【正文】 .................................................................................................................... 27 數(shù)據(jù)處理 .................................................................................................................................. 29 數(shù)據(jù)采集 .............................................................................................................................. 29 數(shù)字濾波 .............................................................................................................................. 29 軟件抗干擾措施 ................................................................................................................... 32 第五章 系統(tǒng)調(diào)試 ................................................................................................. 33 集成開發(fā)環(huán)境 KEIL ............................................................................................................ 33 系統(tǒng)硬件調(diào)試 ......................................................................................................................... 34 系統(tǒng)軟件調(diào)試 ......................................................................................................................... 35 結(jié)論 ........................................................................................................................... 36 參考文獻 ................................................................................................................... 37 致謝 ........................................................................................................................... 38 基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 1 第一章 緒論 概述 溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學(xué)過程都緊密的與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)相聯(lián)系。因此 ，溫度的測量與控制在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。 在實際的生產(chǎn)實驗環(huán)境下，由于系統(tǒng)內(nèi)部與外界的熱交換是難以控制的，其他熱源的干擾也是無法精確計算的，因此溫度量的變化往往受到不可預(yù)測的外界環(huán)境擾動的影響。為了使系統(tǒng)與外界的能量交換盡可能的符合人們的要求，就需要采取其他手段來達(dá)到這樣一個絕熱的目的，例如可以讓目標(biāo)系統(tǒng)外部環(huán)境的溫度與其內(nèi)部溫度同步變化。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，兩個溫度相同的系統(tǒng)之間是達(dá)到熱平衡的，這樣利用一個與目標(biāo)系統(tǒng)溫度同步的隔離層，就可以把目標(biāo)系統(tǒng)與外界進行熱隔離 [1]。 另外，在大部分實際的環(huán)境中，增溫要比降溫方便得多。因此，對溫度的控制精度要求比較高的情況下，是不允許出現(xiàn)過沖現(xiàn)象的，即不允許實際溫度超過控制的目標(biāo)溫度。特別是隔熱效果很好的環(huán)境，溫度一旦出現(xiàn)過沖，將難以很快把溫度降下來。這是因為很多應(yīng)用中只有加熱環(huán)節(jié)，而沒有冷卻的裝置。同樣道理，對于只有冷卻沒有加熱環(huán)節(jié)的應(yīng)用中，實際溫度低于控制的目標(biāo)溫度，對控制效果的影響也是很大的。 鑒于上述這些特點，高精度溫度控制的難度比較大，而且不同的應(yīng)用環(huán)境也需要不同的控制策略。下面就簡要的討論一下溫度測控技術(shù)的發(fā)展 與現(xiàn)狀。 溫度測控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 近年來，溫度的檢測在理論上發(fā)展比較成熟，但在實際測量和控制中，如何保證快速實時地對溫度進行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對所測溫度場進行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問題。 溫度測控技術(shù)包括溫度測量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個方面。在溫度的測量技術(shù)中， 分為接觸式測溫和非接觸式測溫， 接觸式測溫發(fā)展較早，這種測量方基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 2 法的優(yōu)點是簡單、可靠、低廉、測量精度較高，一般能夠測得真實溫度 。但由于檢測元件熱慣性的影響，響應(yīng)時間較長，對熱容量小的物體難以實現(xiàn)精確的測量，并且該方 法不適宜于對腐蝕性介質(zhì)測溫，不能用于超高溫測量，難于測量運動物體的溫度。非接觸式測溫方法是通過對輻射能量的檢測來實現(xiàn)溫度測量的方 法，其優(yōu)點是不破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測量運動物體的溫度，還可以測量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴等缺點。因此，在實際的溫度測量中，要根據(jù)具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測量精度要求的前提下盡量減少投入。 溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類 :動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫 度控制。動態(tài)溫度跟蹤實現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進行變化。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場合需要實現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等 ； 恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定 保持 在某一給定數(shù)值上，且要求其波動幅度 (即穩(wěn)態(tài)誤差 )不能超過 允許值。本文所討論的基于單片機的溫度控制系統(tǒng)就是要實現(xiàn)對溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對恒值溫度控制進行討論。 