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1、-加热炉温度控制系统设计-第 21 页加热炉温度控制系统设计摘要 加热炉温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械等各类工业控制中，并且在国民经济中占有举足轻重的地位，本文介绍了一种基于单片机的加热炉温度控制系统。本系统以单片机AT89C51为核心，由温度检测、变送及转换电路、控制电路、显示电路、键盘电路、报警电路等组成。本系统通过热电偶温度传感器对温度进行实时检测、变送并通过A/D转换电路转换为数字信号送给单片机，单片机对温度数据进行数字处理并进行PID运算计算出控制量，来改变固态继电器的导通和关断的时间，从而改变加热功率实现对温度控制。其中键盘电路可以对温度进行预设；显示电路可以显示当前温度，
2、直观易懂，让人一目了然；当炉内温度过高或过低时，将会进行声光报警。该系统硬件成本低，控温精度较高，可靠性好，抗干扰，具有适合企业大规模生产的产品实用性。关键词 加热炉； AT89C51； PID控制； 温度控制The Design of The Heating Furnace Temperature Control SystemAbstract The heating furnace temperature control system is widely used in metallurgy, chemical industry, machinery and other kinds of i
3、ndustrial control, and has play a decisive role in the national economy status, this paper introduces a kind of furnace temperature control system based on SCM.The AT89C51 microcontroller system as the core, by the temperature detection, transmission and conversion circuit, control circuit, display
4、circuit, keyboard circuit, alarm circuit. The system through the thermocouple temperature sensor for temperature in real-time detection, transmission and conversion through the A/D is converted to a digital signal to the microcontroller, microcontroller for digital processing of temperature data and
5、 PID operations to calculate the control quantity, to change the solid state relay turn-on and turn-off time, thus changing the heating power of the temperature control. The keyboard circuit may be preset temperature; display circuit can display the current temperature, intuitive and easy to underst
6、and, let people stick out a mile; when the furnace temperature is too high or too low, will alarm.The hardware of this system is low cost, high temperature control accuracy, good reliability,anti-interference, which is suitable for the product is practical for large-scale production enterprises.Keyw
7、ord Heating furnace； AT89C51； PID control； Temperature control目 录第1章 前言11.1本课题的研究目的和意义11.2本课题的国内外研究现状11.3本课题的主要内容及要求2第2章 总体方案设计32.1 方案论证32.2 方案设计3第3章 系统硬件设计53.1 单片机部分53.1.1 AT89C51简介53.1.2 晶振电路73.1.3 复位电路73.2 温度检测及变送电路83.3 A/D模数转换电路93.4 控制电路123.5 键盘显示电路143.5.1 键盘电路143.5.2 LED显示电路143.6 报警电路16第4章 控制算法
8、设计18第5章 系统软件设计215.1 系统流程图215.2 程序清单23第6章 总结30致谢31参考文献32第1章 前言1.1本课题的研究目的和意义温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中为了高效地进行生产必须对生产工艺过程中的主要参数如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。如冶金工业的加热炉、电力工业的锅炉、化学工业的反应炉等设备通过对温度的监控保证产品的质量5。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。随
9、着社会的发展， 加热炉温度控制系在统冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等领域中都有着极为重要的作用。各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等的要求也越来越高。为了生产的安全，高效率与自动化人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制等等3。因此一个低成本且拥有较高的高精度，高稳定性的温度控制系统对工业生产有着极其重要的意义。加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。由于这类对象使用方便，可以通过调节输出功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。1.2本课题的国内外研究现状加热炉温度控制系统在工业生产中获得了
10、广泛的应用，在农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位3。加热炉炉温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对加热炉温度控制精度要求的不断提高，加热炉温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机(IPC)的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。随着新技术的不断开发与应用1，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
