1、學(xué)號(hào):課程設(shè)計(jì)題目 基于PID電加熱爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)自動(dòng)化班級(jí)姓名指導(dǎo)教師2013年 6月 27日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師： 工作單位：自動(dòng)化學(xué)院題目：基于PID電加熱爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)初始條件：電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預(yù)定時(shí)間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在給定值上。本控制 對(duì)象電阻加熱爐功率為800W，由220V交流電源供電。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，加上相 應(yīng)的輸入輸出通道，采用PID算法，將溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，并要求實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度 值。被控對(duì)象由一階慣性和純滯后環(huán)節(jié)組成。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等 具體要求）1、確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、方案，包括單片機(jī)的選擇，輸入輸出通道，鍵盤顯示電路；2、建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；3、推導(dǎo)控制算法，設(shè)計(jì)算法的程序流程圖或程序清單；4、仿真研究，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。5、撰寫、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份；設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)在4000字以上。時(shí)間安排：第1-2天：構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖第3-4天：?jiǎn)纹瑱C(jī)、A/D、傳感器選型并擴(kuò)展電路第5-6天：被控對(duì)象控制的功率部分設(shè)計(jì)和器件選型第7天：控制算法選擇，繪制流程圖第8-9天：撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書指導(dǎo)教師簽名：年 月日系主任（或責(zé)任教師）簽名：年 月日摘要電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)控制中 得到了廣泛應(yīng)用，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有

3、舉足輕重的地位。對(duì)于這樣一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、 時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論 和方法很難達(dá)到好的控制效果。電加熱爐加熱溫度的改變是由上、下兩組爐絲的供電功率來(lái)調(diào)節(jié)的，它們分別由兩套晶閘管調(diào)功器 供電。調(diào)功器的輸出功率由改變過(guò)零觸發(fā)器的給定電壓來(lái)調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為控制核心， 輸入通道使用PT100傳感器檢測(cè)溫度，測(cè)量變送傳給ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出通道驅(qū)動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu) 過(guò)零觸發(fā)器，從而加熱電爐絲。本系統(tǒng)PID算法，將溫度控制在50350C范圍內(nèi)，并能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng) 前溫度值。關(guān)鍵詞： 電加熱爐；功率；溫

4、度范圍；PID目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 1總體設(shè)計(jì)11.1概述1 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 1.2總框圖2 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 2系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)32.1微處理器部分3 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 2.2電源部分4 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 2.3數(shù)模轉(zhuǎn)換部分5 HYPER

5、LINK l bookmark111 o Current Document 2.4采樣測(cè)量部分62.5驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分7 HYPERLINK l bookmark123 o Current Document 2.5.1光耦驅(qū)動(dòng)電路7 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 2.5.2驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)元件的選擇8 HYPERLINK l bookmark132 o Current Document 2.5.3雙向可控硅電路 8 HYPERLINK l bookmark135 o Current Document 2.6顯示電路 10 HYPERLINK l

6、bookmark187 o Current Document 3系統(tǒng)的軟件程序11 HYPERLINK l bookmark190 o Current Document 3.1主程序流程圖11 HYPERLINK l bookmark193 o Current Document 3.2鍵盤掃描子程序流程圖12 HYPERLINK l bookmark203 o Current Document 3.3顯示子程序流程圖13 HYPERLINK l bookmark206 o Current Document A/D轉(zhuǎn)換器流程圖14 HYPERLINK l bookmark209 o Curren

7、t Document D/A轉(zhuǎn)換器流程圖15 HYPERLINK l bookmark215 o Current Document pid算法的控制流程圖16 HYPERLINK l bookmark218 o Current Document 4仿真操作步驟及使用說(shuō)明17 HYPERLINK l bookmark229 o Current Document 心得體會(huì)18 HYPERLINK l bookmark232 o Current Document 參考文獻(xiàn)19 HYPERLINK l bookmark238 o Current Document 附錄1： C語(yǔ)言程序20 HYPERL

