【正文】 控儀表，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的性價(jià)比兩方面考慮。同時(shí)，要采用大面積接地技術(shù)來(lái)降低芯片自熱引起的測(cè)量誤差，提高溫度測(cè)量精度。圖 35 MAX6675 與單片機(jī)的接口電路為了正確使用 MAX6675 芯片，在進(jìn)行電路硬件設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)： (1)MAX6675 的測(cè)量精度對(duì)電源耦合噪聲比較敏感，設(shè)計(jì)時(shí)需要在 MAX6675 的電源引腳與地線之間接一個(gè) 0．1μF 的陶瓷旁路電容，同時(shí)盡量將 MAX6675 布置在遠(yuǎn)離其他 I/O 芯片的地方，以降低電源噪聲的影響。當(dāng) AT89S52 的 為低電平且 產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，MAX6675 的 SO 腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，每一個(gè) SCK 的脈沖信號(hào)下降沿 SO 輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，16 個(gè)脈沖信號(hào)完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位 D15，最后輸出的是低電位 DO，D14～D3 為相應(yīng)的 12 位溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換值的變化范圍是 0～4095，對(duì)應(yīng)表示實(shí)際溫度為 0度～，分辨率為 。D15 位是偽標(biāo)志位，始終為 0；D14～D3 是由高位到低位順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；D2 用于檢測(cè)熱電偶是否斷線，當(dāng) D2 為 1 時(shí)表明熱電偶斷開；D1 為MAX6675 的標(biāo)識(shí)符，始終為 0；D0 位為三態(tài)。它是一種高精度的集成芯片，體積極小，不需要其它任何的外圍電路，就能獨(dú)立完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化、A/D 轉(zhuǎn)換及 SPI 串口數(shù)字化輸出功能，可以直接與單片機(jī)接口，大大簡(jiǎn)化了熱電偶測(cè)量智能裝置原本復(fù)雜的軟硬件設(shè)計(jì)，大大減少了溫度控制過(guò)程中的不穩(wěn)定因素，保證了測(cè)溫的快速、準(zhǔn)確。（4）數(shù)字化輸出：與單片機(jī)系統(tǒng)接口要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口,而作為模擬小信號(hào)測(cè)溫元件的熱電偶顯然無(wú)法直接滿足這個(gè)要求,需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。經(jīng)綜合考慮 K 型熱電偶的測(cè)溫范圍、測(cè)溫精度、測(cè)溫特性及價(jià)格，本文設(shè)計(jì)的智能溫度測(cè)控系統(tǒng)選擇 K 型熱電偶作為溫度傳感器，實(shí)物如圖 33 所示。 圖31 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)硬件框圖如圖 32 所示，由以下幾部分組成：AT89S52 單片機(jī)及其最小系統(tǒng)模塊、溫度檢測(cè)模塊、鍵盤模塊、LED 顯示模塊、輸出控制模塊等。最后通過(guò)對(duì)二種控制方案進(jìn)行仿真研究和分析，證實(shí)了參數(shù)模糊自整定 PID 控制策略可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小等較理想的性能指標(biāo)，作為該溫控系統(tǒng)的控制器是可行的。通過(guò)不斷調(diào)整 PID 三參數(shù)，得到最佳仿真曲線，其中 Kp＝2，Ki＝，Kd＝。（2）控制器適用于多種截然不同的對(duì)象，其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化不敏感，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。 在以微處理器為硬件核心的控制系統(tǒng)中，由于是以采樣周期對(duì)輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，故它是離散時(shí)間控制系統(tǒng)。 (3)微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，微分控制能感應(yīng)出偏差的變化趨勢(shì)，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。因此選擇必須適當(dāng)，才能取得過(guò)渡時(shí)間少、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 23 所示。本文的被控對(duì)象是深圳市偉科達(dá)電熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為 WKD298 的電烤箱，工作頻率 50Hz，溫度范圍 0250度，總功率 2000W。電烤箱在不同功率下的階躍響應(yīng)曲線基本相同，所以可由某一功率下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線來(lái)取得系統(tǒng)的近似特征參數(shù)?？