MCS-51单片机智能温度控制系统设计（林晋斌）

浙江工业大学浙西分校

毕业设计（论文）

题 目： MCS-51单片机智能温度控制 作 者： 林晋斌 系 （部）： 信息与电子工程系 专业班级： 工业电气自动化 指导教师： 黄云龙 朱秋琴 廖东进 职 称： 副教授 助 教 助 教

2007年 6 月 8 日

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摘 要

单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在热处理炉温度控制中的应用，对温度控制模块的组成及主要所选器件进行了详细的介绍。并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。

温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。本文研究的电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。

关键词：单片机；热处理温度控制；模糊 PID。

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Abstract

The single slice of microcomputers emerges with development of very large scale integration technology, because it has small , the function is strong , high characteristic of cost performance, applies the one-chip computer to temperature control, adopt the one-chip computer to do the top management unit, control contactlessly , can finish the requisition for collection and control of temperature . So apply to such a great deal of fields as electronic instrument , household appliances , energy-conservation fitting , the robot , industrial control ,etc. extensively, make the products miniaturized , intelligented , has already improved the function and quality of the products, have lower costs again, has simplified and designed. This text introduces the application of the one-chip computer in the temperature control of heat-treatment furnace mainly, composition and selecting to introduce the detailed one with device mainly of the temperature control module . And has written the suitable software procedure originally designed according to the concrete demand this text.

Temperature in heat treatment craft is very important. Control precision effect directly the quality of the product. The electric stove is a kind pure great inertia system, and the traditional heat control system is based on some certain model, so is hard to satisfy the technological requirement.This paper will adopt fuzzy control algorithm to build a intelligent fuzzy control system.

Keyword：SCM；Temperature control；Fuzzy PID.

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目 录

第1章 绪论 ...................................................................... 1 1.1 引言 ..................................................... 1 1.2 控制器发展现状 ........................................... 1 1.2.1 PID 控制器的发展现状 .................................. 1 1.2.2 模糊 PID 控制 ......................................... 2 1.2.3 模糊自整定 PID 控制 ................................... 2 1.3 电炉采用模糊自整定 PID 控制的可行性 ...................... 2 第2章 模糊自整定 PID 控制器的设计 ........................................ 4 2.1 模糊推理机的设计 ......................................... 4

2.1.1 模糊推理机的结构 ...................................... 4 2.1.2 模糊推理机的设计 ...................................... 4

2.1.2.1 精确量的模糊化 ................................... 5 2.1.2.2 建立模糊控制规则和模糊关系 ....................... 5 2.1.2.3 输出信息的模糊决策 ............................... 6 2.2 模糊自整定 PID 控制器 .................................... 6 2.2.1 PID 参数对 PID 控制性能的影响 ......................... 6 2.2.2 模糊自整定 PID 控制器 ................................. 7 2.3 模糊自整定 PID 控制器性能的研究 .......................... 8 2.3.1 Matlab 仿真结构图 ..................................... 8 2.3.2 惯性时间常数的影响 .................................... 9 2.4 仿真结果分析 ............................................ 10 第3章 系统硬件和电路设计 ................................................... 11 3.1引言 ...................................................... 11 3.2 系统的总体结构 .......................................... 11 3.3 温度检测电路 ............................................ 12 3.3.1 温度传感器 ........................................... 12 3.3.2 测量放大器的组成 ..................................... 12 3.3.3 热电偶冷端温度补偿方法 ............................... 13 3.4 多路开关的选择 .......................................... 13 3.5 A/D转换器的选择及连接 ................................... 14 3.6 单片机系统的扩展 ........................................ 15 3.6.1 系统扩展概述 ........................................ 15 3.6.2 常用扩展器件简介 .................................... 16 3.7 存储器的扩展 ............................................ 17 3.7.1 程序存储器的扩展 .................................... 17 3.7.1.1只读存储器简介 .................................. 17 3.7.1.2 EPROM2764简介 ................................. 17

III

浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 3.7.2 数据存储器的扩展 .................................... 18 3.7.2.1数据存储器概述 .................................. 18 3.7.2.2静态RAM6264简介 ................................ 19 3.7.2.3数据存储器扩展举例 .............................. 19 3.8 单片机I/O口的扩展（8155扩展芯片） ...................... 20 3.8.1 8155的结构和引脚 .................................... 20 3.8.2 8155的控制字的及其工作方式 .......................... 21 3.8.3 8155与8031的连接 ................................... 22 3.9 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计 ...................... 23 3.9.1看门狗电路的设计 ...................................... 23 3.9.2报警电路的设计 ........................................ 23 3.9.3复位电路的设计 ........................................ 24 3.9.4 时钟电路的设计 ....................................... 25 3.10 键盘与显示电路的设计 .................................... 25 3.10.1 LED数码显示器的接口电路 ............................. 25 3.10.2键盘接口电路 ......................................... 26 3.11 DAC7521数模转换接口 ..................................... 27 3.12 隔离放大器的设计 ........................................ 28 3.13 可控硅调功控温 .......................................... 29 3.13.1过零触发调功器的组成 ................................. 29 3.13.2主要电路介绍 ......................................... 30 3.14 单片机开关稳压电源设计 .................................. 31 第4章 系统软件设计 ........................................................... 32 4.1 主要程序的框图 .......................................... 32

4.1.1主程序框图 ............................................ 32 4.1.2键盘中断服务子程序 .................................... 33 4.1.3恒温及升温测控子程序 .................................. 34 4.1.4降温测控子程序 ........................................ 35 4.2 模糊自整定 PID 控制算法 ................................. 36 参考文献 .......................................................................... 39 致谢 ........................................................................... 41 附录 .................................................................... 42

IV

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第1章 绪论

1.1 引言

工业生产中使用的热处理设备种类繁多，如窖炉、鼓风炉、烘炉、退火炉、锅炉等。如果按加温方法分类，可将热处理设备分为两大类

(1) 电热炉 这类设备通过电热元件通电发热而升温，调节加入炉子的电功率则改变炉内的温度。电功率调节一般采用接触器通断控制、晶闸管移相触发或通断控制。这一类设备在工厂占有相当大的比例。

(2) 燃料炉 这类设备通过燃烧燃料发热而升温，调节加入炉子的燃料量则改变炉内的温度。如锅炉、焦炉等。常用燃料有煤、煤气、重油等。燃料量的调节通常利用阀门、翻板等实现。这类设备在工厂中也占有较大比例