8、INK l bookmark245 o Current Document 附錄2：電路圖28本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表29基于PID基于PID電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)hi1總體設(shè)計(jì)i.i概述電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各 類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。對(duì)于這樣一個(gè)具 有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象，很難用數(shù)學(xué)方法建 立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效果。單片機(jī)以其高可靠性、高性能價(jià)格比、控制方便簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制 系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到

9、廣泛應(yīng)用。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可以提高控 制質(zhì)量和自動(dòng)化水平。在本控制對(duì)象電阻加熱爐功率為800W，由220V交流電供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控 制。本設(shè)計(jì)針對(duì)一個(gè)溫度區(qū)進(jìn)行溫度控制，要求控制溫度范圍50350C，保溫階段溫度控 制精度為正負(fù)1度。選擇合適的傳感器，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過(guò)雙向可控硅控制器 控制加熱電阻兩端的電壓。其對(duì)象問(wèn)溫控?cái)?shù)學(xué)模型為：G G (s)=Ke氏T：s +1其中：時(shí)間常數(shù)Td=350秒放大系數(shù)Kd=50滯后時(shí)間 =10秒 控制算法選用PID控制。1.2總框圖本系統(tǒng)的單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)控制器、可控硅輸出部分、熱電偶傳 感器、溫度變送器以及被控對(duì)象

10、組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1：圖1總體框圖在這里單片機(jī)部分，選擇STC89C52RC，顯示部分選擇LCD1602,鍵盤選擇獨(dú)立按鍵，A/D轉(zhuǎn)換器選擇ADC0809，D/A轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832，測(cè)量變送器件選擇PT100鉑熱電 阻傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為光電耦合和雙向可控硅。Pl. 0 Pl. 0 E1 VccPl. 1 E233 P0. 0 /ADOP1. 2 E338 P0. 1/AD1P1. 3 E437 P0. 2/AD2P1.4 匚536 P0. 3/AD3P1. 5 E&35 P0. 4/AD4P1.6 匚734 P0. 5/AD5P1. 7 E833 P0. 6/AD6RST匚932

11、 P0. 7/AD7KKD/P3. 0 匚1031 EA/VPPTKD/P3. 1 匚1130 ALE/PROCIHT0/P3. 2 匚1223 PESNIBT1/P3. 3 匚1328 P2. 7/A15T0/P3. 4 匚1427 P2. 6/A14T1/P3. 5 匚1526 P2. 5/A13?RZP3. 6 匚1625 P2. 4/Al 2ET/P3. 7 匚1724 P2. 3/A11KTAL2 匚1823 P2. 2/A10KTAL1 匚1322 P2. 1/A3CKD匚2021 P2. 0/A8PDIP圖2 51單片機(jī)引腳圖2系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)2.1微處理器部分MSC-51系列單片

12、機(jī)是英特爾公司于1980年起推出的第二代產(chǎn)品。與8084相比，8051的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)均有很大改進(jìn)，可支持更大的存貯空間，擴(kuò)充了更多的硬件功能I/O 功能，速度提高了 2- 5倍，可完成邏輯運(yùn)算等。近年來(lái)推出的一些增強(qiáng)的MSC-51系統(tǒng)單 片機(jī)，片內(nèi)還集成了許多特殊功能單元，只需要加一些擴(kuò)展電路及必要的通道接口即可構(gòu) 成各種計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。因MSC-51系統(tǒng)單片機(jī)在智能儀表、智能接口、功能模塊等領(lǐng)域 得到了非常廣泛的應(yīng)用。主要技術(shù)特性：適于控制應(yīng)用的8位CPU。擴(kuò)展的邏輯處理能力。64K程序存貯器空間和64K數(shù)據(jù)存貯器空間。4KB片內(nèi)程序存貯器。128B片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM。32根雙向和可單獨(dú)尋

