基于单片机的电阻炉温度控制系统设计毕业论文

1、毕业论文基于单片机的电阻炉温度控制系统设计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。本系统以电阻炉为被控对象，k型热电偶为温度传感器，atmega128单片机为核心，采用pid控制方法，设计了一种控制精度较高的温度控制系统。在论文中详细阐述了控制系统的硬件设计、软件设计以及pid控制方法。在对电阻炉温度控制方法深入研究的基础上，本设计主要完成了温度控制系统的总体方案设计、系统的硬件原理图、信号调理电路以及由隔离功放和双向晶闸管组成的温度控制电路的设计，同时完成了系统的软件程序设计及其

2、初始化，成功的调试出了温度设定、显示、pid控制及越限报警等电路。关键词：电阻炉；温度；单片机；pid控制based on single-chip microcomputer s resistance furnacetemperature control system designabstractresistance furnace was widely used in industrial production, the effect of the temperature control of resistance furnace has a direct impact on product

3、ivity and product quality.therefore, the design of a high-precision control and stable operation of the resistance furnace temperature control system has a high application value.this system take the resistance furnace as the controlled plant, the k thermo-element is the temperature sensor, the atme

4、ga128 single-chip microcomputer for the core part, uses the pid control method, has designed one kind of high-precision control of temperature control systems. in detail elaborated the control system hardware design, the software design as well as the pid control method in the paper.to the resistanc

5、e furnace temperature control method deep researchs foundation, this design has mainly completed temperature control systems overall concept design, systems hardware schematic diagram, the signal recuperation electric circuit as well as temperature-control circuits design which is composed of the is

6、olation power amplifier and the bidirectional thyristor,at the same time has completed systems software routine design and the initialization, electric circuits and so on success debugging temperature setting, display, pid control and overstep warning. key words: resistance furnace; temperature ; pi

7、d control;single-chip microcomputer目录摘要iabstractii第一章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外研究概况及发展趋势11.2.1 电阻炉国内外发展动态11.2.2 控制理论的发展状况21.2.3 智能温度控制技术的发展2第二章 电阻炉温度控制总体方案设计42.1 基于虚拟仪器的电阻炉温度控制42.2 基于单片机的电阻炉温度控制42.2.1 模糊控制52.2.2 模糊自整定pid控制52.2.3 神经网络控制系统62.2.4 专家控制系统62.3 单片机与fpga综合实现电阻炉的温度控制72.4 电阻炉温度控制系统硬件原理图8第三章 硬

8、件电路设计93.1 温度检测电路93.1.1 温度传感器93.1.2 冷端温度补偿103.2 放大处理113.3 atmega128单片机113.3.1 概述113.3.2 模数转换器173.3.3 晶体振荡器173.3.4 复位电路183.4 控温电路183.4.1 隔离放大器183.4.2 晶闸管电路193.5 人机接口电路203.5.1 键盘203.5.2 4位led显示213.6 越限报警电路22第四章 软件设计244.1 主程序设计244.2 子程序设计254.2.1 a/d采样子程序254.2.2 数字滤波子程序264.2.3 线性化及标度变换子程序284.2.4 控制运算子程序3

9、04.2.5 双向晶闸管控制344.2.6 键盘扫描子程序354.2.6 显示子程序36第五章 系统调试37总结40参考文献41附录a 硬件原理图43附录b 源程序44致谢54第一章 绪论1.1 课题研究的背景及意义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。温度控制技术发展经历了三个阶段：1、定值开关控制；2、pid控制；3、智能控制。定值开

10、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。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、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、时变性温度系统，控制品质难以保证。电阻炉是由电阻丝加热升温，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

11、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1。应用广泛的温度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，保证了控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。1.2 国内外研究概况及发展趋势1.2.1 电阻炉国内外发展动态电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能并借助辐射与对流的传热方式加热工件2。随着工业技术的高速发展和社会进步，对热处理的要求越来越高，高精度、全自控、低污染、节能型的热处理炉已成为发展方向。20世纪70年代以来，

