位数据，DB11~DB4 呈高阻态。另外，在控制 A/D 转换启动(R/C=0)时，Ao 还起19东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计到控制转换位数的作用。A0=0，启动 12 位转换；A0=1 启动 8 位转换。木系统要求 精度高，采用 12 位 A/D 转换，分辨率为 0. 440C，可以满足需要。STS 端输出电平 指示芯片工作状态；STS=1, A/D 转换正在进行；STS=0，表示 A/D 转换完成，可以 读 出 数 据 。 因 此 ， 用 它 作 为 系 统 读 中 断 的 请 求 信 号 。 AD57}A 的 入 口 地 址 为 H 。表 2-5 AD574A 逻辑控制真值表 CE 0wCSwR/Cw w12/8w w w wA0w w工作状态 不工作 不工作 启动 12 位转换 启动 8 位转换 12 位并行输出有效 高 8 位并行输出有效 低 4 位加上尾随 4 个 0 输出有效1 0 0 0 0 01 1 1 1 10 0 1 1 10 1w接 1 脚(+5V) 接 15 脚(DV) 同上0 1AD574 将传感器传来的 50Hz 交流信号转换为交变的数字量序列，8031 取交变 周期中的各点，与该点所在相位确定的电压上下界进行比较，如果在上下界范围内， 则该点电压偏差正常。 由于 A／D 转换存在误差， 这将带来采样值与信号电压和单片机中存储的上下界 值与对应信号电压上下界之间的误差。这两个误差的最大值相同，各等于 AD574 转 换的 12 位二进制数据第一位的“1”对应的模拟电压的一半，即（10×2）／OFFFFH×2） ＝0．00245V。 由分辨率误差产生的电压判断误差应是采样值和上下界值分辨率误差的叠加， 对 一个周期中的各采样点是不变的。 但相对电压判断误差则依各点电压值不同而有所不 同。 比如， 当某点信号电压为 2V 时， 该点采样值相对误差 e1＝0． 0． 1225％。 若该点下界值为 2V，其相对误差 e2 也为 0．1225％（上界相对误差小于 e2） 。 对该点而言，e2 是不变的，但 e1 却随信号电压的不同而不同。只有信号电压低于 2V 时，e1 才大于 0．1225％。但信号电压更低的时候，已可得出对电压状态的判断，不 必考虑 e1 的影响。即当下界比较值大于、等于 2V 时，由这两个相对误差合成的最 大电压判断误差 δ1＝0．1225％×2＝0．245％。要使采样点与相比较的上下界相位相 同，需要确定采样点的相位，可以通过捕捉电压信号各周期起点、终点来实现。当连 续两采样点的前一点为负值，后一点为正值时，周期的起始点或终止点就在这两点之 间。在交流信号每个周期内采集 200 个点，来捕获各周期起点、终点，带来的误差如 图 2-14 所示。20东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计图 2-14 捕捉周期起点误差图 2-15偏移法产生误差图 2-14 中，A 点为实际电压信号一个周期的起点。当采集到的前后两点均布于 A 点两侧时，会把其中一点当作该周期的起点，产生的时间误差 t0 和各点的量值误 差 e0 都将达到最大值。显然，e0 的相对误差和 δ1 的变化趋势相同，即随信号电压 绝对值的增大而减小。 应截取一个周期中信号电压绝对值不小于某个值的一段进行判 断，这样一个周期上就会有两个判断区间。 调试时发现，上述捕捉周期起点方法产生的相对误差将大到无法进行有效的判 断。可以采取偏移的办法来解决这个问题。如图 3-15 所示，设在周期起始点的前、 后采样点分别为 A、B 点，把 B 点作为通过采样点确定的理论周期的起始点。两点连 线交 t 轴于 C 点。可以很容易的求到 t2。用 t2 代替 t1＋t2 作为偏移量，将理论周期 起始点距判断区间起始点之间的时间段加上 t2， 使理论周期起始点向前偏移， 与实际 周期起始点重合， 从而用理论周期确定的采样点的相位与相比较的上下界值的相位在 判断区间上相同。 2.3.3 温度检测和变送器 (1) 热电偶测温原理 当两种不同的导体或半导体连接成闭合回 路时，两个接点温度不同，回路中就会出现热 电动势，并产生电流，如图 2-2 所示。这一热 电势主要由接触电势形成。当两种不同导体 A 、B 接触时，由于两边的自由电子密度不同， 在交界面上产生电子的相互扩散。因而在它们 触电位差（热电势） 。回路中总电势为： （2-2） （2-3） 式中 K 为波尔滋蔓常数：T 和 T0 分别为热端和冷端的热力学温度。NA 和 NB 分别为导体 A 和 B 的电子密度。由式（2-2）可见，电势 E 与（T-T0）有关，即与导 体的材料有关，与它们的粗细、长短无关。 