本科生毕业设计说明书（毕业论文）
题 目: 基于单片机的电阻炉
温度控制系统设计
学生姓名：***
学 号： 0511230
专 业：测控技术与仪器
班 级：测控07-3班
指导教师：***
基于单片机的电阻炉温度控制系统设计
摘 要
电阻炉是利用电流通过电阻体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。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研究中具有重要意义[1]。
电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成[2]。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，随炉种的不同而已。
本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，用热电偶作为测量元件，用固态继电器作为输出控制元件来实现对电阻炉温度自动控制。单片机控制K型热电偶温度传感器，把温度信号通过A/D转换器采集到单片机里。单片机经数据处理、PID运算，发出控制信息改变执行模块的状态，同时用LED显示显示值PV、设定值SV[3]。本设计通过4个按键来进行人机交互和LED显示，进而使电阻炉的温度始终保持在要求范围内。
关键词：电阻炉；温度；单片机； PID控制
Res is tance Furnace Temperature Control Sys tem
Based on Single chip Computer
Abstract
The resistance furnace is using the electric current through the resistance body heat generation to heating or melting of a class of materials electric stove. The resistance furnace in chemical industry, metallurgy industry, etc, so the temperature control is widely used in industrial production and scientific research of to have the important meaning.
Resistance furnace, the furnace, the electric control system and auxiliary systems. Furnace shell, heater, by furnace lining (including insulation screen) and etc. Electrical control system including electronic circuits, microcomputer control, the instrument shows and electrical parts, etc. Auxiliary system usually refers to the transmission system, vacuum system, cooling system, etc, with the difference of the boiler.
This design USES the single chip microcomputer as the data processing and the control unit, the thermocouples used as measuring element, with solid state relay as the output control elements to achieve resistance furnace temperature automatic control. Single-chip microcomputer control of the temperature sensor, K thermocouple temperature signal through the A/D converter collection to the chip. The single-chip microcomputer data processing, PID operation, a control information change executive module form, and the display value, in LED display PV, set data SV. This design through the 4 buttons for human-computer interaction and LED display, and the resistance furnace temperature remains in the requirements range.
Key words：The resistance furnace; Temperature; SCM; PID control
第一章 绪论
1.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义
随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向[4]。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义[1]。
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，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生[4]。
电阻炉是利用电流通过电阻体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉[3]。它的特点：①电路简单；②对炉料种类的少；（小型电阻炉可以加热食品、干燥木材等）；③炉温控制精度高；④容易实现在真空或控制气氛中加热等特点。它适用于：①机械零件的淬火、回火、退火、渗碳、氮化等热处理 ；②各种材料的加热、干燥、烧结、钎焊、熔化等。电阻炉的主要参数有额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。电阻炉按炉温不同可以分为低温电阻炉(600～700℃以下)、中温电阻炉(700℃～1200℃)、高温电阻炉(1200℃以上)[2]。
随着科学技术的发展，电阻炉被广泛应用在冶金、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稳定性、可靠性、精度等要求也越来越高，温度测量控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。
温度控制技术的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。PID控制温度的效果主要取决于P、I、D三个参数[4]。PID控制大滞后、大惯性、时变温度系统时，其控制品质难以保证。电阻炉是由电阻丝加热升温，靠自然冷却降温，PID控制对小型电阻炉的温度控制效果良好。
本文以电阻炉为控制对象，以单片机为硬件核心，利用单片机使电阻炉的温度维持在一个稳定的范围。
1.2 温度控制系统的目的和功能
温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。
温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系立发展的单片机时代。单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段。
1.3 设计内容
本设计的内容是电阻炉温度控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛[6]。而以往温度控制是采用模拟信号，这种控制精度低，维护工作量大，易出故障，现在采用数字化仪表，精度高。