12、发达国家随着机械制造技术的高速发展，以及新材料和控制技术的应用，热处理技术的传热理论、高温材料、炉体结构及控制手段都有了彻底变化，形成了专门的工程技术，从而又促进了整个工业技术的发展。鉴于电阻炉炉温特性的复杂性，其炉温的测量和控制显得更为重要和复杂。随着计算机、智能控制理论技术的飞速发展，炉温参数的测量和控制己进入了微机化、智能化的新时代。其主要特点是新型的、现代化的测温技术不断出现；温度信号的转换与处理趋于数字化、微机化、智能化；智能控制理论与技术日渐成为温度控制的基本理论与技术；炉温控制己进入了智能化的新时代。目前，我国的电阻炉控制系统与国外发达国家相比还比较落后。占主导地位的是仪表控制，

13、这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确；控制精度依赖于实验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置；操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低，这些都影响了企业的效益。1.2.2 控制理论的发展状况随着科学技术的发展，控制理论也在不断地发展，控制理论的发展过程可以分为 “经典控制理论”时期、“现代控制理论”时期、以及“智能控制理论”时期三个阶段。“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统3。1

14、.2.3 智能温度控制技术的发展传统的pid控制及改进型pid控制原理简单、工作稳定、可靠性高、鲁棒性强，曾在电阻炉温度控制系统中得到了普遍的采用，其缺点是必须预先建立控制对象的数学模型，因而其对于一些大滞后、多输入、时变性电阻炉系统，控制效果难以满意。自智能控制理论发展以来，智能控制技术开始逐渐应用于工业控制。在20世纪90年代，美国、英国相继发表智能控制专辑，日本、德国等国也连续发表多篇智能控制方面的论文，涉及到军事、工业、家用电器等众多领域，包括智能温度控制在各个领域的应用。我国傅京孙教授提出的把人工智能中的直觉推理方法用于学习控制系统，奠定了国内智能控制发展的基础。随后更多的学者开始关

15、注智能控制技术，近年来我国也越来越重视智能控制理论的研究和应用，从1993到1995连续三年国内都召开了与智能控制有关的学术会议。由于温度控制设计到冶金、化工、机械等众多领域，因而温度智能控制技术也是国内学者研究的重要内容，越来越多与智能温度控制有关的论文在科技刊物上发表4。总体上说，智能控制在温度控制系统中的应用越来越广泛。目前，国外已研制出商品化、智能化、精度高、小型化的智能温度控制系统，开发出成熟的智能控制算法和控制软件。相比较而言，国内智能控制技术的应用要落后于国外，目前国内成熟的温度控制系统以常规pid和各种改进pid控制为主，商品化的智能控制系统少，在智能控制算法和控制软件的开发方

16、面投入人力、物力也较少。第二章 电阻炉温度控制总体方案设计2.1 基于虚拟仪器的电阻炉温度控制labview是一种强大的图形化编程虚拟仪器软件开发平台，通过此法实现电阻炉温度控制系统，可以将整个系统分解为两个部分：温度信号采集系统和pid控制器。两个部分是通过labview中的matiabscript节点联系在一起的。温度信号采集系统由硬件和软件两个部分组成。其中硬件部分完成温度信号的输入；软件部分完成对硬件的驱动与控制，数据显示、处理与存储、超温报警及人机交互操作界面的生成。控制器可以采用基于神经网络和遗传算法的pid控制器，运用matlab编程语言编写相应的程序，通过labview中的 m

17、atlallscript节点建立与温度信号采集系统的连接。其控制系统框图如图2.1所示：图2.1 虚拟温度控制系统框图2.2 基于单片机的电阻炉温度控制按智能控制构成的原理进行分类，按控制算法大致可分为以下几类5:(1)仿人智能控制系统；(2)模糊控制系统；(3)神经网络控制系统；(4)专家控制系统；(5)集成智能控制系统；(6)综合智能控制系统。综合智能控制系统，将智能控制与传统控制模式有机结合、综合应用，以便取长补短，获取互补特性，提高整体优势，从而获得人类、人工智能和控制理论高度紧密结合的智能控制。2.2.1 模糊控制 模糊控制是基于模糊逻辑描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验

18、和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。模糊控制不需要装置的精确模型，仅依赖于操作人员的经验直观判断，非常容易应用。对温度误差采样的精确量模糊化，经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成精确量去驱动执行机构，调整输入从而达到调节温度，使之稳定的目的。同传统的pid控制比较，模糊控制响应速度快，超调量小，参数变化不敏感6。2.2.2 模糊自整定pid控制模糊自整定pid控制是在一般pid控制的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对pid参数进行修改的一种自适应控制系统，以误差和误差变化作为输入，来

