1、電熱爐溫度控制系統的設計1. 設計任務與要求初始條件：可靠的溫度的監控在工業中是十分必要，為了滿足工業電加熱爐的控制性能要求，以加熱爐里的溫度作為被控參數，設計電熱爐溫度控制系統。要求完成的主要任務:(1)電熱爐溫度特性分析(2)系統設計方案(3)系統的工作原理(4)系統說明2. 電熱爐溫度特性分析工業電爐溫控系統主要由溫度傳感器、溫度調節儀、執行裝置、被控對象四個部分組成，其系統結構圖。被控制對象是大容量、大慣性的電熱爐溫度對象，是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，通常采用可控硅作調節器的執行器。 執行器的特性：電爐的溫度調節是通過調

2、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。 調節工業電爐的溫度，在工業上是通過在設定周期圍，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導通的電壓周波。設周期Tc導通的周期的波數為n，每個周波的周期為T，則調功器的輸出功率為P=n×T×Pn/Tc，Pn為設定周期Tc電壓全通過時裝置的輸出功率。3. 設計方案3.1 系統方案此系統主要包

3、括單片機控制系統、溫度采集系統、溫度顯示模塊、溫度上下限調節模塊以與外部存儲模塊等幾部分組成。圖1為系統的總體框架圖1 系統總體框架由系統總體框架圖可知，在溫度控制系統中，經過DS18B20傳感器檢測到的溫度值送入單片機中，在單片機部經過數據的處理信號與給定的對應的所要求的溫度值進行比較，同時還可以經過按鍵來調節溫度的實時值，產生的溫度值可以與存儲器中存儲的溫度值進行比較，根據比較的結果來控制相應的指示燈的亮與滅，從而可以方便地控制溫度的變化。此外，電熱爐的溫度控制的性能至關重要，傳統的裝置通常是基于常規的PID控制方案，往往會存在著精度不高以與工作效率較低的特點。特別是對于難以準確的確定其數

4、學模型或者是具有非線性、純滯后和時變的溫度的控制過程，僅僅依靠傳統的PID控制方案難以滿足電熱爐溫度控制的高精度的要求。為了確保電熱爐溫度控制高性能目標的實現，可以根據其數學模型、典型的控制方案和仿真運行的結果進行分析和研究，從而可以發現模糊自適應整定的PID控制方案通過模糊規則和模糊的推理方法能夠對PID控制器參數進行校正，因而具有實用和高性能的特點。3.2 溫度采集模塊溫度由DALLAS公司所生產的一線式數字溫度傳感器DS18B20采集。DS18B20的測溫圍位- 55°-125°C,測試的分辨率能夠達到0.0625°C,測試的溫度用符號擴展位16位形式串行輸

5、出。CPU只需一根端口線就可以與多個DS18b20進行通信，占用的微處理器的端口較少，進而可以節省大量的引線與邏輯電路。DS18B20的部是一個9字節的高速存儲器，存儲器用來存儲所設定的溫度值。其中它的前兩個字節是將要測得的溫度數據，第一字節所存儲的是溫度的低八位，第二字節會是溫度的高八位，第三和第四字節將是溫度的上限Th與溫度的下限TL的易失性拷貝，第五字節會是結構存儲器的易失性拷貝，此三字節的容在每一次的上電復位時均會被刷新，第六、七、八三個字節是用于部的計算，而第九字節為冗余校驗字節，用于保證通信的準確性。當溫度轉換命令發出轉換命令后，經過轉換的溫度值將會以二字節補碼的形式存放在此存儲器

6、的第一和第二字節中。單片機能夠通過單線接口讀到數據，讀數據時低位在前，高位在后，其中的高五位是符號位，中間的七位是整數位，最低四位將會是小數位。DS18B20的最大特點是單總線數據的傳輸方式，因而對于讀寫的數據位有著嚴格的時序要求。例如包括初始化時序、讀時序、寫時序。每一條命令和數據的傳輸都是從單片機寫時序開始的，如要求DS18B20回送數據，那么在進行寫命令后，單片機需要啟動讀時序才能夠完成數據的接收。命令和數據的傳輸都是低位在先。圖2為DS18B20在proteus中的的實物圖。圖2 DS18B20實物圖DS18B20是DALLAS公司生產的1Wire，即單總線器件，具有微型化、低功耗、高