热处理设备虽然种类繁多，控制方法各有差异，但对他们采用微机控制时，控制原理和方法是基本相同的。

电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,借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以下公式定性描述

dXT?X?KV2?t??0? （1-1） dt式中 X——电炉内温升（指炉内温度与室温温差) K——放大系数 t——加热时间 T——时间系数 V——控制电压

τ0——纯滞后时间

但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、T 、τ0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性[2-3]。

温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。

1.2 控制器发展现状

1.2.1 PID 控制器的发展现状

在过去的 50 年，调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利用开环阶跃响应信息，如 Coon-Cohen 响应曲线法；还有使用Nyquist 曲线法的，如Ziegler-Nichols 连续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整 PID 参数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定 PID控制技术的发展。

自整定技术可追溯到 50 年代自适应控制处于萌芽时期，60 年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。80 年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，PID 控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。

电炉温度控制技术发展日新月异，从模拟 PID、数字 PID 到最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中，PID 控制和模糊控制应用最多，也最具代表性。

1.2.2 模糊 PID 控制

模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 L.A.Zaden 首先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而 PID 控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。在文献中介绍了多种能提高 PID控制精度的模糊 PID 混合控制方案，例如：引入积分因子的模糊 PID 控制器；混合型模糊 PID 控制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应 PID 控制、神经网络模糊 PID 控制等。[6]

1.2.3 模糊自整定 PID 控制

模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础，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。它以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 PID 控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。

图1-1 模糊自整定 PID 控制

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 1.3 电炉采用模糊自整定 PID 控制的可行性

在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。另外对于 PID 控制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。

人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息(如评价指标、初始 PID 参数等)作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对 PID 参数的最佳调整。

从以上的分析可知模糊自整定 PID 控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定 PID 控制电炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有 PID 控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用 PID 参数模糊自整定复合控制，实现 PID 参数的在线自调整功能，可以进一步完善 PID 控制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。[8]

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第2章 自整定 PID 控制器的设计

模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础上，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。它以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有 PID 控制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。[9]

2.1 模糊推理机的设计

模糊控制器是应用模糊数学知识，模拟人的思维方法，把人用自然语言描述的控制策略改造成模糊控制规则，由模糊控制规则构造出模糊关系，而把模糊关系作为模拟变换器，把输入、输出的模糊向量按模糊推理方法处理，进而确定控制量。

2.1.1 模糊推理机的结构

在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。这类控制器都是以系统误差 E和误差变化率 EC为输入语句变量，基本模糊控制器构成原理图如图 2-1所示。

图2-1 基本模糊控制器结构原理图

图中：EK、CEK、UK 是量因子；E、EC、U 差e、误差变化率ec及控制量u的模糊语言变量；

???E、EC、U 分别是与e、ec及u成比例的变量，其中E = EK3e，EC= CEK 3ec ，U =u/ UK 。

2.1.2 模糊推理机的设计

依据模糊控制的基本原理，基本模糊控制器设计概括起来包括如下内容： (1) 精确量的模糊化；

(2) 建立模糊控制规则和模糊关系； (3) 输出信息的决策。

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 2.1.2.1 精确量的模糊化

过程参数的变化范围即模糊控制器输入量的实际范围称为基本论域，它是一个连续域，在模糊控制中需要将语言变量的基本论域转换成指定的有限整数的离散论域。假设某一语言变量的实际变化范围为[a1，b1]，经过量化因子 k 变换后的范围为[a,b]=[ka1,kb1]。设论域取为离散论域[-n，n]之间变化的变量 Y为

2n?a?b? Y? (2-1) X??b?a?2??按 Y 值大小，查隶属度赋值表，将其归类于某一模糊子集(如正大、负小等)。模糊子集通常可作如下划分：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。

模糊变量的模糊集和论域确定后，需对模糊语言变量确定隶属函数，即所谓对模糊变量赋值，就是确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。对于同一个模糊概念，确定隶属函数的方法多种多样，没有统一的模式。尽管形式上不完全相同，只要反映同一模糊概念，在解决和处理模糊问题中仍然殊途同归。隶属函数形式有多种，可根据实际要求来确定。在实际应用中为方便起见，常采用三角形、正态形、梯形。隶属度赋值表是先根据实际问题人为确定，再通过“学习”和实践检验逐步加以修正和完善的。在给定论域上确定模糊子集的隶属函数要注意下面 3 个问题：

(1) 任意两个相邻模糊子集的交集的最大隶属度在 0.4～0.7 之间。这个值取的较小时控制作用比较灵敏；较大时，对被控对象参数变化的适应性较强。

(2) 若 A 是一个模糊子集，如果 ??A?Ui?较大，则控制特性比较平缓，系统较为稳定；

i?1n若 ??A?Ui?较小，则控制作用的灵敏度较高。

i?1n(3) 为了保证控制作用的隶属函数是单峰的，诸模糊子集必须正规突。 2.1.2.2 建立模糊控制规则和模糊关系

模糊控制规则设计原则是：当误差较大时，控制量的变化应尽力使误差迅速减小；当误差较小时，除了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至振荡。[20]

模糊控制规则的一般形式为

ifEis E, Eis Cthen U is U(i=1,2,?m1;j=1,2,?m2) ~~~~ic~j~ij其中：E,C,U~~i~jij 是模糊子集；E表示被控量的设定值 Rf 对其实际值 Y的偏差

~c~E 和U 表示偏差变化率 ec和输出控制量的模糊子集；e?Rf?Y所对应的模糊子集；~m1 和 m2 分别是E 和 E的模糊子集划分数目。[11]