13、址的輸入輸出線。2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器。全雙工異步發(fā)送/接收器。6源5向量中斷結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。引腳圖如圖2,并作如下說(shuō)明：VCC :供電電壓。GND:接地。(3)P0 : P0 口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O 口，每腳可吸收8TTL門電流。(4)P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出4 個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2 口被寫“1 ”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。P3 口： P3 口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O

14、口，可接收輸出4個(gè)TTL門電 流。當(dāng)P3 口寫入“1 ”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。P3 口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3 口管腳備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。（8）ALE/PRO

15、G:當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位 字節(jié)。（9）/PSEN:外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期 兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。（10）/EA/VPP:當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH）， 不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。（11）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。（12）XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。2.2電源部分本系統(tǒng)所需電源有220V交流市電、直流5V電壓和低壓交流電，故需要變壓器、整流 裝置和穩(wěn)壓芯片等組成電源電路。電

16、源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾?壓值，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有 較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨 電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有+-10%左右的波動(dòng)）、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波 電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維 持輸出直流電壓穩(wěn)定。整流裝置采用二極管橋式整流，穩(wěn)壓芯片采用78L05,配合電容將電 壓穩(wěn)定在5V，供控制電路、測(cè)量電路和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路中弱電部分使用。除此之外，220V 交流市電還是加熱電阻兩端的電壓，通過(guò)控制雙向可控硅的

17、導(dǎo)通與截止來(lái)控制加熱電阻的 功率。低壓交流電即變壓器二次側(cè)的電壓，通過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)交流電的過(guò)零點(diǎn)，送入 單片機(jī)后，由控制程序決定雙向可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到控制加熱電阻功率的目的。2.3數(shù)模轉(zhuǎn)換部分8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832DAC0832芯片為20引腳，雙列直插式封裝。其引腳排列如圖3所示。（1）數(shù)字量輸入線D7D0（8條）（2）控制線（5條）（3）輸出線（3條）（4）電源線（4條）DAC0832的技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率：8位（2）電流建立時(shí)間：1pS（3）線性度（在整個(gè)溫度范圍內(nèi)）8、9或10位（4）增益溫度系數(shù)：0. 0002% FS/C（5）低功耗：20mW（6） 單一電源：+5+1

18、5Vcsl20IN3 12BWRi 219lLE (BYTE1/BYTEPHIN4-227GND 3iaIN5 526DI 3 417,XFERIN6-425QI j 515DlqIN7-524DI 1615一 DhSTART-623|LSB| 714dieEOC 722VflEf B1301/ iMSRir5-&21R飽g12 l0LT2OUTPUT ENABLE-g20GND 10111 IqutiCLOCK-1019VCC-11180D56D821Vref 一1217GND-1316尸一1415IN2IN1IN0ADD AADD 日ADD CDIqTrefF) ALEF-r3-2423L

19、5BDSDD5672-11圖3 DAC0832引腳圖圖4 ADC0809引腳圖圖3 DAC0832引腳圖ADC0809采用雙列直插式封裝，共有28條引腳。（1）IN7IN0： 8條模擬量輸入通道（2）地址輸入和控制線：4條（3）數(shù)字量輸出及控制線：11條（4）電源線及其他：5條其引腳排列如圖4所示。2.4采樣測(cè)量部分在檢測(cè)裝置中，溫度檢測(cè)用WZP-231鉑熱電阻（Pt100），采用三線制接法，采樣電路 為橋式測(cè)量電路，其輸入量程為50350C，經(jīng)測(cè)量電路采樣后輸出25V電壓，再經(jīng)模數(shù) 轉(zhuǎn)換芯片ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量后送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理。鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函

20、數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其 測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫（-200C650C）范圍的 溫度測(cè)量中。PT100是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在-50600C范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無(wú)可 比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非 線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模 擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在 微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來(lái)后存入EEPROM中，根據(jù)電路中 實(shí)測(cè)的AD值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值。常用的Pt電阻接