7、性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優點，與單片機接口時僅需占用一個I/O端口，無須任何外部元件，就直接可以將環境溫度轉化成串行數字信號供處理器處理。其特性如下：（1）只要求一個端口即可實現通信。（2）在DS18B20中的每個器件上都會有獨一無二的序列號。（3）測量的溫度圍是55到125之間。（4）在實際的應用中不需要任何外部元器件即可實現測溫。 （5）部有溫度上限和下限的報警設置。 （6）用戶可以從9位到12位來選擇數字溫度計的分辨率。 （7）支持多點測溫的功能，若干個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現組網思維多點測溫。（8）電源極性接反時，芯片不會因為發熱而燒毀，但不能正常的工作。D

8、S18B20的引腳功能為：DQ為數字信號的輸入/輸出端；GND為電源接地標志；VCC為外接供電電源的輸入端。本設計使用單片機AT89C51的P3.4口與DS18B20的單總線端口DQ相連。DS18B20部結構主要是由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL以與配置寄存器。DS18B20在出廠時的默認設置為12位，最高位為符號位，溫度值共11位。單片機在讀取數據時可以一次讀取2個字節共16位，前5位為符號位，當前5位為1時，當讀取的溫度為負值時，讀到的數值要取反加1再乘以0.0625才是它的實際溫度值。而當前5位為0時，讀取的溫度為正值，讀到的數值直接乘以0.0

9、625便是實際的溫度值。根據DS18B20的通訊協議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：在每一次的讀寫之前都需要對DS18B20進行復位，并且在復位成功后還要發送一條ROM指令，最后再發送RAM指令，只有這樣才能夠對DS18B20進行預定的操作。復位成功后會要求主CPU將數據線下拉500微秒左右，然后將會釋放，DS18B20在收到信號后將會等待1660微秒左右，然后將發出60240微秒的存在低脈沖，此時主CPU收到此信號才能夠表示復位成功。在實際使用的中，DS18B20有以下事項需要注意：在對DS18B20的讀寫的編寫程序時，必須嚴格的保證讀寫時序，如若不然將會無法讀取到測得

10、的溫度結果。 在用DS18B20進行長距離測溫系統設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。因為連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。當向DS18B20發出溫度轉換的指令后，程序要等待DS18B20的返回信號，假如某個DS18B20接觸不好，當程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序會進入死循環。3.3 液晶顯示器液晶顯示器也稱為LCD，由于LCD的控制必須使用專用的驅動電路，且LCD面板的接線需要特殊的技巧，再加上LCD面板十分的脆弱，因此一般不單獨的使用，而是將LCD面板、驅動電路與控制電路組合成LCM模塊一起使用。LCM是一種很省電的電子設備，常被應用在數字或單片機控制系統

11、中。液晶顯示器選用LM016L，它是顯示兩行的字符型LCD顯示器，它是由32個字符點陣塊組成。每個字符點陣塊都是由5×7或5×10個點陣組成，并可以顯示ASCII表中所有的可視字符。它的部置了字符產生器ROM，字符產生器RAM和顯示數據RAM，CGROM的部置了192個常用字符的字模，且CGRAM包含了8個字節的RAM，可以用來存放用戶自定義的字符，DDRAM就是用來寄存等待選擇的字符的代碼。LM016L字符型與單片機之間的連接主要有兩種：直接訪問方式連接和間接控制方式連接。 直接訪問方式連接是由單片機的讀、寫和高位地址線共同控制LCM的E端，由高位地址線其中的兩條分別與R

12、S端和R/W端相連，由單片機的P0口與LCM的DB0DB7相連，這樣就可以構成了三總線（數據總線DB、地址總線AB和控制總線CB）的連接方式。由于構成了三總線的結構，所以在軟件控制上比較簡單，用通過訪問外部地址的方式就能訪問LCM。但是，在使用這種連接方式時需要注意單片機的控制總線時序和地址總線時序必須要與LCM所需要的時序相匹配，否則將無法訪問。LM016L主要技術參數如下：顯示容量：16*2個字符芯片工作電壓：4.55.5V工作電流：2.0mA字符尺寸：2.95*4.35（W*H）mm管腳號名稱電平功能描述1VSS0V2VDD5.0V3VEE4RSH/LH：數據線上為數據信號；L：數據線上

