華南師範大學增城學院
課程**
課程名稱 《微型機控制技術》
考查學期 2013/2014 學年第 2學期
考查方式課程**
姓名學號
專業應用電子
成績指導教師
摘要我們常見的電阻爐是通過電流流過電阻體產生熱量來加熱或熔化物料的一種電爐。電阻爐廣泛地應用在化學工業、工業冶金等行業。它對溫度控制的要求非常高，溫度控制的好壞直接影響了產品質量及生產效率，從而影響了產業的利益，因此電阻爐的溫度控制在科學研究、工業生產中具有重要的意義。
常規的溫度控制方法以設定溫度為臨界點，超出設定允許範圍即進行溫度調控：低於設定值就加熱，反之就停止或降溫。這種方法實現簡單、成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、容易引起**，達到穩定點的時間也長，因此，只能用在精度要求不高的場合。
而應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱pid控制，又稱pid調節。pid控制器是工業控制的主要技術之一。當被控物件的結構和引數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型，控制理論的其他技術也難以採用，系統控制器的結構和引數必須依靠經驗和現場除錯來確定時，應用pid控制技術最為方便。
採用pid演算法進行溫度控制，它具有控制精度高，能夠克服容量滯後的特點，特別適用於負荷變化大、容量滯後較大、控制品質要求又很高的控制系統。本文以電阻爐為控制物件，以微控制器stc89c52為硬體核心元件，採用pid控制，該系統硬體電路設計簡單、控制演算法成熟穩定、系統效能優良。
關鍵詞：電阻爐；溫度控制；微控制器；pid控制
一、設計內容：
本設計是對工業電阻爐溫度進行實時監測與控制，主要的溫度控制系統能實現基本的溫度控制功能：當電阻爐爐內溫度低於設定的下限溫度時，系統就會對電阻爐發出加熱訊號，使其溫度上公升；當電阻爐爐內溫度高於設定的上限溫度時，系統將停止加熱電阻爐，使爐內溫度下降。通過pid調節不斷重複該過程，使溫度值始終保持在上下限溫度之間，並且使led顯示器即時顯示溫度。
採用比較流行的stc89c52為電路的控制核心，stc89c52是一種低功耗、高效能cmos8位微控制器。資料的採集部分使用k型熱電偶感測器，資料轉換部分採用max6675，改變了傳統溫度測試方法，在現場採集溫度資料，並直接將溫度模擬量變換為數碼訊號，送到微控制器進行資料處理，檢測溫度範圍為- 270℃～ + 1300℃。可應用於多種領域、各種環境的智慧型化測試和控制系統，精度高，使用方便靈活，優於大多傳統的溫度測控裝置。
二、硬體電路設計
2．1 系統框圖設計
本系統由微控制器、溫度訊號採集與轉換、鍵盤輸入、pid控制、溫度顯示等五部分組成。
其中，測溫元件用k型熱電偶，用來檢測爐內溫度，將爐中溫度的物理量值轉換成毫伏訊號輸出，經max6675進行處理後，爐溫給定值的電壓訊號和所檢測到的爐溫電壓訊號都轉換為數字量送入微控制器內進行比較，得到實際爐溫與給定爐溫的差值。由微控制器系統構成的數字控制器，對偏差按pid調節規律進行運算，並且在led顯示器上顯示溫度值，將運算結果送至d/a轉換器轉換為模擬電壓，電壓值經過功率放大器放大後，送到閘流體調壓器觸發閘流體，並且改變其導通角的大小，從而調節電阻爐的加溫電壓，起到控制爐溫的作用。其方案圖如圖2.
1所示：
圖2.1 溫度控制系統總框圖
2.2 微控制器最小系統
在多數電子設計當中，基於價效比的考慮，8位微控制器仍是首選。stc89c52是一種低功耗/低電壓、高效能的8位微控制器。片內帶有乙個8kb的flash可程式設計、可擦除唯讀儲存器（eprom）。
它採用了cmos工藝和atmel公司的高密度非易失性儲存器（nuram）技術，而且其輸出引腳和指令系統都與mcs-51相容、片內的flash儲存器允許在系統內改編程式或用常規的非易失性儲存器程式設計器來程式設計。因此，stc89c52是一種功能強、靈活性高，且**合理的微控制器，可方便地應用在各種控制領域。基於上述這些特點，這裡選擇stc89c52微控制器作為控制核心。
本部分主要介紹微控制器最小系統的設計。微控制器系統的擴充套件，一般是以基本最小系統為基礎的。所謂最小系統，是指乙個真正可用的微控制器最小配置系統，對於片內帶有程式儲存器的微控制器，只要在晶元外接時鐘電路和復位電路就是乙個小系統了。
小系統是嵌入式系統開發的基石。本電路的小系統主要由三部分組成，一塊stc89c52晶元、復位電路及時鐘電路。微控制器最小系統的如圖2.