21、法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相 等的的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種： 一為橋式測(cè)溫電路，一為恒流源式測(cè)溫電路。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了第一種方法，即橋 式測(cè)溫。測(cè)溫原理：電路采用TL431和電位器VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電源；采用R1、 R2、VR2、Pt100構(gòu)成測(cè)量電橋（其中R1=R2, VR2為100Q精密電阻），當(dāng)Pt100的電阻 值和VR2的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè)mV級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放 LM324放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動(dòng)放大電路中 R3=R4、

22、R5=R6、放大倍數(shù)=R5/R3，運(yùn)放采用單一 5V供電。設(shè)計(jì)及調(diào)試注意點(diǎn)：同幅度調(diào)整R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大小；改變R5/R3的比值即可改變電壓信號(hào)的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計(jì)者對(duì)溫度范圍的要 求放大電路必須接成負(fù)反饋方式，否則放大電路不能正常工作。VR2也可為電位器，調(diào)節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點(diǎn)設(shè)定，例如Pt100的 零點(diǎn)溫度為0C，艮口 0C時(shí)電阻為100Q，當(dāng)電位器阻值調(diào)至109.885Q時(shí)，溫度的零點(diǎn)就 被設(shè)定在了 25C。測(cè)量電位器的阻值時(shí)須在沒(méi)有接入電路時(shí)調(diào)節(jié)，這是因?yàn)榻尤腚娐泛鬁y(cè) 量的電阻值發(fā)生了改變。理論上，運(yùn)放輸出的電壓為輸入壓差信號(hào)x放大倍數(shù)，但實(shí)際

23、在電路工作時(shí)測(cè)量輸 出電壓與輸入壓差信號(hào)并非這樣的關(guān)系，壓差信號(hào)比理論值小很多，實(shí)際輸出信號(hào)為4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) (1)式中電阻值以電路工作時(shí)量取的為準(zhǔn)。電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)，因?yàn)槿绻苯覸CC的話，當(dāng)網(wǎng)壓波動(dòng)造成 VCC發(fā)生波動(dòng)時(shí)，運(yùn)放輸出的信號(hào)也會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)再到以VCC未發(fā)生波動(dòng)時(shí)建立的 溫度-電阻表中查表求值時(shí)就不準(zhǔn)確。2.5驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分硬件輸出通道主要包括加熱電阻的控制環(huán)節(jié)，而此控制環(huán)節(jié)的核心是雙向可控硅，但 電路的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)雙向可控硅的驅(qū)動(dòng)電路。雙向可控硅的通斷直接決定加熱電阻的工作與 不工作，本部分用帶

24、過(guò)零觸發(fā)的光耦MOC3061來(lái)驅(qū)動(dòng)。2.5.1光耦驅(qū)動(dòng)電路在驅(qū)動(dòng)電路中，由于是弱電控制強(qiáng)電，而弱電又很容易受到強(qiáng)電的干擾，影響系統(tǒng)的 工作效率和實(shí)時(shí)性，甚至燒毀整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致不可挽回的后果，因此必須要加入抗干擾措 施，將強(qiáng)弱電隔離。光耦合器是靠光傳送信號(hào)，切斷了各部件之間地線的聯(lián)系，從根本上 對(duì)強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離，從而可以有效地抑制掉干擾信號(hào)。此外，光耦合器提供了較好的帶寬， 較低的輸入失調(diào)漂移和增益溫度系數(shù)。因此，能夠較好地滿足信號(hào)傳輸速度的要求，且光 耦合器非常容易得到觸發(fā)脈沖，具有可靠、體積小、等特點(diǎn)。所以在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了 帶過(guò)零檢測(cè)的光電隔離器MOC3061，用來(lái)驅(qū)動(dòng)雙向可控硅并隔離控

