兰州理工大学计控设计(温度炉控制系统设计)董伟安

1、兰州理工大学计控设计基于51单片机温度炉控制系统设计姓 名： 董伟安 学 院： 电信学院 专 业： 自动化 班 级： 自动化6班 指导老师： 2015/12/139 摘要本文介绍了以单片机AT89C51作为核心元件构成的电阻炉温度控制系统的工作原理，详细说明了采用的新型元件，分析了系统硬件结构，最后给出了系统流程图。采用单片机进行炉温控制,具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点,对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。在对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制中，采用单片机控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能

2、够大大提高产品的质量和数量。该控制系统以AT89C51单片机为控制核心，采用增量式PID控制算法，实现对温度的智能控制。同时，具有超调量小、温度上升快、稳定性好等特点。关键字:电阻炉；单片机；温度控制系统 ；通信第1章 绪论 1.1 电阻加热炉温度控制系统的目的和意义 1.2 温度炉控制系统的基本原理 1.3温度炉控制系统的技术要求及主要问题第2章 温度炉控制系统的总体方案 2.1 温度炉控制系统的设计及技术指标 2.2 温度炉控制系统的总体方案设计 2.3 显示电路的方案选择 2.4 总体方案总结第三章 主要器件的使用及说明 3.1单片机AT89C51 3.2 DAC0832 3.3 ADC

3、0804 3.4 LM741运算放大器 3.5 LED显示器接口 第4章 硬件电路设计 4.1 输入电路硬件设计 4.2 输出控制电路设计 第五章 软件电路设计 5.1 系统总体流程图 5.2 PID调节的各个环节及其调节过程 第6章 电路的调试第七章 结束语第八章 参考文献附录一 元器件明细表附录二 最小系统图附录三 温度控制电路原理图 附录四 主程序第一章 绪论第一章 绪论1.1 电阻加热炉温度控制系统的目的和意义温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产

4、品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数

5、据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，

6、提高了生产效率。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为一千瓦，加热温度在4001000。静态控制精度为2.43。测量温度范围为0-1000，测量误差为1。1.2 温度炉控制系统的基本原理 温度炉控制系统但大体上可归纳为以下几个过程： (1)自由升温段，即根据电阻炉自身的条件，不对升温速度进行控制的升温过程。 (2)恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率进行。 (3)保温段，即要求在某一过程中炉温基本保持不变。 (4

7、)恒速降温段，即要求炉温下降的速度按某一斜率进行。 (5)自由降温段，即根据电阻炉自身的条件，不对降温速度进行控制的升温过程。 而每一段都有时间的要求，如下图所示： 炉温变化过程 随着单片机技术的发展，其运行功能不断增强，运行速度不断提高，不但可用它来构成顺序控制系统，也可以用它来完成工业过程的闭环控制。电阻炉温度控制系统的组成如下图所示：控制器（mcu）（控制算法）晶闸管控制电阻炉D/A温度采集A/D实际温度设定温度 + 温度控制系统框图 图中的控制器即是单片机，它按比例控制规律来设计控制程序。比例调节器的输出量经过D/A变成晶闸管控制量，来改变晶闸管的导通角，从而控制电阻炉的加热强度。温度

8、测量元件采用线性度好且时间常数小的AD590，采集后经过A/D转换把温度转换成与其成正比的数字量。送入单片机与给定的温度比较如果高于给定温度上限则以上限值给D/A来控制晶闸管导通角,如果低于给定温度下限则以下限值给D/A来控制晶闸管的导通角,从而控制电炉的温度在正常范围里.下面各章将分别介绍温度控制系统的各部分组成及功能。1.3温度炉控制系统的技术要求及主要问题电阻加热炉控制的核心是温度，而温度在工业控制中是个很重要的参数,特别在冶金、机械、食品、化工等工业中,对工件的处理温度都要求严格控制，对于温度的精确度和稳定性均有较高的要求。电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛,因此温度控制在工业生产和科学

9、研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节,具有大惯性、纯滞后、非线性等特点,导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。电阻加热炉温度控制系统的目的是控制炉内温度的变化，它的出现简化了许多繁杂操作，具有重大意义。例如：人们可以在洗澡时任意设定加热炉内水的温度并使之保持在固定的温度内。在人工孵化厂孵化炉内,温度也不需要人的干预，它会按照预先设定好的温度工作，当某种特殊的环境要求温度稳定并保持不变的情况下，温度控制系统都可以发挥它的作用。就系统控制方式来说，模糊控制虽然能够得到较好的动态响应特性,但模糊控制也存在固有的缺点,容易受模糊规则有限等级的限制而引起误差。而数字PID 控制则能