当热电偶回路中接入第三种导体时。理论证明，只要接入的导体两个连接点温度图 2-16的接触面处电子向对面流出的量不同，一面多余电子，另一面缺少电子，使之形成接21东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计相等，它为热电偶回路插入测量仪表和使用多种导线进行连接提供了理论保证。这样 ， 以来，对一定的热电偶材料，若将一端温度 T0 维持恒定（该端称为自由端或冷端） 而将另一端插入需要测温的地方，则热电势 E 为测温端温度 T（该端又称为工作端或热端）的单位函数。用仪器测定 此热电势的数值，便可确定被测温度 T。而铂及其合金组成的热电偶测温范围宽，精 度高，电势非常稳定，常用其作为标准热电偶或高精度测温之用。本系统选用 B 型 铂铑热电偶来测量温度。前文提到，要用热电偶测温，需要将冷端温度 T。维持恒定。 实际使用中，由于环境变化或所测温区的热影响使 T。端波动，影响测温精度。 由式（2-2）知，如果 T。不变，E 与 T 成线性关系；如果 T。=0，则 E 与 T 成 正比。为此给式（3.1-2）等号右边增加一项，写为： （2.3） 只要使 （2-4） （2-5）即冷端得到补偿，则总的热电势与工作点温度有关。故本系统也需要对冷、端进 行补偿。 (2) 热电偶测温的冷端补偿 热电偶在工业现场使用时一般都需要对冷端进行补偿，尤其高温度、高精度测量 系统中更为重要。补偿的方法是多种多样的，常用的有冷端恒温（包括冷水保温、恒 温槽等） 电桥补偿等。 、 但其使用不方便或误差大。 本系统采用集成温度传感器 AD590 进行补偿。见下图： AD590 是单片集成两端感温电流源，测温范围-55-150℃，测温精度高，流过的 微安（μA）数等于器件所处于环境温 度的热力学温度（开尔文的度数） ，即：It / T = IuA / K（2-6）对于室温（工业现场，即热电偶冷端补偿所处环境）T0 有： （2-7） 负载电阻 R 上输出电压为： （2-8） 选择 R 使 Vout 在 A/D 允许输入电压范围内（本系统 R=10KΩ） ，这种测量冷端 准确度高，克服了常规方法补偿误差大和不方便的缺点，而且性能稳定。B 型热电偶的输出热电势 0 ~ 13. 583mV，在 1500℃仅为 13. 58mV) 。如图所示。检测到的温度信号需要放22东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计大 790 倍左右。本系统前级选用自稳 零高精度斩波运算放大器 ICL7650， 后级运放则用较廉价的 741。图 2-17 冷端补偿电路图 2-18 温度检测电路其参数应满足( R1 / Rf ) × (W 2 × Rt ) = 7 / 10（2-9）而 7650 输入端的钳位二级管起保扩作用，避免由于输入线路故障或瞬态尖锋干 扰而损坏器件。该温度测量电路输出电压 Uout2 与图所示冷端补偿电路输出电压Vout1 经多路转换、数据采集及 A/D 转换后，送入 CPU 中以便用软件完成冷端补偿和非线性补偿。另外，由于 B 型热电偶的电势温度特性是非线性的，所以必须加以 校正，即使“热电偶温度―热电势”曲线线性化。 (3) 热电偶非线性补偿 过去在模拟电路中对热电偶的非线性化处理采用较多的是运算放大器和精密电 阻。运算放大器由于零漂、温漂等因素直接影响转换精度，使测量和控制误差较大。 而现在由计算机对热电偶进行非线性补偿，则要便得多，不仅简化了硬件电路，更重 要的是大大捉高了精度。因为用软件补偿，既灵活方便，又可利用计算机内存大，计 算速度决等优势。补偿的方法一般有三种，即：分段线性插位法、曲线拟合法和查表 法。本文把 0-1500 ℃范围内的电势温度特性曲线分成 150 段，即把每 10℃一点的电 势―温度数据存入 EPROM 中，然后将数宇滤彼后的数宇量，经过查表和线性插值运 算得到相应的炉温值，从而完成了非线性校正和标度变换。检测到的温度度信号(经23东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计A/D 转换成数字量)，送入 CPU 后参与比较运算，得出的控制量用来调节加热炉加热 功率的大小，这是本系统的另一个 重要环节。本设计中采用双向可控硅过零检测与触发电路来实现功率控制，最终达到 改变加热炉温度。采用双向可控规的过零检测与过零触发方式调功，非常方便，可使 硬件电路大为简化。 2.3.4 报警电路下图为报警与自动转手电路。 在主回路中， 与双向可控硅串接一电源开关的触点， 当温度超限时，立即使电磁开关 C1 跳闸。