25、制回路和主回路。 MOC3061是一片把過(guò)零檢測(cè)和光耦雙向可控硅集成在一起的芯片。其輸出端的額定電壓 是400V，最大重復(fù)浪涌電流為1.2A，最大電壓上升率dv/dt為1000v/us，輸入輸出隔離電壓 為7500，輸入控制電流為15mA。在圖2-2驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路中，當(dāng)單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2發(fā)出邏輯數(shù)字量為高電平時(shí)， 經(jīng)過(guò)三極管放大后驅(qū)動(dòng)光耦合器的放光二極管，MOC3061的輸入端導(dǎo)通，有大約15mA 的電流輸入。當(dāng)MOC306的輸出端6腳和4腳尖電壓稍稍過(guò)零時(shí)，光耦內(nèi)部雙向可控硅即 可導(dǎo)通，提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給外部品閘管使其導(dǎo)通；當(dāng)P2.0、P2.1、P2.2為低電平時(shí)， MOC3

26、061截止，雙向可控硅始終處于截止?fàn)顟B(tài)。2.5.2驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)元件的選擇R25, C10組成吸收電路，并接在雙向可控硅的兩極之間。吸收回路組成緩沖器。有 了吸收回路，可控硅通斷過(guò)程中電源電壓的變化率受到R25, C10的限制。R25可以抑制 雙向可控硅通斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流。R25和C10根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選，一般C10取0.011.0uF， R25取幾歐到幾十歐，本電路中R25取39歐，C10取0.01 uF。R27為限流電阻，用來(lái)限制MOC3061的輸出驅(qū)動(dòng)電流，其數(shù)值為電源電壓峰值除以 雙向可控硅的允許重復(fù)電流。在本電路中R27取300歐。R26:由于MOC3061在輸出關(guān)斷狀態(tài)下也有小于或等于

27、500mA的輸出電流，所以加 入R26分流消除這個(gè)電流對(duì)雙向可控硅的影響，以防止雙向可控硅誤觸發(fā)，提高了系統(tǒng)的 可靠性。在此電路中可以看出單片機(jī)的輸出通道采用了 MOC3061進(jìn)行驅(qū)動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）控制簡(jiǎn)單?？捎肧ETB或CLR指令直接控制P2.0、P2.1、P2.2以控制加熱電 阻的工作與否。（2）MOC3061由于采用了過(guò)零觸發(fā)電路大大簡(jiǎn)化了雙向可控硅的觸發(fā)電路，把 SCR 一向控制變?yōu)閷?shí)用的數(shù)字脈沖控制。（3）MOC3061與雙向可控硅實(shí)際組成了一個(gè)固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸電控制。（4）輸出通道實(shí)現(xiàn)了光電隔離，防止了射電干擾。（5）輸出通道用P2.0、P2.1、P2.2 口直接控制雙向

28、可控硅，省去了的D/A轉(zhuǎn)換電 路，簡(jiǎn)化了接口電路。2.5.3雙向可控硅電路（1）雙向可控硅這種可控硅具有雙向?qū)üδ埽诮涣麟姷恼?fù)半周都可以導(dǎo)通。其英文名TRIAC 即三級(jí)交流開(kāi)關(guān)的意思，并把它的兩極稱為MT1和MT2,其電路符合如圖所示。雙向可控硅的通斷情況由控制極柵極（G）決定，當(dāng)柵極無(wú)信號(hào)時(shí)MT1和MT2成高 阻態(tài)，管截止；而當(dāng)MT1與MT2之間加一個(gè)閾值電壓（一般大于1.5V）的電壓時(shí)，就可 以利用控制極柵極電壓來(lái)使可控硅導(dǎo)通。但需要注意的是，當(dāng)雙向可控硅接感性負(fù)載時(shí)， 電流和電壓之間有一定的相位差。在電流為零時(shí)，反向電壓可能不為零，且超過(guò)轉(zhuǎn)換電壓， 使管子反向?qū)ǎ室茏幽艹惺苓@