本设计是对电阻炉温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：当电阻炉温度低于设定下限温度时，系统对电阻炉发出加热信号，使电阻炉温度上升，当电阻炉温度高于设定上限温度时，系统使电阻炉停止加热，使温度下降，当电子流温度下降到下限温度以下时，系统发出信号使电阻炉继续加热。不断重复该过程，使温度始终保持在上下限温度之间。LED灯即时显示温度[4]。
第二章 电阻炉温度控制系统硬件设计
2.1 系统设计方案的论证与比较
根据题目要求，温度控制器是由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成，所以本设计要考虑这些模块器件的选型以及所设计出来的温度控制器的可行性，其主要有以下几种设计方案[7]。
方案一：采用8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温。此方案在理论上是可行的，所选器件的价格便宜，但8031内部没有程序存储器,需要内存扩展，增加了电路的复杂性，且ADC0809是8位的模数转换,转换的精度很低，一般不能满足控制的要求。
方案二：采用比较流行的ATC51作为电路的控制核心,ATC51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器[8]。数据的采集部分采用K型热电偶传感器，数据转换部分采用ADC0832，它改变传统温度测试方法,能在现场采集温度数据,并直接将温度物理量变换为数字信号传送到计算机进行数据处理,测试温度范围为- 270℃～ + 1300℃[9]。可应用于各种领域、各种环境的自动化测试和控制系统,使用方便灵活,测试精度高,优于任何传统的温度数字化、自动化测控设备。控制电路部分采用固态继电器以实行对被控温度的控制,此方案电路简单并且可以满足一般的控制要求。
方案三：采用PLC作为控制电路的核心，其他部分的电路采用和方案二同样的设计。这种方案不仅具有和方案二同样的控制精度，而且整个电路的稳定性比方案二更高，但是PLC的价格远远高于单片机，其不适合大批量的生产，所以考虑到价格因素，此种方案不宜选择。
综上分析,我们采用方案二。系统由单片机ATC52、温度检测电路、键盘显示、显示电路、温度控制电路等部分组成。
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，同时将温度与设定温度比较，根据设定计算出控制量，根据控制量通过控制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。
系统设计总体框图如下图2-1所示：
图2-1 控制器设计总体框图
在本系统的电路由四部分组成[2]:
(1)控制部分主芯片采用单片机ATC52；
(2)显示部分采用4位LED数码管实现温度显示；
(3)温度采集部分采用K型热电偶传感器；
(4)温度控制部分采用固态继电器。
根据温度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，我们设计了以ATC52单片机为检测控制中心，将温度控制在设定的范围之内。
其主要的控制原理为：对被控对象的温度进行实时采集，其主要是通过热电偶传感器将温度转变成模拟电信号，并由A/D转换器ADC0832将所得的模拟量转变成数字量送入单片机中。单片机将传感器所采集到的温度和事先设定的温度进行对比，当小于设定值时将发出信号启动加热装置；当大于设定值时将关闭加热装置，从而使得被控温度控制在一定的范围之内，达到实时控制的功能[4]。
整个控制器主要有以下功能[11]：
(1)被控温度可以根据实际的需要设定；
(2)实时显示当前温度值；
(3)按键控制：a、设置复位键、加一键、减一键、确定键；b、修改P、I、D系数；
(4)越限报警。
2.2 最小系统结构框图
本系统以STCC52单片机为核心，本系统选用12MHZ的晶振，使得单片机有合理的运行速度,复位电路为按键高电平复位[7]。STCC52单片机最小系统电路设计如图2-2所示：
图2-2 STCC52单片机最小系统
2.2.1 单片机
在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。ATC52是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个8KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容、片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此，ATC52是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域[12]。基于上述这些特点，这里选择ATC52单片机作为控制核心。
因为单片机的工作电源为+5V，ATC52电源输入支持的电压范围为5v~3.4v，且底层电路功耗很小。Vcc，电源端；GND，接地端[6]。其电源供电电路如图2-3所示：
图2-3 电源供电电路
2.2.2 单片机的主控单元
本部分主要介绍单片机最小系统的设计。单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统为基础的。所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于片内带有程序存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。小系统是嵌入式系统开发的基石。本电路的小系统主要由三部分组成，一块ATC52芯片、复位电路及时钟电路。
ATC52单片机：ATC52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。4K 字节可系统编程的Flash 程序存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗(WDT)，两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路[12]。同时，ATC52停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作，并禁止其它所有部件工作，直到下一个硬件复位。
ATC52 单片机的引脚说明[13]
VCC：供电电压；
GND：接地。
P0是一个8位双向I/O端口，端口置1时作高阻抗输入端，作为输出口时能驱动8个TTL电平。对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节；校验程序时输出指令字节，需要接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。
P1是一个带有内部上拉电阻的8 位准双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL电平。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。
P2是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL电平。端口置1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为STCC52的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0 /RXD（串行输入口）；
P3.1 /TXD（串行输出口）；
P3.2 /INT0（外部中断0）；
P3.3 /INT1（外部中断1）；
P3.4 T0（记时器0外部输入）；
P3.5 T1（记时器1外部输入）；
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）；
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）；
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
本设计STCC52单片机的P14、P15、P16、P17口接的是四位按键，P1.0口和P1.1口接LED显示，X1和X2接的是晶振电路，RESET接复位电路。
2.2.3 复位电路