13、為指令信號5RWH/LH：讀數據模式；L：寫數據模式6EH/L使能信號端714DB0DB7H/L數據口 3.4 外部存儲模塊外部存儲器選用的是美國ATMEL公司生產的低功耗的CMOS型E2PROM器件AT24C02C，它的部含有256×8位的存儲空間，而且它還具有工作電壓寬，擦寫次數多、寫入速度快、數據不易丟失等特點。它采用了I2C的總線規程，能夠使主機和從機實現雙向通信。主機會通過SCL引腳產生串行的通信時鐘信號并且可以發出控制字，用于控制總線的數據傳輸的開始、方向和停止。不管是主機或者是從機，每當接收到一個字節后必須發出一個確認信號。AT24C02C占用很少的資源和I/O線，且支

14、持在線編程，數據實時存取十分的方便。圖3為存儲器相關的電路圖：圖3 存儲器連接圖 3.5 鍵盤的設置鍵盤可以分為兩種：非編碼式鍵盤和編碼式鍵盤。非編碼式鍵盤是利用按鍵直接與單片機進行連接而成的，這種鍵盤通常使用的按鍵數量較少，使用這種鍵盤，系統的功能通常比較簡單，需要完成的任務較少，同時可以降低系統的成本、簡化電路的設計。非編碼式鍵盤的接口電路需要根據設計者的需要自行決定，按鍵信息是通過單片機的接口軟件來獲取。編碼式鍵盤是較多按鍵和專用驅動芯片組合而成的，當某個按鍵按下時，它能夠處理按鍵抖動、連擊等問題，直接輸出按鍵的編碼，無需系統軟件的干預。鍵盤的工作方式有三種：編碼掃描工作方式、中斷工作方

15、式和定時掃描工作方式。本文的鍵盤設置包括四個按鍵：啟動鍵、溫度的增加鍵、溫度的降低鍵和確認鍵。通過這四個鍵的整體配合，可以方便快捷的調節溫度的值，從而可以根據設置的溫度的上下限值觀察報警燈的工作狀態，使調節的過程安全可靠。3.6 控制電路模塊該部分電路有光耦合元件4N25、繼電器、三極管、指示燈以與若干電阻構成。該部分電路的主要作用是光電隔離，即消除后級電路對前級單片機的影響。三極管是使用NPN型的，把其集電極接+5V電壓，射極接繼電器。當單片機的引腳給出低電位時，光耦合元件4N25部的發光二極管亮，使其部的三極管導通，進而使引腳上的10K電阻分得電壓。控制電路可以實時的反應溫度值的大小，可以

16、為溫度的變化帶來迅速、準確的響應。圖4為控制電路圖：圖4 控制電路圖在本設計中控制方法是定值開關溫度控制，沒有采用PID控制算法，基本可以滿足本設計要求。在實際應用中還有PD、PID算法，可以達到比較高的精度。對于不同的控制對象，所采用的算法也應該有所不同。比如對于熱慣性大、耦合強、時間滯后明顯、難以建立精確數學模型的大型立式淬火爐，有時就會采用人工智能模糊控制的算法，借以對淬火爐電熱元件通斷比的調節，來實現對爐溫的自動控制，有時也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法結合PID控制算法的聯合控制方案，對于不同的對象在實際應用時應該靈活運用。4 系統的Proteus仿真41 Proteus仿真軟

17、件的簡單介紹Proteus是英國Labcenter electronics公司研發的EDA設計軟件， 是一個基于ProSPICE混合模型仿真器的，完整的嵌入式系統軟、硬件設計仿真平臺。 Proteus不僅可以做數字電路、模擬電路、數模混合電路的仿真，還可進行多種CPU的仿真，涵蓋了51、PIC、AVR、HC11、ARM等處理器，真正實現了在計算機上從原理設計、電路分析、系統仿真、測試到PCB板完整的電子設計，實現了從概念到產品的全過程。下面介紹一下PROTEUS的編輯環境。（1）工作界面Proteus ISIS的工作界面是一種標準的Windows界面，如圖4.2.1所示。包括：繪圖工具欄、標題

18、欄、預覽窗口、對象選擇器窗口、預覽對象方位控制按鈕、主菜單、標準工具欄、圖形編輯窗口、狀態欄、對象選擇按鈕、仿真進程控制按鈕。圖5 Proteus ISIS的工作界面(2) 主菜單PROTEUS包括File、 Edit、View等12個菜單欄，如圖5.2所示。每個菜單欄又有自己的菜單，PROTEUS的菜單欄完全符合WINDOWS操作風格。圖6 Proteus ISIS的菜單欄(3) 工具欄工具欄包括菜單欄下面的標準工具欄和圖5.1右邊的繪圖工具欄，標準工具欄的容與菜單欄的容一一對應，繪圖工具欄有豐富的操作工具，選擇不同的按紐會得到不同的工具。4.2 編程軟件Keil的簡單介紹 Keil使用“工