29、種反向電壓，并在回路中加入RC網(wǎng)絡(luò)加以吸收。（2）觸發(fā)方式控制雙向可控硅從高阻態(tài)（阻斷區(qū)）轉(zhuǎn)換到低阻態(tài)（導(dǎo)通區(qū)）可以用不同的方式實(shí)現(xiàn)。 相應(yīng)的分為四種方式：MT1相對(duì)于MT2為正，控制脈沖電壓Ug相對(duì)于MT1為正MT1相對(duì)于MT2為負(fù)，控制脈沖電壓Ug相對(duì)于MT1為負(fù)MT1相對(duì)于MT2為正，控制脈沖電壓Ug相對(duì)于MT1為負(fù)MT1相對(duì)于MT2為負(fù)，控制脈沖電壓Ug相對(duì)于MT1為正雙向可控硅通常工作在控制方式（1）和控制方式（2）。在這兩種控制方式下，控制 靈敏度特別高。另外兩種控制方式下，要求高一倍的觸發(fā)電流。在本設(shè)計(jì)中，選擇了控制 方式（1）和（2）。如同品閘管的控制極那樣，雙向可控硅的控制極

30、在觸發(fā)后便失去了作用。雙向可控硅 長(zhǎng)期維持低阻態(tài)，直到低于維持電流I H，然后在轉(zhuǎn)換到高阻態(tài)。在控制交流電壓時(shí)，每 次電源電壓過(guò)零雙向可控硅都會(huì)自動(dòng)截止，所以雙向可控硅每半個(gè)周期都需要重新觸發(fā)。在本設(shè)計(jì)中，考慮到電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定和現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的雙向可控硅型號(hào)，選擇了工 作電壓為400V，通態(tài)電流為4A的雙向可控硅BT136。利用單片機(jī)控制雙向可控硅的導(dǎo)通 角。在不同時(shí)刻利用單片機(jī)給雙向可控硅的控制端發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，使其導(dǎo)通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn) 負(fù)載電壓有效值的不同，以達(dá)到調(diào)壓控制的目的。具體如下：由硬件完成過(guò)零觸發(fā)環(huán)節(jié)，即在工頻電壓下，每10ms進(jìn)行一次過(guò)零觸發(fā)信號(hào)，由此 信號(hào)來(lái)達(dá)到與單片機(jī)的同步。過(guò)零

31、檢測(cè)信號(hào)接至單片機(jī)的P2.3 口，由單片機(jī)對(duì)此口進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，然后進(jìn)行延時(shí)觸 發(fā)。2.6顯示電路液晶顯示模塊是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、PCB線路板、背光源、結(jié)構(gòu)件裝配在一起的組件.英文名稱叫“LCD Module”，簡(jiǎn)稱“LCM”，中文一般稱為“液晶顯示模塊”。液晶顯示模塊以其顯示信息量大、微功耗、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在小型、便攜、數(shù)字、智能化儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。1602引腳定義如下：GND （地）VCC （電源正極5V）V0 （對(duì)比度調(diào)節(jié)端，通常直接接地）RS （讀控制）RW （寫控制）E （使能端）DB0 （數(shù)據(jù)端口最低端） TOC o 1-5 h z DB1DB2DB3

32、DB4DB5DB6DB7（數(shù)據(jù)端口最高端）BLA （背光正極）BLK （背光負(fù)極）使用液晶根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)對(duì)比度，使顯示達(dá)到最佳。3系統(tǒng)的軟件程序3.1主程序流程圖主程序流程圖如圖5。圖5主程序流程圖首先初始化各個(gè)變量，啟動(dòng)LCD1602,進(jìn)行顯示。然后進(jìn)行鍵盤掃描，更新設(shè)定溫度。 等待ADC0809產(chǎn)生信號(hào)，當(dāng)產(chǎn)生了信號(hào)之后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，更新 LCD1602，同時(shí)和設(shè)定值相減得出誤差信號(hào)，對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)， 得出輸出量。再將輸出量，通過(guò)DAC0832，轉(zhuǎn)行成模擬量。3.2鍵盤掃描子程序流程圖鍵盤掃描子程序流程圖如圖6。圖6圖6鍵盤掃描子程序流程圖這