19、满足不同时刻的误差和误差变化对参数自整定的要求。如图2.2所示系统中，反映炉温的热电偶输出电势经冷端补偿放大后由a/d转换电路转换成与炉温相应的数字量，此数字量经数字滤波、线性化处理、标度变换，通过led数码管显示炉温。当采样周期到达，与设定温度进行比较，由比较后的误差大小来决定控制系统的控制方式，再作运算。根据运算结果，计算机通过i/o口来改变控制脉冲宽度，也即改变了可控硅在一个固定控制周期tc内的导通时间，这样电阻炉的温度就随着电阻炉的平均输入功率的变化而变化，也即达到了控温目的。图2.2 模糊自整定pid电阻炉温度控制系统框图用模糊自整定pid控制来提高电阻炉煅烧零件控制精度的方法，改善

20、了系统的响应，使系统具有比较理想的稳态品质，温度控制精度在5以内；当被控过程参数发生变化时，控制系统仍能保持较好的适应能力和鲁棒性；对保温加热工艺、保证产品质量、节约能源，提高炉子生产率和加热效率都有十分重要的意义。2.2.3 神经网络控制系统神经网络控制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，将bp神经网络控制策略引入电阻炉的炉温控制系统,通过神经网络模拟实现pid控制器参数在线调整7。在电阻炉炉温控制系统中,将温度的影响因素如气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入，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

21、反复迭代，随实验与研究的进行与深入，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定pid控制器参数的目的。利用bp神经网络对pid的三个参数快速拟合，建立参数kp，ki，kd自学习的pid控制器，不需要根据模型或工程实验方法选取控制器参数，克服了传统pid控制器操作的困难，提高了系统的智能化程度。2.2.4 专家控制系统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

22、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，是具有获得反馈信息并能实时在线控制的系统。专家控制系统的结构如图2.3所示，其工作原理为：特征识别模块对控制对象输出的性能指标进行识别，通知推理机制；性能识别模块对输入的信息进行识别，也传输给推理机制；推理机制根据所得信息计算出实际性能指标，并与期望的性能指标相比较，作出决策，判断是否进行参数调整

23、；若需要，推理机制则根据采集的信息判断响应类型，告知知识库，启动相应的调整规则，计算出新的量化因子数值，使控制特性能向期望的性能逼近。其中，r为输入，y为输出，e为误差，ec为误差变化率，ke为误差输入量化因子，kec为误差变化输入量化因子，ku为控制量比例因子89。控制系统具有下述特点：（1）高可靠性及长期运行的连续性。（2）在线控制的实时性。（3）优良的控制性能和抗干扰性。（4）使用的灵活性及维护的方便性10。图2.3 专家控制系统结构图2.3 单片机与fpga综合实现电阻炉的温度控制随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。而单片机

24、的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可能。但在实时性要求高和数据量大的情况下，由于单片机对数据处理能力的限制，其实时性仍不能满足高密度信号环境的要求。随着大规模的现场可编程门阵列（fpgafield progrnunaable gate array）的出现，利用fpga对高密度数据信号实时处理已成为可能。fpga具有通用的特点并可以实现并行运算，无论是作为独立的数字信号处理器，还是作为单片机和dsp的协处理器，这都是目前比较活跃的研究领域11。而且使用fpga具有很大的灵活性，可以针对不同的要求进行修改。采用fpga和单片机综合实现对电阻炉温度的控制，把大量的数字信号处理任务都交给fpga进

25、行处理，既可以利用fpga对数据信号强大快速的处理能力，又可以减轻单片机的负担，让单片机有充分的时间做其它的运算。这样，使得系统大大简化，其灵活性更强。2.4 电阻炉温度控制系统硬件原理图图2.4 电阻炉温度控制硬件原理图如图2.4所示，本系统主要以atmega128单片机为核心部件，外加晶闸管电路及其驱动程序等组成。由k型热电偶、运算放大电路等构成温度检测通道；由光电隔离放大器和晶闸管电路构成输出控制通道。工作时，利用k型热电偶测得电阻炉的实际温度并经过冷端温度补偿和放大电路，转换成0-5v电压信号，该电压信号直接与单片机内部的adc引脚相连接，转换成与炉温相对应的数字信号，经单片机进行数据