~~c上述模糊条件语句可归结为一个模糊关系 R，即

?? R??Ei?Cj??U??Dij?Uij (2-2)

~~~?~~?~式中 Dij?E?Cj 符号“3”表示“Cartesian”积

~~~如果偏差、偏差变化率分别取为 E 和C ，根据模糊推理合成规则，输出的控

~~制量是模糊子集 U ，那么

~ - 5 -

浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） U?E?C?R (2-3)

~~~~??即 ?U?Z????R?x,y,z?????E?x???C?y??? (2-4)

x?X~~~??y?Y式中 X，Y，Z——E，E，U模糊子集的论域

~~c~“?”和“?”——“取大”和“取小”运算

2.1.2.3 输出信息的模糊决策

模糊控制器的输出是模糊子集，它反映控制语言的不同取值的一种组合。但被控对象只能接受一个精确的控制量，因此需要从输出的模糊子集中判决出一个控制量，将模糊量转化为精确量，也就是说推导出一个由模糊子集到普通集合的映射，这个映射称之为判决。现在的解模糊判决方法通常有以下三种：最大隶属度法、取中位数法、隶属度加权平均法等。最大隶属度法是直接选择模糊子集中隶属度最大的元素(或该模糊子集隶属度最大处的真值)作为控制量。它能突出主要信息，计算简单，但丢失了很多次要的信息，比较粗糙，适应于控制性能要求一般的控制系统。

论域 U 上把隶属函数曲线与横坐标围成的面积平分为两部分的元素Z*称为模糊集的中位数。中位数法就是把模糊集中位数作为系统控制量。与最大隶属度法相比教，中位数法概括了更多的信息，但计算复杂，特别是在连续隶属函数时，需求解积分方程，因此应用场合比加权平均法少。

加权平均法是糊模控制系统中应用极为广泛的一种判决方法。这一方法有三种形式，即普通加权平均法，权系数加权平均法和μ≥ 0.5加权平均法。[10]

本设计采用普通加权平均法

设U????u1?u1,??u2?u2,??ur?ur?

~模糊集，取各隶属度为加权系数，则控制量U 由下式决定

U?????u?i?1nj?1ni?ui? (2-5)

j???u?

2.2 模糊自整定 PID 控制器

这种智能 PID 模糊控制器分两步整定 PID 参数。第一步，初始 PID 参数的整定：先测定被控对象参数的粗略值，应用初值整定规则确定 PID 的初始值；第二步，PID 参数的在线整定：监测控制系的响应过程，将其模糊化，综合用户期望、控制目标类型、对象参数等，运用模糊推理自动进行 PID 参数的在线整定。[9]

2.2.1 PID 参数对 PID 控制性能的影响

PID 控制器时域内的控制模型为

???1e?t?dt?TDde?t?dt? (2-6) u?t??Kp?e?t??T1?0????计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，PID 控制作用

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 的离散化形式一般表示为

u?k??Kpe?k??K1?e?i??KD?e?k??e?k?1?? (2-7)

i?1k增量形式为

?u?k??Kp?e?k??e?k-1???K1e?k??KD?e?k??2e?k-1??e?k-2?? (2-8) 式中 KP －－比例系数

KI －－积分系数，KI = KPT/TI

KD －－微分系数，KD = KPTD/T ，T 为采样周期 TI －－积分时间 TD －－微分时间

e(k)－－第 k 次采样时刻输入的偏差值

由于KP、KI、KD是表征 PID 控制器在控制过程中的比例、积分、微分作用的程度，因此从系统稳定性、响应速度、超调量和控制精度等各方面特性来考虑 PID 控制器三个参数对 PID 控制品质的影响。

比例控制的特点是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KP，比例系数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。KP越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定；KP取值过小，则会降低调节精度，使系统动作缓慢，延长调节时间，使系统静、动态特性变坏。

积分作用系数KI能消除系统的稳态误差，但它的不足之处在于积分作用具有滞后特性。KI越大，静态误差消除越快，但KI过大，在响应初期会产生积分过饱和现象，从而引起响应过程的较大超调，系统将不稳定。若KI太小，系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

微分作用系数KD是改善系统的动态特性，主要在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但KD过大，会引起较大的超调，使被调量激烈振荡，系统不稳定，延长调节时间，降低系统的抗干扰性能；若KD太小，微分作用太弱，调节质量改善不大。

综上所述，PID 三个参数取值大小，对控制系统的静态特性和动态性能影响很大，KP、KI、KD三个参数的整定要根据控制对象的数学模型G(s)的参数来确定。对于非线性负载和时延、时变负载，以及难以用 G(s)描述的负载，这三个参数的整定就很困难，因此我们在基于其它方法(例如SPAM 法等)整定出来的KP、KI、KD初值的基础上，采用模糊自调整机构在线调整 PID 参数，从而达到抑制大范围的扰动，改进系统动态响应性能的目的。

2.2.2 模糊自整定 PID 控制器

模糊自整定 PID 控制器原理图如图2-2所示。[10]

图2-2 模糊自整定 PID 控制

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础上，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。它以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 PID 控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。

2.3 模糊自整定 PID 控制器性能的研究

为了便于比较模糊自整定 PID 控制器与常规 PID 控制器的性能差别，选择典型二阶纯滞后对象作为模型，改变模型参数，利用 Matlab 仿真，观察分析二种控制方式的阶跃响应曲线及二者之间差异。

二阶纯滞后惯性环节的模型为

KeTdS G?s?? (2-9)

?T1S?1??T2S?1?其中，增益系数 K=4。分别改变模型的惯性时间常数和纯滞后时间，分析在三种控制方式下，它们对系统特性的影响。取设定值 SP=50 ，KP0 = 0.4， KI0 = 0.07 ， KD0 =0.06，这组调节系数是在常规 PID 控制方式下，被控对象的惯性时间常数T1 =1、T2 = 4，纯滞后时间Td = 0时系统的整定参数。

2.3.1 Matlab 仿真结构图

在SIMULINK中，建立PID控制器仿真图如图2-3所示，并将它封装为PID子模块。

图 2-3 PID控制器仿真结构图

利用模糊控制工具箱中的Fuzzy Logic Controller模块，将它和PID子模块连接 起来可以封装成为Fuzzy-PID控制器，结构如图2-4所示。

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图2-4 Fuzzy-PID仿真结构图

将Fuzzy-PID控制器加入到控制系统的模型中，并对其运用Smith预估器进行补 偿校正，从而得到整个控制系统的模型，如图2-5所示。然后就可以根据输出结果 来判断控制器的性能。通过对输出结果的分析，可以对系统参数和模糊控制器的控 制规则进行适当的调整，使控制系统的性能达到最佳。

