第四章 硬件电路设计
4.1 输入电路硬件设计
输入电路系统前向通道，主要由MAX6675和热电偶组成。MAX6675是MAXIM公司开发的K型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器等，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量，分辨率0.25℃。温度数据通过SPI端口输出给单片机,其冷端补偿的范围是-20～80℃,测量范围是0～+1023.75℃。表１为MAX6675的引脚功能图。
MAX6675引脚号 2 3 4 名称 GND T-- 功能 接地端 热电偶负极（使用时接地） 热电偶正极 电源端 串行时钟输入 片选信号 数据串行输出端 悬空不用 表１ 的引脚功能图
1 T+ VCC 5 T+ 3 SCK 5 6 CS T-- 2 非 6 7 SO MAX6675 1 NC 7 8 +5V 4 8
图２为本系统中温度检测电路
当P2.5为低电平且P2.４口产生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出转换数据。
在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3为相应的温度转换数据。当P2.5为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。在应用MAX6675时，应该注意将其布置在远离其它I/O芯片的地方，以降低电源噪声的影响；MAX6675的T-端必须接地，而且和该芯片的电源地都是模拟地，不要和数字地混淆而影响芯片读数的准确性。
4.2 输出控制电路设计
控温电路包括驱动芯片MC1413、过零型交流固态继电器（Z型SSR）。报警和
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控温电路如图3中所示。Z型SSR内部含有过零检测电路，当加入控制信号，且负载电源电压过零时，SSR才能导通；而控制信号断开后，SSR在交流电正负半周交界点处断开。也就是说，当Z型SSR在1秒内为全导通状态时，其被触发频率为100HZ；当Z型SSR在1秒内导通时间为0.5秒时，其被触发频率为50HZ。在本系统中，采用PID控制算法，通过改变Z型SSR在单位时间内的导通时间达到改变电阻炉的加热功率、调节炉内温度的目的。本次设计中AT89C51对温度的控制是通过控制Z型SSR的通断实现的。如单片机温度控制系统电路原理图所示，SSR和加热丝串接在交流220v、50HZ的用电回路上。在给定周期T内，只要改变SSR的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。SSR的接通时间可以通过AT89C51在控制回路中加触发脉冲控制。该触发脉冲由AT89C51用软件在输出管脚上产生。
温度控制电路原理图
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第五章 软件电路设计
5.1 系统总体流程图
在系统软件中，主程序完成系统初始化和电炉丝的导通和关断；炉温测定和显示、键盘输入、控制算法等都由子程序来完成；中断服务程序实现定时测温。流程图如图4所示。
停止加热
开始 系统初始化设置 键盘输入及目标炉温设置 炉温测量与显示 全速加热 是 炉温等于下限温度？ 否 是 炉温等于上限温度？ 否 PID算法控制炉温加热 炉温测定并显示 23
等于目标温度并稳定时间到？ 否 是 结束 软件设计流程图
5.2 PID调节的各个环节及其调节过程 5.2.1 PID控制的原理和特点
工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
（1）比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
（2）积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是
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由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
5.2.2 比例控制及其调节过程
在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。
比例调节规律及其特点
比例调节作用，一般用字母P来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成：
?u?Kp?e （3-1）
式中 ?u——调节器的输出变化值； ?e——调节器的输入，即偏差；
Kp——比例调节器的放大倍数。
放大倍数KP是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。 比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。
5.2.3 比例积分调节
对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。
因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节器，其作用特性可用下式表示：
11(?e???edt) （3-2） PTI ?uPI??uP??uI?这里，表示PI调节作用的参数有两个：比例度P和积分时间TI。而且比例度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差
有力的特点，又具有克服余差的性能。
由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡
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