11、金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。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。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛5，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
12、，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。PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。PID控制结合了人的思维和经验，是一种用机器语言实现的同时有模拟人的思维进行判断推理来控制被控对象的智能方法。它具有高度的非线性，能使目标系统达到非常好的控制效果，同时与其它控制方式进行比较具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PI
13、D调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，所以本系统采用PID控制算法。随着微机控制技术的发展，用微机构成构成计算机控制系统，具有较高的可行性和经济价值2。但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统，且大多硬件均是国外进口的，投资成本很高。因此，本课题以实验室加热炉为研究对象，以单片机为主要硬件平台，编制基于智能化的温控软件，开发一种适合我国国情的、面向广大中小型企业、低成本、高性能的电阻炉温度控制系统，以提高控制精度，达到控制要求，从而提高企业效益。1.3本课题的主要内容及要求利用微机控制系统完成同时对两路电阻炉温度的检测、处
14、理以及数字控制计算，根据数据结果或进行相应的处理或改变加热功率，达到控制温度的目的。要求如下：（1）现场温度值可处理，同时处理两个电阻炉；（2）温度给定值为4001000；（3）系统有必要的保护和报警；（4）温度值要有显示；（5）误差范围3。第2章 总体方案设计2.1 方案论证（1）单片机与PLC控制的比较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。而PLC比单片机“大”，即“体积大”、“功能完善”。但实际上，PLC内部使用的单片机芯片一般都是工业级的，而且其它构成元件也都经过了标准化处理，所以
15、PLC的稳定性和抗干扰性要远远优于普通的民用级单片机芯片。正因为PLC比单片机“大”，所以价格昂贵。同样的任务用单片机与PLC都能完成，显然采用PLC方案会增加控制系统的成本。而体积大有时也会限制PLC的应用，所以本次课程设计选择单片机作为核心控制。（2）控制算法的确定PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“
16、二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，所以该系统采用PID控制算法。2.2 方案设计本课题拟采用以AT89C51为核心，所设计的温度控制主要由单片机、温度检测及变送模块、温度控制模块、温度显示模块、按键设定模块、报警模块等五部分组成。其中温度检测及变送电路主要有热电偶传感器和运算放大器等组成;温度控制电路采用固态继电器SSR-40DA;温度显示电路采用LED显示器（数码管）;报警电路采用声光报警。温度检测电路采用了热电偶温度传感器，对温度进行实时采样并将模拟信号转换成数字信号返回给单片机。
17、系统可通过键盘对电阻炉温度进行预设，单片机根据当前炉内监测和处理后的温度和预设温度进行比较结果，在进行PID运算，并由此控制固态继电器的导通和关断来调节电热丝的加热功率，当炉内温度过高与过低的时，蜂鸣器将进行报警，从而使炉内温度迅速达到预设值并保持恒定。系统通过显示电路来显示当前温度，直观易懂，让人一目了然。系统结构框图如图2-1所示图2-1 系统结构框图第3章 系统硬件设计3.1 单片机部分单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调
18、制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。3.1.1 AT89C51简介硬件的设计和实现图3-1 AT89C51系列基本组成及特性。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。图3-1 AT89C51引脚图管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸
19、收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P
20、2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。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
21、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AT89C51的一些特殊功能口，口管脚备选功能：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
22、储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。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指期间，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
23、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（0000H-FFFFH），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
24、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。3.1.2 晶振电路 晶振电路晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分成有源晶振和无源晶振两个大类，无源晶振需要芯片内部有振荡器，并且晶振的信号电压根据起振电路而定，允许不同的电压，但无源晶振通常信号质量和精度较差，需要精确匹配外围电路（电感、电容、电阻等），如需更换晶振时要同时更换外围的电路。有源晶振不需要芯片的内部振荡器，可以提供高精度的频率基准，信号质量也较无源晶振要好。如下图18口接单片机的XTAL2口，19口接单片机的XTAL1口,在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定
25、的自激振荡器电，并产震荡时钟，为单片机提供稳定的时钟。而且单片机每条指令的运行都是严格按照机器周期来执行的，机器周期就是由晶振电路（如图3-2）提供的。容器C2和C3通常取值为30PF，对振荡频率输出的稳定性、大小及起振速度有少许影响。本电路采用12M晶振发生器。图3-2晶振电路3.1.3 复位电路单片机复位电路（如图3-3）就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高