33、里以加1鍵為例，檢測(cè)加1鍵是否按下，延時(shí)去抖，之后再檢測(cè)加1鍵是否按下，如果按下，則設(shè)定溫度加1。+5V Ro+5V Rorz前洋頓 鍵盤穩(wěn)定 后沿料動(dòng)(b)鍵抖動(dòng)(a)鍵輸入(b)鍵抖動(dòng)鍵操作和鍵抖動(dòng)圖7獨(dú)立鍵盤按鍵過(guò)程鍵盤中的一個(gè)按鍵為一個(gè)機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，用一個(gè)電壓信號(hào)(0,1)代表開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的合、 斷。機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的彈性作用使得按鍵的閉合過(guò)程不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)瞬 時(shí)斷開(kāi)，會(huì)出現(xiàn)所謂的“抖動(dòng)”現(xiàn)象，其抖動(dòng)時(shí)間一般為5-10ms。抖動(dòng)現(xiàn)象會(huì)引起CPU對(duì)一次鍵操作進(jìn)行多次處理，從而可能產(chǎn)生錯(cuò)誤。按鍵過(guò)程如圖7。在這里我采用了軟件去抖動(dòng)的方法，即檢測(cè)到按鍵按下后，執(zhí)行延時(shí)10ms子程序

34、后 再確認(rèn)該鍵是否確實(shí)按下，消除抖動(dòng)影響。3.3顯示子程序流程圖顯示子程序流程圖如圖8。圖8顯示子程序流程圖首先，進(jìn)行初始化，然后開(kāi)始寫LCD1602的第一行，檢測(cè)是否有鍵按下，如果有鍵按 下，則更新設(shè)定溫度，如果沒(méi)有，則等待。之后更新LCD1602的第一行。使第一行顯示為 “Set temp: XXXC” “XXX”為設(shè)定溫度。然后再寫第二行，檢測(cè)AD轉(zhuǎn)換器是否轉(zhuǎn)換結(jié)束，如果沒(méi)有轉(zhuǎn)換結(jié)束，則等待。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，更新真實(shí)溫度，即LCD1602的第二行。使其顯示“Rel temp:YYYC” “YYY”為設(shè)定溫度。3.4 A/D轉(zhuǎn)換器流程圖A/D轉(zhuǎn)換器流程圖如圖9。圖9 AD轉(zhuǎn)換器子程序流程圖S

35、TART產(chǎn)生正脈沖，延時(shí)等待，當(dāng)EOC=1時(shí)，讀取數(shù)據(jù)，再啟動(dòng)。ADC0809時(shí)序圖如圖10。Timing DiagramCLOCKTAJ STATEOUTPUTS -3.5 D/A轉(zhuǎn)換器流程圖D/A轉(zhuǎn)換器流程圖如圖11。圖11 DA轉(zhuǎn)換器子程序流程圖WR1產(chǎn)生高電平，寫數(shù)據(jù)，WR1產(chǎn)生低電平，延時(shí)，WR1產(chǎn)生高電平。DAC0832 時(shí)序圖如圖12。圖12 DAC0832時(shí)序圖3.6 pid算法的控制流程圖pid算法的控制流程圖如圖13。圖13 PID子程序流程圖當(dāng)設(shè)定值比實(shí)際值高20時(shí)，輸出最大255,當(dāng)實(shí)際值比設(shè)定值高10時(shí)，輸出最小10， 其他情況對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，

36、得出輸出量。4仿真操作步驟及使用說(shuō)明各部件說(shuō)明：觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)S0為溫度自加1鍵觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)S1為溫度自減1鍵鍵LCD1顯示時(shí)間OV1顯示電熱爐加熱情況操作說(shuō)明上電之后LCD第一行顯示Set temp: 200 C, LCD第二行顯示Set temp:000 C按下觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)S0,設(shè)定溫度自加1,按下觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)S1,設(shè)定溫度自減1。實(shí)時(shí)采集電熱爐溫度，進(jìn)行顯示，并進(jìn)行PID計(jì)算。輸出控制量，改變給電熱爐加熱的電壓。心得體會(huì)通過(guò)為期一周的課程設(shè)計(jì)，讓我學(xué)習(xí)了很多，也了解了很多，真的可以說(shuō)是受益匪淺。此次課程設(shè)計(jì)中，我做的課題是基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)。整個(gè)系 統(tǒng)分為四個(gè)部分：測(cè)量檢測(cè)模塊，控制調(diào)節(jié)

