1、基于單片機的電加熱爐溫度控制摘要電加熱爐隨著科學技術的開展和工業生產水平的提高，已經在冶金、化工、機械等各類工業控制中得到了廣泛應用，并且在國民經濟中占有舉足輕重的地位。對于這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象，很難用數學方法建立精確的數字模型，因此用傳統的控制理論和方法很難到達好的控制效果。單片機以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優點，在工業控制系統、智能化儀器儀表等諸多領域得到廣泛應用。采用單片機進行爐溫控制，可以提高控制質量和自動化水平。本設計為基于單片機的電加熱爐溫度控制系統，通過采用硬件與軟件的結合實現對電加熱爐溫度的自動控制。硬件

2、電路主要包括：加熱及控制電路局部，數據采集和模/數A/D轉換處理局部，鍵盤和顯示器局部，單片機與各局部的接口處理局部。軟件設計主要由溫度控制的算法和溫度控制程序組成，其原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值，而后對偏差值的處理而獲得控制信號去調節加熱爐的加熱功率，以實現對爐溫的控制。其中控制電路局部利用雙向可控硅的通斷特性來決定加熱電路的通電與斷電該系統具有硬件本錢低，控溫精度高，可靠性好，抗干擾能力強等特點。關鍵詞：電加熱爐；單片機；溫度控制；雙向可控硅。目錄摘要1第1章 緒論4課題的提出4系統設計目的及要求4課題的分析與設計思路5第2章 溫度控制系統的概述7微機控制系統簡介7電加熱爐溫度控

3、制系統的特性7電加熱自動控制原理8第3章 系統電路分析硬件9溫度檢測電路9電源設計電路93.3 RS232/485轉換電路103.4 PWM式鍵盤接口電路12可控硅調功電路13第4章 芯片介紹15單片機AT89C51介紹154.2 MC14499芯片介紹154.3 MAX197芯片164.4 74HC4060芯片17第5章 系統控制算法仿真18飛升曲線185.2 PID算法仿真19第6章 MCGS組態236.1MCGS 的整體結構236.2 MCGS軟件的功能和特點236.3 MCGS組態過程24第7章 系統的程序設計26系統主程序26系統中斷效勞程序36系統PID子程序37第8章

4、附錄41參考資料41大林仿真程序41系統程序42硬件設計總圖44第9章 總結45第1章 緒論課題的提出近年來隨著計算機在社會各領域的滲透，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時也帶動了傳統控制檢測的更新與開展。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據具體硬件結構，以及具體應用對象特點的軟件結合，以作完善。單片機控制系統由微機和工業生產對象兩大局部組成。隨著新技術的不斷開發與應用，近來單片機開展十分迅速，其應用已經滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業。尤其在工業控制、自動化儀器儀表、計算機系統接口、智能化外設

5、等領域開展很快。它的應用對于產品升級換代、機電一體化都具有重要意義。在工業生產中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數。其中，溫度控制也越來越重要。在工業生產的很多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反響爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用單片機對溫度進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大的提高產品的質量和數量。系統設計目的及要求本設計的目的是通過本課題設計，懂得綜合運用單片機及接口技術、微機原理、微電子技術和鍛煉動手操作能力，掌握運用能力，學習論文的寫作方法和步驟。掌握電加熱爐溫度控制系統的組成及原

6、理，掌握各局部的功能及作用，了解單片機的開展前景。本設計的溫度系統有以下要求：1. 測溫范圍 ：0-1002 測溫分辨力<3. 測溫準確度：<±14. 測溫點數：可以擴展到8點5. 溫度顯示：采用4個7段段數碼管6. 溫限那么進行靈活設定課題的分析與設計思路 分析硬件電路主要包括：加熱及控制電路局部，數據采集和模/數A/D轉換處理局部，鍵盤和顯示器局部，單片機與各局部的接口處理局部。軟件設計主要由溫度控制的算法和溫度控制程序組成。溫度是工業生產中常見的工藝參數之一，任何物理變化和化學反響過程都與溫度密切相關，因此溫度控制是生產自動化的重要任務。本設計是以AT89C51單片

7、機為系統的控制核心，實現對溫度的采集、檢測和控制。被控制對象為一電加熱爐，輸入為加在電爐兩端的電壓，輸出為電加熱爐內的溫度。本系統是對在0100范圍內的電爐溫度進行精密測量。整個系統也可劃分為控制電路局部、加熱電路局部和測量電路三局部。控制電路是由單片機來處理給定信號和反響信號，發出相應的指令來控制可控硅，是系統的核心。AT89C51對溫度的控制是通過可控硅調功能電路實現的。在給定的周期T內，AT89C51只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲的功率，從而到達調節溫度的目的。而可控硅的接通時間可以通過可控硅極上觸發脈沖控制。該觸發脈沖由AT89C51用軟件在P1.3引腳上產生，受過零同步脈沖