19、程”（Project）的概念，對工程（而不能對單一的源程序）進行編譯/匯編、連接等操作。首先新建工程（Project-new project），如圖7所示。圖 7 新建工程 文件保存類型為.uv2，如圖8所示：圖 8 保存工程 點擊保存后在跳出來的對話框中選擇Ateml下面的89c51單片機。如圖9所示。圖 9 選擇單片機類型此時的工程管理窗口的文件頁（Files）上會出現“Target1”，點擊前面的+，接著選擇Source Group1，右鍵單擊會彈出快捷菜單，然后選擇“Add File to Group Source Group1”這一命令，如圖10所示。出現了一個對話框，需要尋找并加入

20、源文件，源文件后綴為.c或.asm，如圖11所示。打開空白c文件就可以開始編寫程序了。圖10 添加源文件圖11 源文件4.3 DS18B20測溫程序設計1、DS18B20的控制指令如下： CCH跳過ROM。忽略64位ROM地址，直接向DS18B20發送溫度變換命令。 55H匹配ROM，發出此命令后發出64位ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對應的DS18B20并使之做出響應。 33H讀ROM中的編碼。如果主機只對一個DS18B20進行操作（即本設計這樣的情況），只需用跳過ROM（CCH）命令就可進行溫度轉換和讀取操作。如下： 44H溫度轉換。啟動DS18B20進行溫度轉換，結果存入部9字節的R

21、AM中。 BEH讀暫存器。讀部RAM中9字節的溫度數據。 4EH寫暫存器。發出向部RAM的第2、3字節寫上下限溫度數據命令，隨后傳送兩字節的數據。2、工作時序與相應程序： 初始化： 先將數據線置高電平1； 延時； 數據線拉到低電平0； 延時； 數據線拉到高電平1； 延時等待； 數據線再次拉到高電平1。 具體的程序應用如下：void dsreset(void)uint i; ds=0;i=103;while(i>0)i-;ds=1;i=4;while(i>0)i-; 寫數據： 數據線置低電平0； 延時15us； 按從低位到高位的順序發送數據； 延時45 us； 將數據線拉到高電平1；

22、 重復步驟，直到發送完整個字節； 再次將數據線拉高到1。 讀數據： 將數據線拉高到1； 延時2us； 將數據線拉低到0； 延時6us； 將數據線拉高到1； 延時4us； 讀數據線的狀態得到一個狀態位，并進行數據處理； 延時30us； 重復步驟，直到讀取完一個字節。 在編寫具體的程序時，首先要對DS18B20進行復位初始化，其次編寫讀一位數據函數、讀一個字節數據函數、寫一個字節數據函數、溫度的獲取轉換程序、讀溫度程序等子程序。4.4 LM016L顯示程序設計1、顯示器與單片機的接口程序如下：#include <at89x51.h> /用AT89C51時就用這個頭文件#include

23、<intrins.h>sbit LcdRs= P20;sbit LcdRw= P21;sbit LcdEn = P22;sfr DBPort = 0x80; /P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.數據端口2、初始化設置：原則上每次進行讀/寫之前都必須進行讀/寫檢測，但由于單片機的操作速度慢于液晶控制器的反應速度，因此可以用簡單延時代替讀/寫檢測。其部等待函數的程序如下：unsigned char LCD_Wait(void)LcdRs=0;LcdRw=1;_nop_();LcdEn=1;_nop_()LcdEn=0;return DBPort;3,、寫操

24、作時序： 通過RS確定是寫數據還是寫命令。寫命令包括使液晶的光標顯示/不顯示，需/不需要移屏，在液晶的什么位置顯示等等，寫數據是寫要顯示的容。 讀/寫控制端設置為寫模式，即低電平。 將數據或命令送達數據線上。 給E使能端一個高脈沖將數據送入液晶控制器，完成寫操作。例如，寫命令的程序如下： #define LCD_COMMAND0 / Command #define LCD_DATA1 / Data #define LCD_CLEAR_SCREEN0x01 / 清屏 #define LCD_HOMING 0x02 / 光標返回原點 void LCD_Write(bit style, unsigned char input) LcdEn=0; LcdRs=style; LcdRw=0; _nop_