双向可控硅两端还并接另一电磁开关的常 开触点，一旦升温达不到要求，或者 硬件出现故障后，立即闭合 C2 触点，以便通 过手动控制双刀单掷开关的方法控制 C1 的通断以达到控制温度的目的。 报警信号分别由 8031 的引脚 P3.4、P3.5 输出。经隔离驱动电路接通继电器 Z1 和 Z2 的线圈，一旦输出报警信号，就停发双向可控硅触发脉冲信号。此时，只检测 炉内温度值并显示。图中两个报警源共用一个蜂鸣器，由指示灯区分报警源。HL1 为超温指示灯，灯亮工作正常，灯灭表示超温。同理，HL2 为欠温指示灯，亮为工作 正常，低于要求温度则灯灭。由图接口电路可知，当故障排除后，通过硬件请求和软 件查询，单片机响应中断后，立即恢复自动控制。图 2-19 主回路24东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计图 2-20 声光报警与自动转手电路2.3.5显示模块与键盘电路本系统键盘/显示器接口采用 8279 芯片。8279 用硬件完成键盘与显示器扫描。 键盘由 0--9 数字键、控制曲线键、时间设置、启动键、复位键等组成。如下图。用 户可以通过键盘直接送入控制曲线和参数，显示器由 4 位 LED 数码管组成，用来显示 温度值。P1.0-P1.7 为双向外部数据总线，用于传送 8279 与 CPU 之间的数据、控制 指令和状态信息。时钟 CLK 由 8031 的 ALE 提供；中断请求 IRQ 经反相后接 INT1 端， 并通过软件查询， 片选信号线 CS 由 74LS138 的 Y3 决定。换档键 SHIFT 和控制键 CNTL 均设为零(接地)。电路图 2-21 键盘25东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计图 2-22LED 显示电2.3.6PC 机与单片机(8031)的串行通讯(1) ADM101E 芯片介绍 大多数 PC 机都有一个串行通讯端口 RS-232 用于两台计算机间进行串行通讯。 RS - 232 通讯接口是一种标准化的串行接口，是为远程通讯连接终端设备 DTE(Data Terminal Equipment)与数据通讯设备 DCE (Data Communication Equipment)定义的物 理接口。RS-232 采用非平衡连接(又称为单端线路)，在这个线路中，信号电压加到一 条导线上，所有的信号电压都使用一个公共的接地线。为了提高抗干扰能力和增加传 送距离，RS-232 的每个脚线的信号和电平规定采用负逻辑电平，DC(-15 一 5V)规定 为逻辑“1”,DC(+ 5―+15V)规定逻辑“0”, DC(-5 一+5V 规定为过渡区)。由于单片 机的输入、 输出电平为 TTL 电平， PC 机 RS-232 标准串行接口的电气规范不一致， 与 因此要实现单片机与 PC 机之间的数据通读，必须进行电平转换。一般常用的电平转 换器件有 MC1488、MC1489 及 MAX232 等，但 MC1488、MC1489 需要±12V 电源， 这对于不具备±12V 电源的单片机系统是非常不便的。而双路 RS-232 收发器 MAX232 虽然只需要+5V 电源，但对于仅用单路收发器的应用系统来说，又显得有 些余。 本文采用一种体积小、 功耗低、 单+5V 电源供电的单路 RS-232 收发器 ADM101E 芯片如图，该芯片的引角解释如表。表 2-6 引角解释26东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计ADM101 的引脚说明 引脚 1 2 3 4 5 6 7 8 名称 GND CIVTM Rour RM Tout SD 功能说明 地 充电电容的负端 内部产生的负电压 发送器输入端 接收器输出 接收器输入 发送器输出 关闭模式控制端为 1 时， ADM101 进入关闭 模式，为 0 时，为正常工作模式 9 CI+ 1 Vcc 0 图 2-23 引脚图 充电电容的正端 电源(2) 串行接口介绍 将 PC 串行接口与经过转换的符合 RS-232C 电气标准的单片机串行接口连接即可 实现二者之间的异步串行通信。单片机串行接口有一个全双工串行接口，采用 TTL 逻辑电平，经过 ADM101E 芯片可方便地转换成 RS_232 电气标准。串行通讯连接如图 2-24。图 3-24图 2-24 串行通信2.3.7存储器扩展电路8031 内部存储容量较小，又没有程序存储器，本系统扩展了 1 片 2764EPROM 和 2764A EPROM 中存放程序，表格及温度曲线等；2864A 只作为一个非易失的 RAM 用，27东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计其中存放上次输入的曲线参数以及各寄存器内容，用于保护数据，其扩展电路如下： 扩展存储器地地址为 0000H C 1FFFH。