紤]到電烤箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，許多變量間只存在相關(guān)關(guān)系，而這種關(guān)系往往不能直接用數(shù)學(xué)式來(lái)精確描述，所以本文選擇實(shí)驗(yàn)建模來(lái)獲取系統(tǒng)模型。第二章 被控對(duì)象及控制策略 系統(tǒng)模型的建立控制系統(tǒng)建模方法分為兩大類：機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模。第二章：系統(tǒng)模型的建立及控制策略的選擇與設(shè)計(jì)，利用 Matlab 對(duì)PID 控制、模糊自整定 PID 控制進(jìn)行仿真比較。相比較而言，國(guó)內(nèi)智能控制技術(shù)與日本、美國(guó)、瑞典、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍存在較大差距。隨后越來(lái)越多的學(xué)者開始關(guān)注智能控制技術(shù)，國(guó)家也越來(lái)越重視智能控制理論的研究和應(yīng)用，1993～1995 連續(xù)三年國(guó)內(nèi)都召開了與智能控制有關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議。1976 年，P．J．King 和 Mamdani 等人合作，采用模糊模型的預(yù)估方案，用模糊控制對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行溫度控制，成功解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，這也是控制史上首次利用模糊控制來(lái)進(jìn)行溫度控制。本文的研究對(duì)象——電烤箱，是一種非線性、時(shí)變性、大時(shí)滯的被控對(duì)象，用精確的數(shù)學(xué)模型表示其特性是十分困難的，用常規(guī)的 PID 控制難以達(dá)到較高的控制精度，只有在參數(shù)整定準(zhǔn)確且系統(tǒng)不發(fā)生劇烈變化的情況下才能實(shí)現(xiàn)，然而這對(duì)一般的電烤箱溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都難以滿足，在關(guān)于溫度控制的絕大部分文獻(xiàn)資料中，控制結(jié)果都有較大的超調(diào)，本論文基于這一特點(diǎn)進(jìn)行研究，提出一種控制方案，把虛擬儀器與智能溫度控制相結(jié)合，開發(fā)一套基于模糊自整定 PID 參數(shù)算法的控制系統(tǒng)，使其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、控制精度高、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。它含有種類豐富的函數(shù)庫(kù)，科學(xué)家和工程師們利用它可以方便靈活地搭建功能強(qiáng)大的測(cè)控系統(tǒng)。智能溫度控制器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬溫度控制器和網(wǎng)絡(luò)溫度控制器、研制單片測(cè)溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。而當(dāng)前的發(fā)展對(duì)測(cè)控儀器提出了越來(lái)越高的要求，不僅要求能完成實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，還希望具有更強(qiáng)的通用性，能適應(yīng)多種多樣的使用要求，隨時(shí)可改變檢測(cè)對(duì)象、完成不同測(cè)試任務(wù)或升級(jí)換代，能建立起一個(gè)可掌握生產(chǎn)過(guò)程的信息資料，并能以監(jiān)測(cè)、分析、控制和優(yōu)化等手段為及時(shí)的人工決策和控制提供依據(jù)的測(cè)控系統(tǒng)。MCU目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒 論 1 課題的研究背景及意義 1 課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 課題研究的主要內(nèi)容 3第二章 被控對(duì)象及控制策略 4 系統(tǒng)模型的建立 4 控制策略研究 6 仿真分析 8 本章小結(jié) 9第三章 溫度測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 10 10 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 10 AT89S52 單片機(jī)及其最小系統(tǒng) 14 人機(jī)交互接口電路設(shè)計(jì) 16 鍵盤電路 16 顯示電路 16 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 18 溫度控制電路的設(shè)計(jì) 18 串口通信電路 20 硬件抗干擾設(shè)計(jì) 20 本章小結(jié) 21第四章 溫度測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 22 系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 22 軟件設(shè)計(jì)概述 22 主控模塊 22 數(shù)據(jù)采集子模塊 23 控制算法子模塊 24 25 本章小結(jié) 25結(jié)束語(yǔ) 26致 謝 27參考文獻(xiàn) 28第一章 緒 論 課題的研究背景及意義物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測(cè)量和控制的一個(gè)非常重要的物理量，如：在冶金、機(jī)械、石油化工、電力等工業(yè)生產(chǎn)中的溫度控制；在溫室花房、蔬果大棚、糧倉(cāng)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測(cè)控；與我們生活息息相關(guān)的微波爐、電熱水器、電烤箱、空調(diào)等家用電器的溫度控制；高等院校實(shí)驗(yàn)室微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中將溫度作為被測(cè)參數(shù)，供學(xué)生做綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)或課程設(shè)計(jì)等。