26、处理后，通过4位led数码管将温度显示，同时该温度与其设定值比较，根据选定的pid算法计算出控制量，根据控制量来控制晶闸管的导通和关闭，从而控制电阻丝的导通时间以及电阻炉的平均输入功率，以实现对电阻炉炉温的控制。第三章 硬件电路设计3.1 温度检测电路3.1.1 温度传感器本系统选用k型热电偶（镍铬镍硅）作为温度检测元件，这是一种使用面十分广泛的贱金属热电偶，热电丝直径一般为1.22.5mm。具有线性度好、测温范围适中、输出电动势大、价格便宜等特点。在本控制系统中，其测温范围选为400-1200，由于热电极材料具有较好的高温抗氧化性，可在氧化性或中性介质中长时间地测量900以下的温度。因为k型

27、热电偶具有复现性好、产生的热电势大、而且线性好、价格便宜等优点，虽然测量精度偏低，但完全能满足一般工业测量要求。这种热电偶的主要缺点是如果用于还原性介质中，热电极会很快受到腐蚀，在此情况下，只能用于测量500以下的温度。热电偶的工作原理是热电效应，即两种不同的导体(或半导体)a、b组成闭合回路时(如图3.1所示)，当a、b相连接的两个接点温度不同时，则在回路中产生一个热电势。这两种不同导体(或半导体)的组合称为热电偶，每根单独的导体(或半导体)称为热电极，两个接点中一端称为工作端(也叫测量端和热端)，如图3.1中左端t，另一端称为自由端(冷端)，如图3.1中的端12。 图3.1 热电偶原理图当

28、热电偶的材料一定时，热电偶的热电势为式中，热电偶的热电势； 温度为t时的热电势； 温度为时的热电势；3.1.2 冷端温度补偿实际测温中，冷端所对应的热电势要随冷端温度（环境温度）的变化而变化。而从热电偶测温的基本公式可以看到，热电偶产生的热电势，对某一种热电偶来说只于工作端温度t和自由端温度t0有关，即：要保证冷端温度恒定是十分困难的，在一定程度上，测量精度取决于冷端温度的影响。只有当热电偶冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。根据国际温标规定，热电偶分度表是以 =0 作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，自由端温度往往不能维持在0，那么工作端温度为t时在分度表中所对应的热电势与热

29、电偶实际输出的电势值之间存在一个误差，因此需要对热电偶非0的冷端进行处理，即冷端温度补偿。热电偶冷端温度补偿的方法有硬件补偿法和软件补偿法。硬件补偿法是利用模拟式集成温度传感器或热电偶冷端温度补偿专用芯片来进行补偿。其优点是：速度快、外围电路简单、不需要调整、成本低。模拟式集成温度传感器典型产品有ad592、 lm334、 tmp35、lm135等；热电偶冷端温度补偿专用芯片典型产品包括：max6674/6675、ac1226、ad594/595、ad596/597等。软件补偿法利用单片机或系统机的软件来进行补偿，能节省硬件资源，但在软件编程和调试过程上要花费较多时间，常用方法有查表法和计算法

30、。为保证检测精度，本系统采用热电偶冷端温度补偿专用芯片ad594来进行冷端温度补偿。图3.2 由ad594进行冷端温度补偿3.2 放大处理如图3.3所示为广泛应用的高共模抑制比放大电路，它由三个集成运算放大器组成，其中n1、n2为两个性能一致（主要指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称为同相并联型）的差动放大输入级，n3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制n1、n2的共模信号，并适应接地负载的需要。由于n1、n2为两个性能一致，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在rp1两端相互抵消，因此，电路具有良好的共

31、模抑制能力，同时不要求外部电阻匹配，但是，为了消除n1、n2偏置电流等影响，通常取r7=r9。另外，这种电路还具有增益调节能力，调节rp1可以改变增益而不影响电路的对称性13。输入级的输出电压，即运放n1、n2输出之差为： ，其差模增益为: 运算放大器n3的差模增益为:图3.3 放大电路硬件连线图3.3 atmega128单片机3.3.1 概述atmega128为基于avr risc结构的8位低功耗cmos微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，atmega128的数据吞吐率高达1mips/mhz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。atmega128是一款多功能、性价比高