8、同步后經光耦合管和驅動管輸出送到可控硅的控制極上。過零同步脈沖是一種50HZ交流電壓過零時刻的脈沖，可使可控硅在交流電壓正弦波過零時觸發導通。該脈沖一方面作為可控硅的觸發同步脈沖加到控制電路中，另一方面還作為計數脈沖加到AT89C51的T0和T1端。加熱電路用來實現對系統的升溫加熱到達預定的溫度。當溫度沒有到達要求，控制電路利用雙向可控硅的通斷特性來決定加熱電路的通電與斷電。測量電路功能為將測量到的信號經過處理變成數字信號送入單片機中進行處理。主要由溫度檢測和變送器組成。溫度檢測元件和變送器的類型選擇和被控溫度及精度等級有關。除上述電路，AT89C51還要有MC1449974HC4060RS2

9、32-RS485和MAX197等芯片接口電路。其中MC14499用于LED顯示器接口，74HC4060用于鍵盤接口，RS232-RS485作為串行通信口，MAX197為溫度測量電路的輸入接口，用于把連續變化的信號進行離散化。最終再通過控制電路中的鍵盤顯示器電路實現人機對話功能。系統結構框圖如圖1.1所示： 圖1.1 系統結構框圖軟件設計主要為控制器局部，即溫度控制系統，采用PID算法，其原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值，而后對偏差值進行處理而獲得控制信號去調節加熱爐的加熱功率，以實現對爐溫的控制。PID根本可滿足系統要求。程序設計是本次設計的核心局部。整個程序包括管理程序和控制程序兩局部

10、。管理程序是對顯示LED進行動態刷新，控制指示燈，處理鍵盤的掃描和響應，進行掉電保護，執行中斷效勞程序等。控制程序是用來對被控進行采樣，數據處理，根據控制算法進行計算和輸出等。第2章 溫度控制系統的概述微機是微型處理機、微型計算機、微型計算機系統的統稱。微處理機，簡稱CPU，是一個大規模集成電路LSI器件或超大規模集成電路VLSI器件，包括數據通道、多個存放器、控制邏輯和運算邏輯部件等，是完成計算機對信息的處理與控制等功能的中央處理器件。微型計算機，簡稱MC,是以微處理機CPU為中心，加上只讀存儲器ROM、讀寫存儲器RAM、輸入/輸出接口電路、系統總線及其他支持邏輯電路組成的計算機。微機控制系

11、統是將采集到的各工作設備的工作狀況顯示要素轉換成計算機能接受的數據信息，通過預置的程序處理對其狀態的性質與變化程度作出分析與判斷，并對相關工作設備發出指令，維持或調整工作狀態。在這一系統中，微機是工作核心，是大腦，對工作設備的有效控制起著至關重要的作用。就微機控制系統而言，一般可按如下步驟進行設計：確定系統整體控制方案、確定控制算法、選用微型計算機、系統總體設計和軟件設計等。單片機爐溫控制系統結構主要由單片機控制器、可控硅輸出局部、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對象組成，如圖1所示。被控制對象具有典型的多階容積遲后特性，在工程上往往近似為包含有純滯后的二階容積遲后；由于被控對象電容量大，通常

12、采用可控硅作調節器的執行器。其特性為，電加熱爐的溫度調節是通過調節劑(供電能源)的斷續作用，改變電爐絲閉合時間Tb與斷開時間Tk的比值,=Tb/Tk。調節加熱爐的溫度，在工業上是通過在設定周期范圍內，將電路接通幾個周波，然后斷開幾個周波，改變晶閘管在設定周期內通斷時間的比例，來調節負載兩端交流平均電壓即負載功率，這就是通常所說的調功器或周波控制器；調功器是在電源電壓過零時觸發晶閘管導通的，所以負載上得到的是完整的正弦波，調節的只是設定周期Tc內導通的電壓周波。假設周期Tc內導通的周期的波數為n，每個周波的周期為T，那么調功器的輸出功率為P=n×T×Pn/Tc，Pn為設定周期

13、Tc內電壓全通過時裝置的輸出功率。爐溫信號那么通過溫度檢測及變送，變成電信號，與溫度設定值進行比擬，計算溫度偏差和溫度的變化率e，再由智能控制算法進行推理，最終得控制量u，可控硅輸出局部根據調節電加熱爐的輸出功率，即改變可控硅管的接通時間，使電加熱爐輸出溫度到達理想的設定值。uT可控硅輸出局部e設定值電加熱爐de/dttt控制器溫度變送器溫度檢測部件 以AT89C51單片機為系統的控制核心，實現對溫度的采集、檢測和控制。被控制對象為一電加熱爐，輸入為加在電爐兩端的電壓，輸出為電加熱爐內的溫度。本系統是對在0100范圍內的電爐溫度進行精密測量。AT89C51通過可控硅調功能電路實現對溫度的控制。