计算机在启动运行的时候都需要复位，使处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并且从这个初始状态开始工作。单片机的复位是靠外部电路实现的，MCS-51单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。复位电路的基本功能是系统上电时，RC电路充电，RST引脚出现正脉冲，提供复位信号直至系统电源稳定后，撤销复位信号，为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时，才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。RC复位电路可以实现上述基本功能[4]。调整RC常数会令对驱动能力产生影响。复位电路如下图2-4所示：
图2-4 复位电路图
2.2.4 时钟电路
时钟电路提供单片机的时钟控制信号，单片机时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式。最常用的是内部时钟方式是采用外接晶振和电容组成的。
时钟振荡电路如图2-5所示：
图2-5 时钟振荡电路
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和引脚XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自己振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值为30μF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。
2.3 温度采集与传感器
图2-6 热电偶传感器
温度检测是本次设计前向通道的重要组成部分，它的精确程度将直接影响到控制效果。因此，我们首先要选择合适的测温元件，对温度进行准确的测量。
热电偶的冷锻温度补偿有四种方法：补偿导线法；冷端补偿法；计算修正法；电桥补偿法[14]。
补偿导线法：
图2-7 补偿导线法的连接图
冷端补偿法：
（1）将热电偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端温度保持0℃不变的方法称为冰浴法。采用这种方法可以消除冷端温度t0不等于0℃而引起的误差。由于冰融化比较快，因而一般只适合在实验室中使用。
（2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度要略高于环境温度的上限。
（3）将热电偶的冷端置于恒温的空调房间中，使冷端温度保持恒定。
计算修正法：
当热电偶的冷端温度t0 0C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0 C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0 C，则EAB（t，t0） 电桥补偿法： 图2-8 电桥补偿法的接线图 本次设计采用计算修正法。 2.3.1 放大电路 运算放大器使所有的线性电路中最重要的基本构件。他在如饮品功率放大器、定时器、稳压器、传感测试电路等领域具有广泛的应用[15]。 运算放大器这一术语最早应用于在模拟计算机中执行默写数算的下限频率为零赫兹的高增益放大器。这种高增益放大器现在已广泛用于各个方面，即使不再涉及数算，但通常仍成为运算放大器或op-amp[15]。早期的运算放大器使用分立元件，但现在使用集成电路就更为方便了。电路设计者对集成电路内部元件不感兴趣，而只关心作为一个整体的单元性能。因此，图2-9所示的符号用来表示运算放大器。由图可以看出，运算放大器有2个输入端，一个输出和连接正、负电源线端子。 图2-9 运算放大器的符号 图2-10运算放大器的封装 2.3.2 温度传感器的选择 传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按照一定的规律转化为某一量值输出，通常是电信号。也就是说，传感器是借检测元件（敏感元件）将被测对象的一种信息按一定的规律转换成另一种信息的器件或装置。传感器所获取的信息通常有物理量、化学量和生物量等，而经传感器转换后的信息多数为电量，如电阻、电容、电感、电压、电流及频率与相位的变化等，它是实现自动化检测和自动控制的首要环节[4]。 传感器将被测信息如温度、压力、流量等转换成电信号输出，一般称为一次变换。一般情况下经过一次变换后的信息具有以下特点： （1）输出电信号通常为模拟量； （2）输出电信号一般较微弱； （3）输出电信号的信号噪声比较小，甚至有用信号淹没在噪声之中； （4）传感器的输入输出特性通常存在一定的非线性，并易受环境温度及周围电磁干扰的影响； （5）传感器的输出特性与电源的定性等有关，通常要求恒压或恒流供电。 本部分主要是论证温度传感器的选型。传感器的选择受到很多因素的影响，首先是各种温度传感器自身的优缺点，其次是各种不同的环境因素，还有就是系统所要求实现的精度等，所以在不同的设计当中温度传感器的选择也将不同[16]。 方案一：热电偶传感器 热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。它是利用两种不同材料的金属连接在一起，构成的具有热电效应原理的一种感温元件。其优点为精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便，型号种类比较多且技术成熟等。目前广泛应用于工业与民用产品中。热电偶传感器的种类很多，在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。 方案二：热电阻传感器 热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电阻值的变化。热电阻传感器是中低温区最常用的一种温度传感器。它的主要特点是：测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的，不仅广泛应用于工业测温，而且被制作成标准的基准仪。从热电阻的测温原理可以知道，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。因此，热电阻的引出线的电阻的变化会给测温带来影响。为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。 方案三：半导体集成模拟温度传感器 半导体IC温度传感器是利用半导体PN 结的电流、电压与温度变换关系来测温的一种感温元件。这种传感器输出线性好、精度高，而且可以把传感器驱动电路、信号处理电路等，与温度传感器部分集成在同一硅片上，体积小，使用方便，应用比较广泛的有AD590等。IC温度传感器在微型计算机控制系统中，通常用于室温或环境温度的检测，以便微型计算机对温度测量值进行补偿。 方案四：半导体集成数字温度传感器 随着科学技术的不断进步和发展，新型温度传感器的种类繁多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式、多总线式发展。数字温度传感器，更因适合与各种微处理器的I/O接口相连接，组成自动温度控制系统，这种系统克服了模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端，被广泛应用于工业控制、电子测温、医疗仪器等各种温度控制系统中，数字温度传感器中比较有代表性的有DS18B20等。 PT100与AD590都不能与单片机的I/O口直接相连，需要设计信号调理电路，A/D转换电路。而DS18B20是数字温度传感器，并且采用单总线技术，使该传感器不但可以直接与单片机I/O口相连，并且只需要一个I/O就可以连接多个温度传感器，实现多点温度测量与控制。所以使用数字温度传感器DS18B20不但可以节约单片机I/O口，还能使系统设计成本降低。但是DS18B20的测温范围仅限-55℃～+125℃，而电阻炉的温度大约在一千度左右，所以从测温范围的大小、精度要求以及价格等多方面因素综合考虑，最终选择K型热电偶传感器。K型（镍铬－镍硅）热电偶可测量1300℃以内的温度，其线性度较好，而且价格便宜。K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。 热电偶的结构形式是热电极，绝缘材料和保护管，并与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。在现场使用中根据环境，被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。