32、的学习开发板，还带有4位数码管模块和4*2键盘模块等。atmega128具有如下特点：内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与算术逻辑运算单元(alu)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率。具有128k字节的系统内可编程flash(具有在写的过程中还可以读的能力，即rww)、4k字节的eeprom、53个通用i/o口线、4个灵活的具有比较模式和pwm功能的定时器/计数器(t/c)、8通道10位adc(具有可选的可编程增益)。atmega128的引脚配置如图3.4所示：图3.4 atmega128单片机引脚图各引脚说

33、明如下：vcc：数字电路的电源；gnd：地；端口a(pa7.pa0)：端口a为8位双向i/o口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口a为三态，端口a也可以用做其他不同的特殊功能。端口a引脚第二功能如下：外部存储器接口的低字节地址以及数据。pa7 ad7 (外部存储器接口地址及数据位7)pa6 ad6 (外部存储器接口地址及数据位6)pa5 ad5 (外部存储器接口地址及数据位5)pa4 ad4 (外部存储器接口地址及数据位4)pa3 ad3 (外部存储器接口地址及数

34、据位3)pa2 ad2 (外部存储器接口地址及数据位2)pa1 ad1 (外部存储器接口地址及数据位1)pa0 ad0 (外部存储器接口地址及数据位0)端口b(pb7.pb0)：端口b为8位双向i/o口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口b为三态。端口b引脚第二功能如下：pb7 oc2/oc1c(1) (t/c2的输出比较和pwm输出，或是t/c1的输出比较和pwm输出c)pb6 oc1b (t/c1的输出比较和pwm输出b)pb5 oc1a (t/c1的输出比较

35、和pwm输出a)pb4 oc0 (t/c0的输出比较和pwm输出)pb3 miso (spi总线的主机输入/从机输出信号)pb2 mosi (spi总线的主机输出/从机输入信号)pb1 sck (spi总线的的串行时钟)pb0 ss (spi从机选择引脚)端口c(pc7.pc0)：端口c为8位双向i/o口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口c为三态。端口c也具有第二功能，在atmega103兼容模式下，端口c只能作为输出，而且在复位发生时不是三态。其第二功能如下：

36、外部存储器接口的高字节地址。pc7 a16 (外部存储器接口地址位15)pc6 a15 (外部存储器接口地址位14)pc5 a13 (外部存储器接口地址位13)pc4 a12 (外部存储器接口地址位12)pc3 a11 (外部存储器接口地址位11)pc2 a10 (外部存储器接口地址位10)pc1 a9 (外部存储器接口地址位9)pc0 a8 (外部存储器接口地址位8)端口d(pd7.pd0)：端口d为8位双向i/o口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口d为三态端

37、口d引脚第二功能如下：pd7 t2 (t/c2的时钟输入)pd6 t1 (t/c1的时钟输入)pd5 xck1(1) (usart1的外部时钟输入/输出)pd4 icp1 (t/c1输入捕捉的触发引脚)pd3 int3/txd1(1) (外部中断3的输入引脚，或是uart1发送引脚)pd2 int2/rxd1(1) (外部中断2的输入引脚，或是uart1接收引脚)pd1 int1/sda(1) (外部中断1的输入引脚，或是twi的串行数据)pd0 int0/scl(1) (外部中断0的输入引脚，或是twi的串行时钟)端口e(pe7.pe0)：端口e为8位双向i/o口，并具有可编程的内部上拉电阻

38、。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口e为三态。端口e引脚第二功能如下：pe7 int7/ic3(1) (外部中断7的输入引脚，或是t/c3输入捕捉的触发引脚)pe6 int6/ t3(1) (外部中断6的输入引脚，或是t/c3的时钟输入)pe5 int5/oc3c(1) (外部中断5的输入引脚，或是t/c3的输出比较和pwm输出c引脚)pe4 int4/oc3b(1) (外部中断4的输入引脚，或是t/c3的输出比较和pwm输出b引脚)pe3 ain1/oc3a(1) (模拟比较器负输入端，或