14、在給定的周期T內，AT89C51只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲的功率，從而到達調節溫度的目的。而可控硅的接通時間可以通過可控硅極上觸發脈沖控制。該觸發脈沖由AT89C51用軟件在P1.3引腳上產生，受過零同步脈沖同步后經光耦合管和驅動管輸出送到可控硅的控制極上。過零同步脈沖是一種50HZ交流電壓過零時刻的脈沖，可使可控硅在交流電壓正弦波過零時觸發導通。該脈沖一方面作為可控硅的觸發同步脈沖加到控制電路中，另一方面還作為計數脈沖加到AT89C51的T0和T1端。加熱電路用來實現對系統的升溫加熱到達預定的溫度。當溫度沒有到達要求，控制電路利用雙向可控硅的通斷特性來決定加熱電路的通電與斷電。

15、系統控制程序采用兩重中斷嵌套方式設計。首先使T0計數器產生定時中斷，作為本系統的采樣周期。在中斷效勞程序中啟動A/D，讀入采樣數據，進行數字濾波、上下限報警處理，PID計算，然后輸出控制脈沖信號。脈沖寬度由T1計數器溢出中斷決定。在等待T1中斷時，將本次采樣值轉換成對應的溫度值放入顯示緩沖區，然后調用顯示子程序。從T1中斷返回后，再從T0中斷返回主程序并且、繼續顯示本次采樣溫度，等待下次T0中斷。1)二位式調節-它只有開、關兩種狀態，當爐溫低于限給定值時執行器全開；當爐溫高于給定值時執行器全閉。執行器一般選用接觸器。 2三位式調節-它有上下限兩個給定值，當爐溫低于下限給定值時招待器全開；當爐溫

16、在上、下限給定值之間時執行器局部開啟；當爐溫超過上限給定值時執行器全閉。如管狀加熱器為加熱元件時，可采用三位式調節實現加熱與保溫功率的不同。3比例調節P調節-調節器的輸出信號M和偏差輸入e成比例。即：M=ke 式中：K-比例系數 。比例調節器的輸入、輸出量之間任何時刻都存在-對應的比例關系，因此爐溫變化經比例調節到達平衡時，爐溫不能加復到給定值時的偏差-稱“靜差。 4比例積分PI調節-為了“靜差，在比例調節中添加積分I調節積分，調節是指調節器的輸出信號與偏差存在隨時間的增長而增強，直到偏差消除才無輸出信號，故能消除“靜差比例調節和積分調節的組合稱為比例積分調節。5) 比例積分微分PID調節-比

17、例積分調節會使調節過程增長，溫度的波動幅值增大，為此再引入微分D調節。微分調節是指調節器的輸出與偏差對時間的微分成比例，微分調節器在溫度有變化“苗頭時就有調節信號輸出，變化速度越快、輸出信號越強，故能加快調節速度，降低溫度波動幅度，比例調節、積分調節和微分調節的組合稱為比例積分微分調節。一般采用晶閘管調節器為執行器。 根據生產現場的運行情況，這種控溫方法，精度比擬高，系統性能穩定，滿足生產的實際需要。主要設備:熱電偶或熱電阻，智能PID溫控儀，可控硅觸發調功器等。第3章 系統電路分析硬件溫度檢測電路本設計采用鉑電阻作為溫度測量元件。這類材料具有性能穩定、抗氧化能力強和測量精度高等特點。有測溫元

18、件Rt和電阻元件組成橋式電路，將有溫度變化所引起的鉑電阻變化轉換成電壓信號送入放大器，由于鉑電阻安裝在測量現場，通過長線接入控制臺，為了減小引線電阻的影響，采用三線式法。顯然，外界溫度變化對連接導線電阻的影響在橋路中相互抵消了。電路剛開始運行時，可以通過調節電位器進行調零，使電路從零開始工作，即在檢測溫度為零度時，檢測電路輸出零。溫度檢測元件Pt100的電阻值與溫度的關系為Rt=R0+1+at+bt2，-3/，-7/2。式中二次項系數為負，當溫度升高時，Rt電阻值隨著增加稍而有下垂，呈現出非線性關系，必須進行非線性補償，如圖3.1溫度檢測電路以及Pt100的非線性校正。 圖3.1 非線性校正電

19、路其中非線性校正由運放和兩個100K、兩個500K電阻組成，這是溫度檢測變換電路的第一級，經過3號通道的100K.，500K兩個電阻構成負反響回路，2號通道的100K，500K兩個電阻構成正反響回路，為了維持電路的平衡，運放的正負反響回路皆會產生電流，負反響回路產生對地的電流。選取適宜的電阻值可以將Pt100的非線性誤差降到0.5%，0500，由于電阻爐為定溫控制，在控溫點進行精心地電路調整和測量校正，可以使溫度到達很高的精度。電源設計電路本設計所采用的電源如圖3.2所示，此電源共有四個電源，兩個正電源+12V，+5V和兩個負電源-12V，-5V。分別由W7800正壓單片穩壓器，W7900負壓

