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1、镀锌 薄 自板 动锌 调槽 节温 系度 统设 计 指导教师： 设计时间： 前言 微机控制技术、传感器在工业控制、机电一体化、智能仪表、通信、家用电器等方面得到了广泛应用，显著提高了各种设备的技术水平和自动化程度。因此对这些原理和结构我们就需要很好的了解并掌握。本设计是关于温度控制系统的设计，在整个设计过程中即用到单片机、传感器、微控技术，也用到了控制系统中的知识，可以说是我们所学知识的大综合。本设计重点介绍了系统的硬件部分，即有关常用芯片的介绍，如MCS98、8155、DAC0832等等。软件介绍了数字调节器的设计、PID参数的整定、PID算法程序清单、以及相关的程序；最后介绍了系统特性的测量
2、与识别。 本设计在指导老师和同学的指导帮助以及本人的努力下完成了。但由于本人水平有限，设计中尚有不妥之处，恳请批评指正。编者 2008年1月目 录一、 任务二、工艺要求三、本系统的性能指标四、系统组成和基本工作原理五、硬件设计六、软件设计七、程序说明八、调试步骤和方法九、调试结果及分析十、对象特性的测量与识别十一、设计总结镀锌薄板锌槽温度自动调节 系统设计一、 任务： 用单片机自动控制为镀锌薄板锌槽设计一个温度自动调节系统。二、工艺要求：1系统应具有良好的操作性能，为了满足用户使用方便和操作人员维修，系统控制的开关要少。2通用性好，便于扩充。3系统可靠性要高。三、本系统的性能指标：控制容量：2
3、0KW温度设定：键盘温度显示：4位LED数码管显示误差：5C控制温度：400C控制过程：设定(1min)对炉内测温、控温四、系统组成和基本工作原理：1. 确定系统总体控制方案。A.初步选定系统用闭环控制，且采用单闭环控制。因为所带负载是阻性元件，其线性度比较好，温度变化不太高，但对控制精度有一定的要求。B.执行机构采用三相电热丝，其发热量随电流的变化而变化，我们采用控制电流的变化来控制温度的变化。C.计算机部分起巡回检测、闭环调节和计算推理的作用。2系统的结构框图：五、硬件设计：1、 MCS-98 8098是MCS-96系列单片机的一个子系列，它的外部数据总线为8位，内部CPU保持16位结构。
4、这类单片机通常称为准16位单片机，类似于8088微处理器。8098具有16位单片机的基本功能，而价格接近8位机。8098单片机引脚功能：Vcc 主电源（+5V） Vss 数字地（0V） VPD 片内RAM备用电源（大于3.6） VREF 片内A/D转换器参考电压（+5V） ANGND A/D转换器的模拟地 VPP 片内EPROM编程电压 XTAL1 片内振荡器反相输入端 XTAL2 片内振荡器反相输出端 复位信号输入端 存储器选择输入端，=1，CPU寻址是2000H3FFFH时，访问片内EPROM；=0，访问片外存储器。此引脚内部有下拉作用，若无外部驱动，则它总是保持低电平。 地址锁存允许（A
5、LE）或地址有效输出（）信号，它们由SCR寄存器选择。两者都提供了一个锁存信号，以便把地址从地址/数据总线上分离出来。当选择功能，在总线周期结束时，此引脚变高。可作为外部存储器的片选信号。仅在外部存储器访问期间才有效。 对外部存储器读信号 对外部存储器写信号 READY 准备就绪信号（输出）。用来延长对外部存储器的访问周期，以便芯片能够与慢速存储器或动态存储器接口；它也可用于总线共享，总线周期最多能延长1s。 HSI HSI.0，HSI.1，HSI.2，HSI.3共四个输入引脚都是高速输入部件的输入端，其中HIS.2，HIS.3与HSO部件共用。 HSO HSO.0，HSO.1，HSO.2，H
6、SO.3，HSO.4，HSO.5共六个引脚都是高速输出部件的输出端，其中HSO.4，HSO.5于HIS部件共用。 P0口 ACH4，ACH5，ACH6，ACH7是四位高阻抗输入口，这些引脚既可以用作A/D转换器的输入口，也可以用作数字信号输入口。P2口 RXD/P2.1，TXD/P2.0既可作串行接口，也可作I/O接口。PWM/P2.3既可用作脉宽调制控制器的输出口，亦可用作电平信号输出口，以及EXTINT/P2.2等4位端口是多功能口。P3口和P4口 具有漏极开路输出8位双向口，这些引脚是复用信号线，既用作地址总线，又用作数据总线，它们的内部具有很强的上拉作用。 2、铂热电阻:铂热电阻是电阻
