【正文】 劉教授是一位難得的良師益友。這次設(shè)計綜合了我們大學(xué)四年的知識，也是我們的一次演習(xí)。表51 實驗數(shù)據(jù)記錄表時間/s0306090120150180210240270330溫度/度20時間/s330360390420450480510540570600630溫度/度8584時間/s660690720750780810840870900930960溫度/度85圖 52 溫度實時變化曲線圖 從表 51 的數(shù)據(jù)和圖 52 的曲線圖上可以得知：系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間較短，約 200S 左右；系統(tǒng)超調(diào)量 %；靜態(tài)誤差小于 2℃。由于系統(tǒng)程序比較復(fù)雜，為了便于編寫、調(diào)試、修改，系統(tǒng)程序的編寫采用模塊化的設(shè)計思想，將控制單元中需要的一系列功能編成相應(yīng)的子模塊，整個系統(tǒng)包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤輸入模塊、LED 顯示模塊、中斷服務(wù)模塊、控制算法模塊、輸出控制模塊等部分組成。在本課題設(shè)計的系統(tǒng)中，外圍硬件設(shè)備主要有 K 型熱電偶、模數(shù)變換器 MAX667AT89S52 單片機(jī)、MAX7219 驅(qū)動 LED 顯示、控制電路等，詳細(xì)介紹了各硬件選型的依據(jù)、結(jié)構(gòu)原理及相關(guān)注意事項，給出了電路圖，并對系統(tǒng)的可靠性方面的設(shè)計進(jìn)行了討論，給出了一些常用的抗干擾措施。為解決這一問題，設(shè)計時在芯片的電源線端和地線端加接去耦電容，并且使這些電容的引線盡可能短。圖 312 單片機(jī)與 PC 機(jī)串口通信電路 硬件抗干擾設(shè)計 溫度測控系統(tǒng)中含有微弱的模擬信號、高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換、大功率驅(qū)動電路，抗干擾是必須考慮的問題，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集信號誤差大、輸出誤差大、系統(tǒng)失控、硬件損壞等狀況。具體調(diào)節(jié)過程為：在給定周期內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通時間，從而改變加熱功率，來實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。移相觸發(fā)方式調(diào)功實際上是通過改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角，使負(fù)載端電壓有效值得以調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，又稱相位控制調(diào)功；過零觸發(fā)方式調(diào)功實際上是電壓波形不變，通過改變電壓周波在控制周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)達(dá)到調(diào)功的目的，又稱通斷控制調(diào)功。圖 38 MAX7219 與 AT89S52 的接口電路 在 MAX7219 的電源(V+)與地(GND)間并接一個 去耦電容和一個 10uF/16V電解電容，可以有效提高其工作可靠性。MAX7219 與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送最快最有效的方法是串行外設(shè)接口 SPI，對不帶 SPI 接口能力的單片機(jī)，需要軟件合成 SPI 操作與 MAX7219 接口。在判斷電路是否有鍵按下時，讀 端口值，若值不是 00001111，則說明電路中有鍵按下，然后根據(jù)程序進(jìn)行去抖動處理和計算鍵值。通過調(diào)節(jié)電阻值，合理地選擇分壓比，電源正常時，確保 R2 上的電壓高于 V，即保證 MAX813L 的 PFI輸入端電平高于 V。為了提高單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性，在本課題采用專門的監(jiān)控芯片 MAX813L。只有當(dāng)熱電偶的冷端和芯片溫度相等時，才可獲得最佳的測量精度，所以在進(jìn)行 PCB 設(shè)計時，要盡量避免在 MAX6675 附近放置易發(fā)熱元件或器件。圖34 MAX6675 SPI 接口時序圖MAX6675 與單片機(jī)的接口電路 MAX6675 與單片機(jī)的接口電路如圖 35所示，單片機(jī)的 、 口分別接到 MAX6675 的 SCK、CS 、SO 端。 本文設(shè)計中選用了由 Maxim 公司生產(chǎn)的 K 型熱電偶專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX6675，來完成熱電偶電勢至溫度的轉(zhuǎn)換。 K 型熱電偶的穩(wěn)定性較高，可在氧化性和中性介質(zhì)中長期測 900度以下溫度，其回復(fù)性較好，產(chǎn)生熱電勢較大，線性好，價格便宜，測量精度較高，是工業(yè)中最常用的一種熱電偶。 本章小結(jié)本章通過實驗數(shù)據(jù)，建立了以電烤箱為對象的數(shù)學(xué)模型，分析了 PID 控制、和模糊自整定 PID 控制的原理及優(yōu)缺點，確定了模糊自整定 PID 控制為電烤箱的控制策略。概括地講，PID 控制的優(yōu)點主要有以下兩點：（1）原理簡單、實現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實際需要的基本控制器。反之隨著 減小，靜差也減小，但過小的 會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。因此本文被控對象的傳遞函數(shù)為： （25） 控制策略研究PID 控制的基本理論PID 控制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的控制方法，是一種建立在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上的控制策略，對于線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于PID 控制器的各個參數(shù)的確定。電烤箱模型參數(shù)的辨識常用的方法是階躍響應(yīng)法。第四章：智能溫度測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，給出了各主控模塊的子程序流程圖,對整個系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和實驗，對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。