20、穩壓器，100uH的電感，濾波電橋，整流電解電容，發光二極管作用是降低集成穩壓電路的輸入電壓和防止總線斷電時，電容所儲存的電荷向總線釋放及發光二極管的限流電阻組成電源電路。W7800、W7900系列三端式集成穩壓器的輸出電壓是固定的，在使用中不能進行調整。W7800系列三端式穩壓器輸出正極性電壓，一般有5V、6V、9V、12V、5V、18V 、24V 七個檔次，輸出電流最大可達1.5A加散熱片。而W7900系列那么輸出負極性電壓，其輸出電壓及電流那么與W7800一樣。在整流局部那么采用了由四個二極管組成的橋式整流器成品又稱橋堆 。其中F)用以濾除輸出端的高頻信號，改善電路的暫態響應。3.3 R

21、S232/485轉換電路1.RS232/485的介紹RS-232目前是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。其被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。收、發端的數據信號是相對于信號地。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發送數據時，發送端驅動器輸出正電平在+515V，負電平在-5-15V電平。正無數據傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數據到結束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電壓在+3+12V與-3-12V。由于發送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加

22、上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約為15米，最高速率為20Kbps。RS-232是為點對點即只用一對收、發設備通訊而設計的，其驅動器負載為3K7K。因此RS-232很適合于本地設備之間的連接。而RS485那么采用差分信號負邏輯。它采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。RS485串行總線通信距離能夠到達幾千米再加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，因此傳輸信號即使在千米以外也能夠得到恢復。其采用的是半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。再次應用RS-485 可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺

23、接收器，用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。2.RS232/RS485轉換電路 由于PC機默認的只帶有RS232接口，有兩種方法可以得到PC上位機的RS485電路：1通過RS232/RS485轉換電路將PC機串口RS232信號轉換成RS485信號，對于情況比擬復雜的工業環境最好是選用防浪涌帶隔離珊的產品。2通過PCI多串口卡，可以直接選用輸出信號為RS485類型的擴展卡。目前，大局部PC機的通信端口為9芯D型插頭，在實際使用PC機進行串行通信時，通常只使用其中的RTS、RXD、TXD與GND四個端口，以構成簡易的四線通信線路。筆者采用這種方案巧妙地利用光電耦合器的隔離特性和R

24、S232工作時RTS線與TXD線之間的電平關系，給出了簡單、可靠的電路設計。具體轉換電路如下圖。該電路使用了三片光電耦合器TLP521-1進行隔離，這使PC機與SN75LBC184之間完全沒有了電的聯系，從而提高了工作的可靠性。當RS232的RTS端為邏輯電平1(-12V)時，光電耦合器的發光二極管不發光，光敏三極管不導通，輸出端為TTL邏輯電平1+5V，此時選中RS485的DE端允許RS485接收，這樣，RS232的TXD端就可以發送數據工作邏輯與RTS端相似。當RS232的RTS端為邏輯電平0+12V時，光電耦合器的發光二極管發光，光敏三極管導通，輸出端為TTL邏輯電平0(0V)，此時選中

25、RS485的RE端允許RS485發送。當RS485的R端的輸出為邏輯電平1時，光電耦合器發光二極管不發光，光敏三極管不導通，這樣，在RS232輸出停止時，其TXD電平為-12V，電容被充電到-12V以使其輸出也變成-12V，即邏輯電平1；當其輸出為邏輯電平0時，光電耦合器發光二極管發光，光敏三極管導通，這時，其輸出為+5V，也在RS232邏輯電平0的范圍之內，即為邏輯電平0。將上述轉換器應用于分布式溫度采集和控制系統中時，可獲得較為滿意的轉換效果已有應用實例。因此，在對下位機的實時性要求較高、通信的數據量不太大的分布式控制場合，這種低本錢、高可靠性的RS232/RS485轉換器具有較大應用價值

26、。RS232/RS485轉換電路如3.3所示。 RS232/RS485轉換電路圖3.4 PWM式鍵盤接口電路以往電路設計中，為實現單片機系統的鍵盤、LED顯示，常采用兩種方法：一是用8155、8255并行擴展接口構成顯示、鍵盤電路。這時應采用含有P0、P2總線口的單片機，以便擴展并行口。這種電路選用的器件大，引腳多，對小型系統資源有些浪費。二是用串行口配上移位存放器74HC4060構成硬件譯碼靜態顯示、鍵盤接口電路。這種電路大大減少IO口線，但使用芯片較多，一塊74HC4060芯片對應一位LED數碼管，電路較復雜，耗電較大。為了充分利用資源，使設計出的系統最小、最優，我們在設計智能化測控儀表時

27、，選用AT89C51單片機與MCl4499譯碼驅動器構成串行口硬件譯碼顯示、鍵盤接口，既簡化電路又使單片機引腳得到充分利用。1.接口電路及工作原理接口電路如下列圖所示。在本接口電路中，只使用三塊芯片構成硬件譯碼鎖存的動態顯示及鍵盤電路，動態掃描由硬件管理。工作原理AT89C51的數據輸入端P1口，然后由傳感器、運算放大器、A巾轉換器(如5G14433等)組成的前置通道，由P1口采集的數據是4位BCD碼。在單片機中對其進行數字濾波后，從串行口輸出。鍵盤局部使用串行輸入、并行輸出移位存放器74HC4060經串行口擴展并行Io口(設定串行口工作在移位存放器、方式0狀態下)。本接口只擴展了8個鍵，如不