26、电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。图3-3 复位电路图3.2 温度检测及变送电路温度检测电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不角儿缺少的一部分。本系统要求对加热炉内温度进行实时采集与检测，在充分保证安全的情况下对代加工器件进行热处理。 根据要求，本系统的温度检查电路主要有传感器、运算放大器及A/D转换器组成。经固定周期对加热炉内温度进行检测，实现加热功能，并是系统安全稳定。 1.温度传感器的选择 由于本次设计的加热炉温度范围为400-1000，加热温度高，而本系统对加热炉温度控制精度的要求为3，为满足设计要求选用K型热电偶温度传感器，其具体参数
27、如下：名称：镍鉻镍硅 型号：WRN 分度号：B 测温范围：0-1300 允许偏差3 偶丝直径1.2-2.5mm此热电偶温度传感器是工业最常用温度检测元件之一。其优点是： （1） 检测精度高。因温度传感器热电偶直接与被检查对象接触，不受中间介质的影响。（2） 测量范围广。此热电偶温度传感器从4001000均可测量。（3） 构造简单，使用方便。此热电偶是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。此K型热电偶温度传感器的测温基本原理是：将两种不同的材料的导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而
28、在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶温度传感器就是利用这一效应来工作的。由于热电偶温度传感器的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶温度传感器补偿导线的作用只起延伸热电极，是温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需要用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。 在使用热电偶温度传感器补偿导线时必须注意型号相配。极性不能接错。补偿导线与温度传感器
29、热电偶连接端的温度不能超过100。2.温度窗器信号转换设备的选择由于温度传感器测量的温度信号为模拟信号，且测量信号比较微弱，因此必须要对此温度信号进行处理。处理过程为：首先要把温度信号经运算放大器进行放大，然后用A/D转换器八方的后的模拟信号转换为数字信号输入单片机。因此要进行温度的检测，温度传感器信号转换设备必不可少。3.热电偶温度检测原理图如下：图3-4温度检测原理图4.热电偶作为温度信号检测传感器，经过温度补偿，再经过桥式电路抑制工模干扰。最后经过两级放大器，将热电偶输出的毫伏信号放大为可输入AD转换的模拟量信号。3.3 A/D模数转换电路本设计采用AD0809作为数模转换的主芯片。AD
30、C0809是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。1) 主要技术指标和特性（1）分辨率： 8位。（2）总的不可调误差：1LSB。（3）转换时间： 取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128s。（4）单一电源： +5V。（5）模拟输入电压范围： 单极性05V；双极性5V,10V(需外加一定电路)。（6）具有可控三态输出缓存器。（7）启动转换控制为脉冲式(正脉冲)，
31、上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始。（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。2) 内部结构和外部引脚ADC0809的内部结构和外部引脚分别如图3-5和图3-6所示。内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下： 图3-5 ADC0809内部结构框图（1）IN0IN78路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。（2）D7D0A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。（3）ADDA、ADDB、ADDC模拟通道选择地址信号，ADDA为低位
32、，ADDC为高位。地址信号与选中通道对应关系如表3-2所示。（4）VR(+)、VR(-)正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VR(+)=5V，VR(-)=0V；双极性输入时，VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。（5）ALE地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。（6）STARTA/D转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始A/D转换。如正在进行转换时又接到新的启动
33、脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。（7）EOC转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。（8）OE输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时，ADC0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。图3-6 ADC0809外部引脚图ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。它
34、由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可以直接与单片机数据总线连接。ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。1.时钟信号：由于ADC0809无片选端，因此电路增加了或非门74LS02，以便对ADC0809进行读/写控制。单片机采用12MHz/s的晶振，ALE输出2MHz/s时钟信号，经74LS74触发器4分频，得到500KHz的时钟信号，与ADC0809的时钟端CLK相连。2. 通道选择：三位通道选择端ADDA、ADDB、ADDC与数据线P1口的低三位P2.0、P2.1、P2.2相连，
35、用数据线进行通道选择，由P2.0、P2.1、P2.2三位决定选择那一通道。3. ADC0809启动：ADC0809的启动端START、地址所存端ALE均为高电平有效。将START和ALE连在一起，与74LS02的输出端相连。或非门74LS02的两个输入端/WR和P2.3均为低电平时，其输出为高电平，执行外部I/O口的写操作。4. 转换数据的读取：当转换结束时，EOC端输出高电平。可用查询和中断的方法进行数据读取处理。输出允许OE端为高电平，8位转换数据D0D7输出到数据线上。只有 P2.3和/ RD同时为低电平时，OE端才为高电平。执行外部I/O口读操作/ RD为低电平。 5. 转换结束标志E
36、OC:转换结束标志EOC端经反向器与单片机的/INT1相连，即转换一旦结束，外部中断1则申请中断。图3-7 A/D模数转换电路3.4 控制电路固态继电器（Solid State Relay,缩写SSR），是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。 固态继电器由三部分组成：输入电路，隔离（耦合）和输出电路。(1)输入电路按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。(2)隔离（耦合）固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压
