【正文】 西華大學課程設計說明書 1 引言 課題研究的背景溫度是生活及生產(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)指標相聯(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到這樣一個絕熱的目的，例如可以讓目標系統(tǒng)外部環(huán)境的溫度與其內(nèi)部溫度同步變化。根據(jù)熱力學第二定律，兩個溫度相同的系統(tǒng)之間是達到熱平衡的，這樣利用一個與目標系統(tǒng)溫度同步的隔離層，就可以把目標系統(tǒng)與外界進行熱隔離。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)的應用中，實際溫度低于控制的目標溫度，對控制效果的影響也是很大的。 溫度控制技術(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，接觸式測溫發(fā)展較早，這種測量方法的優(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。另外的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)的控制目標是使被控對象的溫度值按預先設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，如在發(fā)酵過程控制，化工生產(chǎn)中的化學反應溫度控制，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)誤差不能超過某允許值。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)溫控法所謂定值開關(guān)控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當前溫度值與設定目標溫度值之間的關(guān)系，進而對系統(tǒng)加熱裝置或冷卻裝置進行通斷控制。若當前溫度值比設定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開動制冷裝置若當前溫度值比設定溫度值低，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，采用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系統(tǒng)溫度上升至設定點時關(guān)斷電源，當系統(tǒng)溫度下降至設定點時開通電源，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線性溫控法這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的調(diào)節(jié)器控制原理，控制是最早發(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)點被廣泛應用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。由于調(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)調(diào)節(jié)功能。前者稱為模擬控制器，后者稱為數(shù)字控制器。其中數(shù)字控制器的參數(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，當對象特性一旦發(fā)生改變，三個控制參數(shù)也必須相應地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。 為了克服線性控溫法的弱點，人們相繼提出了一系列自動調(diào)整參數(shù)的方法，如參數(shù)的自學習，自整定等等。并通過將智能控制與控制相結(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)絡和模糊數(shù)學為理論基礎(chǔ)，并適當加以專家系統(tǒng)來實現(xiàn)智能化。其中應用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制以及專家系統(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算法的溫度控制儀表。目前國內(nèi)溫控儀表的發(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)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應性較差。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致控制精度不穩(wěn)定。溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，當今計算機控制技術(shù)在這方面的應用，已使溫度控制系統(tǒng)達到自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。對于這種溫控對象，一般認為其具有以下的傳遞函數(shù)形式： （11）1． 方案一圖11 方案一的圖此方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設定值，反饋的溫度值和設定值比較后，決定加熱或不加熱。其特點是電路簡單，易于實現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境影響大，不能實現(xiàn)復雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設定。2． 方案二圖12 方案二的圖此方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同，但由于采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實現(xiàn)復雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對鍵盤進行設定。3． 方案三圖13 方案三的圖 此方案采用DS18B20單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來顯示水溫的實際值，能用鍵盤輸入設定值。本方案選用了DS18B20芯片，不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單。 結(jié)論：前兩種方案是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。而方案三是采用以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可達到模擬控制所達不到的效果，并且實現(xiàn)顯示和鍵盤設定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。也使得系統(tǒng)所測得結(jié)果的精度大大提高。所以，經(jīng)過對三種方案的比較，本次畢業(yè)設計采用了方案三。2 硬件電路的設計 系統(tǒng)性能要求本論文所討論的基于單片機的溫度控制系統(tǒng)是某型號氣相色譜儀的溫度控制子系統(tǒng)，其目的是對兩個溫控箱的溫度進行恒值溫度控制。溫控箱的溫度控制范圍在室溫到攝氏度之間，溫度控制的精度要求為士1℃。下面討論系統(tǒng)的總體設計方案，包括系統(tǒng)的性能要求以及系統(tǒng)的軟、硬件方案分析。系統(tǒng)性能要求：可以人為地通過控制面板設定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應能自動將溫控箱加熱至此設定溫度值并能保持，直至重新設定為另一溫度值，即能實現(xiàn)溫度的自動控制；能夠?qū)崿F(xiàn)對溫控箱溫度的測量并且通過控制面板上的液晶面板顯示出來。具有加熱保護功能的安全性要求。如果實際測得的溫控箱溫度值超過了系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護電路就會做出反應，從而對溫控箱實現(xiàn)超溫保護。