图 2-25 存储器扩展电路2.3.8其他主要电路(1)温度采集电路 温度传感器是整个控制系统获取被控对象特征的重要部件,它的特性直接影响系 统的精度,所以我们对现有的几种温度传感器进行了比较,在 0～1500℃范围内,热敏 电阻和热电偶的线性比较好。 (2)控制器 采用了 8031 单片机,通过 8279 和按键完成数据的采集p温度显示p温度设定功 能,并完成 PID 控制算法的实现和控制信号的输出。 (3)抗干扰电路(看门狗电路) MAX705 是监控集成电路，本系统用其“看门狗”功能和对主电源 Vcc 的监视 功能。如图 2-10 所示，一旦因干扰发生使程序跑飞，WDO 由高变低，由于微分电路 的作用，由“与非”门输入引脚 2 产生一个由高到低，然后又由于电容被充电而使引 脚 2 变为高电平，引脚 2 的电平的这种变化使“与非”门输出一个正脉冲(其宽度约 为 0. 5RC )，使单片机产生一次复位。复位结束后，又由程序控制向 WDI 引脚发正 脉冲，使 WDO 引脚回到高电平。 “看门狗”从“0”开始计数，并一直监视程序运行。为保证单片机可复位，可 选取 R=10KΩ，C=10uF。 而当 Vcc 低于 4.56V 时，单片机不工作;当 Vcc 上升到高于 4. 56V 时，单片机执 行一次复位操作。另外，单片机每 1.6 秒之内应对“看门狗”触发一次。28东华理工学院毕业设计(论文)温度控制硬件系统设计图 2-26 看门狗电路(4)多路转换开关电路 如下图所示，本系统采用 CC4051 多路转换开关，它是单 8 路模拟开关。图中 C,B 和 A 是地址输入端，INH 是禁止端，其真值表如表 2-2 所示。由表可知当 INH=1 时(高电平)所有开关均不通，因而 X0-X7 之任一端均不与 X 接通，信号不能传输.只 有在 INH=0(低电平)时才由 C, B, A 决定选通某一开关。例如当 CBA=000 时，信号由 X0 传送到 X，同样当 CBA=001 时，X1 传送到 X，依次类推 X。接图的 Vout2，而 x1 图的 Vout1，X 端输入到图 AD574A 的 10VIN 端，C, B, A 由 8031 的地址总线 A0, A1,, A2,来确定。CCQ051 的入口地址为 0000H--0007H。图 2-27 多路转换开关电路2.4 电加热炉温度控制硬件结构图电路原理图见附录 229东华理工学院毕业设计(论文)系统软件与模型3. 系统软件与模型在系统软件与模型里主要论述了数学模型的建立，控制系统的算法设计，软件结 构，软件设计等。3.1 数学模型建立为了使系统获得较好性能指标（如静态误差 e、超调量σp、过渡过程时间 ta、 上升时间和稳定裕量） ，首先要了解被控对象的特性，并用以作为设计自动控制系统 的依据。电热油炉温度控制采用数字 PID 调节规律，为了确定 PID 的参数，采用飞 升曲线法来确定电热炉温度控制的传递函数。图 3-1 炉温飞升曲线电热炉出口温度的飞升曲线如左图所示。由图可知，系统是带纯滞后的一阶对象，其 传递函数是： W(S) = ( Ke?τs)/(TS + 1) （3-1） 式中，K 为放大系数；T 为对象时间常数；τ为对象滞后时间。一阶对象参数的求取； 对于一阶跃信号幅值的比值求恩德。 输出从起始值达到 0.632 倍稳态值的时间为对象 时间常数 T。而对象滞后时间τ可直接从图中测出。 通过测量飞升曲线来求得的参数：T=72min, τ=8min，K=330。3.2 控制系统的算法设计计算机闭环控制系统结构框图如图所示数字控制器 保持器或执行机构 被控对象模/数转换器图 3-2 系统结构框图图中，被控对象包括从施加的交流电压值到输出温度之间的全部环节。控制规律 的选择， 据被测对象的特征， 必须选择一种控制规律， 使炉温有变化趋势时而被限制， 本系统采用自整定 PID 调节。当 WDY-1 温控仪刚进入工作状态时，有一个飞升机会， 仪器将输出 100%，使炉子温度按较陡斜率上升到给定值的 80%左右(满足快速性要30东华理工学院毕业设计(论文)系统软件与模型求)，然后根据炉子的温度变化率、温度偏差以及纯滞后的特点，直接按事先放置在 内存中的经验表格，查出对应的 PID 参数，从而实现控制参数的自动整定过程，按 PID 运算并输出，实现炉子温度的自动控制(满足无静差要求)。同时，该整定过程还 省去了仪器初始整定的麻烦，使用方便。 