目前，國外已研制出智能化、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。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。虛擬儀器為人們建立檢測系統(tǒng)、自動測量系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。目前，溫度測控系統(tǒng)一般使用的還是傳統(tǒng)儀器，以單臺儀器獨立工作、手工操作、人工記錄和分析判斷信息為主要設(shè)計思想，其功能和規(guī)格一般被廠家所固定，使用時需要通過硬件或者固化的軟件來實現(xiàn)，用戶無法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能，不具有通用性。本論文設(shè)計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)計和實現(xiàn)方法。3．在畢業(yè)設(shè)計中對侵犯任何方面知識產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。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 溫度測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計 10 10 溫度檢測電路的設(shè)計 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 16 鍵盤電路 16 顯示電路 16 報警電路的設(shè)計 18 溫度控制電路的設(shè)計 18 串口通信電路 20 硬件抗干擾設(shè)計 20 本章小結(jié) 21第四章 溫度測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計及實驗結(jié)果 22 系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計 22 軟件設(shè)計概述 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 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)實驗研究以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測量和控制的一個非常重要的物理量，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、糧倉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測控；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；高等院校實驗室微機(jī)測控系統(tǒng)中將溫度作為被測參數(shù)，供學(xué)生做綜合實驗、實訓(xùn)或課程設(shè)計等。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、研制單片測溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。本文的研究對象——電烤箱，是一種非線性、時變性、大時滯的被控對象，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現(xiàn)，然而這對一般的電烤箱溫度控制系統(tǒng)來說都難以滿足，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)簡單、響應(yīng)速度快、控制精度高、魯棒性強(qiáng)的特點。隨后越來越多的學(xué)者開始關(guān)注智能控制技術(shù)，國家也越來越重視智能控制理論的研究和應(yīng)用，1993～1995 連續(xù)三年國內(nèi)都召開了與智能控制有關(guān)的學(xué)術(shù)會議。第二章：系統(tǒng)模型的建立及控制策略的選擇與設(shè)計，利用 Matlab 對PID 控制、模糊自整定 PID 控制進(jìn)行仿真比較?？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)式來精確描述，所以本文選擇實驗建模來獲取系統(tǒng)模型。本文的被控對象是深圳市偉科達(dá)電熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號為 WKD298 的電烤箱，工作頻率 50Hz，溫度范圍 0250度，總功率 2000W。因此選擇必須適當(dāng)，才能取得過渡時間少、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。 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輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實時采樣，故它是離散時間控制系統(tǒng)。通過不斷調(diào)整 PID 三參數(shù)，得到最佳仿真曲線，其中 Kp＝2，Ki＝，Kd＝。 圖31 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖系統(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、溫度檢測模塊、鍵盤模塊、LED 顯示模塊、輸出控制模塊等。（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,而作為模擬小信號測溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個要求,需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。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 用于檢測熱電偶是否斷線，當(dāng) D2 為 1 時表明熱電偶斷開；D1 為MAX6675 的標(biāo)識符，始終為 0；D0 位為三態(tài)。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)計時，還應(yīng)該注意以下幾點： (1)MAX6675 的測量精度對電源耦合噪聲比較敏感，設(shè)計時需要在 MAX6675 的電源引腳與地線之間接一個 0．1μF 的陶瓷旁路電容，同時盡量將 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。本課題中運用單片機(jī)的目的是構(gòu)成一個具有一定判斷、運算、存儲、顯示和控制等功能的智能溫度測控儀表，單片機(jī)型號的選擇主要從有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的性價比兩