從工業(yè)控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種 : 定值開關(guān)控溫法 所謂定值開關(guān)控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系，進而對系統(tǒng)加熱裝置 (或冷卻裝置 )進行通斷控制。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開動制冷裝置 ； 若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時關(guān)斷制冷器。這種開關(guān)控溫方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。目前，這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點時關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點時開通電源，因而無法克服溫度變化過 程的滯后性，致使被控對象溫度波動較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。 PID 線性控溫法 這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的 PID 調(diào)節(jié)器控制原理， PID 控制是基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 3 最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng) [2]。 由于 PID調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)功能。前者稱為 模擬 PID 控制器，后者稱為數(shù)字 PID 控制器。其中數(shù)字 PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實現(xiàn)的溫度控制器， 其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個 PID 參數(shù) (比例值、積分值、微分值 )。只要 PID 參數(shù)選取的正確，對于一個確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對象特性一旦發(fā)生改變，三個控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。 智能溫度控制法 為了克服 PID 線性控溫法的弱點，人們相繼提出了一 系列自動調(diào)整 PID 參數(shù)的方法，如 PID 參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。并通過將智能控制與 PID 控制相結(jié)合，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來實現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng) PID算法的溫度控制儀表。 目前國內(nèi)溫控 技術(shù) 的發(fā)展，相對國外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國內(nèi)溫控在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的被控對象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定 [3]。 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 單片機溫度控制系統(tǒng)是以 MCS5l單片機為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動電路，晶閘管主電路對電爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如圖 11所示 。 該 系統(tǒng)采用單閉環(huán)形式，其基本控制原理為 :將溫度設(shè)定值 (即基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 4 輸入控制量 )和溫度反饋值同時送入控制電路部分，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)器運算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅(qū)動電路得到控制電壓施加到被控對象上，設(shè)備因此達(dá)到一定的溫度。 8 0 5 1 單 片 機晶 閘 管 驅(qū)動 電 路被 控 對 象 輸 出 值測 量 變 送 器A / D 轉(zhuǎn) 換給 定 值 圖 11 系統(tǒng)工作原理圖 系統(tǒng)性能要求及特點 (1)系統(tǒng)性能要求 : (a)可以人為方便地通過控制面板或 PC 機設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動將設(shè)備 加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實現(xiàn)溫度的自動控制 ； (b)能夠?qū)崿F(xiàn)對 設(shè)備 溫度的測量并 且通過控制面板上的液晶 屏實時地 顯示溫度 ； (c)具有加熱保護功能的安全性要求 ； (d)模塊化設(shè)計，安裝拆卸簡單，維修方便 ； (e)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障 ； (f)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場上買到同樣零部件進行替換。 (2)系統(tǒng)特點 : 鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應(yīng)具有的體積小、成本低、功能強、抗干擾并盡可能達(dá)到更高精度的要求。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計方面具有如下特點 : 作為與 MCS51 系列兼容的單片機，無論在運算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝 任本系統(tǒng)的性能要求。根據(jù)測溫范圍的要求， 本設(shè)計采用鎳鉻 /鎳鋁熱電偶，此電偶用于 0 Co ～ 1000 Co 的溫度測量范圍，相應(yīng)的輸出電壓為0mV 。 為了簡化系統(tǒng)硬件，控制量采用可控硅輸出 [4]。 整個系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易于替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化打下良好基礎(chǔ)。系統(tǒng)擴展和配置在滿足功能要求的基礎(chǔ)上留有適當(dāng)裕量，以利于擴充和修改。 基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 5 系統(tǒng)硬件方案分析 單片機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計算機。它是把中央處理單元 CPU (Central Processing Unit)、隨機存取存儲器 RAM (Random Access Memory)、只讀存儲器 ROM (Read only Memory)、定時 /計數(shù)器以及 I/O (Input/Output)輸入輸出接口電路等主要計算機部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，它的特點是 :功能強 大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。由此可見，采用單片機設(shè)計控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。 另外，隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng) SOC (System On Chip)得到了十足的發(fā)展。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種 SOC 芯片應(yīng)用到先進的控