【正文】 83。 25 抗干擾設計 27 第 3 章 總結 30 參考文獻 31 致謝 33 附錄 1 英文資料 34 附錄 2 中文翻譯 41 附 錄 3 系統(tǒng)源程序 46 附錄 4 系統(tǒng)原理圖 58 第 4 頁 共 57 頁 序 言 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和 控制。通常，電阻爐爐溫控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理獲得控制信號去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，以實現(xiàn)對爐溫的控制 [1]。 PID 控制是比例、積分、微分控制的簡稱。在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中， PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。隨著科學的發(fā)展，特別是電子計算機的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進的控制方法，然而直到現(xiàn)在， PID 控制仍是最廣泛應用的控制方式之一。 現(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機，小型機、甚至是巨型機 處理機等，當然這些處理機有一個很大的特點，那就是很高的運行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。 但 對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以目前， PID 算法一般是在順序程序結構的處理器上實現(xiàn)的，工程上實際應用的很多PID 控制器都是用單片機 (MCU)來實現(xiàn)的 [2]。 本設計源自工業(yè)現(xiàn)場，以鍋爐水溫水溫控制器建立模型，包括硬件和軟件兩部分，硬件部分包含電源模塊、溫度設定模塊、溫度采集變送模塊、溫度偏差處理模塊（即 PID控制模塊）、溫度顯 示模塊、報警模塊、電爐加熱模塊。軟件部分主要負責溫度信號采集、溫度值實時顯示驅動、溫度偏差信號處理。系統(tǒng)最終實現(xiàn)的指標如下： (1)按鍵設定溫度，數(shù)碼管顯示實時溫度； (2)溫度控制 范圍為 0～ 100℃，測量誤差為177。 ℃； (3)恒溫控制； (4)上下限溫度報 警 。 第 5 頁 共 57 頁 第 1 章 系統(tǒng)方案 設計思想 溫度的期望值可用鍵盤設定，溫度傳感器檢測實際溫度，微處理器單片機根據(jù)實測值與期望值偏差通過 PID運算，輸出相應的控制參數(shù)給加熱驅動模塊，從而實現(xiàn)閉環(huán) PID控制。其中，溫度信號的準確性影響著整套系統(tǒng)的成功。 方案論證 溫度采集有多種方案， 但在水溫控制的工業(yè)現(xiàn)場主要有兩種： 方案一：用熱電偶采集溫度。 熱電偶 利用熱電勢 原理進行溫度測量的。其測量精度高 、 測量范圍廣。常用的熱電偶從 50℃ +1600℃ 均 可 正常測量 ，某些特殊熱電偶最低可測到 269℃ （如金鐵鎳鉻），最高可達 +2800℃ （如鎢 錸）。 但熱電偶測量需要溫度補償。而且輸出量為電壓，需要經(jīng)過測量放大器、 AD轉換后才能送入微處理器處理 [3]。 方案二：采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20， DS18B20 采用 獨特的單線接口方式，與微處理器連接時僅需要一條口線 即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。在使用中不需要任何外圍元件 ， 測溫范圍 － 55℃ ～＋ 125℃ ， 最小 分辨率 達 ℃ 。 驅動加熱模塊也有多種方案： 方案一：單片機輸出數(shù)字量，經(jīng) DA 轉換后驅動相應的功率器件，特點是控制方便，電路設計復雜，且存在大量的干擾。 方案二：選用固態(tài)繼電器。單片機輸出脈寬變化的 PWM 波，從而改變固態(tài)繼電器中交流接觸點的通斷時間以此來改變水溫。 論證分析 經(jīng)過比較，采用 DS18B20 測量水溫，硬件電路簡單，測量精度 高，信號易處理，故溫度變送器選用 DS18B20。 驅動加熱采用固態(tài)繼電器， 在實行控制的時候不像其它采用D/A 轉換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法，而是直接外接一個固態(tài)繼電器，通過內(nèi)部改變定時器的中斷時間來調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)電子開關的導通和斷開時間。這樣既節(jié)省了材料也可以很大程度上減少硬件電路的結構 [4]。 系統(tǒng)原理框圖 如圖 11所示 。 第 6 頁 共 57 頁 圖 11 系統(tǒng)原理框圖 綜上所述方案有如下的特點： (1) 在完成所要求的任務的基礎之上還有著結構簡單、明了的特點，很容易實現(xiàn)，而且在一 定的程度上節(jié)約成本。 (2) 由于采用了離線的方法，很大程度上的減少了編程的麻煩，實現(xiàn)起來較容易。 (3) 采用了無污染能源，保護環(huán)境。同時也省去了為建造燃料供應子系統(tǒng)的費用，節(jié)約了成本。采用了模擬的 PWM 變換，和固態(tài)繼電器?？梢詫⒉蓸宇l率提高到很多的水平，使控制結果更準確，實時性、控制效果更好。溫度顯示 報警 DS18B20 按鍵設定溫度 電爐 固態(tài)繼電器 51單片機 第 7 頁 共 57 頁 第 2 章 系統(tǒng)設計 整個系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。本章詳細介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設計，并對硬件和軟件的每一個部分進行了分析，在后半部分還對系統(tǒng)模型進行了仿 真與程序調(diào)試。硬件和軟件的每一個壞節(jié)都是深思熟慮而成，各自 完成相應的功能并組成一個統(tǒng)一的整體。 硬件設計 系統(tǒng)的硬件包括：電源模塊、溫度設定模塊、溫度采集變送模塊、溫度偏差處理模塊（即 PID控制模塊）、溫度顯示模塊、報警模塊、電爐加熱模塊。 電源電路 由于整個系統(tǒng)都是用單片機和各類芯片及電阻、電容組成的，其工作電壓為＋ 5V，不需要負電壓，可采用三端固定正電壓集成穩(wěn)壓器 7805 系列的芯片 。