热电偶简单分为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶，循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等。 2.3.3 热电偶温度信号的线性化 热电偶温度信号非线性是比较大的，如B型热电偶，从0°C升高到1800°C，热电势从0mV变化到13.585mV，每100°C热电势增加最大的约为最小的8倍。B偶的最大输出热电势只有13.585mV，而且当温度升高到约1700°C时，该增加值下降。其它热电偶都存在类似的问题，尽管稍有不同。这又给线性化增加了难度。从这一特性出发，热电偶温度信号的线性化主要有如下几种方法。 (1)单反馈法：利用负反馈，可以改善其线性，但是很有限。几种非线性稍小的热电偶，可以采用这种方法，特别是在温区要求不宽的情况下。有时，由于在其一温区有精度要求，那么就在该温区对信号进行调理，达到要求的目标；在其它温区可以放宽精度要求，甚至不要求，只作监视用。 (2)折线近似法：这是一种对非线性较大的信号处理的较好的方法。处理得好可以达到较高的精度。这种方法普遍适用于各种热电偶的整个正信号温区。 图2-11 折线近似法 该种方法的电路原理图如图2-11所示。该电路的工作过程是：当输入的电压信号较低时，IC1中的反相端电压较同相端(A)低得多（同相端的电压大小是根据线性化要求设定的，B点同样），IC1的输出端电压较高，D1截止。当输入信号电压接近IC1的同相端时，IC1的输出逐渐降低，随之，D1逐渐导通，V4逐渐增大，直到V4接近A点电压为止。这就有效地了热电偶信号迅速增加，降低了非线性。IC2的工作过程与此类似，不同的是B点电位比A点高。当输入电压在A点电压以下时，D2截止，IC2不工作；只有当输入电压高于A点电压或接近B点电压时IC2才工作。工作过程与IC1相同。所用折线的段数是根据精度要求决定的。对于热电偶信号处理来说，有三段就可以使精度达到0.5%以上。 2.3.4 A/D转换电路 本设计中温度检测电路输出信号为模拟量，要想将检测数据送入单片机，必须将其转换为数字信号，这里选用集成A/D转换器——ADC0832。 A/D转换电路用来把连续的模拟信号转变成数字形式，即二进制数。实际的转换过程包括在特定时刻的信号采样并保持其值直到一个稳定信号被输入到模/数转换器即止。模/数转换器产生的二进制数通过微机的输入通道进入微型机。复杂的硬件或具有合适的软件指令的简单硬件都可能实现模数转换。软件的使用会降低模数转换过程的速度。高速模数转换的整个过程均需要使用硬件。用于特定用途的模/数转换器可按其精度和速度分类。 出于各种实用的目的，模/数转换器可视为一个黑盒子，它能把在一定范围取任意连续值的模拟电压转换成离散的二进制代码。模拟电压转换得到的二进制码的数值取决于模/数转换器的位数。一个N位模/数转换器将提供2N个离散代码来代表输入的模拟电压。大多数模/数转换器基于逐次逼近和双斜式转换技术。N位的逐次逼近模/数转换器涉及N次比较操作。每次比较可以产生该位确切的二进制值(0或1)。最先产生的为最高位，最后产生的则是最低位。第一次比较时，用输入的电压与参考信号电压的一半(1/22)进行比较。如果输入电压大于参考信号的一半，那么最高位置为1，否则置为0。假定输人电压大于参考信号的一半，对8位ADC来说，第一次比较将产生二进制码10000000。下一步是把参考电压的四分之一(1/22)迭加到由上面代码产生的电压上，并再次用它与输入电压比较。根据这次比较，产生的二进制代码将是11000000(模拟输入电压大于代码电压时)，或者是10000000(模拟输入电压小于代码电压时)。接着把参考电压的八分之一(1/23)迭加到第二位转换后的二进制代码所产生的电压上，把迭加后 的电压与输入模拟电压比较以确定第三位的二进制值。这个过程重复进行N次(模数转换器的位数)。因此对于第N位，由第N-1位产生的代码得到的电压被迭加到1/2N倍的参考电压后，并且让它与输入电压比较以决定第N位的二进制值。 本设计采用的A/D转换器为ADC0832 一．ADC0832简介 ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。ADC0832具有以下特点：8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在0~5V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；一般功耗仅为15mW；8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0°C~+70°C，工业级芯片温宽为40°C~+85°C； 图2-12 《ADC0832引脚图》 二．信号引脚 ADC0832引脚如图2-12所示。 CS 片选使能，低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND 芯片参考0电位（地）。 DI 数据信号输入，选择通道控制。 DO 数据信号输出，转换数据输出。 CLK 时钟信号。ADC0832的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。 VREF——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V)。 三．单片机与ADC0832的接口 ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 图2-13 ADC0832与单片机的连接 正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。ADC0832与单片机的连接如上图2-13所示。 当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。 2.3.5 数字PID算法 PID调节的一般步骤[17]： a.确定比例增益P：确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。 b.确定积分时间常数Ti 比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。 c.确定积分时间常数Td 积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。 d.系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。 温控系统采用数字PID算法，并由软件实现，所谓PID控制就是按设定值与测量值之间偏差的比例、偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制[13]。它根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此PID控制律的实现，必须用数值逼近法。当采样周期相当短时，可以用求和代替积分，用差商代替微分，即做如下近似变换： （2-1） 式中，k为采样序号，k=l，2，3，……；T为采样周期。显然，上述离散化过程中，采样时间T必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去T。可以得到离散的PID表达式为： （2-2） 式中，k为采样序号，k=1，2，3，……；u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)为第(k-1)次采样时刻输入的偏差值；KI为积分系数；KD为积分系数。 该系统采用增量式PID控制算法，是指数字控制器输出只是控制量的增量，该算法编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。根据递推原理可得： （2-3） 用式（2-2）减去式（2-3），可得增量式PID控制算法如下： （2-4） 2.4 人机交互电路 人机交互的主要功能是辅助控制、方便调试，提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出， 在当今的各种实时自动控制和智能化仪器仪表中，人机交互是不可缺少的一部分。一般而言，人机交互是由系统配置的外部设备来完成，其实现方式有两种：一种是由MCU的I/O口驱动专用芯片实现，如键盘显示控制芯片，串行数据传输数码显示驱动芯片等，来实现人机交互功能。