3.2.1 时间最优控制[5] （3-2） 式中 eA 为偏差临界值，可根据书记工艺情况和精度要求选取， L（L）为第 L 次采样时刻的设定值； Y（L）为第 L 次采样时刻的反馈值； E（L）为第 L 次采样时刻发偏差值； 时间最优控制模式 （3-3）其中 U（L）为第 L 次采样时刻发计算机输出值；Umax 为计算机输出的最大值。 在偏差较大时，采用 PID 控制算法，输出最大控制电压，以快速消除大偏差，实现时 间最优控制。 3.2.2 分离式 PID 控制[2] 在偏差较小时，采用 PID 算控制，可以抑制积分饱和，防止产生超调和振荡，确 保稳态精度。e(k ) ≥ eΒ e(k ) ? eΒPD 控制 PID 控制（3-4） （3-5）式中 eB 为积分分离门限值，并且有 eB&eA。 在 PID 控制时其调节规律为 U(t)=Kp[e(t)+ 离散化后其差分方程为 （3-7） （3-8） （3-6）参数 T，Kp,T1,Td 可根据已知被控对象参数参照 阶跃响应曲线选择，最后结合实际 确定。 与积分对应的差分方程31东华理工学院毕业设计(论文)系统软件与模型式中 U1（L）为第 L-1 次采样之前积分项和 （3-9） （3-10） 利用控制软件实现增量式控制算法，并对控制量 U（L）输出到被控对象。3.3 软件结构[7]本系统应用程序主要由主程序、 中断服务程序和子程序所组成。 为了便于程序分 析，以及系统的调试、链按以及软件移植和修改，系统软件采用了结构化模块设计。 在主程序中，首先设置换栈，对 8279 等扩展电路，外部 RAM 及各寄存器初始化， 并设置有关标志。 然后， 系统自检， 显示开机提示符， 读键盘， 散转到各键处理程序， 。 中断服务程序主要有 A/D 转换结束中断、系统时钟溢出中断、8279 读键盘中断、交 流过零检测中断、 故障排除中断等。 子程序主要包括滤波子程序、 非线性补偿子程序、 显示子程序，打印子程序、数制转换子程序、控制算法子程序、报警子程序、双向可 控硅触发子程序、硬件自检子程序等。 (1) 主程序框图如下： ：图 3-3 主程序框图32东华理工学院毕业设计(论文)系统软件与模型(2) 启动运行模块 下面重点讨论一下较重要的启动运行模块(图 4-3)，双向可控硅过零检测和触发 中断（图 3-3） ，A/D 转换中断(图 5-14)及控制算法子程序 (图 3-3)等。 在图 4-3 中，按下启动键后，系统开始运行检测热电偶和 AD590 的输入值，再 进行数字滤波， 查表及插值作线性校正和标度变换， 计算出炉温值， 在显示器上显示， 根据当时时间计算出该采样周期温度设定值及温度偏差， 按控制算法算出单片机的输 出值，判断超限和调速故障，根据输出值对双向可控硅在本采样周期内导通时问的长 短(即导通周波数)进行调节，打印时间到时，打印有关数据，最后由复位“看门狗” 监视计数器，重复以上过程。图 3-3 启动运行模块33东华理工学院毕业设计(论文)系统软件与模型本系统采用控制每个采样周期内双向可控硅导通正弦波个数的方法来调节加温 每次采样时对交流过零个数进行计数， 功率， 在系统启动后即开放 INTI 和 P1.4 中断， 当过零个数与控制调节器输出值相等时，即停止 P1.5 输出。P1,4 为中断入口，见图 3-4。图 3-4 双向可控硅过零检测图 3-5 A/D 转换中断程序框图和触发中断程序框图 A/D574A 与 8031 接口电路图。 AD574A 当作一般的并行 I/O 借口来处理， 8031 微机系统向 AD 574 A 发送一虚拟的数据。 CS=0， 使 CE=1, A,=R/C=1,启动 A/D。 STS 送出的下跳沿作为 8031 的一个外部中断 INTO，表明 A/D 转换结束，允许采集数据。 然后通过 P。 口分两次读取高 8 位和低 4 位数据。 A/D 转换中断程序框图见图 4-4。 其 控制算法子程序(见图 3-6)。34东华理工学院毕业设计(论文)系统软件与模型(3) 控制算法子程序框图 本系统采用的控制算法是变速积分分离 PID 算法通过离线整定，获得 数据，将数据输送到 8031 单片机的存贮器中，在系统运行后，采集炉温数据 Yk 并计算出当前时刻炉温设定值 Xk。调用控制算法子程序获得控制量，经过逻辑判断 后输出，控制功率的大小以达到控温目的。其控制算法子程序框图见图 4-6。图 3-6 控制算法子程序框图(4) PC 机与单片机主程序设计流程图 单片机串口控制较为简单，此处只给出初始化程序： MOV TL1，#0E8H MOV TH1 , # 0E8H； MOV TMOD, # 20H； MOV SCON, # 50H； SETB MOV MOV TRl ； IE, # 90H； SBUF，A； 定时器时间常数 定时器 Tl 工作方式 2 串行口方式 1 定时器开始工作 允许串行口中断 串行数据发送35东华理工学院毕业设计(论文)系统软件与模型PC 机与单片机模块图：图 3-7 PC 机与单片机模块图3.4 软件设计[11]软件设计采用 C51 语言，模块化结构设计。