2所示：
圖2.2 微控制器最小系統
時鐘電路提供微控制器的時鐘控制訊號，微控制器時鐘產生方式有內部時鐘方式和外部時鐘方式。最常用的是內部時鐘方式，是採用外接晶振和電容組成的。
時鐘振盪電路如圖2.3所示：
圖2.3 時鐘振盪電路
微控制器內部有乙個用於構成振盪器的高增益反向放大器，引腳xtal1和引腳xtal2分別是反相放大器的輸入端和輸出端，由這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構成乙個自己振盪器，這種方式形成的時鐘訊號稱為內部時鐘方式。系統的時鐘電路設計是採用的內部方式，即利用晶元內部的振盪電路。內部方式時，時鐘發生器對振盪脈衝二分頻，如晶振為12mhz，時鐘頻率就為6mhz。
晶振的頻率可以在1mhz-24mhz內選擇。電容取30pf左右。因此，此系統電路的晶體振盪器的值為12mhz，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值為30μf。
在焊接刷電路板時，晶體振盪器和電容應盡可能安裝得與微控制器晶元靠近，以減少寄生電容，更好地保證**器穩定和可靠地工作。xtal1是片內振盪器的反相放大器輸入端，xtal2則是輸出端，使用外部振盪器時，外部振盪訊號應直接加到xtal1，而xtal2懸空。
2.3 鍵盤介面設計
按鍵是現階段電子設計中最常用、最實用的輸入裝置。按鍵能夠成為最普遍的輸入裝置，主要是其具備了以下幾個優點：工作原理、硬體電路連線簡單、操作實用性強、**便宜，程式編寫簡單。
缺點：機械抖動比較嚴重、外型不夠美觀。
按鍵部分實現的主要原理是微控制器讀取與按鍵相連線的i/o口狀態，來判定按鍵是否按下，達到系統引數設定的目的。鍵盤在微控制器應用系統中的作用是實現資料輸入、命令輸入，是人工干預的主要手段。
獨立式按鍵就是按鍵相互獨立，每個按鍵單獨占用一根i/o口線，每根i/o口線的按鍵的工作狀態，不會影響其他i/o口線上的工作狀態。各按鍵開關均需要採用了上拉電阻，是為了保證在按鍵斷開時，各i/o有確定的高電平。當輸入口線內部已有上拉電阻，外電路的上拉電阻可省去。
因此，通過檢測輸入線的電平狀態就可以很容易判斷是哪個按鍵被按下了。優點：電路配置靈活，軟體結構簡單。
缺點：每個按鍵需占用一根i/o口線，在按鍵數量較多時，i/o口浪費大，電路結構顯得複雜。因此，此鍵盤適用於按鍵較少或操作速度較高的場合。
矩陣式鍵盤適用於按鍵數量多的場合，它通常由行線和列線組成，按鍵位於行、列的交叉點上。微控制器的鍵盤檢測通常有三種方式：查詢、中斷、定時掃瞄。
查詢和中斷方式同普通的 i/o 傳送是一致的，定時掃瞄方式是利用微控制器內部定時器產生定時中斷，在中斷服務程式中對鍵盤進行掃瞄獲得鍵值。
在本設計中採用的是 4 行*4 列鍵盤，其電路圖如圖3.12所示，列線由 p2.4-p2.
7口控制，行線由 p2.0-p2.3口控制。
電路中共 16個按鍵，包括設定鍵、3 個溫度引數和時間設定鍵、1個增加鍵、1個減小鍵。系統在程式初始化時控制鍵盤行線的 p2.0-p2.
3口輸出高電位，控制鍵盤列線的p2.4-p2.7口輸出低電位，在判斷電路是否有按鍵按下時，讀 p2.
0-p2.7埠值，若埠值不是11110000，則說明電路中有按鍵按下。然後根據程式進行去抖動處理和計算鍵值。
圖2.4 矩陣式鍵盤電路圖
2.4 顯示器設計
我們這課程設計中採用的輸出顯示裝置是lcd。
液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點，使用者可以根據自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動手設計的圖案。當需要顯示的資料比較複雜的時候，它的優點就突現出來了，並且當硬體設計完成時，可以通過軟體的修改來不斷擴充套件系統顯示能力。外圍驅動電路設計比較簡單，顯示能力的擴充套件將不會涉及到硬體電路的修改，可擴充套件性很強。
不足之處在於其**比較昂貴，驅動程式編寫比較複雜。
由於本設計所需要顯示的內容比較簡單，只包括現場溫度值、溫度限定值以及pid係數的顯示，所以本系統的資料顯示裝置採用led數碼管。設計中採用4位共陰極led靜態顯示方式，選用7段顯示數碼管。顯示內容有溫度值的千位、百位、十位、個位。
由於微控制器不能直接驅動數碼管顯示，所以必須在微控制器與led164之間加上74ls164，它的管腳圖如圖2.5所示。
圖2.5 74ls164管腳圖
a和b為74ls64的序列輸入端；qa-qh為74ls64的並行輸出端；clk是序列時鐘輸入端；clr是序列輸出清零端；vcc：+5v；gnd：接地端。
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