28、夠，還可串接。顯示局部采用MCl4499譯碼、驅動。AT89C51的RXD提供串行輸出的BCD碼來顯示數據，TXD提供串行移位脈沖。P34控制使能端EN。MCl4499的輸出端A、B、C、D、E、F、G、DP 8個腳分別接在4位一體LED的斷碼輸入端(a、b、c、d、e、f、g)上。字位選擇端I、經反向器驅動后，分別接在4個數碼管的公共端。由內部時序分時選通4個數碼管，進行動態顯示掃描。如所用LED顯示器不止4個，可再用一片MCl4499級聯來擴展。為了使串行口的數據輸出速率與MCl4499接收速率相匹配，單片機的工作頻率應為3MHz。可控硅調功電路電路工作原理電路原理圖如下圖。調節波段開關S

29、A的擋位，可以改變電容C1的充放電速率。利用C1兩端交流電壓通過雙向觸發二極管VD3去觸發雙向晶閘管VS導通、并改變了VS的導通角，使負載RL兩端交流電壓隨之發生變化。發光二極管VD2、VD5作為信號指示，由于導通角不同，發光亮度各異。SA置于“1擋，VD5顯示；SA置于“4擋，那么VD2顯示；R5是限流電阻，用來保護VS。電阻R7、電容C2為吸收回路，用來吸收SA在選擋時所產生的干擾脈沖，否那么在SA選擋過程中將對電視機、音響及其他電聲器件產生一定的干擾。元器件選擇電容C1選用0.1uF/160V，C2選0.022uF/400V(滌綸電容器)。電阻R1為56k、1/2W，R2為39k、1/4

30、W，R3為27k、1/4W，R4為2k、1/4W，R5為47、1/2W，R6為100k、1/2W(可變)，R7為300、1/4W，R8為43k、1/2W。二極管VD1、VD4用1N4004。發光二極管VD2用BT104(黃色)，VD5用BT103(綠色)。觸發二極管VD3為DB3或VR60。雙向晶閘管V5用TLC226B(3A/400V)或TLC336A(3A/600V)。波段開關SA用KZX-1-2D-11W。負載RL為交流220V/300W(電爐絲)。 制作方法與使用說明本電路的核心器件是雙向晶閘管，因此一定要對其質量進行檢測。由于電路簡單可自行設計印制電路板。只要按圖連接無誤，不用調試便

31、可工作圖3.5 調功電路圖第4章 芯片介紹AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory的低電壓,高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。其片內4kbytes可反復擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和128kbytes的隨機存取數據存儲器(RAM)，32個IO口線。兩個16位定時，計數器，一個5向量兩級中斷機構，一個全雙工串行通信121，片內振蕩器及時鐘電路，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元。空閑方式停止CPU的工作但允許RA

32、M、定時計數器、串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。其引腳電路圖如圖4.1所示：圖4.1 AT89C51引腳電路圖4.2 MC14499芯片介紹MCl4499是一個CMOS LED譯碼驅動器，片內主要包括一個20位移位存放器、一個鎖存器、一個多路輸出器，由多路輸出器輸出的BCD碼經譯碼器譯碼后，換成點七段碼送至片驅動器輸出(a、b、d、e、f、g)和小數點DP。另外，由片內振蕩器經過四分頻的信號，經位譯碼后提供4個位控信

33、號，經位驅動器至四位控制線(I、)。由于MCl4499片內具有BCD譯碼器和串行接口，所以它幾乎可以與任何單片機接口相連。芯片主要控制信號為D：串行數據輸入端；a、b、d、e、f、g：七段顯示輸出；工、：字位選擇端，用來產生LED選通信號；OSC：振蕩器外接電容端，外接電容使片內振蕩器產生200800Hz掃描信號以防LED顯示器閃爍；CLK：時鐘輸入端，用以提供串行接收的控制時鐘，標準時鐘頻率為50kHz；麗：使能端，為0時，MCl4499允許接收串行數據輸入，為1時，片內的移位存放器將數據送入鎖存器中鎖存。MC14499管腳配置如下列圖4.2所示：圖4.2 MC14499引腳電路圖 MAX1

34、97芯片在數據采集系統中，A/D轉換的速度和精度又決定了采集系統的速度和精度。MAX197是Maxim公司推出的具有12位測量精度的高速A/D轉換芯片，只需單一電源供電,且轉換時間很短(6ms)，具有8路輸入通道,還提供了標準的并行接口8位三態數據I/O口，可以和大局部單片機直接接口，使用十分方便。MAX197無需外接元器件就可獨立完成A/D轉換功能。它可分為內部采樣模式和外部采樣模式，采樣模式由控制存放器的D5位決定。在內部采樣控制模式(控制位置0)中，由寫脈沖啟動采樣間隔,經過瞬間的采樣間隔(芯片時鐘為2MHz時，頻率為3ms)，即開始A/D轉換。在外部采樣模式(D5=1)中，由兩個寫脈沖