7、体采用铂金属的一种电阻，广泛用作稳定温度系数的电阻以及温度传感器，它与一般的金属一样，具有正的温度系数。铂热电阻的端子有不同的联结方式，如图（1）既2线式，3线式和4线式。铂热电阻虽是一种阻值随温度改变的温度传感器，但实际上使用时要把引线电阻记算在内，既与铂热电阻本身阻值相加。因此2线式适用于传感器在印制板上，既测量回路与传感器不太远情况下的接线方式。测量铂热电阻的阻值大致有二种方法即恒压法和恒流法。恒压法就是加在铂热电阻两端电压保持恒定，测量电流变化的方法；恒流法就是流经铂热电阻的电流保持恒定，测量其两端电压的方法。 (a) (b) (c)铂热电阻的不同接线方式 （a）2接线 （b）3接线
8、（c）4接线若有恒压源（标准电池），恒压法的电路就非常简单，另外，组成桥就可进行温漂补偿，因此，这种方法被广泛使用。但电流与铂热电阻的阻值变化成反比，用于很宽的温测范围，进行线性时要特别注意。对于恒流法，电流与铂热电阻的阻值变化成正比，而铂热电阻两端的电压变化，因此，线性化简便，但要获得准确的恒流源时电路比较复杂。图（2）是2线式的铂热电阻接线图，它是一种检测温度的电路。在电路中，R采用100欧的铂热电阻，R与R1串接到恒压源（+12V），RT中流经约0.1mA的电流。这种接法属于恒压法，但实际选用的R1阻值比RT高很多，因此RT阻值变化引起的测量电流变化不大，获得近似恒流的线性输出。当功率晶
9、体管温度低于430C时，A1的同相输出端电位（由RP1，R2和R3分压确定）低于反相输入端，A1端输出高电平；温度高于430C时，则RT阻值增大到1236欧（10C时为100欧）。A1的反相输入端电位高于同相输入端，A1输出变为低，从而控制有关电路进行温度调节。 3、模拟量输入电路 1）8155 （b）引脚图（a）中8155共有三个基本组成部分，第一部分为可编程I/O接口，共有三个口，其中二个口（A口和B口）为8位口，一个口（C口）为6位口；第二部分为256B的RAM；第三部分为记数结构的定时/计算器。主要接口信号： AD0AD7 地址数据复用线 ALE 地址锁存信号，它除进行AD0AD7的地
10、址锁存控制外，还用于片选信号CE和等信号锁存控制 读选通信号 写选通信号 片选信号 I/O与RAM选择信号，这是一个特殊信号，因为8155内部的I/O接口与RAM是分开编址的，因此要求用控制信号进行分区。对RAM进行读写，对RAM进行读写，对I/O口进行读写 RESET 复位信号，81A、B、C口均为输55以600ns的正脉冲进行复位，复位后入方式4模拟量输出电路a）引脚功能 D0D7 数字量数据输入线，ILE为数据锁存允许信号，高电平有效；CS为输入寄存器选择信号，低电平有效。 输入寄存器的“写”选通信号，负脉冲有效，当、ILE=1、时，D0D7的数据被锁存至输入器； 为数据转移控制信号线，
11、低电平有效 Vref 其准电压输入线RFb 反馈信号输入线，芯片内已有反馈电阻IOUT1和IOUT2 电流输出线，IOUT1和IOUT2的和为常数，IOUT1随DAC寄存器的内容线性变化VCC 工作电源，DGND为数字地，AGND为模拟信号地，由于D/A转换芯片输入是数字量，输出为模拟量，模拟信电源和数字信号的干扰而引起波动。b) 光电耦合输出电路如下图：工作状况：（单片机输出引脚为低电平）a. 光电耦合器的发光二极管承受正向电压，导通，有电流流过，发光b. 光电耦合器的光敏三极管受到光照，进入导通状态，其集电极处于零电位c. 继电器线圈得电，闭和，接通外部电路当单片机引脚为高电平时，工作情况