模塊化設計，安裝拆卸簡單，維修方便。系統(tǒng)可靠性高，不易出故障。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件進行替換。目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路和單片機兩種形式。模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。它的最大優(yōu)點是系統(tǒng)響應速度快，能實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制。根據(jù)計算機控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的響應特性。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個相對緩慢的過程，對溫控系統(tǒng)的實時性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢得不到體現(xiàn)。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來實現(xiàn)控制算法，很難實現(xiàn)復雜的控制算法。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、隨機存取存儲器、只讀存儲器、定時計數(shù)器以及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、應用廣泛。由此可見，采用單片機設計控制系統(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)和半導體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng)得到了十足的發(fā)展。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復雜程度，將這種芯片應用到先進的控制儀表中。芯片通常含有一個微處理器核，同時，它還含有多個外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲器和（RAM和ROM），并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強大，適用領(lǐng)域也非常廣。它不僅能滿足復雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡化。從實現(xiàn)復雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，是實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場上的價格還比較昂貴，并且的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實驗電路板的搭建。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應用單片機實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟實用的。 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個部分：單片機主控模塊、輸入通道、輸出通道、保護電路、電源電路等。由結(jié)構(gòu)框圖可見，溫度控制系統(tǒng)以單片機為核心，并擴展外部存儲器構(gòu)成主控模塊。被測對象的溫度由DS18B20溫度傳感器檢測外界溫度并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖此數(shù)字信號送給單片機處理，一方面將被測對象的溫度通過控制面板上的液晶顯示器顯示出來；另一方面將該溫度值與設定的溫度值進行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用控制算法進行運算，最后通過控制繼電器（即控制溫控箱加熱平均功率的大小），進而達到對被測物體溫度進行控制的目的。如果實際測得的溫度值超過或低于系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護電路會做出反應同時報警電路報警提示，從而保護被測物體。單片機快速、準確的進行溫度采集、數(shù)據(jù)處理、顯示和控制主要是時鐘電路提供的時鐘頻率，使單片機正常的協(xié)調(diào)處理各項任務。各個器件工作的電源電壓主要有電源電路提供。則溫度的設定范圍就通過矩陣鍵盤進行設定，使被測物體在正常的溫度范圍下工作。 硬件電路設計設計硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分；從功能模塊上來分有：主機電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、電源電路、控制執(zhí)行電路以及掉電保護電路。各個模塊電路通過主機電路控制，協(xié)調(diào)一致的進行工作。完成對被測物體的溫度控制。： 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖主機選用INTEL公司的MCS51系列單片機89C51來實現(xiàn)，利用單片機軟件編程靈活、自由度大的特點，力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的89C51芯片時時鐘可達12MHZ，運算速度快，控制功能完善。其內(nèi)部具有128字節(jié)RAM，而且內(nèi)部含有4KB的EPROM不需要外擴展存儲器，也有數(shù)據(jù)通信接口，通過TXD、RXD與PC機連接，可以進行人機操作，使得操作更加簡單、方便。具有五個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級，兩個外部中斷、兩個定時中斷還用一個通信中斷，可以對溫度檢測進行實時處理和分時操作，這樣就可以對被測物體溫度監(jiān)測更加準確、延時性更小，同時也可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單實用。：單片機和時鐘電路、復位電路以及電源電路構(gòu)成了單片機的最小系統(tǒng)，即溫度控制系統(tǒng)的主機電路。用來處理溫度采集的數(shù)字信息并控制各部分的正常工作。其中單片機的I/O口，即P0、PP2和P3用來接相應的顯示設備，鍵盤輸入以及繼電器等。 主機電路示意圖 I/O通道的硬件電路的設計就本系統(tǒng)來說，需要實時溫度傳感器DS18B20采集水溫數(shù)據(jù)，送入單片機中的特定單元，然后一部分送去顯示；另一部分與設定值進行比較，通過PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機輸出去控制電爐加熱或制冷器降溫。（1） 數(shù)據(jù)采集電路的設計數(shù)據(jù)采集電路主要由數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集水溫的溫度。溫度傳感器的單總線(1Wire)與單片機的 I／O連接。P3端口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／O，每個端口都有第二功能，其輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或 輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對該端口寫“1”，可通過內(nèi)部上拉電阻將其端口拉至高電平，此時可作為輸入口使用，這是因為內(nèi)部存在上拉電阻，某一引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。：溫度傳感器DS18B20與單片機只有一根線連接即單總線或one_wire總線。溫度傳感器DS18B20只有三個端口，電路連接很簡單，一根電源線接電源，一根接地，一根