图2-5 参数自整定模糊PID控制系统和传统PID控制系统

在MATLAB环境中运行该系统进行仿真，可以利用示波器观察输出的情况，也可以将数据存储到MATLAB的工作空间的指定变量中，再利用绘图命令将曲线输出到单独的窗口中。

[19]

2.3.2 惯性时间常数的影响

保持对象增益和纯滞后时间不变，分别取三组惯性时间常数作特性比较，观察系统对被控对象惯性时间变化的能力。

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 纯滞后时间Td=2

图2-6 常规PID控制特性曲线

图2-7 模糊自整定PID控制特性曲线

图中，曲线1、2、3 分别为被控对象惯性时间常数T1=1，T2=4；T1=3，T2=8；T1=5，T2=12的特性曲线

对比图2-6和2-7可以看出：

① 模糊自整定PID控制特性曲线的超调很小，控制精度和动态特性优于常规PID控制，但上升时间改善不多。

② 对于对象的性时间常数的变化，模糊自整定PID控制器明显比常规PID控制器适应能力比强。

③ 惯性时间常数T1=1，T2=4的被控对象的特性曲线不理想。

2.4 仿真结果分析

根据前面的仿真实验和仿真分析，可以总结出以下几点结论：

(1) 模糊自整定PID控制对惯性时间常数变化的适应能力比常规PID控制强； (2) 模糊自整定PID控制的动态特性、控制精度比常规PID控制好； (3) 模糊自整定PID控制系统比常规PID控制系统的稳定性好。

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第3章 系统硬件和电路设计

3.1 引言

电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，其本身是一个较为复杂的被控对象，虽然可用以下模型定性描述它

Ke??sG?s??Ts?1

（3-1）

式中 K －－放大系数

T －－时间系数 τ－－纯滞后时间

但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性(加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素)，使得上述数学模型偏离实际情况相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定PID控制器基础上设计一个炉温控制系统，以期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。

3.2 系统的总体结构

控制系统组成框图如图3-1所示。

图3-1 电炉温度控制系统

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 3.3 温度检测电路

温度检测是温度控制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。在微机温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压转换为数值量送计算机。其一般结构如图3-2所示。

图3-2 温度数字检测的一般结构

3.3.1 温度传感器

温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为mV级，需要放大为满足模/数转换要求的电压值。微机通过控制把电路电压送到模/数转换器进行模/数转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的实际温度值。

温度传感器种类繁多，但在微机温度控制系统中使用得传感器，必须是能够将非电量变换成电量得传感器，此次设计中选用的是热电偶传感器，热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器，具有精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优点。热电偶是由两种不同材料得导体A和B连接在一起构成得感温元件，如图3-3所示。A和B得两个接点1和2之间穿在温度差时，回路中便产生电动势，形成一定大小得电流，这种现象称为热电效应，也叫温差效应。热电偶就是利用这个原理测量 温度的[5]。

图3-3 热电偶测温原理图

3.3.2 测量放大器的组成

测量放大器的基本电路如图3-4所示。

图3-4 测量放大器的原理图

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 测量放大器由三个运算放大器组成，其中A1、A2两个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在A1、A2的同相输入端从而具有高抑止共模干扰的能力和高输入阻抗。差动放大器A3为后级,它不仅切断共模干扰的传输,还将双端输入方式变换成单端输出方式,适应对地负载的需要。

测量放大器的放大倍数用下面公式计算

U0R3?R1R1'???? （3-2） G? ?1?UIR2?RGRG?式中，RG为用于调节放大倍数的外接电阻，通常RG采用多圈电位器，并靠近组件，若距离较远，应将联线胶合在一起，改变RG可使放大倍数在1～1000范围内调节。

3.3.3 热电偶冷端温度补偿方法

用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在0℃的环境中。若冷端温度不是0℃，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。冷端补偿方法较多，在本次的设计中我们采用的冷端温度补偿为电桥式冷端补偿。[35]

对与冷端温度补偿器，在工业上采用如图3-5所示补偿电桥的冷端补偿电路。

图3-5 热电偶冷端温度补偿电桥

图中所示的补偿电桥桥臂电阻R1、R2、R3和RCu通常与热电偶的冷端置于相同的环境中。取R1?R2?R3?1?，用锰铜线绕成；RCu是用铜导线绕制成的补偿电阻。RS是供桥电源E的限流电阻，RS由热电偶的类型决定。若电桥在20℃时处于平衡状态。当冷端温度升高时，RCu补偿电阻将随之增大，则电桥a、b两点间的电压Vab也增大，此时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降如果Vab的增加量等于热电偶温差电势的减小量，则热电偶输出电势VAB的大小将保持不变，从而达到冷端补偿的目的。[36]

3.4 多路开关的选择

在本次的设计中，我们的温度传感器有5个，因此，我们采用了一种16的多路开关，

以实现对5个温度传感器的巡回检测。

CC4067是单片. CMOS.16通道.模拟多路转换器。该电路包括16选1的译码器和译码器的输出分别控制的16个CMOS双向开关，通道的输出状态由电路外部输入的地址A.B.C.D所决定。

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） CC4067可用模拟信号或数字信号去控制模拟开关的接通或断开，具有低的导通电阻和高的断开电阻，所控制的模拟信号最大峰值为15V，而数字信号的幅度3V-5V . CC4067芯片具有禁止端inh。当禁止时，inh=1，这时所有的双向开关均不接通，在公共端呈现高阻抗。

1、主要性能

CMOS工艺制造；直接驱动 DTL/TTL/CMOS电平；单路、16选1模拟多路转换器；具有双向转换功能；单电源供电；标准24引脚DIP封装；功耗：1.5mW；开关接通电阻：180欧（typ）;开关接通时间：1.5us(max);开关断开时间：1us(max).

2、CC4067引脚图示与图3-6。