12、a. 光电耦合器的发光二极管承受反向电压，截止，无电流流过，不发光b. 光电耦合的光敏二极管末受到光照，进入截止状态，其集电极处于高电位c. 线电器线圈失电，断开外部电路 5、PWM集成电路 (a)SG1525是一种16脚的双列直插式IC电路，其外形管脚布置及管脚名称示图1（b），其内部原理结构框图如图1（a）所示。内部由基准电压调整器UREF、振荡器OSC、误差放大器EA、比较器DC及PWM锁存器、触发器FF、欠电压锁定器、输出级、软起动及关闭电路等组成。（1） 输入电压UCC与基准电压调整器UREF输入电压UCC1可以在835V范围变化，通常可用+15V。UREF是一个标准的三端稳压器，有
13、温度补偿，精度可达5.1V+/-1%。它既可供片内使用，也可由16脚为芯片外围电路提供标准电源，输出电流可达40mA，有过电流保护功能。（2） 振荡器OSC 由一个双门限比较器、一个恒流电源及电容充放电电路（6脚和5脚分别对地接上一个电阻RT和电容CT，5脚与7脚间接电阻RD）构成，CT恒流充电，产生一锯齿波电压，锯齿波的峰点电平为3.3V，谷点电平为0.9V，锯齿波的上升边对应CT充电，充电时间t1（参见图 2）决定了RTCT；锯齿波下降边对应CT放电，放电时间t2决定于RDCT。锯齿波的频率由下式决定：f=1/(t1+t2)=1/CT(0.67RT+1.3RD) 由于双门限比较器门限电平由
14、基准电压分压取得，并且CT充电的恒流源对电压及温度变化的稳定性好，故UCC1在835V范围变化时，锯齿波的频率稳定度可达1%；当温度在-55+125。C范围内变化时，其频率稳定度为3%。振荡器对应于锯齿波下降边输出一时钟信号（CP脉冲），其宽度为t2，故调节RD即可调节CP脉冲宽度。这个CP脉冲决定于两个输出口、输出脉冲之间最小的时间间隔，既死区td。所以调节RD就可调节死区td，RD越大，死区td越大。振荡器还设有外同步输入端3脚。在3脚加直流或高于振荡器频率的 脉冲信号，可实现对振荡器的外同步。（3） 误差放大器EA，其直流开环增益为70dB，同相输入端接基准电压或其分压值，反馈电压信号接
15、反相输入端。根据系统动态、静态特性的要求，可在9脚和1脚之间接入适当的反馈电路网络，如比例积分电路等。（4） 比较器DC与PWM锁存器 ，误差放大器输出电压U-加至比较器DC反相端，振荡器输出的锯齿波电压U+加于同相端，比较器DC输出一PWM信号，该PWM信号经锁存器（RS寄存器）锁存，以保证在锯齿波的一个周期内只输出一个PWM脉冲信号。比较器DC的反相输入端还设有软起动及关闭PWM信号的电路。在8脚与地之间接一数微法电容，即可在起动时使输出端的脉冲由窄逐步变宽，实现软起动功能。在10脚可加各种故障保护信号，如过电流、过电压、短路、接地等故障信号，故障信号输入时使内部晶体管导通，从而封锁输出。
16、（5） 触发器FF 每输入一个CP脉冲则Q和Q翻转一次。所以，FF的输出是一个方波信号，其频率为锯齿波频率的1/2。此（6） 方波信号加至输出级两组门电路的输入端B。（7） 欠电压锁定器 当电源电压UCC17V时，欠电压锁定器输出一高电平，加至输出级门电路的输入端A，同时也加到关闭电路的输入端，以封锁输出。（8） 级 两组输出结构相同，每一组上侧为“或非” 门下侧为“或”门。有A、B、C、D四个输入端，D端输入PWM脉冲信号，B端输入触发器输出的Q（或Q）信号，C端输入CP脉冲，A端输入欠电压锁定信号，设输出信号为P和P，则P=A+B+C+D，P=A+B+C+D。P和P分别驱动输出级上、下两个
17、晶体管V1、V2（V3、V4），两个晶体管组成图腾柱结构，使输出级既可向负载提供电流，又可吸收负载电流。 SG1525各点波形如图2所示，比较器反相输入端U-的电平越高，则输出脉冲U、U的占空比越大；反之，则越小。因此，改变U-的电平，就可以调节占空比，从而调节PWM变换器输出直流平均电压Ud。图2h中表示的输出口、并联使用的波形，其频率与锯齿波频率相同。输出脉冲U、U的下降沿则对应电压U-于锯齿波电压U+上升边的交点，因次，即使U-的电平上升到与锯齿波峰点电平相等，U、U两脉冲也不可能连到一起，它们之间存在一个宽度等于CP脉冲宽的“死区”。这样，在输出端口、并联使用情况下，占空比的值也不可能