下位機(jī)以 AT89S52 單片機(jī)為微處理器，K 型熱電偶為傳感器，由 MAX6675 熱電偶信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令，進(jìn)行智能算法得到控制量，通過(guò)零觸發(fā)光電耦合器件 MOC3061 和晶閘管 BT136 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元。3．在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)侵犯任何方面知識(shí)產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。2．本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)中引用他人的觀點(diǎn)和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對(duì)本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中注明。本論文設(shè)計(jì)了一種基于模糊自整定 PID 算法的控制器，詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。PIDControl。目前，溫度測(cè)控系統(tǒng)一般使用的還是傳統(tǒng)儀器，以單臺(tái)儀器獨(dú)立工作、手工操作、人工記錄和分析判斷信息為主要設(shè)計(jì)思想，其功能和規(guī)格一般被廠家所固定，使用時(shí)需要通過(guò)硬件或者固化的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶無(wú)法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能，不具有通用性?？傮w而言，測(cè)控領(lǐng)域主要面臨了以下幾大問(wèn)題：(l)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度太快，彼此之間的兼容性較差；(2)難以滿足用戶不同層次和不斷變化的要求；(3)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)集成入網(wǎng)、并能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)和交互的需求日益迫切。虛擬儀器為人們建立檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。利用現(xiàn)代控制理論與虛擬儀器技術(shù)，將智能控制與傳統(tǒng)控制有機(jī)綜合應(yīng)用，提高測(cè)量精度，設(shè)計(jì)出適用于不同加熱條件和要求的智能型溫度測(cè)控系統(tǒng)是當(dāng)今測(cè)溫研究的一個(gè)重點(diǎn)。1974年，Mamdani 首次將模糊邏輯和模糊推理用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，標(biāo)志著人們用模糊邏輯進(jìn)行工業(yè)控制的開始。早在 1965 年我國(guó)著名科學(xué)家傅京孫首先提出把人工智能啟發(fā)式推理規(guī)則引入學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，并于 1971 年提出人工智能和自動(dòng)控制交叉學(xué)科，奠定了國(guó)內(nèi)智能控制發(fā)展的基礎(chǔ)。目前，國(guó)外已研制出智能化、精度高、小型化的智能溫度控制器，開發(fā)出成熟的智能控制算法和控制軟件。本課題的具體研究?jī)?nèi)容如下：第一章：論述智能溫度測(cè)控系統(tǒng)課題的背景和意義，溫度測(cè)控系統(tǒng)控制方案，課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及本論文的主要內(nèi)容。第四章：智能溫度測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，給出了各主控模塊的子程序流程圖,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)建模把被研究的對(duì)象看作一個(gè)黑箱，通過(guò)輸入信號(hào)，研究對(duì)象的輸出響應(yīng)信號(hào)與輸入激勵(lì)信號(hào)之間的關(guān)系，估計(jì)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，尤其對(duì)一些不易了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理不明的“黑箱”系統(tǒng)更是如此。電烤箱模型參數(shù)的辨識(shí)常用的方法是階躍響應(yīng)法。 圖 21 一階慣性純滯后對(duì)象飛升曲線CohnCoon 公式如下： （22） （23） （24）式中 和 分別是飛升曲線為 和 時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。因此本文被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為： （25） 控制策略研究