OUT/IN123456789101112242322212019181716151413Vdd89101112131415inhCDIN/OUT76543210ABVssIN/OUT 图3-6 CC4067引脚图

3、 CC4067功能框图如图3-7所示。

图3-7 CC4067功能框图

3.5 A/D转换器的选择及连接

5G14433是我国制造的31/2位模/数变换器，是目前市场上广泛流行的最典型的双积分模/数变换器。该芯片具有抗干扰性能好、转换精度高、自动校零、自动极性输出、自动量程控制信号输出、外接元件少、价格便宜等特点。因此广泛应用在低速微控制器应用系统，智能仪表和数字三用表等领域。5G14433与国外型号MC14433兼容。

5G14433的外部连接电路，尽管5G14433外部连接元件很少，但为使其工作于最佳

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 状态，也必须注意外部电路的连接和外接元件的选择，其实际连接电路如图3-8所示。为了提高电源抗干扰的能力，正，负电源分别通过去耦电容0.047uF、0.02uF与Vss（VAG）相连。图中DU端和EOC端短接，以选择连续转换方式，使每一次转换的结果都输出。

图3-8外部连接电路

当C1=0.1uF，VDD=5V，fCLK=66KHz时，若Vxmax=+2V，则R1=480KΩ；若Vxmax=+200mV，则R1=28KΩ。外接失调补偿电容固定为0.1uF。外接时钟电阻Rc=470KΩ时，fLCK≈66KHz;当Rc=200KΩ时，fLCK=140KHz。实际电路中一般取Rc=300KΩ。

3.6 单片机系统的扩展

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3.7存储器的扩展

3.7.1程序存储器的扩展

3.7.1.1只读存储器简介

半导体存储器分为随机存取存储器（Random Access Memory）和只读存储器（Read Only Memory）两大类，前者主要用于存放数据，后者主要用于存放程序。只读存储器的特点是信息一旦写入之后就不能随意跟更改，特别是不能在程序运行过程中写入新的内容，而只能读出其中的内容，故称之为只读存储器；只读存储器的另一个特点是断电以后信息不会消失，能够长久保存。

只读存储器是由MOS管阵列构成的，以MOS管的接通或断开来存储二进制信息。按照程序要求确定ROM存储阵列中各MOS管状态的过程叫做ROM编程。 3.7.1.2 EPROM2764简介 1）2764的引脚

自从EPROM276芯片被逐渐淘汰后，目前比较广泛采用的是2764芯片为双列直插式28引脚的标准芯片，容量为8K38位，其管角如图3-12所示。

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图3-12 2764的引脚

其中：A12～A0：13位地址线。D7～D0：8位数据线。CE：片选信号，低电平有效。OE：输出允许信号，当OE=0时，输出缓冲器打开，被寻址单元的内容才能被卖出。

Vpp：编程电源，当芯片编程时，该端加上编程电压（+25V或+12V）；正常使用时，该端加+5V电源。（NC为不用的管脚）。 2）2764的工作时序

2764在使用时，只能将其所存储的内容读出，其过程与RAM的读出十分类似。即首先送出要读出的单元地址，然后使CE和OE均有效（低电平），则在芯片的D0～D7数据线上就可以输出要读出的内容。其过程的时序关系如图3-13所示

图3-13 2764的工作时序

EPROM的一个重要特点就是在于它可以反复擦除，即在其存储的内容擦除后可通过编程（重新）写入新的内容。这就是用户调试和修改程序带来很大的方便。EPROM的编程过程如下：

（1）擦除：如果EPROM芯片是第一次使用的新芯片，则它是干净的。干净的标志通常是一个存储单元的内容都是FFH。若芯片是使用过的，则它需要利用紫外线照射其窗口，以便将其内容擦除干净。一般照射击15～20min即可擦除干净。

（2）编程：EPROM的编程有两种方式：标准编程和灵巧编程。标谁编程的过程为：将Vcc接+5V电源，Vpp接+21V电源（注意：不同厂家的芯片其编程电压Vpp是不一样的），然后输入需编程的单元地址，在数据线上加上要写入的数据，使CE保持低电平，OE为高电平。当上述信号稳定后，在PGM端加上50±5ms的负脉冲。这样就将1个字节的数居写到了相应的地址单元中。重复上述过程，即可将要写入编程过程。

标准编程中，每写入1个字节需要50ms左右的时间，对于2764来说共需7～8分钟时间。而且芯片容量愈大，所需的时间就愈多。另一方面，编程脉冲愈宽，芯片功耗愈大，芯片愈容易损坏。这此，人们提出了另一个编程方式灵巧编程。[40]

2764与单片机的连接图如图3-14示。

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图3-14 2764与单片机的连接图

3.7.2 数据存储器的扩展

3.7.2.1 数据存储器概述

数据存储器即随机存取存储器（Random Access Memory），简称RAM，用于存放可随时修改的数据信息。它与ROM不同，对RAM可以进行读、写两种操作。RAM为易失性存储器，断电后所存信息立即消失。按半导体工艺，RAM分为MOS型和双极型两种。MOS型集成度高、功耗低、价格便宜，但速度较慢。双极型的特点恰好相反。在单片机系统中多数采用MOS型数据存储器，使得输入输出信号能与TTL相兼容，扩展后的信号连接也很方便。

按工作方式，RAM分为静态（SRAM）和动态（DRAM）两种。静态RAM只要电源加上，所存信息就能可靠保存。而动态RAM使用的是动态存储单元，需要不断进行刷新以便周期性地再生，才能保存信息。动态RAM的集成密度大，如集成同样的位容量，那么动态RAM所占芯片面积只是静态RAM的四分之一。此外动态RAM的功耗低，价格便宜。由于动态存储器要增加刷新电路，因此只适用于较大的系统，而在单片机系统中则很少使用。 3.7.2.2 静态RAM6264简介

6264是8K38位的静态数据存储器芯片，采用CMOS工艺制造，为28引脚双列直插式封装，其引脚图如图3-15所示。

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） A0-A12地址线I/O0-I/O7双向数据线CE1CE2WEOE片选线1片选线2写允许线读允许线NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND12356789101112131462642827262524232221201918171615VCCWECE2A8A9A11OEA10CE1I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3 图3-15 RAM6264引脚图

需要说明的是，6264有两个片选信号CE1和CE2，只有当CE1＝0，CE2＝1时，芯片才被选中。在实际应用中，往往只用其中1个，而将另一个接成常有效；也可以将系统片选信号以及取反后的信号分别接至CE1和CE2端。 3.7.2.3 数据存储器扩展举例

数据存储器的扩展与程序存储器的扩展相类似，不同之处主要在与控制信号的接法不一样，不用PSEN信号，而用RD和WR信号，且直接与数据存储器的OE端和WE端相连即可。

图3-16为外扩1片6264的连接图。采用线选法，将片选信号CE1与P2.7相连，片选信号CE2与P2.6相连。其地址译码关系为：

A15 A14 A13 A12 A11 A10 0 1 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 所占用的地址为: 第一组 4000H～5FFFH (A13＝0) 第二组 6000H～7FFFH (A13＝1)

图3-16 扩展一片RAM6264的连接图