10、够较好地解决控制精度的问题,并且计算机能够用程序既简单又方便地实现数字PID控制规律,对精度调整很方便。 在模拟控制系统中，其过程控制是将被测参数，如温度、压力、流量、成分、液位等由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较出的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，已达到自动调节的目的。在数字控制系统中则是用数字调节器来代替模拟调节器，按偏差的比例、积分和微分进行控制和调节，是连续系统中应用最广泛的一种调节器。在工业过程控制中，由于控制对象的精确数字模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模拟辨识，建立系统的数学

11、模型十分困难，应用直接数字控制方法比较困难，甚至跟本不可能，所以人们经常用PID调节器，并根据经验进行在线整定，即用实验和分析的方法来确定数字PID调节器的参数。但是，常规PID调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，步骤繁琐复杂，即耗时又耗力。而且当对象特性变化时，又要重新整定，并且在现代工业控制过程中，许多被控对象机理复杂，具有多输入多输出的强耦合性、参数时变性、严重的非线性特性、滞后性等特点。在这种情况下，采用常规PID调节器，三个参数的整定比较困难，为此本文提出了采用归一参数整定法，即只整定一个参数，这样减少了许多工作量，提高了工作效率，为实现简易的自整定控制带来方便。

12、随着计算机运算速度的大幅度提高和存储信息的大量增加，PID调节在工业过程控制、航空航天领域中将得到广泛应用，因此研究PID控制具有较高的工程意义，具有广泛的应用前景。第2章 总体方案 根据课题功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用单片机AT89C51为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对电阻炉炉温的测量和控制。2.1 温度炉控制系统的设计及技术指标2.1.1 基本任务1. 了解，掌握温度检测及闭环控制的原理与一般方法2. 合理构建温度采集及控制系统硬件结构3. 利用单片机，ADC0809，DAC0832及相关外围电路完成模拟温度炉的设计2.1.2 进阶任务1.利用串行AD，DA

13、芯片及单片机相关电路完成温度控制2.扰动情况下（风扇冷却），基于某个温度点的控制2.2 温度炉控制系统的总体方案设计2.2.1单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路，结构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为工控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。另外，有相当的新型集成电路如MAX6675、MC1413等，可以和单片机组成较简单且精密的输入输出通道。综上考虑，本设计选择基于常用51单片机的电阻炉温度控制方式。2.2.2 温度传感器的选择（1）热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂

14、热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。但其只适用于-200500范围内的温度测量，对于系统设计要求中的温控范围: 01000的要求难以达到。（2） 热电偶热电偶也是一种感温元件，属于一次仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 在通过电气仪表转换成被测介质的温度，或由A/D转换电路变为数字信号交由数字控制器做后续处理。其中的型（镍铬镍硅）热电偶，其可测量1312以内的温度，且其线性度较好，而且价格也便宜。综上考虑，本系统采用了型（镍铬镍硅）热电偶，型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU通信。2.2.3 温度检测、放

15、大和模数转换电路的选择根据系统框图的设计思想，输入电路包括温度检测电路、检测放大电路、数据采集电路和模数转换电路。（1） 传统温度检测电路 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/D转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。（2） 新型温度检测电路若采用高精度集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势温度”的转换，不需外围电路、I/O接线简单、精度高、成本低。综上考虑，本系统采用集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势温度”的转换工作。2.3 显示电路的方案选择2.3.1LED数码管显示LED是Light Emiting Diode（发光二极管）的缩写，发光二极管是能将电信

16、号转换成光信号的电致发光器件。由条形发光二极管组成“8”字形的LED显示器，也称数码管。通过数码管中发光二极管的亮暗组合，可以显示多种数字、字母记忆其他符号。数码管有7段数码管和8段和数码管之分。8段数码管是在7段数码管的基础上再加上一个圆点型发光二极管，用于显示小数点。优点一是占用IO口少，便于做到显示电路与控制电路分离，亮度高。缺点是在背景光较强时，显示不清晰，功耗大，显示图形需要软件扫描编制，程序设计复杂。 2.3.2液晶显示屏显示液晶显示器，或称LCD(Liquid Crystal Display)，为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白画素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶

17、显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐。液晶显示器的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电厂的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源投射或遮蔽功能。在电源开关之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤波片则可以显示彩色影像，在两片玻璃基本上装有配向模，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向模沟槽偏离90°，所以液晶分子成为扭曲型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90°扭曲，通过下方偏光板，液晶面板显示白色；当玻璃基板加入电压时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收透出，液晶面板显示黑色。

18、液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。液晶显示器具有功耗低， 寿命长的特点。是目前单片机应用的重要领域，无论机器，仪表，等都可以看到他的身影。综上所述，本设计选用常用LED液晶显示器用于温度和其他系统信息显示。2.4 总体方案总结本系统由单片机AT89C52、温度检测电路、键盘显示及报警电路、时钟电路、温度控制电路等部分组成。系统中采用了新型元件,功能强、精度高、硬件电路简单。其硬件系统框图如图所示。AT89C51单片机电阻炉温度检测电路传感器液晶显示温度控制电阻加热炉温度控制系统系统框图在系统中, 利用热电偶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

19、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并判断是否报警,同时将温度与设定温度比较,根据设定的PID 算法计算出控制量, 根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间, 以实现对炉温的控制。该系统中的时钟电路可以根据要求进行准确计时。电阻加热炉温度控制系统基本主要由温度检测系统，信号处理系统，输入输出系统，输出控制系统四部分组成。温度检测主要由温度传感器构成，根据精度及测量范围的要求选择也不同，可以是热电偶式的，也可以是热电阻式的，还可以是热敏电阻或集成温度传感器器件的等等。在信号处理系统原理上无外乎是信号的放大，数模转换，微机处理一系

20、列环节，根据不同的要求其内部结构也不同，但基本都是遵循这条原则。输入输出可根据不同的需要和不同的场合来设计，在精度要求高，设置要求快的环境下可使用多键键盘和LCD显示，在精度和速度要求不高的情况下则可使用简易键盘和LED数码管显示，输出方面在精度要求高的情况下采用连续调节电阻两端的电压进行功率调节，而精度要求不是很高的情况下则是通过控制电阻两端电压的通断来进行对温度的控制。第三章 主要器件的使用及说明3.1单片机AT89C51 单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU（Central Processing Unit）、随机存储器RAM(Random Acce

21、ss Memory)、只度存储器（Read Only Menory）、中断系统、定时器/计数器以及I/O（Input/Output）口电路等主要微型机部件，集成在一块芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已经具有了计算机系统的属性，为此称它为单片微型计算机SCMC（Single Chip Microcomptuer）,简称单片机。通常所说的单片机系统都是为了实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在这个系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件的基础。AT89C51具有并行8K可编程的非易失性FLASH程序存储器。要实现对器件

22、串行在系统编程(ISP)和在应用中编程(IAP) 。AT89C52管脚及功能见下表 AT89C52管脚图名称管脚号图-1类型名称和功能Vss20I地Vcc40I电源提供掉电空闲正常工作电压P0.0-0.739-32I/OP0口：P0口是开漏双向口可以写为1使其状态为悬浮，用作高阻输入。P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线此时通过内部强上拉传送1。P1.0-P1.71-8I/OP1口：P1口是带内部上拉的双向I/O口向P1口写入1时，P1口被内部上拉为高电平可用作输口。当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流(见DC 电气特性)。 P2

23、.0-2.721-28I/OP2口：P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流(见DC 电气特性) 。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和1P3.0-3.710-17I/OP3：口P3口是带内部上拉的双向I/O 口，向P3 口写入1时，P3 口被内部上拉为高电平，可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的P3 口会因为内部上拉而输出电流(见DC 电气特性) 89C51/89C52/89C54/89C58 的P3 口脚具有以下特殊功能10RxD(p3.0) 串行输入口11TxD

24、(P3.1) 串行输出口12/INT0(P3.2) 外部中断013/INT1(P3.3) 外部中断14T0(P3.4) 定时器0 外部输入15T1(P3.5) 定时器1 外部输入16/WR(P3.6) 外部数据存储器写信号17/RD(P3.7) 外部数据存储器读信号RST913I复位：当晶振在运行中只要复位管脚出现2 个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc 即可实现上电复位。ALE30O地址锁存使能：在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE 输出信号恒定为1/6 振荡频率。并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个AL