包括初始化程序、主程序、A/D 转 换和数据采集程序、中值滤波程序、PID 控制算法程序、键盘显示程序等。 在软件设计中注意如下几个问题 (1)抗干扰措施 ①为了保证电路的性能，电阻全部采用精密电阻，电容选用高阻抗优质电容，并 且进选择配套，印制电路板的绝缘质量好，布线的安排要合理。实践证明，布线的安 排对电路的性能影响是明显的。 ②采用屏蔽技术、隔离技术和接地技术。以金属材料例如铁制作的封闭金属盒具 有电磁屏蔽功能，可使屏蔽盒内的电路免受外界干扰电场、磁场的影响。固态继电器 中内设光隔离电路，可以防止强电与弱电共地对单片机的干扰，将数字地、模拟地分36东华理工学院毕业设计(论文)系统软件与模型开，最后在电源一点共地，可有效防止 A/D 输入对单片机产生的共模干扰。 ③电桥电源采用专用桥头电源变压器，整流后用大电容滤波，使桥路有一个稳定 的电流。 ④微机系统应用中供电系统干扰措施是很重要的。 我们在交流电源进入初采用了 隔离变压器，并采用了电源滤波技术。 ⑤采用软件滤波。 ⑥防止单片机程序的跑飞，采用了软件抗干扰的办法。即在有用的程序和疏忽区 这样一旦程序飞入这些区域也就是系统受干扰跳 以外的个内存单元中全部填上 02H， 转指令 LJM P0202H，而在 020H 这一地址内可以设定一条无条件跳转指令 LJM P address，跳至系统政策工作进行的循环中。 (2)比例动作（P） 在设定值发生的比例带中，操作输出 量对偏差进行比例的动作。实测温度比比 例带小时，控制输出量为 100%；进入比 例带时，操作量逐渐减小，当实测值和设 定值一致的时候，控制输出量为 50%。比 较容易控，但是，达到稳定需要较长时间 会发生偏移。 (3)积分动作（I） 比例动作时，会发生偏移。把积分动 作和比例动作组合使用，随着时间的推移， 偏移会消除，从而让控制温度和设定值趋 于一致。它虽然没有了偏移，但是达到稳 定需要很长时间。 (4)微分动作（D） 比例动作和积分动作，可以修正控制 结果，但是，速度较慢。微分动作可以修 补他们的缺点， 用偏差所发生的倾斜微分系 数的操作量，加以修正。反应速度很快，但 是不能单独控制。 (5)PID 控制： 由于比例动作，积分动作，微分动作各 有较大的缺点，所以，就将三者组合在一起 控制，也就是 PID 控制，对于温度的控制具 有良好的效果。这是因为比例动作不易发生图 3-11 PID 控制 图 3-10 微分动作 图 3-9 积分动作 图 3-8 比例动作37东华理工学院毕业设计(论文)系统软件与模型震荡，积分动作可自动修复偏移量，微分作可抗外因引起的变化。温控箱在出厂前要 进行 PID 的参数设置，这些都是根据负载进行调试的，一定要知道负载的功率，加 热到稳定状态所需时间。 本智能温度控制系统是通过控制加热电源的通断来控制温度和改变加热升温速 度。加热过程需要考虑的因素主要有：被加热对象的热容量的大小、系统向外界扩散 热量的多少以及系统热扩散的速度。快速升温时间 t 应由 t1 和 t2 两部分组成，即 t＝t1＋t2 有差额时需加热的时间。 在温度调节阶段，降温和升温过程交替出现，程序通过分界点 Tr、T1、T2 来调 节温度的升降，最终使系统达到相对稳定进入恒温保持阶段。根据模型曲线不同阶段 的要求，可以通过软件自动控制它的加热模式。对一个任务而言，温度加热、调节及 恒温保持阶段软件设计流程图。本系统是个多步智能温度控制器，它可以完成预先设 置的若干个任务，即每个步骤的温度值及恒温需要保持的时间。 8、程序设计 8279 是可编程接口芯片，通过编程使其实现相应的功能，编程的过程实际上就 是 CPU 向 8279 发送控制指令的过程。在软件设计中，显示方式采用了 8 个字符显 示，左入方式，编码扫描键盘，双键锁定。由于该系统对实时性及速度要求并不十分 高，所以时钟频率采用 6MHz 已足够了，故程序时钟命令字取为 2AH，用以保证 100kHz 的内部工作频率。由于采用 10ms 定时扫描查询方式，所以在下次开始扫描 时，先应清空 8279，清除显示 RAM 大约需要 160?s 的间，在此期间，FIFO 状态字 的最高位 DU=1，表示显示无效，CPU 不能显示 RAM 写入数据，所以清除命令状态 字取 D1H。CPU 对 8279 的控制是先读回 8279 的状态字，查看 PIFORAM 中有无 字符，若有将根据字符个数读出所有字符，并进行相应处理；若无，则直接返回。 ?CPU 对 8279 的监视采用查询方式，对 8279 分配的数据口地址为 8000H，状态口 地址为 8001H，CPU 每隔 10ms 定时中断查询一次，所有显示采用查询段码表的方 式实现，简化了程序设计过程，提高了程序质量。