3.8 单片机I/O口的扩展（8155扩展芯片）

3.8.1 8155的结构和引脚

Intel 8155是一种多功能的可编程的可编程接口芯片，它具有3个可编程I/O（A

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 口和B口是8位，C口是6位）、1个可编程定时器/计数器和256B的RAM，能方便地进行I/O扩展和RAM扩展，其组成框图及引脚如图3-17所示。

图3-17 8155引脚和结构图

8155为40脚双列直插式封装，其引脚的功能及特点说明如下：

RESET：复位端，高电平有效。当RESET端加入5us左右宽的正脉冲时，8155初始化复位。把A口、B口、C口均初始化为输入方式。

AD0～AD7：三态地址数据总线。采用时方法区分地址及数据信息。通常与MCS-51单片机的P0口相连。其地址码可以是8155中RAM单元地址或I/O地址。地址信息由ALE的下降沿锁存到8155的地址锁存器中，与RD和WR信号配合输入或输出数据。

CE：片选信号端，低电平有效。它与地址信息一起由ALE信号的下降沿锁到8155的锁存器中。

IO/M：RAM和I/O接口选择端。IO/M=0时，选中8155的片内RAM，AD0～AD7为RAM地址（00H～FFH）；IO/M=1时，选中8155片内3个I/O接口以及命令/状态寄存器和定时器/计数器。AD0～AD7为I/O接口地址，见下表3-1。

表3-1 8155口地址分配

AD7-AD0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 选中的寄存器 命令/状态寄存器 A口（PA0-PA7） B口（PB0-PB7） C口（PC0-PC7） 定时器/计数器低B位寄存器 定时器/计数器高B位寄存器及工作方式2位 X x x x x 0 0 0 X x x x x 0 0 1 X x x x x 0 1 0 X x x x x 0 1 1 X x x x x 1 0 0 X x x x x 1 0 1 RD：读选通信号端。低电平有效。当CE=0、RD=0时，将8155片内RAM单元或I/O接口的内容传送到AD0～AD7总线上。

WR：写选通信号端，低电平有效。当CE=0、WR=0时，将CPU输出送到AD0～AD7总线上的信息写到片内RAM单元或I/O借口中。

ALE：地址锁存允许信号端。ALE信号的下降沿将AD0～AD7总线上的地址信息和CE及IO/M的状态信息都锁存到8155内部锁存器中。

PA7～PA0：A口通用输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。 PA7～PB0：B口通用输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） PC5～PC0：可用编程的方法来决定C口作为通用输入/输出线或作A口、B口数据传送的控制应答联络线。

TIME IN：定时器/计数器脉冲输入端。

TIME OUT：定时器/计数器矩形脉冲或方波输出端（取决于工作方式）。 Vcc：+5电源端。 Vss：接地端。

3.8.2 8155的控制字的及其工作方式

1）、命令/状态字的格式及功能

8155的I/O接口的工作方式选择是通过 对8155内部寄存器送命令来实现的，命令寄存器由8位锁存器组成，只能写入、不能读出。命令字每位的定义如下所示：

AINTR：A口中断请求信号 ABF：B口缓冲器信号 ASTB：A口选通信号

BINTR：B口中断请求信号 BBF：B口缓冲满信号 BSTB：B口选通信号

8155的状态寄存器口地址和命令寄存器相同。与控制字相反，状态字寄存器只能读出、不能写入，其格式及定义如图3-18，3-19所示：

图3-18 8155状态字格式

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图3-19 8155状态字定义

3.8.3 8155与8031的连接

如图3-20所示为8155与8031的连接

图3-20 8155与8031的连接

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 3.9 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计

3.9.1 看门狗电路的设计

为提高系统的可靠性,由硬件的 “看门狗”。由NE555定时器构成的看门狗电路如图3-21所示R3、C6为定时元件，由单稳态电路产生的正脉冲宽度为tW?1.1R3C6?123us，C5用于滤除高频干扰。下面分析看门狗电路的工作原理：

1、当系统工作正常时，看门狗电路不起作用。

2、当系统运行不正常时，8031不能给定时器送去触发脉冲，NE555中的单稳态触发器就输出脉宽大于4us的负脉冲，经F6反相后加至80C31的复位端，使系统能可靠地复位，迅速恢复正常运行状态。

图3-21 看门狗电路

3.9.2 报警电路的设计

当温度过大地超了给定的温度时，系统就会发出报警信号。在这方面的设计中我们采用了如图3-22所示的报警电路。其工作原理是：温度过高时，单片机就从P1.5口发出一个低电平信号，经反向后使发光二极管发光，同时使蜂鸣器发音，从而达到报警的日的。

图3-22 报警电路

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 3.9.3复位电路的设计

在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。另外，单片机的复位状态与应用系统的复位状态又是密切相关的，因此，必须熟悉单片机的复位状态。 一、复位

单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。只要RST保持高电平，则MCS-51单片机就循环复位。单片机的复位状态要注意以下几点：

① 复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把 PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行。

② 复位操作除了把PC初始化为0000H之外，还对一些特殊功能寄存器（专用寄存器）有影响，它们的复位状态见表3-2。

③ 复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响，例如把ALE和PSEN信号变为无效状态，即ALE=0,PSEN=1。但复位不影响单片机内部的RAM状态。

表3-2单片机的复位状态

专用寄存器 PC ACC B PSW SP DPTR P0～P3 IP IE

00H 00H 00H 07H 000H0 FFH 33000000B 03000000B 复位状态 0000H 专用寄存器 TMOD TCON TL0 TH0 TL1 TH1 SCON SBUF PCON 复位状态 00H 00H 00H 00H 00H 00H 00H 不定 03330000B 二、复位电路

从以上的叙述中，我们已经清楚复位电路的设计原理：在单片机的 RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平（为了保证应用系统可靠地复位，通常使 RST引脚保持10ms以上的高电平）。根据这个原则，采用的电路是：

按键电平复位，如图3-23所示，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。

图3-23 复位电路

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 3.9.4 时钟电路的设计