39、是t/c3的输出比较和pwm 输出a引脚)pe2 ain0/xck0(1) (模拟比较器正输入端，或是usart0的外部输入/输出时钟)pe1 pdo/txd0 (编程数据输出，或是usart0的发送引脚)pe0 pdi/rxd0 (编程数据输出，或是usart0的接收引脚)端口f(pf7.pf0)：端口f为adc的模拟输入引脚。如果不作为adc的模拟输入，端口f可以作为8位双向i/o口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口f为三态。在atmega103兼容模式下，

40、端口f只能作为输入引脚。端口f的第二功能如下：pf7 adc7/tdi (adc输入通道7，或是jtag测试数据输入引脚)pf6 adc6/tdo (adc输入通道6，或是jtag测试数据输出引脚)pf5 adc5/tms (adc输入通道5，或是jtag测试模式选择引脚)pf4 adc4/tck (adc输入通道4，或是jtag测试时钟)pf3 adc3 (adc输入通道3)pf2 adc2 (adc输入通道2)pf1 adc1 (adc输入通道1)pf0 adc0 (adc输入通道0)端口g(pg4.pg0)：端口g为5位双向i/o口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动

41、特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口g为三态。在atmega103兼容模式下，端口g只能作为以下描述的第二功能，而不能作为通用i/o端口。 端口g的第二功能如下：pg4 tosc1 (rtc 振荡器，t/c0)pg3 tosc2 (rtc 振荡器，t/c0)pg2 ale (外部存储器地址锁存使能信号)pg1 rd (外部存储器读信号)pg0 wr (外部存储器写信号)reset：复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。xtal1：反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。xtal2：反向振荡器放大器的输

42、出。avcc ：avcc为端口f以及adc转换器的电源，无论有没有使用adc都应与vcc相连接，使用adc时应该通过一个低通滤波器与vcc连接。aref：aref为adc的模拟基准输入引脚。pen ：pen是spi串行下载的使能引脚。在上电复位时保持pen为低电平将使器件进入spi串行下载模式。在正常工作过程中pen引脚没有其他功能。 atmega128系统控制和复位：复位时所有的i/o寄存器都被设置为初始值，程序从复位向量处开始执行。复位向量处的指令必须是绝对跳转jmp指令，以使程序跳转到复位处理例程。如果程序永远不会使能中断，则中断向量可以由一般的程序代码所覆盖。atmega128有5个复

43、位源： 上电复位。当电源电压低于上电复位门限(vpot)时，mcu复位。 外部复位。当引脚 reset上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时mcu复位。 看门狗复位。当看门狗使能并且看门狗定时器超时时复位发生。 掉电检测复位。当掉电检测复位功能使能，切电源电压低于掉电检测复位门限(vbot) 时mcu即复位。 jtag avr复位：当复位寄存器为1时mcu即复位。atmega128的i/o端口：作为通用数字i/o使用时，所有的avr i/o端口都具有真正的读- 修改- 写功能。每个端口都有三个i/o存储器地址：数据寄存器 - portx、 数据方向寄存器 - ddrx 和端口输入引脚 - pin

44、x。数据寄存器和数据方向寄存器为读/写寄存器，而端口输入引脚为只读寄存器。当寄存器sfior的上拉禁止位pud置位时所有端口的全部引脚的上拉电阻都被禁止。atmega128未连接引脚的处理：如果有引脚未被使用，建议给这些引脚赋予一个确定电平。虽然在深层休眠模式下大多数数字输入被禁用，但还是需要避免因引脚没有确定的电平而造成悬空引脚在其它数字输入使能模式( 复位、工作模式、空闲模式) 消耗电流。最简单的保证未用引脚具有确定电平的方法是使能内部上拉电阻。但要注意的是复位时上拉电阻将被禁用。如果复位时的功耗也有严格要求则建议使用外部上拉或下拉电阻。不推荐直接将未用引脚与vcc或gnd连接，因为这样可

45、能会在引脚偶然作为输出时出现冲击电流。atmega128引脚配置：每个端口引脚都具有三个寄存器位： ddxn、portxn和pinxn。ddxn位于ddrx寄存器， portxn位于portx寄存器， pinxn位于pinx寄存器。ddxn用来选择引脚的方向。当ddxn为“1”时，pxn配置为输出，否则为输入。当引脚配置为输入时，若portxn为“1”，上拉电阻将使能。如果需要关闭这个上拉电阻，可以将portxn清零，或者将这个引脚配置为输出。复位时各引脚为三态，即使此时没有时钟在运行。当引脚配置为输出时，若portxn为“1”，引脚输出高电平(“1”)，否则输出低电平(“0”)。3.3.2