25、E (/EA)/Vpp31I外部寻址使能/编程电压：在访问整个外部程序存储器时，EA必须外部置低。如果EA为高时，将执行内部程序除非程序，计数器可以大于0FFFH(4k 器件) ，1FFFH(8k 器件)， 3FFFH(16k 器件)， 7FFFH(32k 器件)。 当RST 释放后EA 脚的值被锁存，任何时序的改变都将无效。该引脚在对FLASH 编程时接12V 编程电压(Vpp)。XTAL119I晶体1： 晶振和内部时钟输入。XTAL218O晶体2 晶振输出3.2 DAC0832 3.2.1 DAC0832的主要特性DAC0832芯片是一种具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与MCS

26、-51单片机接口，其具有以下特性参数：分辨率为8位； 电流稳定时间1us;（1） 可单缓冲双缓冲或直接数字输入；（2） 只需在满量程下调整其线性度；（3） 单一电源供电（+5V+15V）；（4） 低功耗，200mW。DAC0832的应用特性：DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制力实现对D/A转换的控制；有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出；DAC0832内部无参考电压源；须外接参考电压源；DAC0832为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出是，需要外加转 换电路。3.2.2 DAC0832芯片的引脚功能简介DAC0832是美国数据公司的

27、八位D/A，片内带有数据锁存器，电流输出，输出稳定时间为1uS，功耗为20mW.微处理器采用的是P89C52有非易失FLASH 并行可编程的程序存储器所有器DAC0832是20引脚双列直插式芯片，其各个引脚的分布如下图所示， 其各个引脚的功能可以作如下解释。 D0D7:数据输入线；ILE:数据允许锁存信号，高电平有效；CS:输入寄存器选择信号，低电平有效。WR1为输入寄存器的写选通信号。输入寄存器锁存信号LE1有ILE、CS 、WR1的逻辑组合产生。当ILE为高电平、CS为低电平WR1输入负脉冲时，在LE1产生正脉冲；LE1为高电平是，输入锁存器的状态随数据输入线的状态变化，LE1的负跳变将数

28、据线上的信息锁入输入寄存器。XFER：数据传送信号，低电平有效。WR2 为DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器的锁存信号LE2,由XFERWR2 的逻辑组合产生。当XFER为低电平，WR2输入负脉冲，则在LE2产生正脉冲；LE2为高电平，DAC寄存器的输出和输入寄存器的状态一致，LE2负跳变，输入寄存器的内容打入DAC寄存器。VREF:基准电源输入引脚。Rfb:反馈信号输入引脚，反馈电阻在芯片内部。IOUT1IOUT2:电流输出引脚。电流IOUT1与IOUT2的和为常数，IOUT1、IOUT2随DAC寄存器的内容线性变化。VCC:电源输入引脚。AGND:模拟信号地。

29、DGND:数字地。3.2.3 DAC0832与单片机的接口电路图 P0.0-P0.7 P2.7 WRDI0 RfbDI7CS Iout1Xfer Iout2WR1 VrefWR2LM327+5V=+5V 3.3 ADC0804 所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器（Analog to Digital Converter 简称ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号输入端的信号可以是传感器（Sensor）或转换器（Transducer）的输出，而ADC输出的数字信号可以提供给微处理器，以便更广泛的应用。3.3.1 ADC0804的主要参数 8位COMS逐次逼近型的A/D转换器；三态锁定输

30、出； 存取时间：135s; 分辨率：8位； 转换时间：100us； 总误差：±1LSB； 工作温度：ADC0804LCN0-+70； ADC0804LCD-40-+85；3.3.2 引脚图及说明 /CS：芯片选择信号。 /RD：外部读取转换结果的控制脚输出信号。/RD为HI时，DB0DB7处于高阻抗；/RD为LO时，数字数据才会输出。 /WR：用来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始，当/WR由HI变为LO时转换器被清除；当/WR回到HI时，转换正式开始。 CLK IN，CLK R：时钟输入或接震荡元件（R，C），频率约限制在100kHz1460kHz，如果使用RC电路则其震荡