18、等于1。6. 键盘和显示电路（1） 44键盘工作原理由图可见：16个键分两部分，十个数字键09；六个命令键AF。对安键的识别由软件来完成。用两个并行I/O接口电路，采用步进行扫描法。CPU每次通过接口对某一行Xi输出扫描信号0，列线Yj的状态来确定键闭合的位置。列线Y接+5v/无安键时，行X和列Y线断开，列线Y1Y4呈现高电平。当某一按键闭合时，该键所在行、列线短接。若该行线输出为0，则该列线电平被拉成0（其余3根列线仍为1），此时CPU可判断出按键闭合所在行、列及键号。 若扫描从第一行有效开始，则CPU输出X4X3X2X1=1110，以下类推：第二行为X4X3X2X1=1101，第三行为10
19、11，行为0111。设：4号键按下闭合，代表4号键闭合的特征信号为： 列信号：X4X3X2X1=0111，第四列有效。 行信号：X4X3X2X1=1011，第三行有效。 为了便于CPU处理。将行、列信号拼装成一个字节，然后求反得到4号键对应的“特征字”，也叫键值。即：列线Y 行线X CPU操作时，先输出行有效信号，再输入列信号，经过拼装、求反得到键值，由于这种对应是唯一的，所以可用来识别键盘上所有的键，根据上述关系可求出其他键值如下：键盘上的字符0123456789ABCDEF键值81H82H42H22H84H44H24H88H48H28H18H14H12H11H21H41HCPU在得到键值后
20、，用一个软件计数器通过键值表，很容易判断按键闭合号码。不同的接线方式，得到键值可能不同，但键号和键值的对应关系是唯一的。（2） LED动态显示方式所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。特点：将多个7段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个8位I/O控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地，逐一扫描点亮，使每位LED显示该位应当显示的字符。恰当地选择点亮LED的时间间隔（1ms5ms），会个人一种视觉暂停效应，似乎多位LED都在“同时”显示。在图中，控制每个LED显示位轮流接地点亮的代码称为“位选码”。由I/O（2）口输出8位代码控制。特点是，每次输出只有一位是0（点亮）
21、，其余7位均为1（熄灭），因为每一位LED都有一个唯一的8位“位选码”。按图从左向右轮流显示8位LED的位选码为 用8031右移循环指令可实现：MOV A，#7FH ；点亮左1LED的选码LOOP：MOVX DPTR，A ；从I/O（2）口输出位选码RR A ；右移一位，指向下一个LED位LCALL DELAY ；调延时3ms子程序LJMP LOOP ；返回显示下一位LED动态显示的操作由软件完成。每次由I/O（1）口输出段选码、再由I/O（2）口输出位选码，经过延时，以获得稳定的显示效果。以上述分析的显示原理可知，为了显示数字和字母，最终需要转换成相应的段选码。这种转换可以通过译码器或软件译
22、码完成。 六、软件设计：系统软件采用模块化程序结构，主要由主程序、控制算法程序、系统初始化子程序、AD转换程序、显示键盘子程序等组成。1.数字调节器的设计微机控制系统严格地说属于数字模块混合系统。系统中不同形成的两部分可通过AD、DA 转换器连接起来，对于这种混合系统通常采用两种等效的设计方法：a).把输入、输出量与被控制对象用数学方法处理为数字量、个环节似为数字环节，等效后的系统变为数字控制系统分析方法：线性差分方程、Z变换、脉冲传函、离散状态方程。b).把AD、DA和微机控制器都看作摸拟量，然后利用模拟系统的理论和方法进行设计，再将模拟控制器离散化。分析方法：线性微分方程、拉普拉斯方程、传
23、递函数、状态方程。条件：采样频率比连续系统闭环带宽得多本系统采用第二种方法，以下便是控制器的设计：工业中最常用的数字控制算法是PID控制算法，对大多数控制对象采用PID控制均可达到满意效果。（一）主程序流程图（图1）（二）中断服务流程图（图2）（三）数据处理和温度判断子程序（图）8155初始化：A口为输入，B口为输出，设定时器及常数允许定时器T2益出中断允许定时器益出中断有关寄存器清零设堆栈指针关中断开始开中断等中断（图1）中断返回（图2）设中断服务程序首址HSI1输入为T2时钟源Uik6AH?Uik80H?返回恢复现场调显示子程序调清零子程序设Pk=00HUikREGA左移6次设数据暂存区计