46、模数转换器atmega128有一个10位的逐次逼近型adc。adc与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口a的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0v(gnd)为基准。adc包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到adc的电压保持恒定。adc 由 avcc引脚单独提供电源。avcc与vcc之间的偏差不能超过0.3v。标称值为2.56v的基准电压，以及 avcc，都位于器件之内。基准电压可以通过在aref引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。adc 通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10（01024）位的数字量，转换时间为13-260 s。通过写admux寄存器的

47、refsn位可以把 avcc或内部2.56v的参考电压连接到aref引脚。在 aref上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑制性能。adc转换结果为10位，存放于adc数据寄存器adch及adcl中。默认情况下转换结果为右对齐，但可通过设置admux寄存器的adlar变为左对齐。3.3.3 晶体振荡器xtal1和xtal2分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出， 这个振荡器可以使用石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。熔丝位ckopt用来选择这两种放大器模式的其中之一。当ckopt被编程时振荡器在输出引脚产生满幅度的振荡。这种模式适合于噪声环境，以及需要通过xtal2驱动第二个时钟缓

48、冲器的情况。而且这种模式的频率范围比较宽。当保持ckopt为未编程状态时，振荡器的输出信号幅度比较小。其优点是大大降低了功耗，但是频率范围比较窄，而且不能驱动其他时钟缓冲器。对于谐振器，ckopt未编程时的最大频率为8mhz，ckopt编程时为16 mhz。不管使用的是晶体还是谐振器，c1和c2的数值要一样。最佳的数值与使用的晶体或谐振器有关，还与杂散电容和环境的电磁噪声有关。一般选用石英振荡器时，c1、c2典型值为22-33pf，选用陶瓷振荡器时，c1、c2典型值为40-47pf。晶体振荡器连线图如图3.5所示：图3.5 晶体振荡器连线图3.3.4 复位电路外部复位由外加于reset引脚的低

49、电平产生。当复位低电平持续时间大于最小脉冲宽度时，即触发复位过程，即使此时并没有时钟信号在运行。当外加信号达到复位门限电压vrst(上升沿)时，ttout延时周期开始，延时结束后mcu即启动。图3.6 复位电路连线图3.4 控温电路3.4.1 隔离放大器隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等几部分组成。输入放大器及其电源是浮置的，放大器输入端浮置，泄漏电流极小，输入端到公共端的电容和泄漏都很小，有极高的共模抑制能力，能对信号进行安全准确的放大，电源浮置无共模电压。隔离电阻约，隔离电容的典型值为20pf，因此隔离放大器输入、输出和电源之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没

50、有公共的接地点，大大的提高了电路的共模抑制比。本系统采用互补式光电耦合隔离放大电路，如图3.7所示，运算放大器n4组成输入放大器，n5组成输出放大器，vlc1和vlc2是特性完全对称的光耦合器，vlc2用作输入放大器和输出放大器之间信号的隔离传送，vlc1为n4的非线性反馈，用以弥补vlc2 的非线性。如果n4、n5处于理想工作状态，并取r27=r31，由电路可得： 则：图3.7 互补式光电耦合隔离放大电路由于光电耦合器的工作速度远低于运算放大器的工作速度，因此在电路中采用电容c5来改善电路的频率特性，并采用电阻r30和电容c5来改善电路的稳定性。但是c5值太大，会使电路频率上限降低，r30和

51、c5值太小，电路稳定性变差，通常取c5值为1500pf，该电路的频率可达040khz，线性度为0.1% 。3.4.2 晶闸管电路电阻丝由过零触发型的双向晶闸管整流电路驱动，通过调节加热电阻丝上的平均电压来控制加热功率，最终达到控制炉温的目的，其原理图如3.8所示。moc3021是晶闸管光电隔离器件，它只能触发小功率晶闸管。因此，本系统中通过moc3021控制双向晶闸管t1,再由t1控制主电路的双向晶闸管t2。电路中采用的过零触发型双向晶闸管，只有当其两端电压过零时控制端上施加触发信号，它才导通；一旦导通，只有再次过零时才关断。针对这一特点，本系统采取了控制在m个电网周期内晶闸管导通的周期数m(