31、频率为1/（1.1RC）。 /INTR：中断请求信号输出，低电平动作。 VIN（+）VIN（-）：差动模拟电压输入。输入单端正电压时，VIN（-）接地；而差动输入时，直接加VIN（+）VIN（-）。 AGND，DGND：模拟信号以及数字信号的接地。 VREF：辅助参考电压。 DB0DB7：8位的数字输出。 VCC：电源供应以及作为电路的参考电压。3.4 LM741运算放大器 与普通运放功能相同，只是多了调零功能，使用更精确，性能更优。3.5 LED显示器接口 LED显示器接口与单片机接口的显示主要是LED显示器和LCD显示器两种，LED（Light Emiting Diode）是发光二极管构成

32、的，所以在显示器前面冠以“LED”。LED显示器在单片机中的应用非常普遍。通常所说的LED显示器由个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器，其排列形状如图3-15所示。此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用于显示小数点。通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法：A共阳极接法把发光二信用证管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接V，如图3-15中所示。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。共阴极接法反发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，如图3-15中所示。

33、使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就寻通点亮，而输入低电平的则不点亮。图3-15 数码管显示器使用LED显示器时要注意区分这两种不同的接法。为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是为显示字形的，因此称之字形代码。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段。因此提供给LED显示器的字形代码正好一个字节。各代码位的对应关系如下表3。表3代码式 显示段dp G f e d c b aLED显示器接口比较简单，使用如图3-16译码驱动器就可以实现BCD码到七位段码的转换，完成一位LED显示器的接口。由于使用了专用的七位段码的译码器驱动器，可以把一位十六进制数（

34、位二进制）译码为相应的字形代码，并提供足够的功率去驱动发光二极管。使用这种接口方法，虽然软件简单，仅需使用一条输出指令就可以进行LED显示，但使用硬件却比较多，而硬件译码又缺乏灵活性，所以较少使用。在实际应用中使用较为普遍的是以软件来代替硬件译码，这样只需要一个接口芯片就可以实现多位LED显示器显示。我们用单片机芯片80C51作接口电路，本次设计我们用四位LED显示器数码管采用的共阳极数码管驱动，动态扫描输出显示。第四章 硬件电路设计4.1 输入电路硬件设计输入电路系统前向通道，主要由MAX6675和热电偶组成。MAX6675是MAXIM公司开发的K型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器等，并带

35、有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量，分辨率0.25。温度数据通过SPI端口输出给单片机,其冷端补偿的范围是-2080,测量范围是0+1023.75。表为MAX6675的引脚功能图。引脚号名称功能1GND接地端2T-热电偶负极（使用时接地）3T+热电偶正极4VCC电源端5SCK串行时钟输入6CS非片选信号7SO数据串行输出端8NC悬空不用 表 MAX6675的引脚功能图3 5 2 6MAX66751 74 8T+T-+5V 图为本系统中温度检测电路 当P2.5为低电平且P2.口产生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出转换数据。在每一个脉冲信号的下

36、降沿输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3为相应的温度转换数据。当P2.5为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。在应用MAX6675时，应该注意将其布置在远离其它I/O芯片的地方，以降低电源噪声的影响；MAX6675的T-端必须接地，而且和该芯片的电源地都是模拟地，不要和数字地混淆而影响芯片读数的准确性。 4.2 输出控制电路设计 控温电路包括驱动芯片MC1413、过零型交流固态继电器（Z型SSR）。报警和控温电路如图3中所示。Z型SSR内部含有过零检测电路，当加入控制信号，且负载电源电压过零时，SSR才能导通；而

37、控制信号断开后，SSR在交流电正负半周交界点处断开。也就是说，当Z型SSR在1秒内为全导通状态时，其被触发频率为100HZ；当Z型SSR在1秒内导通时间为0.5秒时，其被触发频率为50HZ。在本系统中，采用PID控制算法，通过改变Z型SSR在单位时间内的导通时间达到改变电阻炉的加热功率、调节炉内温度的目的。本次设计中AT89C51对温度的控制是通过控制Z型SSR的通断实现的。如单片机温度控制系统电路原理图所示，SSR和加热丝串接在交流220v、50HZ的用电回路上。在给定周期T内，只要改变SSR的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。SSR的接通时间可以通过AT89C51在控制回