其輸出電壓 5V，按輸出電流不同可分為 78M0 78L05，輸出電流分別為 ，轉換成功率分別為 和 5W。從整個系統(tǒng)的設計來看，其中有幾塊集 成芯片和多個電阻、電容等器件，其功率總和應在 2W 左右，所以考慮整個系統(tǒng)的功率裕量，采用 78M05 作為整個系統(tǒng)的供電芯片。 如圖 21所示。 圖 21 電源電路圖 其中輸入電壓為交流 220V，經(jīng)過變壓器其輸出為 12V，再進行整流。整流可通過四個二極管進行全波整流，也可以利用集成整流堆來進行（同原理）。后面接電容 C C5 第 8 頁 共 57 頁 為濾波電容進行 濾波，注意電解電容應該要有一定裕量，否則不能起到很好的濾波效果，本電路中使用的電容大小為 470181。F,耐壓為 25V。 78M05 的輸出級接入兩個濾波電容，用于減小因為電源波動對系統(tǒng)造 成的影響和濾波。其不需要采用大容量的電解電容器，容量大小為 100181。F耐壓為 25V，再接入 ，便可減少因為電源波動的影響和濾 去紋波，很好地改善負載的瞬態(tài)響應 [5]。 溫度檢測與變送環(huán)節(jié) 檢測與變送設備主要根據(jù)被檢測參數(shù)的性質與系統(tǒng)設計的總體考慮來決定。被檢測參數(shù)性質的不同，準確度要求、響應速度要求的不同以及對控制性能要求的不同都影響檢測、變送器的選擇，要從工藝的合理性、經(jīng)濟性加以綜合考慮。應遵循以下原則： 可能選擇測量誤差小的測量元件。 設備。 能做 必要的處理， 其中包括： (1) 測量信號校正。 (2) 測量信號噪聲（擾動）的抑制。 (3) 對測量信號進行曲線線性化處理。 溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見、最基本的參數(shù)之一。 溫度的檢測與控制是自動控制工程的重要任務之一。測量溫度的方法有兩種，一種是接觸式、另一種是非接觸式。接觸式測量的主要特點是：方法簡單、可靠，測量精度高。但是由于測溫元件要與被測介質接觸進行熱交換，才能達到平衡，因而產(chǎn)生了滯后現(xiàn)象。同時測量體可能與被測介質產(chǎn)生化學 反應 。此外測量體還受到耐溫材料的限制，不能應用于很高 溫度的測量。非接觸式測溫是通過接收被測介質發(fā)出的輻射熱來判斷的 [6]。其主要特點是：測溫原則上不愛限制；速度較快，可以對運動 物 體 進行測量。但是它受到物體的輻射率、距離、煙塵和水汽等因素影響，測溫誤差較大。 由于本系統(tǒng)中測量的對象為電爐，測量溫度在 0~100℃左右，且介質為水，不易與測量體發(fā)生化學反應。所以理所當然選擇接觸式的溫度測量方式更為理想。 DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 單 線式數(shù)字溫度傳感器，具有 3引腳 TO－ 92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－ 55℃ ～＋ 125℃ ,可編程為 9位～ 12 位 A/D 轉換 精度，測溫分辨率可達 ℃ ，被測溫度用符號擴展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個 DS18B20 可以并聯(lián)到 3根或 2 根線上， CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省 第 9 頁 共 57 頁 大量的引線和邏輯電路。以上特點使 DS18B20 非常適用于遠距離多點溫度檢測系統(tǒng) [7]。 DS18B20 內(nèi)部結構如圖 22 所示，主要由 4部分組成： 64位 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的管腳排列如圖 33 所示 ， DQ為數(shù)字信號輸入／輸出端； GND 為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 溫 度 傳 感 器高 速暫 存 器存 儲 和 控 制 邏 輯6 4位R O M和單總線端口8 位 C R C生 成 器低 溫 觸 發(fā) 器 T L供 電 方式 選 擇配 置 寄 存 器高 溫 觸 發(fā) 器 T HD QV D DV D D 圖 22 DS18B20內(nèi)部結構圖 DS18B20 的核心功能部件是它的數(shù)字溫度傳感器，它的分辨率可配置為 112 位，它們對應的溫度值分辨率為 ℃、 ℃、 ℃、 ℃。溫度信息的低位、高位字節(jié)內(nèi)容還包括了符號位 S和二進制小數(shù)部分。本系統(tǒng)中 DS18B20 接線圖如圖 23所示 ，當測量距離較遠時，可在數(shù)據(jù)輸出口加上拉 電阻 R9，其阻值為 5K左右，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。 圖 23 DS18B20接線圖 由于本系統(tǒng)中涉及到 PID調(diào)節(jié)， PID 調(diào)節(jié)需要精度稍高的輸入量，故本系統(tǒng)選取 16位分辨率，精度為 ℃ 。 整個系統(tǒng)采用常用的 51單片機， 89C51 是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。 1．主要特性： 第 10 頁 共 57 頁 與 MCS51兼容 ,4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) ； 數(shù)據(jù)保留時間：10 年 ； 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； 三級程序存儲器鎖定 ； 128*8 位內(nèi)部 RAM； 32 個 可編程I/O 線 ， 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 ， 5 個中斷源 ， 可編程串行通道 ， 低功耗的閑置和掉電模式 ， 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 。 2．管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏 極 開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位 。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高 [8]。