37、模塊，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行和電源模塊。查閱了很多資料 并且對(duì)以前學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)系統(tǒng)并有針對(duì)性的復(fù)習(xí)設(shè)計(jì)出了自己滿意作品，進(jìn)而得到同學(xué) 和老師的肯定，也只有這樣才能起到此次課程設(shè)計(jì)的目的。通過(guò)各方面的努力，最終設(shè)計(jì)出了自己較為滿意的系統(tǒng)。雖然這一周過(guò)得很辛苦，但 是自己付出的努力得到了回報(bào)，那種成就感是任何事物都無(wú)法代替的。還有在設(shè)計(jì)過(guò)程中， 我們積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)和工作會(huì)有莫大的幫助。參考文獻(xiàn)1康華光編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.高等教育出版社，2000于海生編著.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2003李曉瑩編著.傳感器與測(cè)設(shè)技術(shù).高等教育出版社，2002付家才編著.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐.高等教

38、育出版社，2004譚浩強(qiáng)編著.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用教程.清華大學(xué)出版社，2001附錄1： C語(yǔ)言程序adc0809.h#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit EOC=P2A6;sbit start=P2A7;uchar measure,table3;uchar voltage;extern uchar s_xian2;void delay1()uchar i=50;while(i-);void adc_init()/ EOC=1;delay1();if(!EOC)start=1;delay1();st

39、art=0;while(!EOC);delay1();start=1;delay1();start=0;voltage=P1;uchar adc0809()uchar dat,t;adc_init();dat=voltage*300/255;table0=dat/100;t=dat%100;table1=t/10;table2=t%10;s_xian29 =table0+0X30;s_xian210=table1+0X30;s_xian211=table2+0X30;measure=table0*100+table1*10+table2;return measure;LCD1602.h#inc

40、lude#define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit rs=P2A0;sbit rw=P2A1;sbit e=P2A2;void delay(uchar i)uchar j,m;for(j=0;j=i;j+)for(m=0;m100;m+);void write_com(uchar com)rs=0;rw=0;P0=com;delay(5);e=1;delay(5);e=0;void write_data(uchar date)rs=1;rw=0;P0=date;delay(5);e=1;delay(5);e=0;void

41、 lcd_init() e=0;write_com(0 x38);write_com(0 x06);write_com(0 x0c);write_com(0 x01);void display(uchar *s)uchar i;for(i=0;*s!=0;i+)write_data(*s);s+;PID.h#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define DA_data P3sbit DA_wr1=P2A3;uchar uk;void DAC0832();void PID_control(

42、uchar set,uchar rel);void PID(uchar set,uchar rel)uchar D_value=0;設(shè)定值與實(shí)際值的差值if(setrel)D_value=set-rel;if(D_value20)uk=255;elsePID_control(set,rel);elseD_value=rel-set;if(D_value10)uk=10;elsePID_control(set,rel);DAC0832();void PID_control(uchar set,uchar rel)uchar Kp=200,Ki=3,Kd=5;char e2=0,e1=0,e0=0

43、;uint u0=0,u=0;e2=set-rel;u=Kp*(e2-e1)+Ki*e2+Kd*(e2-2*e1+e0)+u0;uk=u;e0=e1;e1=e2;u0=u;void DAC0832()DA_wr1=1;DA_data=uk;DA_wr1=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();DA_wr1=1;temper_test.c#include #include PID.h”#include LCD1602.h#include adc0809.h”#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit up =P2A4;sbit down=P2A5;uchar s_xian1= Set temp:C;uchar s_xian2= Rel