程序框图如图及程序代码。 初始化程序如下： INIT: MOV MOV MOVX WEIT: MOVX JB MOV MOVX DPTR，#7FFFH ；置 8279 命令/状态口地址 A，#0D1H @DPTR，A A，@DPTR A，#34H @DPTR，A ；置清显示命令字 ；送清显示命令 ；读状态 ；置分频系数，晶振 12MHz ；送分频系数 （3-11） 其中：t1 为为了补偿系统向环境散热而需要加热的时间；t2 为系统温度与设定温度ACC.7，WEIT ；等待清显示 RAM 结束38东华理工学院毕业设计(论文)系统软件与模型MOV MOVX MOV RETA，#00H @DPTR，A IE，#84H；置键盘/显示命令 ；送键盘/显示命令 ；允许 8279 中断(1) 根据要求，将总体项能分解成若干个子功能模块，每个功能模块完成一个特 定的功能。 (2)根据总体要求及分解的功能模块，确定各功能模块之间的关系，设计出完整 的程序流程图。 (3) 程序调试将设计完的程序输入， 汇编， 排除语法错误， 生成*OBJ 文件。 按所设计的原理图，在实验平台上连线，检查无误。 将汇编后生成的*OBJ 文件传送到实验装置，执行该程序，检查该程序、是否达 到设计要求，若未达到，修改程序，直到达到要求为止。 程序说明：此文档是该系 统操作运行的所有程序，所提供的程序均在 DICE-51 单片仿真机上调试仿真，并已 经全部通过。 主要程序见附录 1。 a.39东华理工学院毕业设计(论文)系统实现技术4. 系统实现技术系统的调试与运行分为离线仿真与调试阶段和在线调试与运行阶段。[5]4.1 硬件调试对于各种标准功能模块，按照说明书检查主要功能。比如主板机（CPU 板）上 RAM 区的读写功能、ROM 区的读出功能、复位电路、时钟电路等的正确性调试。硬 件调试还包括现场仪表和执行机构。这些仪表在安装之前按说明书要求校验完毕。 首先进行硬件调试。 硬件调试指对扩展数据存储器 （RAM） 程序存储器 、 （ROM） 、 I/O 口与 I/O 设备、译码电路、晶振与复位电路等的测试。RAM 测试采用写入读出加 比较的方法检测；ROM 测试采用累加和的方法检测；I/O 测试通过观测输入与输出 数据来完成；译码器通过运行循环检测程序来检验；观察晶振、复位电路能否产生所 需信号以确定其工作是否正常。利用 SICE 将本系统调试成功后，本系统即可正常工 作。为了使其成为产品，还需要生产出正规的芯片，并设计美观实用的外壳，将其组 装、检验和装箱，至此，温度控制芯片研制完成4.2 软件调试软件调试主要是子程序、功能模块个主程序。 一般与过程输入输出通道无关的程序，都可用开发机（仿真器）的调试程序进行 调试。系统控制模块的调试可分为开环和闭环两种情况进行。开环调试主要是检查它 的阶跃响应特性，闭环调试是检查它的反馈功能。 一旦所有的子程序和功能模块 调试完毕，就可以用猪程序将它们连接在一起， 进行整体调试。这里面所有模块都能单独工作，为什么还要检查它们的连接在一起能 否正常工作呢？这是因为把它们连接在一起可能会产生不同软件之间的交叉错误， 一 个模块的隐含错误可能对自身可能无影响，却会妨碍另一个模块的正常工作；单个模 块允许的误差，多个模块连接起来可能放大不可容忍的程度等，所有必要进行整体调 试。 整体调试的方法是自底向上逐步扩大。首先按分支将模块组合起来，以形成模块 子集， 再将部分模块子集连接起来进行局部调试， 最后进行全局调试。 这样经过子集、 局部和全局三步调试， 完成了整体调试工作。 整体调试是对模块之间连接关系的检查， 有时为了配合整体测试，在调试的各阶段编制了必要的临时性辅助程序，调试完成后 应删除。通过整体调试能够把设计中存在的的问题和隐含的缺陷暴露出来，从而基本 上消除编程上错误，为仿真调试和在线调试做准备。40东华理工学院毕业设计(论文)结论结论本文以电加热炉的温度控制为被控对象， 通过对电加热炉的温度控制对象特性的 分析来确定电加热炉的温度控制硬件系统的设计和控制方案。 电热炉温控系统的设计的第一部分为硬件设计，考虑到该电阻炉温度高，要求炉 温的控制精度也高，所以在选取硬件时也做了一定处理，测温元件采用精度高、稳定 性好的热电偶，由于电阻炉比较小，容积只有 0.3×0.25×0.3M3，故只用一支热电偶 测温，同时考虑到同类型大电阻炉的应用可能，选用 8 路多路转换开关，以实现多点 测温的要求，并对热电偶的零端进行温度补偿.在 A/D 转换上选用 12 位 A/D 转换，从 硬件上保证了测温精度，为提高控温精度打下了基础，而且这样的工控系统，成本也 比较低，做到了实用、性能价格比高。