24、算平均值数据取完否？累加数据右移6次取出数据设数据存放区首址设数据个数保护现场否 是否是否EK-YY0?调PD子程序调清零子程序调显示子程序恢复现场返回设PK=0F0H清零子程序调调显示子程序恢复现场返回 设定保温值算EK=UOK-UIK是（图3）1). PID控制器设计 U(t)=Kpe(t)+1/Tie(t)dt +Tdde(t)/dt式中U(t)控制量; e(t)系统控制偏差； Kp 为比例增益，Kp与比例带成倒数关系 即：Kp=1/ Ti积分时间 Td微分时间 b.对上式离散化U（t）U（kt） e（t）e（kt） e（t）dtTe(j) de(t)/dte(k)-e(k-1)/T2)
25、.数字PID控制有三种形式：即位置式PID、增式PID和速度式PID.本系统采用增量式PID，其差分方程：U（k）= Kp e(k)e(k-1)+T/Tie(k)+Td/Te(k)ze(k-1)+e(k-z)令 Ki=KpT/Ti (积分系数) Kd=KpTd/T（微分系数）U（k）=Kp e(k)e(k-1)+Kie(k)+Kde(k)ze(k-1)+e(k-z)离散系统图：D(z)为软件实现的数字PID调节器为了使系统得较高的响应书速度、稳定的控制精度和良好的控制效果，本系统采用闭环控制。系统的动态结构如上图.在数字PID 调节控制系统中，加入积分校正后，系统会产生过大的超调，这是生产过程
26、不允许的。为了减少超调，我们又采用积分分离的PID控制算法。其具体实现如下：(1)根据实际情况，人为设定一限定值 0(2)当| e(k)| 时，采用PID控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。 （3）当| e(k)| 时，采用PID控制，可保证系统控制精度。控制算法公式:U（k）=Kp e(k)e(k-1)+ Td/Te(k)Ze(k-1)+e(k-z) | e(k)| 或 U（k）= Kp e(k)e(k-1)+T/TIe(k)+Td/Te(k)Ze(k-1)+e(k-z) | e(k)| 2PID参数的整定：(1)整定比例部分 : 将比例系数由小变大，并观察相应的系统应，直至得到反
27、应快超调小的响应曲线。(2)整定积分环节 : 整定时首先置积分时间Ti为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原值的0.8倍），然后减少积分时间，使在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。(3)微分环节的整定： 若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间Td为零。在第2步整定的基础上，增大Td，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数. 以下是利用软件模拟PID
28、调节图：3. 0832D/A转换程序： MOV DPTR， #4200H ；0832口地址MOV A ， #DATA ；取数据MOVX DPTR， A ；输出到0832主程序对8155初始化，将控制字写入命令寄存器。设显示缓冲区为58H5FH共8个存单元，显示子程序从地址0400H开始。显示程序如下：8155初始化 ORG 0100H MOV DPTR， #8100H MOVX DPTR， A4.显示子程序： ORG 0400HDSPY ： MOV R0 ， #58H MOV R1 ， #01HLOOP： MOV A， R1MOV DPTR， #8101HMOVXDPTR， AINC DPTR