35、分別控制采樣和A/D轉換。在第一個寫脈沖出現時，寫入ACQMOD為1，開始采樣間隔。在第二個寫脈沖出現時，寫入控制字ACQMOD為0，MAX197停止采樣，開始/轉換。這兩個寫脈沖之間的時間間隔為一次采樣時間。當一次轉換結束后，MAX197相應的INT引腳置低電平，通知處理器可以讀取轉換結果及內部采樣模式的數據轉換時序。對于模擬到數字量的轉換，時序要求非常嚴格，由于MAX197的數字信號輸出引腳是復用的,要正確讀出轉換結果，時序要求尤其重要。在一次采樣開始前，可以通過單片機的8位數據線把這些控制字寫入MAX197來初始化相應的參數。然后按照一定的時序進行采樣和轉換。圖中HBEN為12位數據高4

36、位或低8位有效控制位,當此位為高時，高4位數據有效，為低時低8位數據有效。可以通過控制這個引腳來讀取12位的轉換結果。其管腳排列圖如圖4.3所示：圖4.3 MAX197的引腳電路圖 74HC4060芯片74HC4060是一款高速CMOS器件，74HC4060引腳兼容HEF4060。74HC4060是14階脈動進位計數器/振蕩器，帶有3個振蕩器端口RS， RTC和CTC，10個緩沖輸出Q3至Q9，Q11至Q13和1個最高優先級異步主復位MR。振蕩器配置可以是RC振蕩設計，也可以是晶振電路設計。通過RS輸入端，振蕩器可由外部時鐘信號代替。這種情況下，需保持其他振蕩器引腳RTC和CTC懸空。74HC

37、4060的計數器在RS的下降沿增長，MR端輸入高電平那么會清零計數器Q3至Q9，Q11至Q13為低，且不依賴于其他輸入條件。其管腳排列圖如下列圖4.4所示：圖 74HC4060的引腳電路圖第5章 系統控制算法仿真飛升曲線實驗中為了得到飛升曲線，選去了以被控制對象為1L凈水，采用1KW電爐進行加熱。飛升曲線法實測電加熱爐參數。電加熱爐是一階慣性加純滯后環節，傳遞函數為： 式中：K 放大系數； T 對象時間常數； 對象滯后時間輸出從起始值到達0.632倍穩定值的時間，即為時間常數T，而滯后時間可直接從圖中測量。有時實測的飛升曲線見圖3有彎曲，這時可采用一階加純滯后的虛擬曲線來逼近，而起始局部那么可

38、定出一個等效的滯后時間，可在曲線斜率的折點處作一切線，與時間軸的交點認為是一階的起點，坐標原點到一階的起點即純滯后時間，一階的起點到切線與穩定值的交點的時間為時間常數T。通過計算，得到其傳遞函數近似為并通過改變實驗板上的PID控制參數進行水溫度的恒溫控制。實驗中得到以下飛升曲線。圖 飛升曲線1 圖 飛升曲線25.2 PID算法仿真1 PID算法的根本原理PID工作根本原理：由于來自外界的各種擾動不斷產生，要想到達現場控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進行。假設擾動出現使得現場控制對象值(以下簡稱被控參數)發生變化，現場檢測元件就會將這種變化記錄并傳送給PID控制器，改變過程變量值(

39、以下簡稱PV值)，經變送器送至PID控制器的輸入端，并與其給定值(以下簡稱SP值)進行比擬得到偏差值(以下簡稱e值)，調節器按此偏差并以我們預先設定的整定參數控制規律(將在第三節PID算法中詳細推導與分析)發出控制信號，去改變調節器的開度，使調節器的開度增加或減少，從而使現場控制對象值發生改變，并趨向于給定值(SP值)，以到達控制目的。PID控制原理基于下面的算式：Mn = MPn +MIn + MDn輸出=比例項+積分項+微分項。Mn ：第n次采樣時刻，PID回路輸出的計算值(OUT值) ，MPn ：第n次采樣時刻的比例項 ，MIn ：第n次采樣時刻的積分項 ，MDn ：第n次采樣時刻的微分

40、項比例項(MPn)： 1. 比例項MP是增益(Kc)和偏差(e)的乘積。因為偏差(e)是給定值(SP)與過程變量值(PV)之差(en=SPn-PVn)。求比例項算式為：MPn=Kc* (SPn-PVn) 其中MPn ：第n次采樣時刻比例項的值，Kc ：PID回路增益 ，SPn ：第n次采樣時刻的給定值 ，PVn ：第n次采樣時刻的過程變量值。2. 積分項MIn與偏差和成正比。因為偏差(e)是給定值(SP)與過程變量值(PV)之差(en=SPn-PVn)。求積分項算式為：MIn=Kc* (SPn-PVn)+MX 其中MIn ：第n次采樣時刻積分項的值，Kc ：PID回路增益，T ：采樣周期(或控