另一种就是MCU本身具有驱动功能，它通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式或I/O设备的访问形式来控制键盘和LED实现人机交互[6]。 2.4.1 按键 按键是现阶段电子设计中最常用、最实用的输入设备。按键能够成为最普遍的输入设备，主要是其具备了以下几个优点：工作原理、硬件电路连接简单、操作实用性强、价格便宜，程序编写简单。缺点：机械抖动比较严重、外型不够美观。 按键部分实现的主要原理是单片机读取与按键相连接的I/O口状态，来判定按键是否按下，达到系统参数设置的目的。键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据输入、命令输入，是人工干预的主要手段。式按键就是按键相互，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键的工作状态，不会影响其他I/O口线上的工作状态。各按键开关均需要采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。当输入口线内部已有上拉电阻，外电路的上拉电阻可省去。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断是哪个按键被按下了。优点：电路配置灵活，软件结构简单。缺点：每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。因此，此键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。在本设计当中，由于只需要四个按键，所以采用式键盘结构，电路连接图如图2-14所示： 图2-14 式键盘 当用手按下一个键时，往往按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态的情况；在释放一个键时，也回会出现类似的情况。这就是抖动。抖动的持续时间随键盘材料和操作员而异，不过通常总是不大于10ms。很容易想到，抖动问题不解决就会引起对闭合键的识别。用软件方法可以很容易地解决抖动问题，这就是通过延迟10ms来等待抖动消失，再读入键盘码。按键控制电路分别接在单片机P1.4—P1.7口。它由4个按键构成，直接与单片机I/O口相连。 当用于温度调节时，开关分别用于调整温度的上下限值，以及控制温度的输出。另外，设定1键用于显示采集的温度，第二次按下则进行温度的上限调整，第三次按下进行温度的下限调整，第四次按下则进行采集温度的显示构成循环。选择2键进行移位调整，第一次显示个位，第二次显示十位，第三次显示百位，第四次显示千位。3键增加键，按下一次在原基础之上加1，这个值在0-9之间变化。4键用于减少一个数，按下一次在原基础之上减1，这个值在0-9之间变化。 当用于PID参数调节时，设定1键为确认键，按下第五次后，显示设置PID系数状态。选择2键进行移位调整，第一次显示KP，第二次显示KI，第三次显示KD。3键增加键，按下一次在原基础之上加1，这个值在0-9之间变化。4键用于减少一个数，按下一次在原基础之上减1，这个值在0-9之间变化。 2.4.2 显示电路 电子设计中常用的输出显示设备有两种：数码管和LCD。 数码管是现在电子设计中普遍使用的一种显示设备，每个数码管由七个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从0到9中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单，但是当要显示的位数相对多的时候，数码管操作起来十分烦琐，显示的速度受到。 液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案[8]。当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，可扩展性很强。字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用的信息显示器件之一。不足之处在于其价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。 由于本设计所需要显示的内容比较简单，只包括现场温度值、温度限定值以及PID系数的显示，所以本系统的数据显示设备采用LED数码管。设计中采用4位共阴极LED静态显示方式，选用7段显示数码管。显示内容有温度值的千位、百位、十位、个位。LED显示电路如下图2-15所示。图中的P1.1和P1.0分别连接到单片机的P1.1和P1.0引脚，作为时钟输入端和数据端口。 图2-15 LED显示电路 由于单片机不能直接驱动数码管显示，所以必须在单片机与LED1之间加上74LS1，它的管脚图如图2-16所示。 图2-16 74LS1管脚图 A和B为74LS的串行输入端；QA-QH为74LS的串行输出端；CLK是串行时钟输入端；CLR是串行输出清零端；VCC：+5V；GND：接地端。 74LS1功能如表2.1所示。 表2.1 74LS1功能表 数码管结构有共阴极和共阳极之分。本设计采用的是共阴极数码管。共阴极公共端接地，高电平有效（灯亮），共阴极数码管内部发光二极管的阴极(负极)都联在一起，此数码管阴极(负极)在外部只有一个引脚。 图2-17 数码管管脚图 2.5 串口通信 串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。 串行通信的主要功能是实现单片机与PC机的数据交换，当需要进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把数据发送给上位机，使用上位机进行数据处理，并且将数据处理的结果又发送给单片机[5]。这样可以大大提高系统数据处理速度，还可以方便的对单片机进行控制。计算机与外界的数据传送大部分都是串行的，其传送距离可以从几米到几千米。串行口通信原理图如图2-18所示： 图2-18 串行口通信 2.6 输出电路设计 2.6.1 报警单元 报警电路实现的是当环境温度值超过系统设置的上限值或者小于系统设置的下限值时，都将通过I/O 口驱动蜂鸣器，进行蜂鸣器报警[2]。而单片机I/O 口输出的电流无法直接驱动蜂鸣器，所以设计了蜂鸣器驱动电路，具体电路连接如图2-19所示： 图2-19 报警电路图 2.6.2 输出控制单元 电阻炉温度控制是通过控制电阻炉输入功率的大小实现对温度的控制，其控制方法有两种[18]：一种是可控硅移相触发调节方式，实质就是通过改变交流电压每周期内电压波形的导通角从而控制输出功率；另一种是通断控制调节方式，其触发方式是过零触发，实质是通过改变交流电压每周期内电压波头出现的次数从而控制输出功率。通断控制调节方式会防止高次谐波的干扰和污染电网，硬件电路和软件程序都比较简单，因而本设计中采用的是通断控制调节方式。 固态继电器的简介：固态继电器（SOLID STATE RELAYS），简写成”SSR”，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关元件，它利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅等半导体器件）的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”[18]。 固态继电器SSR-40DA是由固态元件组成的无触点开关，具有工作安全可靠、寿命长、无触点、无火花、无污染、高绝缘、高耐压（越过2.5kv）、低触发电流、开关速度快、可与数字电路巨配，以阻燃型环氧树脂为原料，采用灌封技术，使与外界隔离，具有良好的耐压、防潮、防腐、抗震动等性能。固态继电器内部采用电压过零时开启，负载过零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波形。因此电路的射频干扰很小，可降低感性负载（如风扇、三相电动机等）的反电动势以及驱动阻性负载（如白炽灯、发热丝等）时可显著降低浪涌电流等优点,其内部结构如下图2-20所示： 图2-20 SSR-40DA内部结构图 固态继电器控制电阻炉温度电路图如图2-21所示： 图2-21 固态继电器控制电阻炉温度电路图 第三章 软件设计 3.1 设计思路 本部分详细介绍了基于ATC52单片机的电阻炉温度控制系统的软件设计。 根据系统功能，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如温度采集子程序，数据处理子程序、显示子程序、PID控制子程序。