29、 MOV A， R0 ADD A， #12HMOVC A， A+PCMOVX DPTR, AMOV R7, #02HDL0： MOV R6 , 0FFHDL1： DJNE R6 , DL1DJNE R7, DL0INC R0, MOV A, R1RL A,MOV R1, AJNB ACC.0, LOOPRET5 .键盘扫描子程序： ORG 0440H P0KB： ACALL DSPY MOV A， #00H ACALL SCAN JZ P0KB ACALL DSPY ACALL DSPY MOV R3， #00H MOV R4， #00H MOV R2， #0FEH RK1： MOV A， R
30、2 ACALL SCA JNZ RK2 JNC R3 MOV A， R2 JNB ACC.7， TRDKB RL A MOV R2， A SJMPPK1 RK1： RRC A JC KEYD PUSH ACC MOV A， R4 ADD A， #08H MOV R4， A POP ACC SJMP RK2 KEYD： ACALL DSPY MOV A， #00H ACALL SCAN JNZ KEYD MOV A， R4 ADD A， R3 RET SCAN： MOV DPTR， #8101H MOVX DPTR， A MOV DPTR， A MOVX A， DPTR CPL A ANL A，
31、 #07H RET （四）PD算法子程序流程图 （五）乘法子程序流程图（六）、程序清单1） 用寄存器定义 INT_M EQU 08H ;中断屏蔽寄存器 T2 EQU 0CH ；定时器2 IOC0 EQU 15H ；I/O控制寄存器0 IOC1 EQU 16H ；I/O控制寄存器1 SP EQU 18H ；存放堆栈指针 AX EQU 20H ；存中断服务程序首址 AL EQU 20H ；存放8155工作方式 REG1 EQU 50H ；2） 098单片机所用到的特殊功能寄存器 AD_COMMAND EQU 02HAD_RES_LO EQU 02HAD_RES_HI EQU 03HHSOT EQU
32、 04HHSOC EQU 06HINT_M EQU 08HINT_PEND EQU 09HTIMER1H EQU 0AHTIMET1L EQU 0BHT2 EQU 0CHPORT0 EQU 0EHPORT2 EQU 10HIOC0 EQU 15HIOC1 EQU 16HIOS1 EQU 16H3）被定义的通用寄存器SP EQU 18HAX EQU 20HAL EQU 20HAH EQU 21HBX EQU 22HBL EQU 22HBH EQU 23HBA EQU 20HCX EQU 24HCL EQU 24HDX EQU 26HDL EQU 26HEX EQU 28HEL EQU 28HFX
33、 EQU 30HFL EQU 30HGX EQU 34HGL EQU 34HGH EQU 36HHX EQU 38HMX EQU 3AHQL EQU 3CH；SHOWADDR EQU 3EHSHOWBUFF EQU 40HREG1 EQU 50HREG0 EQU 52HREG2 EQU 0E2H ；存比例系数KPREG4 EQU 0E4H ；存偏差值EKREG8 EQU 0E8H ；存上次反馈值REGA EQU 0EAH ；存本次反馈值REGC EQU 0ECH REG14 EQU 0F4H ；存常数MREG16 EQU 0F6H ；存微分系数KDREG1A EQU 0FAH ；存中间结果REG1E EQU 0FEHREG22 EQU 0FCH4）主程序清单程序清单如下： ORG 2000H DCW INT-T ORG 4080H MAIN： LD SP，#060H ；设堆栈指针 DI ；关中断 CLRB AD-COMMAND ；清有关寄器 CLRB INT-PEND CLR AX CLRB BX CLR EX CLRB DL CLRB EL CLR FX CLR GL CLR GH CLR HX LDB INT-M，#01H ；允许定时器溢出中断 LDB ICO1，#08H ；允许定时器T2溢出断 LD AX，#4100H ；中断服务程序首址