41、制周期)，TI：積分時間常數，SPn ：第n次采樣時刻的給定值，PVn ：第n次采樣時刻的過程變量值，MX：第n-1采樣時刻的積分項(積分前項)。 3. 微分項MDn與偏差的變化成正比。因為偏差(e)是給定值(SP)與過程變量值(PV)之差(en=SPn-PVn)。求微分項算式為，MDn= KC* * (PVn-PVn-1)，其中MDn ：第n次采樣時刻微分項的值，Kc ：PID回路增益，PVn ：第n次采樣時刻的過程變量值，PVn-1：第n-1次采樣時刻的過程變量值。4. PID控制規律是一種較理想的控制規律，它在比例的根底上引入積分，可以消除余差，再參加微分作用，又能提高系統的穩定性。它適

42、用于控制通道時間常數或容量滯后較大、控制要求較高的場合。如溫度控制、成分控制等。5. PID手、自動控制方式，在現場控制回路中，我們有時會出現擾動的強變引起現場過程值的跳變，如果這時采用了I控制規律，要消除這個擾動，會使得調節時間過長、過慢，這時就需要人為的進行干預。PID控制器在這方面設置了一個使能位0或1，0指手動控制，1為PID參與調節，也就是“自動與“手動的說法。當PID運算不被執行的時，我們稱之為“手動方式，PID運算參與控制稱為“自動方式。當這個使能位發生從0到1的正跳變時，PID會按照預先設置的控制規律進行一系列的動作，使PID從手動方式無擾動地切換到自動方式，為了能使手動方式無

43、擾動切換到自動方式，PID會執行以下操作： 1置過程變量值PV=給定值SP，在未人為改變SP值之前，SP持恒定。 2置過程變量前值PVn-1=過程變量現值PVn 。6. PID的最正確整定參數的選定，PID的最正確整定參數一般包括Kc、TI、TD等三個常用的控制參數。在具體整定中，我們通常先關閉積分項和微分項，將TI設置為無窮大、TD設置為零，使其成為純比例調節。初期比例度按經驗數據設定，根據PV曲線，再慢慢的整定比例控制比例度，使系統到達4：1衰減振蕩的PV曲線，然后，再加積分作用。在加積分作用之前，應將比例度加大為原來的1.2倍左右。將積分時間TI由大到小的調整，真到系統再次得到4：1的衰

44、減振蕩的PV曲線為止。假設需引入微分作用，微分時間按TD=(1/31/4) TI計算，這時可將比例度調到原來數值或更小一些，再將微分時間由小到大調整，直到PV曲線到達滿意為止。有一點需要注意的是：在湊試過程中，假設要改變TI、TD時，應保持 的比值不變。7.值得注意的是：PID最正確整定參數確定后，并不能說明它永遠都是最正確的，當由外界擾動的發生根本性的改變時，我們就必須重新根據需要再進行最正確參數的整定。它也是保證PID控制有效的重要環節。2 PID算法仿真實驗實驗中我們選擇的對象傳遞函數模型為： K=20, T= 60s,=10s 控制示波器輸出范圍為-55V等同于實際控制中的控制器輸出電

45、壓值；同時為了防止積分飽和，對有積分的控制器均采用了積分別離措施,以提高控制效果。PID控制器的參數在通過Ziegler-Nichols法整定，減小了積分控制系統的穩態誤差精度，由于不斷累計誤差，能使誤差迅速消除，但能使系統產生超調；而在系統中增加微分控制，能夠增加系統的阻尼，提高動態響應速度，由于控制器能夠補償絕大多數的控制系統，整定方法簡單，魯棒性好，通過PID最正確整定參數后再微調得傳遞函數：Kp=0.07，Ki=3，Kd=0.018并建立PID調節器控制模型如下： 圖5.2.1 PID調節器控制模型MATLAB中運行并點擊SCOPE，得出階躍響應曲線圖5其中超調量5%，響應時間按5%要

46、求，約為210秒。穩態誤差約為0.2%。圖 階躍響應 圖5.2.3 階躍響應 下面觀察一下在一個相對較小的隨機擾動下系統的表現，當給定80度，增益的幅值上調10%后,即其階躍響應圖如圖5。為了觀察一下系統的魯棒性，把其它模型參數也加以改變,改為，和，其控制器控制參數不變,得到的階躍響應結果圖5和圖5.2.5。 圖階躍響應 階躍響應 3 PID仿真分析從以上仿真曲線可以看到，PID控制算法的仿真曲線出現了等幅振蕩。分析得到：PID控制算法僅僅在模型匹配時能夠進行穩定的控制，其動態性能不理想。當模型失配時，PID控制算法就無能為力了。總的來說，PID調節的效果不是很理想，在忽略了擾動的情況下，系統

47、的超調量在5%左右，對于一個熱水器來說，勉強是可以接受的，加一個相對來碩幅值較小的隨機擾動后，系統的超調量到達了8%左右。如果考慮到對象的建模不十分準確，把參數改動一些后，出現了較大的超調，調節實踐方面，系統的表現良好，響應時間小于160秒，穩態誤差也較小，對于本設計的需求來看是可以滿足要求的。第6章 MCGS組態MCGS全中文工業自動化控制組態軟件以下簡稱MCGS工控組態軟件或MCGS為我們建立全新的過程測控系統提供了一整套解決方案，MCGS工控組態軟件是一套32位工控組態軟件，可穩定運行于Windows95/NT操作系統，集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、網絡數據傳輸、雙機熱