38、路中加触发脉冲控制。该触发脉冲由AT89C51用软件在输出管脚上产生。温度控制电路原理图 第五章 软件电路设计5.1 系统总体流程图 在系统软件中，主程序完成系统初始化和电炉丝的导通和关断；炉温测定和显示、键盘输入、控制算法等都由子程序来完成；中断服务程序实现定时测温。流程图如图4所示。开始系统初始化设置键盘输入及目标炉温设置炉温测量与显示全速加热停止加热是炉温等于下限温度？否是炉温等于上限温度？否炉温测定并显示PID算法控制炉温加热否等于目标温度并稳定时间到？是结束软件设计流程图5.2 PID调节的各个环节及其调节过程 5.2.1 PID控制的原理和特点工程实际中，应用最为广泛的调

39、节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。（1）比例（P）控制比例控制

40、是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。（2）积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此

41、，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑

42、制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。5.2.2 比例控制及其调节过程在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。比例调节规律及其特点比例调节作用，一般用字母P来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成： （3-1）式中 调节器的输出变化值； 调节器的输入，即偏差； 比例调节器的放大倍数。放大倍数是可调的，所以比例调节器实际上

43、是一个放大倍数可调的放大器。比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。5.2.3 比例积分调节对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节器，其作用特性可用下式表示： （3-2）这里，表示PI调节作用的参数有两个：比例度P和积分时间。而且比例度不仅影响比例部分

44、，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。5.2.4 比例积分微分调节微分调节的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后。在生产实际中，有经验的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小（比例作用），同时又根据偏差变化速度的大小进行调节。比如当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大

45、的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。什么是微分调节？微分调节是指调节器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表示为： （3-3）式中： 调节器的输出变化值； 微分时间； 偏差信号变化的速度。从上式可知，偏差变化的速度越大，微分时间越长，则调节器的输出变化就越大。对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分作用的输出总是零，这是微分作用的特点。由于实际微分器的比例度不能改变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都

46、是和其它调节作用相配合，构成比例微分或比例积分微分调节器。比例积分微分调节又称PID调节，它可由下式表示： （3-4）PID调节中，有三个调节参数，就是比例度P、积分时间、微分时间。适当选取这三个参数值，就可以获得良好的调节质量。由分析可知，PID三作用调节质量最好，PI调节第二，PD调节有余差。纯比例调节虽然动偏差比PI调节小，但余差大，而纯积分调节质量最差，所以一般不单独使用。 第六章 电路的调试 根据原理图，可将整个电路分成温度传感器及其信号放大电路和A/D、D/A变换电路两大模块。在调试时可以按模块分别调试。首先，对温度传感器及其信号放大电路进行调试： 对运算放大器LM741进行调零。

47、将图34中的A，B端短接，也即使运算放大器的输入为零，然后调节电位器R0，使输出端 UOUT = 0V 即可。 调节LM741的增益。方法：将热电阻置于50的水中，理论上要求放大线路的输出电压UOUT = 0V 若不满足，则可调节RL电位器。 再次，对A/D、D/A部分调试输入一定的变化数值看其输出的情况如果偏差较大则从新调整参数，直到符合要求则完毕。 第七章 结束语 该基于DS18B20的多点温度测量系统具有硬件结构简单、易于制作、价格低廉、测量值精确和易于操作等许多优点，但由于实验室条件所限，暂时只做两点的温度测量,并且控制端暂时只对一个DS18B20传感器周围环境进行控制，与另一个传感器

48、作参考比较。但在实际应用中可根据具体情况进行更多点的扩展和对多点分别进行控制。随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，基于DS18B20的多点温度测量系统已经广泛应用于控制、化工等诸多领域。总之，本次毕业设计顺利完成，基本达到了毕业设计的要求。本文在深入分析多点智能测温系统的工作原理基础上，完成了该系统设计和调试任务，并且系统的性能误差达到了任务书的要求，使之能达到现场运行水平。总结此次课设，得到以下结论: 针对实验室现有测温系统的特点，提出了一套应用数字式温度传感器DS81B20组建温度测控网络新型方案，该方案的突出特点是系统的数字化、快速化及其经济实用性。 以单总线为基本结构，采用ATMEL公司的 AT89C51单片机为总线命令，实现与DSl8B20的总线接口，并提供具体电路设计。 .在通信的实现上，以MAX232芯片作为TTL电平与2