采用Keil uVision3集成编译环境和C语言来进行系统软件的设计。本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路，再逐一分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序。 本系统要完成温度信号的采集与控制，需要实现温度信号的采集与A/D转换、数据处理、数据显示、数据传输等基本功能。从功能上可将其分为温度信号采集及A/D转换、数据处理、人机交互、执行四大部分进行设计。 温度信号采集子程序，主要完成温度信号采集与A/D功能。温度信号采集子程序主要包括传感器初始化、单片机给传感器写命令、单片机给传感器写数据、单片机从传感器读数据等部分。 数据处理子程序，当单片机收到温度传感器发送的温度数据后，数据处理子程序对该数据进行处理，主要是把采集到的二进制的温度数据转换成十进制温度数据。 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、键盘输入、时间确定和显示、控制算法等都由子程序来完成；中断服务程序实现测温。流程图如图3-1所示。 图3-1 控制系统程序流程图 3.2 程序设计 主程序流程图如图3-2所示： 图3-2 主程序流程图 3.2.1 采样程序 系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。首先使T0计数器产生定时中断，作为本系统的采样周期。在中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波、上下限报警处理，PID计算，然后输出控制脉冲信号。脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定。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T0中断返回主程序并且、继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。 图3-3 采样程序流程图 3.2.2 显示子程序 共阴极数码管是用高电平（“1”）点亮的，要求驱动功率较大。 图3-4 显示流程图 3.2.3 按键子程序 在本设计中，当按键被按下时，I/O口电平为低；松开时，I/O口电平为高。按键扫描程序通过读取I/O口的电平即可知道对应按键的状态。按键的抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5~10ms，这是一个很重要的参数。抖动过程引起电平信号的波动，有可能令CPU误解为多次按键操作，从而引起误处理。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，提高按键处理的可靠性，应在程序中做按键消抖处理。按键的消抖，通常有软件，硬件两种消除方法。硬件消抖主要是采用滤波电路消除干扰，需要消耗大量硬件，成本比较高，只适用于按键数目较少的情况。如果按键较多，硬件消抖无法达到预期效果。所以通常采用软件消抖。软件消抖的常用方法是软件延时。本系统采用软件消抖，当单片机第一次检测到有键按下时，即检测到与按键连接的I/O口为低电平是，等待10ms，再去确认该I/O口是否仍旧为低电平，如果还是低电平，就一般的机械按键而言，已经是出于稳定期了，按键的抖动被消除了。如果10ms 之后I/O口不为低电平，则说明是干扰信号，而不是按键被按下。在软件编写上，可采用查询方式，也可采用中断方式。本系统采用查询方式。使用按键输入流程图如图3-5所示： 图3-5 按盘输入流程图 3.2.4 PID控制子程序 根据炉温对给定温度的偏差，自动接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定在给定温度范围内，以满足热处理工艺的需要。温度自动控制常用调节规律有二位式、三位式、比例、比例积分和比例积分微分等几种。电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对电阻炉温度的控制。按照偏差的比例、积分和微分产生控制作用（PID控制），是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。 二位式调节——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。 三位式调节——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）——调节器的输出信号（M）和偏差输入（e）成比例。即：M=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，炉温不能复加到给定值时的偏差称“静差”。比例积分（PI）调节，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（PID）调节——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。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。 PID控制是在连续的生产过程中，将偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Derivative）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。在常规PID的应用中，PID三个参数往往根据现场设备情况或调试经验人工设定的，通过调试实验改变参数以改变控制性能[12]。 电阻炉温度控制通常采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理而获得控制信号起调节电阻炉的加热功率，以实现对炉温的控制[10]。 PID控制的理想微分方程为[11]： （3-1） 式中e(t)=r(t)-y(t)称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中r(t)为给定值，y(t)为被测变量值；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；u(t)为调节的输出控制电压信号[19]。 但计算机只能处理数字信号，因此上述数学方程必须加以变换。若设温度的采样周期为T，第n次采样得到的输入偏差为en调节器输出为un则有 （微分用差分代替） （3-2） （积分用求和代替） （3-3） 这样，式（3-1）便可以改为 （3-4） 写成递推公式为 (3-5) 改写成 （3-6） PID控制流程图如图3-6所示： 图3-6 PID控制流程图 结 论 本设计主要从硬件和软件两个方面具体阐述了基于ATC52单片机的电阻炉温度控制系统设计。该系统充分发挥了C52单片机对模拟量的采集处理和增量式数字PID控制算法的功能，可以比较灵活的调节控制信号的导通时间来控制加热电路的工作。该系统基本满足了温度控制的要求，具有超调量小，振荡幅度小，设定值可以随时用按键人为设定等优点，同时该系统还避免了控制过程中的不确定性及噪声，提高了系统的工作效率。实验证明，该系统具有精度高、可靠性高、性价比高及控制简单方便等优点。 由于时间比较紧，本设计虽然基本完成了预期的目标，但是设计成果并不是很完美，还存在很多问题：未对温度数值统计处理、存储及没有采用多次采集结果取平均值的方法，来提高温度值的准确度。 参考文献 [1] 唐媛红.孙振伟.单片机的电阻炉模糊控制[J].信息与电脑(理论版)，2011(01) [2] 刘敏.基于ATS53单片机的电阻炉温度控制系统设计[J].宁夏：宁夏机械,2008年,(04) [3] 吕小红，周凤星，马亮.基于单片机的电阻炉温度控制系统设计[C].武汉：武汉科技大学,20080602 [4] 吕小红.电阻炉智能温度控制系统的设计和应用[C].武汉：武汉科技大学,20080428 [5] 侯国章.测试与传感技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000 [6] 吴坚，赵英凯.计算机控制系统[M].