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。而时序所研究的则是指令执行中各信号之间的相互时间关系。 一、 时钟电路

在介绍单片机引脚时，我们已经叙述过有关振荡器的概念。振荡电路产生的振荡脉冲，并不是时钟脉冲。这二者既有联系又有区别。在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，还引人公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。 二、时钟信号的产生

XTAL1（19脚）是按外部晶体管的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体震荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激震荡器。如图3-24所示。

我们可以用示波器测出XTAL2上的波形。电路中的C1和C2一般取30PF 左右而晶体震荡器的频率范围通常是1.2～12 MHZ，晶体震荡器的频率越高，振荡频率就越高。

振荡电路产生的振荡脉冲并不是时钟信号，而是经过二分频后才作为系统达到时钟信号。如图3-24所示。在二分频的基础上再三分频产生 ALE信号在二分频的基础上再六分频得到机器周期信号。

本次设计中我们采用了6MHZ的晶体震荡器。

图3-24 时钟电路图

3.10 键盘与显示电路的设计

3.10.1 LED数码显示器的接口电路

实际使用的LED数码显示器位数较多,为了简化线路、降低成本，大多采用以软件为主的接口方法。对于多位LED数码显示器，通常采用动态扫描显示方法，即逐个地循环地点亮各位显示器。这样虽然在任一时刻只有1位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮的效果基本一样（在亮度上要有差别）。

为了实现LED显示器的动态扫描显示，除了要给显示器提供显示段玛之外，还要对显示器进行位的控制，即通常所说的“位控”。因此对于多位LED数码显示器的接口电路来说，需要有两个输出口，其中一个用于输出显示段码；另一个用于输出位控信号，“位控”实际上就是对LED显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器的位数相同。

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图3-25 6位LED数码显示器接口的电路

图3-25是使用8155作为6位LED数码显示器接口的电路，其中8155的A口为输出口（段控口），用以输出8位显示段码（包括小数点）。考虑到LED显示器的段电流为8mA左右，不能用8155的A口直接驱动，因此要加1级电流驱动。电流驱动即可以用反相的，也可以用相同的。反相电流驱动器经常使用7406；同相电流驱动器则采用7407或74LS244。（注意：使用OC门7406或7407时要加上拉电阻）

C口作为输出口（位控口），以PC0～PC5输出位控信号。由于位控信号控制的是LED显示器的公共端，驱动电流较大，8段全亮时需要40～60mA。因此必须在C口与LED的位控线之间增加电流驱动器以提高驱动能力，常用的有SN75452（反相）、7406（反相）或7407（同相）等。

3.10.2 键盘接口电路

对于8751或8051型单片机来说，如果不再外扩程序存储器的话，则可以利用P0～P2口中的任意两个口构成多打8*8的键盘，其中1个作为输出口，1个作为输入口，既可以采用扫描法，也可以采用线反转法。

如果单片机本身的口线已被占用的话，则可以通过外扩I/O接口芯片来构成键盘借口电路，较常用的是8155、8255A等接口芯片，图3-26是采用8155接口芯片构成2*6键盘的接口电路，其中B口为输入，作为行线；C口为输出，作为列线。

图3-26 采用8155接口芯片构成2*6键盘的接口电路

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 在本次的毕业设计中我们的显示与键盘的设计如图3-27。其中显示器5个按键10

个。

图3-27 显示与键盘的设计图

显示器可显示通道、温度、升降温速率、恒温时间这几项功能。10个按键盘分别为SET：恒温设置键；SETUP：升温速率设置键；SETDN；降温速率设置键；SETTM：恒温时设置键盘；CHN：通道选择键；SUM：增一键；RL：右移键，ENTER：回车键盘；DTS：显示键。

3.11 DAC7521数模转换接口

数模转换电路的主要任务是:将模糊自整定PID控制器输出的数字量转换成可控硅过零触发电路所需的模拟控制量。本系统采用的触发芯片TL494的触发电压需调至0～10V，移相范围0°～170°，故每度所需的移相电压

?UP?10V170??58.82?mV? （3-3） 控制0.1°所需移相电压增量为5.882 mV。这里采用12位DAC7521作为数模转换器，其满度输出10 V，输出电流经运放OP07变成电压，分辨率为

1LSB?10V212?2.44?mV? （3-4）

每个量化单位可控制的移相角设为x°，则0.10°/5.882°= x°/2.44，即 x?0.1??2.445.882?0.04? （3-5） 可见控制器的控制平滑度和精度，都有较大的余量。D/A转换器的接口逻辑如图3-28所示。

图3-28 数模转换接口电路

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） DAC7521从8031的8位数据线上获取12位的数据必须分两次进行。为了防止D/A转换书输出会有“毛刺”现象，这里采用了两级缓冲器结构。

即8031先把低8位送入第一级缓冲器，然后再送高4位数据时，同时选通第二级的两片74LS373构成的第一级缓冲器，使12位数据同时出现在DAC7521的数据输出线上，进行D/A转换。D/A输出的电流经OP07反相后变为0—10V的电压信号。

3.12 隔离放大器的设计

3.13 可控硅调功控温

可控硅调功控温具有不冲击电网，对用电设备不产生干扰等优点，是一种应用广泛的控温方式。所谓调功控温就是在给定周期内控制可控硅的导通时间，从而改变加热功率，来实现温度调节。设采取(控制)周期为T,在T周期内工频交流电的半周波数为N，如全导通时额定加热功率为PH则实际的平均加热功率与T周期内实际导通的半周波数n成正比，[15]即

P?nPHN （3-12）

__3.13.1 过零触发调功器的组成

目前，采用可控硅进行功率调节的触发方式有两种:过零触发、移相触发。移相触发方式调功实际上是控制可控硅的导通角，达到调节功率的目的，此方式易造成电磁干扰且电路复杂。据文献专门介绍:采用移相触发的可控硅交流调功装置，往往在可控硅导通的瞬间使电网电压出现畸变，当控制角为90°时，产生的三次谐波电流为基波电流的50%五次谐波也可达基波的1/6。这些谐波分量引起电网电压波形畸变，功率因数下降，给其它用电设备和通讯系统的工作带来不良影响。为此，人们研究了各种避免电压瞬时大幅度下降和抑制高次谐波的方法，过零触发方式很好地解决了此类问题，它可把可控硅导通的起始点限制在电源电压过零点，从而大大降低了谐波分量。然而，传统的可控硅过零触发调功器由同步脉冲产生电路、检零电路、隔离电路组成，结构复杂，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件的离散性和温漂严重影响调功器控制精度及使用寿命。

实现可控硅调功控温需解决3个技术关键:①获取工频交流电源的过零触发脉冲，作为触发双向可控硅的同步脉冲:②将控制算法得到的控制量变为可控硅在周期内的导通时间:③隔离工频交流电源强电对单片机系统和控制电路弱电的干扰。根据上述要求设计的可控硅调功控温电路如图3-30所示。该调功器主要由跟随器、PWM脉冲形成电路、光隔离/光耦合过零双向可控硅驱动器及电源四部分组成。[15]