52、)的方法来控制输出平均电压。为简单起见，可以使控制运算所得到的控制量u和实际导通周期数m直接对应，即：同步检测电路检出电网电压信号的过零点，形成过零同步信号，并接到cpu中断请求输入端，以提供触发参考点和控制周期m的计数信号。需要注意的是，同步检测电路和电阻炉加热回路的电源必须是相同的，以保证触发信号同步。图3.8 加热控制电路原理图3.5 人机接口电路 3.5.1 键盘有时因为生产要求，需要通过键盘重新设定和更改上下限值或者其它控制参数。本系统使用4*2键盘。键盘处理程序的关键是如何识别键码，微型计算机对键盘控制的办法是“扫描”。根据扫描的方法又可分程控扫描法、定时扫描法以及中断扫描法三种。

53、三种扫描方法各有其优缺点，运用较多的是中断扫描法和程控扫描法。本系统使用的是程控扫描法，程控扫描的基本原理是首先判断是否有键按下，若有键按下，则求出键值，然后通过cpu对其进行处理。图3.10 2*4键盘连线图3.5.2 4位led显示led数码管是单片机控制系统中最常用的显示器件之一，它具有体积小、抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长，工作电压低，功耗小，响应速度快等优点，常用于显示系统的工作状态、系统中某一功能电路，甚至某一输出引脚的电平状态。此外，led数码管在单片机系统中，常用到一只到数只，甚至几十只led数码管显示cpu的处理结果、输入/输出信号状态或大小。led显示器是由发光二极管

54、作为显示字段的数码显示器件，如图3.11为一位led显示器的外形和引脚图，其中七只发光二极管(a-g七段)构成字型“8”，另外还有一只发光二极管dp作为小数点。图3.11 led显示器引脚图根据led数码管内各笔段led发光二极管的连接方式，可以将led数码管分为共阴极和共阳极两大类。共阴极led数码管中，所有笔段的led发光二极管的负极连在一起，在共阳极led数码管中，所有笔段的led发光二极管的正极连在一起。led数码管驱动电路有静态显示方式和动态显示方式，本系统中采用的是共阳极的动态显示电路。在动态显示方式中，各led数码管轮流工作，每次只能有一个器件显示，但由于人视觉的暂留现象，所以，

55、只要扫描频率足够快，仍会感觉所有器件同时显示。为了防止闪烁现象，led数码管的刷新频率必须大于25hz，即同一led数码管相邻两次点亮的时间间隔要小于40ms。对于具有n个led数码管的动态显示电路来说，如果led显示器刷新频率为f，那么刷新周期为1/f，每一位的显示时间为1/(fn)s，显然，位数越多，每一位的显示时间就越短，在驱动电流一定的情况下，亮度就越低（正因如此，在动态led显示电路中，需适当增大驱动电流，一般取2035ma，以抵消因显示时间短引起的亮度下降），实验表明，为了保证一定的亮度，在驱动电流30ma的情况下，每位显示时间不能小于1ms。如图3.12所示为led显示子程序流程

56、图。图3.12 四位led显示3.6 越限报警电路在控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其基本方法就是将采样、数字滤波、标度变换之后的数据与该参数的上、下限进行比较，如果越限则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。在控制系统中通常采用声、光及语言进行报警。其中灯光一般采用发光二极管或闪烁的白炽等；声音则由简单的电铃、电笛发出，也可以通过频率可调的蜂鸣振荡器提供。本控制系统中采用光报警，温度越限报警显示为一个led灯，其硬件连线如图3.13所示。当被测温度不在测量范围之内（即越限）时，pe0置为“0”，led灯发光，显示报警。图3.13 报警电路硬件连线图 第四章 软件设计硬件电路确定之后，系统的主要功能将依赖于软件来实现。对同一个硬件电路，配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，因此，系统的设计很大程度上是软件设计。4.1 主程序设计图4.1 主程序流程图如图4.1所示为主程序流程图。主程序完成硬件初始化、变量初始化等任务，然后循环检测炉内温