武汉：武汉理工大学出版社，2002 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SumError; // Sums of Errors }; struct PID spid; // PID Control Structure unsigned int rout; // PID Response (Output) unsigned int rin; // PID Feedback (Input) sbit data1=P1^0; sbit clk=P1^1; sbit plus=P2^0; sbit subs=P2^1; sbit stop=P2^2; sbit output=P3^4; sbit DQ=P3^3; unsigned char flag,flag_1=0; unsigned char high_time,low_time,count=0;//占空比调节参数 unsigned char set_temper=35; unsigned char temper; unsigned char i; unsigned char j=0; unsigned int s; /*********************************************************** 延时子程序,延时时间以12M晶振为准,延时时间为30us×time ***********************************************************/ void delay(unsigned char time) { unsigned char m,n; for(n=0;n } /******************************** 写一位数据子程序 **********************************/ void write_bit(unsigned char bitval) { EA=0; DQ=0; /*拉低DQ以开始一个写时序*/ if(bitval==1) { _nop_(); DQ=1; /*如要写1，则将总线置高*/ } delay(5); /*延时90us供DA18B20采样*/ DQ=1; /*释放DQ总线*/ _nop_(); _nop_(); EA=1; } /******************************* 写一字节数据子程序 ******************************/ void write_byte(unsigned char val) { unsigned char i; unsigned char temp; EA=0; TR0=0; for(i=0;i<8;i++) /*写一字节数据，一次写一位*/ { temp=val>>i; /*移位操作，将本次要写的位移到最低位*/ temp=temp&1; write_bit(temp); /*向总线写该位*/ } delay(7); /*延时120us后*/ // TR0=1; EA=1; } /************************************ 读一位数据子程序 ************************************/ unsigned char read_bit() { unsigned char i,value_bit; EA=0; DQ=0; /*拉低DQ，开始读时序*/ _nop_(); _nop_(); DQ=1; /*释放总线*/ for(i=0;i<2;i++){} value_bit=DQ; EA=1; return(value_bit); } /*********************************** 读一字节数据子程序 ***********************************/ unsigned char read_byte() { unsigned char i,value=0; EA=0; for(i=0;i<8;i++) { if(read_bit()) /*读一字节数据，一个时序中读一次，并作移位处理*/ value|=0x01< } EA=1; return(value); } /******************************* 复位子程序 *********************************/ unsigned char reset() { unsigned char presence; EA=0; DQ=0; /*拉低DQ总线开始复位*/ delay(30); /*保持低电平480us*/ DQ=1; /*释放总线*/ delay(3); presence=DQ; /*获取应答信号*/ delay(28); /*延时以完成整个时序*/ EA=1; return(presence); /*返回应答信号，有芯片应答返回0,无芯片则返回1*/ } /***************************** 获取温度子程序 **************************************/ void get_temper() { unsigned char i,j; do { i=reset(); /*复位*/ } while(i!=0); /*1为无反馈信号*/ i=0xcc; /*发送设备定位命令*/ write_byte(i); i=0x44; /*发送开始转换命令*/ write_byte(i); delay(180); /*延时*/ do { i=reset(); /*复位*/ } while(i!=0); i=0xcc; /*设备定位*/ write_byte(i); i=0xbe; /*读出缓冲区内容*/ write_byte(i); j=read_byte(); i=read_byte(); i=(i<<4)&0x7f; s=(unsigned int)(j&0x0f); s=(s*100)/16; j=j>>4; temper=i|j; /*获取的温度放在temper中*/ } /*========================Initialize PID Structure====================*/ void PIDInit (struct PID *pp) { memset ( pp,0,sizeof(struct PID)); } /*=====================PID计算部分================================*/ unsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint ) { unsigned int dError,Error; Error = pp->SetPoint - NextPoint; // 偏差 pp->SumError += Error; // 积分 dError = pp->LastError - pp->PrevError; // 当前微分 pp->PrevError = pp->LastError; pp->LastError = Error; return (pp->Proportion * Error // 比例项 + pp->Integral * pp->SumEror // 积分项 + pp->Derivative * dError); // 微分项 } /************************************** 温度比较处理子程序 ***************************************/ compare_temper() { unsigned char i; if(set_temper>temper) { if(set_temper-temper>1) { high_time=100; low_time=0; } else { for(i=0;i<10;i++) { get_temper(); rin = s; // Read Input rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation } if (high_time<=100) high_time=(unsigned char)(rout/800); else high_time=100; low_time= (100-high_time); } } else if(set_temper<=temper) { if(temper-set_temper>0) { high_time=0; low_time=100; } else { for(i=0;i<10;i++) { get_temper(); rin = s; // Read Input rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation } if (high_time<100) high_time=(unsigned char)(rout/10000); else high_time=0; low_time= (100-high_time); } } // else // {} } /******************************************************* T0中断服务子程序，用于控制电平的翻转 ,40us*100=4ms周期 ********************************************************/ void serve_T0() interrupt 1 using 1 { if(++count<=(high_time)) output=1; else if(count<=100) { output=0; } else count=0; TH0=0x2f; TL0=0xe0; } /******************************************** 串行口中断服务程序，用于上位机通讯 ********************************************/ void serve_sio() interrupt 4 using 2 { /* EA=0; RI=0; i=SBUF; if(i==2) { while(RI==0){} RI=0; set_temper=SBUF; SBUF=0x02; while(TI==0){} TI=0; } else if(i==3) { TI=0; SBUF=temper; while(TI==0){} TI=0; } EA=1; */ } void disp_1(unsigned char disp_num1[6]) { unsigned char n,a,m; for(n=0;n<6;n++) { // k=disp_num1[n]; for(a=0;a<8;a++) { clk=0; m=(disp_num1[n]&1); disp_num1[n]=disp_num1[n]>>1; if(m==1) data1=1; else data1=0; _nop_(); clk=1; _nop_(); } } } /***************************************************** 显示子程序 功能：将占空比温度转化为单个字符，显示占空比和测得到的温度 ******************************************************/ void display() { unsigned char code number[]={0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6}; unsigned char disp_num[6]; unsigned int k,k1; k=high_time; k=k%1000; k1=k/100; if(k1==0) disp_num[0]=0; else disp_num[0]=0x60; k=k%100; disp_num[1]=number[k/10]; disp_num[2]=number[k%10]; k=temper; k=k%100; disp_num[3]=number[k/10]; disp_num[4]=number[k%10]+1; disp_num[5]=number[s/10]; disp_1(disp_num); } /*********************************** 主程序 *****************************************/ main() { unsigned char z; unsigned char a,b,flag_2=1,count1=0; unsigned char phil[]={2,0xce,0x6e,0x60,0x1c,2};; TMOD=0x21; TH0=0x2f; TL0=0x40; SCON=0x50; PCON=0x00; TH1=0xfd; TL1=0xfd; PS=1; EA=1; EX1=0; ET0=1; ES=1; TR0=1; TR1=1; high_time=50; low_time=50; PIDInit ( &spid ); // Initialize Structure spid.Proportion = 10; // Set PID Coefficients spid.Integral = 8; spid.Derivative =6; spid.SetPoint = 100; // Set PID Setpoint while(1) { if(plus==0) { EA=0; for(a=0;a<5;a++) for(b=0;b<102;b++){} if(plus==0) { set_temper++; flag=0; } } else if(subs==0) { for(a=0;a<5;a++) for(b=0;a<102;b++){} if(subs==0) { set_temper--; flag=0; } } else if(stop==0) { for(a=0;a<5;a++) for(b=0;b<102;b++){} if(stop==0) { flag=0; break; } EA=1; } get_temper(); b=temper; if(flag_2==1) a=b; if((abs(a-b))>5) temper=a; else temper=b; a=temper; flag_2=0; if(++count1>30) { display(); count1=0; } compare_temper(); } TR0=0; z=1; while(1) { EA=0; if(stop==0) { for(a=0;a<5;a++) for(b=0;b<102;b++){} if(stop==0) disp_1(phil); // break; } EA=1; } } 致 谢 在毕业设计期间，无论是确定工作方案、收集资料还是撰写论文，我都得到了老师的全力帮助和耐心执导。本论文能够得以顺利完成，与老师们的热情帮助和大力支持是分不开的，在此向老师们表示诚挚的谢意，同时也向给予我帮助的每一位同学表示感谢，正是他们的鼓励和支持使得本论文得以地完成。 在大学的校园里，我不仅学到了丰富的专业知识，也学到了终身受用的学习知识和积极的生活态度，通过对课程的学习和与相关专业老师的沟通，使我深感机会难得，获益非浅。各位老师的悉心授课使我对电子专业有了更多、更丰富的认识，为今后的学习和工作打下了坚实的基础。以前有很多地方不懂，这次的毕业设计是我对以前课本上的知识又加深了一下。 此时此刻，我要感谢全体老师几年来对我的指导和帮助，在我的十几年求学历程里，也离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。 在本文结束之际，最后再次向给予我支持与帮助的所有老师和同学们致以最诚挚的感谢和深深的祝福。 鉴于个人知识面和资料收集有限，缺点错误在所难免，敬请各位老师和同学批评指正
LED1的管脚如图2-17所示，其中a-g段用来显示数字或字符的笔画，dp显示小数点，9和10引脚作为公共地。一英寸以下的的LED数码管内，每一笔段含有一只LED发光二极管，导通压降为1.2-2.5V；一英寸及以上的LED数码管的每一笔段由多只LED发光二极管以串、并联方式连接而成，笔段导通电压与笔段内包含的LED发光二极管的数目、连接方式有关。在串联方式中，确定电源电压VCC时，每只LED工作电压通常以2.0V计算，例如4英寸7段LED数码显示器LC4141的每一笔段由四只LED发光二极管按串联方式连接而成，因此导通电压应在7-8V之间，电源电压VCC必须取9V以上。输 入 输 出 清除 时钟 A B QA QB QH L L L L H L QA0 QB0 QH0 H ↑ H H H QAn QGn H ↑ L L QAn QGn H ↑ L L QAn QGn
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