37、器耦合两种。 （3） 输出电路SSR的功率开关直接接入电源与负载端，实现对负载电源的通断切换。主要使用有大功率晶体三极管（开关管-Transistor），单向可控硅（Thyristor或SCR），双向可控硅（Triac），功率场效应管（MOSFET），绝缘栅型双极晶体管（IGBT）。 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
38、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,其内部结构如图3-8所示。过零控制电路吸收电路开关电路触发电路输出光电耦合电路输入图3-8 SSR-40DA内部结构图用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象为加热炉，采用对加在电热杯两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。对电炉丝通断的控制采用SSR-40DA固态继电器。它的使用非常简单，只要在控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关。当单片机RX
39、D、TXD口线输出驱动信号，经反相器后输入固态继电器。单片机输出为高电平时，固态继电器的主触点打开，电源为热阻丝供电，开始加热。当单片机RXD、TXD口线输出为高电平时，固态继电器主触点断开，系统加热停止。图3-9温度控制电路3.5 键盘显示电路3.5.1 键盘电路键盘是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备，键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。本系统采用的是简单的独立式非编码按键。独立式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。通常的按键都是低电平有效。独立式按键电路配置灵活，软件
40、结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大，故在按键数量不多时常采用这种按键电路，由于我所做的设计按键数量少，因此可以选用此按键结构。键盘显示电路如图3-10所示设定部分主要是键盘输入，分别接在单片机P1.0P1.7口。它由16个按键构成，直接与单片机I/O口相连。S1键为确定键；S2键为运行键；S3键为温度的上限调整键；S4键为温度的下限调整键；S5键为1号炉键；S6键为2号炉键；0-9键为数字键。3.5.2 LED显示电路本设计采用了74LS164芯片。74LS164是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。
41、74LS164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（DSA 和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。图3-10 键盘电路主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。图3-11 74LS164外部引脚图引脚说明：DSA、
42、DSB：数据输入。Q0Q7：输出端。GND： 接地 (0 V)。VCC： 正电源。CP：时钟输入（低电平有效）。/M/R：中央复位输入（低电平到高电平边沿触发）。1. 数码管的结构：LED显示器（数码管）系发光器件的一种。常用的LED发光器件有两类：数码管和点阵。数码管内部由七个条形发光二级管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的两岸组合成字符。常见数码管有10根管脚。管脚排列如下图所示。其中COM为公共端，根据内部发光二极管的接线形式可分为共阴极和共阳极两种。使用时，共阴极数码管公共端接地，共阳极数码管公共端接电源。每段发光二极管需510mA的驱动电流才能正常发光，一般需要加限流电阻控制电流
43、的大小。2. 静态现实：静态现实就是单片机将所要显示的数据送出去后，数码管始终显示该数据不变，到下一次显示时，再传送一次新的显示数据。静态显示的接口电路采用一个并行口接一个数码管，数码管的公共端按共阴极或共阳极分别接地或者接Vcc。3.串行静态显示：为了解决静态显示1/0口占用过多的问题，可采用串行接口扩展LED数码管的技术。利用串入移位寄存器74LS164可以实现串行接口的扩展。本设计采用了74LS164芯片，/M/R端接高电平，DSA、DSB为数据输入端，直接与单片机P2.4口相连，CP为时钟输入，与单片机P2.5口连接，Q0Q7为输出端与数码管相连，通过程序可以控制74LS164如何工作
44、，来显示当前温度。具体接线图如图3-12所示。图3-12 显示电路图3.6 报警电路在单片机控制系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或者数码管显示来指示，以供操作员参考。但对于某些紧急状态或者反常状态，为了使操作人员不致忽视，以便于及时采取措施，往往还需要有某种更能引人注意、提起警觉的报警信号。本系统的报警电路包括闪光报警和鸣音报警两种方式。D1为1号炉报警灯，D2为2号炉报警灯，同时蜂鸣器将会发出声音报警。实现声光报警的接口电路比较简单，如图3-13所示。发生组件采用压电蜂鸣器，只需在其两条引线上加3V24V的直流电压，蜂鸣震荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、好点小、而且适合于单片机系统。本电路
45、的设计中，要考虑与发光二极管串联的限流电阻大小的确定，阻值选择不当会影响二极管的寿命。图3-13 报警电路图第4章 控制算法设计为了进一步改进控制器的方法是通过检测误差的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分（PID）调节器，其控制规律为： (4-1)式中为微分常数，越大微分作用越强。PID控制的原理框图如图4-1所示。+PID控制器D(S)被控对象G(S) 图4-1模拟PID控制系统框图常规的PID控制原理框图如上图所示。该系统有模拟PID控制器和被控对象组成。图中，是给定值，是系统的实际输出值，给定值和实际值输出值构成控制偏
46、差，其中作为PID控制器的输入，作为PID控制器的输出和被控对象的输入。因为式（4-1）表示的是调节器的输入函数及输出函均为模拟量，所以计算机是无法对其进行运算的，必须将连续形式的微分方程化为离散形式的差分方程，取T为采样周期。在采样时刻t=iT(T为采样周期，i为正整数)，PID调节规律可以通过数值公式近似计算。 (4-2)如果采样周期取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量（例如去风扇的电机）时，可导出增量式的PID算法，由（4-2）可得: (4-3)由（4-2）与式（4-3）相减可以导出下面的公式: (4-4)室温温度控制是这样一个反馈调节过程：比较实际室温和需要室温得到偏差，通过对偏差的处理得到控制信号，再去调节相应的输出设备的功率，从而实现对室温温度加热与制冷的控制。该控制系统采用过程控制中应用最广泛的PID控制形式，PID算法用差分方程近似为： (4-5)式（4-5）也可以进一步写为： (4-6)其中， 利用典型二阶的方法确定、参数二阶系统闭环传递函数一般形式为 (4-7)将s换成j得： (4-8)它的模为： (4-9)根据控制理论可知，要使二阶系统获得理想动态品质，应满足以下条件：； (4-10)可得 (4-11)将（4-11）代入（4-7）可得 (4-12)(s)为该系统的开环传递函数根据 (