本设计采用了 8031 单片机和热电偶大大提高 了系统的性能，使系统的更人性化，在生产实际当中得到更广泛的使用，节省原料， 没有污染，且提供的能量足。 本文第二部分首先通过实验测定的方法，建立了被控对象的数学模型，根据工厂 的实际生产情况，炉温升高或降低比较缓慢，控制律采用比较成熟的变速积分分离 PID 算法，选取适当的参数后，可以完全消除积分饱和现象，而且可以有效地消除系 统静差，提高控制系统的控制精度和稳定性。其次通过采用带一阶数字滤波器的 PID 调节器离散模型.合理的选择参数，使该被控对象成为自身稳定的最小相位系统。对 该系统采用给定稳定相位裕度整定数字 PID 调节器参数的方法，初步整定出了 Kp, K,K。参数，对其进行仿真、优化，最后选择了控制律的最优参数。利用 8031 单片 机构成了控制器，实现了实时控制。系统控制程序采用了模块化设计结构，整个系统 在计算机上进行了仿真分析，取得了良好的控制效果，在电阻炉改造过程中，将优化 参数上机调试，基本上达到了预期的效果，控温精度在士 5℃范围内，满足了生产需 要。41东华理工学院毕业设计(论文)致谢致谢经过几个月的努力，毕业设计基本完成了。在毕业设计的实践中，学到很多有用 的知识，也积累了不少宝贵的项目开发经验。在此要特别感谢罗老师，他给我了很大 的鼓励和支持，我的同学，他们为我提供了很多资料，如果没有他们的无私帮助，想 必我在毕业设计实践过程中会走很多弯路，在此特别表示感谢。 系统虽然设计的效果都还令人满意，但是这其中也肯定存在这些问题，由于毕业 设计时间的关系，我没有时间改写，而且在实际的开发过程中，这些工作并不是也不 太可能全部由一个人完成的。 但是我还是为我可以独立的完成一个简单但却完整的电 加热炉控制系统而感到异常的兴奋。毕竟这一切都凝聚了我无数汗水。我希望在未来 的工作和学习过程中我都能体会到这种美妙的感觉。 再次衷心感谢所有帮助和关心过我的老师和同学。谢谢你们! 最后，用比尔?盖茨先生在《未来之路》中的几句话来为我的论文的画上句号： “我认为，这是一个绝妙的生存时代。从来也没有这么多的机会让人去完成从前 根本无法做到的事情。 现在，我们又要开始另一次伟大的旅行。 ”42东华理工学院毕业设计(论文)参考文献参考文献[1] 王洪庆.微型计算机控制技术.第二版.机械工业出版社，2003：P185-200 页 [2] 王顺晃.智能控制系统及其应用.机械工业出版社，1995：P161-168 页 [3] 顾德英.计算机控制技术.第二版.北京邮电大学出版社，2005：P148-154 页 [4] 谢剑英.微型计算机控制技术.国防工业出版社，1995：P128-135 页 [5] 王锦标.过程计算机控制.第二版.清华大学出版社，1992：P189-192 页 [6] 张友德.单片微型机.第四版.复旦大学出版社，2003：P45-49 页、P198-200 页、 P215-218 页、P231-236 页 [7] 傅信鉴.过程计算机控制系统.西北工业大学，1995：P141-145 页 [8] 孙秀权.加热炉实用计算机技术.国防工业出版社，1998：P180-185页 [9] 李义科.加热炉过程计算机控制的应用与分析.冶金能源出版社，1998： [10] 施仁.自动化仪表与过程控制.第一版.电子工业出版，1997：P180-185页 [11] 丁元杰.单片微机原来及应用.机械工业出版社，2004： P40-53 页、P134-149 页、 P171-184 页 P195-20 页 [12] S. Ghosal, J. L. Ebert, K. Chung, G. Aral, and A. Emami-Naeini, “AGUI-based concurrent software tool for thermal modeling and control system design for RTP chambers,” presented at the 2nd Symp. Process Control, Diagnostics, Modeling in Semiconductor Manufacturing, 191st Meeting Electrochemical Soc., Montreal, QC, Canada, May 4C9, 1997. [13] Halme A,Ahava O.Automatic Tuning of PID and Other Simple Regulators in a Digital Process Automatic System. 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