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图3-30 可控硅调功原理图

3.13.2 主要电路介绍

(1)PWM脉冲形成及脉宽调制电路TL494是德克萨斯仪器公司研制的双端脉宽调制器，其功能框图与引脚如图3-31所示。

图3-31 TL494功能框图与引脚

TL494在开关电源中应用较多，在此，利用其脉宽调制功能构成脉冲形成及脉宽调制电路。将芯片的5,6脚分别接振荡器的电阻、电容，通过改变电阻、电容的大小，即可调节振荡器频率(为了保证振荡器的稳定性，应采用金属膜电阻和漏电流的电容)。振荡器产生的锯齿形振荡波被送到PWM比较器的反相输入端，脉冲调宽电压送到PWM比较器的同相输入端，通过PWM比较器进行比较，输出一定宽度的脉冲波。当调宽电压变化时，TL494输出的脉冲宽度也随之改变，从而改变开关管的导通时间，达到调节、稳定输出电压的目的。

脉宽调宽电压可由3脚直接送入的电压来控制，也可分别从两个误差放大器输入端送入，通过比较、放大经隔离二极管输出到PWM比较器的正相输入端，此时3脚应接RC网络，提高整个电路的稳定性。本设计将两个误差放大器的输入端和反馈接地，将3脚直接接控制电压，这时比较器A7输出为一定额率的脉冲信号，将13脚接地，则触发器不起作用，所以改变控制电压大小，即可改变10脚输出脉冲的宽度。

(2)光隔离/光耦合过零双向可控硅驱动器MOC3041新型器件MOC3041的使用使调功

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 器电路变得非常简练，它集光电隔离、过零检测功能于一身，具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、无噪声等优点，图3-32为其构成的可控硅基本驱动电路。

图3-32 可控硅基本驱动电路

图中有关元件功能如下:

Rs,Cs为吸收电路，并接在功率可控硅的阳极和阴极之间，起保护作用。因为负载若为感性，可控硅通、断时会产生较大的反电动势，可能引起可控硅的损坏，在相关电路上并联吸收电路后，就能削弱高的瞬时电压，从而保护可控硅。一般Cs,Rs取值靠经验确定，暂无一套完整的计算方法。经验公式如下：

RS?10~50? （3-13） CS??2~4?I??10?3??F? ，

3.14 单片机开关稳压电源设计

单片机开关电源电路如图3-33,指标如下:

输入:AC150～270V.输出电压:DC±5V±20mV,0～3A,12V±30mV,0～0.3A;各路电源电压调整率:<10mV(150～270V).各路负载电流调整率:<20mV(空载到满载)。各路输出电压尖峰:≤20mV(满载)。开关频率:75kHz±5%;电源效率:≥60%;温升:约30℃。

图3-33 单片机开关电源电路原理图

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第4章 系统软件设计

4.1 主要程序的框图

4.1.1 主程序框图

系统运行主程序流程的设计思想为:首先要进行一系列的初始化工作，在系统中我们设置了看门狗是为了在系统出现故障时，可在选定的超时周期之后，看门狗以复位信号做出响应，保证系统可靠工作。在系统设置了键盘中断服务子程序，通过键盘送入的信号后，系统开始启动工作。在温度控制方面，设置了恒温，升温，降温和A/D转换等调用的子程序，用以达到控温的功能。

图4-1 主程序框图

4.1.2 键盘中断服务子程序

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 本系统的键盘设计主要有恒温设置键、升温速率设置键、降温速率设置键、恒温时间拉制设置键、显示设置键等按键。此程序流程的思想为：当需要对某设定参数调整时，通过设定参数菜单键来选择要调整的系统参数；然后利用增加键和减少键对参数进行调整，调整参数确定后系统会自动保存。键盘处理子程序流程图如图4-2。

在按键时，触点闭合与断开的瞬间，会出现电压抖动。在实际的工作中，按键有时灵，有时不灵，实际上可能是在你只按了一次按键，可是计算机却已执行了好几次任务。按键的稳定闭合期，由操作人员的按键动作所决定，一般为十分之几秒到几秒不等。

在去抖动处理上，一般采用软件延时的方法，在单片机获得P1.7口为低的信息后，不是立即认定按键已被按下，而是延时10到20ms时间后再次检测P1.7口，如果仍为低，说明按键的确按下，避开了按键按下是的抖动时间。

图4-2 键盘中断服务子程序

4.1.3 恒温及升温测控子程序

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 温度信号输入，经过的电路主要由温度传感器，运算放大器和模数（A/D）转换器三部分组成。

程序在初始化后，调用一个温度测量子程序，把测量的的实际温度与给定的温度进行比较，用以判断是否要进行调用升温的子程序。主要的流程图如图4-3。

图4-3 恒温及升温测控子程序

4.1.4 降温测控子程序

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 在温度的拉制过程中，由于测量阶段的信号滞后性，当受到的温度信号高与给定的温度时，我们在电路中设计的报警电路装置会发出报警信号。报警电路的工作原理是：温度过高时，单片机就从P1.5口发出一个低电平信号，经反向后使发光二极管发光，同时使蜂鸣器发音，从而达到报警的日的。使得检测的工作人员能方便的了解到温度过大的这个温度信号。 此时，系统会调用降温子程序完成降温的拉制。流程图如4-4。

图4-4 降温测控子程序

程序见附录

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 4.2 模糊自整定PID控制算法

针对电炉温度控制，将采样得到的温度信号与系统的温度设定值进行比较，得到温度误差e、温度误差变化ec，根据电炉温度变化实际情况参考前面的模糊自整定PID控制器设计方法，将它们变化到模糊论域。

温度误差e、温度误差变化ec和 KP 、 KI 、 KD的修正系数的模糊子集为 e ＝ec＝{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}

＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

△kp ＝ △ki ＝△kd ＝{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}

＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

并将温度误差e、温度误差变化ec的大小量化为 13 个等级，分别表示为

-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，

则论域 E 和 EC 为

E ＝ EC ＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

将△kp 、△ki、△kd 的大小量化为 11 个等级，

△kp 的论域为{-1.5，-1.25，-1.0，-0.75，-0.5，0.25，0，0.25，0.5，0.75，1.0，1.25，1.5}。

△ki、 △kd 的论域为｛-0.3，0.25，0.2，0.15，0.10，0.05，0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.3｝。

上述变量的隶属函数曲线图如图4-5如示，隶属度函数按三角分布，三角函数解析式如公式(4-1)

图4-5 隶属函数曲线

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