48、備、工程報表、數據與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內外眾多數據采集與輸出設備，廣泛應用于石油、電力、化工、鋼鐵、礦山、冶金、機械、紡織、航天、建筑、材料、制冷、交通、通信、食品、制造與加工業、水處理、環保、智能樓宇、實驗室等多種工程領域。 MCGS 的整體結構MCGS 軟件系統包括組態環境和運行環境兩個局部，組態環境相當于一套完整的工具軟件，用戶可以利用它設計和開發自己的應用系統。用戶組態生成的結果是一個數據庫文件，即組態結果數據庫。運行環境是一個獨立的運行系統，它按照組態結果數據庫中用戶指定的方式進行各種處理，完成用戶組態設計的目標和功能，組態環境和運行環境互相獨立，

49、又密切相關，如圖6.1 所示。圖6.1 組態環境和運行環境的關系6.2 MCGS軟件的功能和特點·全中文可視化組態軟件，簡潔、大方，使用方便靈活；·完善的中文在線幫助系統和多媒體教程； ·真正的32位程序，支持多任務、多線程，運行于Win95/98/NT/2000平臺； ·提供近百種繪圖工具和根本圖符，快速構造圖形界面； ·支持數據采集板卡、智能模塊、智能儀表、PLC、變頻器、網絡設備等700多種國內外眾多常用設備； ·支持溫控曲線、方案曲線、實時曲線、歷史曲線、XY曲線等多種工控曲線； ·支持ODBC接

50、口，可與SQL Server、Oracle、Access等關系型數據庫互聯 ；·支持OPC接口、DDE接口和OLE技術，可方便的與其他各種程序和設備互聯； ·提供漸進色、旋轉動畫、透明位圖、流動塊等多種動畫方式，可以到達良好的動畫效果； ·上千個精美的圖庫元件，保證快速的構建精美的動畫效果； ·功能強大的網絡數據同步、網絡數據庫同步構建，保證多個系統完美結合； 完善的網絡體系結構，可以支持最新流行的各種通訊方式，包括 通訊網、寬帶通訊網、ISDN通訊網、GPRS通訊網和無線通訊網。 MCGS組態過程MCGS為每一種根本圖形元素定義了不同的動畫屬性，如：一

51、個長方形的動畫屬性有可見度，大小變化，水平移動等，每一種動畫屬性都會產生一定的動畫效果。所謂動畫屬性，實際上是反映圖形大小、顏色、位置、可見度、閃爍性等狀態的特征參數。然而，我們在組態環境中生成的畫面都是靜止的，如何在工程運行中產生動畫效果呢？方法是：圖形的每一種動畫屬性中都有一個“表達式設定欄，在該欄中設定一個與圖形狀態相聯系的數據變量，連接到實時數據庫中，以此建立相應的對應關系，MCGS稱之為動畫連接。詳細情況請參閱后面第四講中的動畫連接。MCGS如何實施遠程多機監控：MCGS提供了一套完善的網絡機制，可通過TCP/IP網、Modem網和串口網將多臺計算機連接在一起，構成分布式網絡監控系統

52、，實現網絡間的實時數據同步、歷史數據同步和網絡事件的快速傳遞。同時，可利用MCGS提供的網絡功能，在工作站上直接對效勞器中的數據庫進行讀寫操作。分布式網絡監控系統的每一臺計算機都要安裝一套MCGS工控組態軟件。MCGS把各種網絡形式，以父設備構件和子設備構件的形式，供用戶調用，并進行工作狀態、端口號、工作站地址等屬性參數的設置。 如何對工程運行流程實施有效控制：MCGS開辟了專用的“運行策略窗口，建立用戶運行策略。MCGS提供了豐富的功能構件，供用戶選用，通過構件配置和屬性設置兩項組態操作，生成各種功能模塊稱為“用戶策略，使系統能夠按照設定的順序和條件，操作實時數據庫，實現對動畫窗口

53、的任意切換，控制系統的運行流程和設備的工作狀態。所有的操作均采用面向對象的直觀方式，防止了煩瑣的編程工作。本設計就是利用MCGS組態軟件設計的這些特性，在設備組態窗口中選擇適當的串口通訊設備添加AT89C51芯片。正確設置其屬性，正確設置組態軟件中數據變量設備通道的連接，即可實現單片機與組態軟件的通訊。將單片機中的串口驅動程序與組態軟件的需求響應相結合，使電腦對單片機發出的信號有響應。在MCGS組態軟件的用戶窗口中，制作一個動畫界面。在界面上設置各個控件的屬性，使設置的控件按照真實的情況動作，檢驗和測試電梯單片機控制系統對電梯的運行狀態的控制效果。MCGS用主控窗口、設備窗口和用戶窗口來構成一個應用系統的人機交互圖形界面組態配置各種不同類型和功