【正文】 6)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場(chǎng)上買到同樣零部件進(jìn)行替換。溫控箱的溫度控制范圍在室溫到攝氏600度之間， 0C。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(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。其具體控制電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。 從工業(yè)控制器的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種: 定值開(kāi)關(guān)控溫法 所謂定值開(kāi)關(guān)控溫法，就是通過(guò)硬件電路或軟件計(jì)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(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱裝置(或冷卻裝置)進(jìn)行通斷控制。另外的非接觸式測(cè)溫方法是通過(guò)對(duì)輻射能量的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是:不破壞被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。這是因?yàn)楹芏鄳?yīng)用中只有加熱環(huán)節(jié)，而沒(méi)有冷卻的裝置。在很多生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)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(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。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(lái)達(dá)到這樣一個(gè)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。下面就簡(jiǎn)要的討論一下溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀。 溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類:動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。這種開(kāi)關(guān)控溫方法比較簡(jiǎn)單，在沒(méi)有計(jì)算機(jī)參與的情況下，用很簡(jiǎn)單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器, 其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)PID參數(shù)(比例值、積分值、微分值)。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(yàn)來(lái)改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。 2)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫控箱溫度的測(cè)量并且通過(guò)控制面板上的數(shù)碼管顯示出來(lái)。作為與MCS51系列兼容的單片機(jī)，無(wú)論在運(yùn)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。它的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。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(jìn)的控制儀表中。此外，在選取外圍擴(kuò)展芯片時(shí)，本著節(jié)約成本的原則，盡量選取典型的、易于擴(kuò)展和替換的芯片及器件。 溫度控制算法方面，在對(duì)溫控箱數(shù)學(xué)模型辨識(shí)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經(jīng)典的PID控制算法，這主要是由于PID控制相對(duì)來(lái)說(shuō)算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高。第三章軟件設(shè)計(jì)介紹了系統(tǒng)軟件各主要功能模塊的設(shè)計(jì)。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過(guò)了系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護(hù)電路會(huì)做出反應(yīng)，從而保護(hù)溫控箱。 ④芯片的封裝形式，如DIP封裝，PLCC封裝及表面貼附封裝等。具有超強(qiáng)的三級(jí)加密功能，其片內(nèi)閃電存儲(chǔ)器(Flash Memory)的編程與擦除完全用電實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程/擦除速度快。⑦ AT89CS2的狀態(tài)周期由晶體振蕩器2分頻后獲得，作為芯片工作的基本時(shí)間單位，在采用12MHz晶振時(shí)，AT89CS2的狀態(tài)周期為(2/12)x106=167ns. AT89C52單片機(jī)DIP封裝的引腳 主控模塊設(shè)計(jì)主控模塊電路由AT89C52單片機(jī)、外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成。外接晶體諧振器以及電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。Pt100型鉑電阻，在2000C到850℃范圍內(nèi)是精度最高的溫度傳感器之一。 鉑電阻溫度傳感器采樣電路鉑電阻測(cè)溫電路的工作方式一般分為恒壓方式和恒流方式兩種。由()式可知，鉑電阻溫度傳感器在其測(cè)量范圍內(nèi)具有非線性，即阻值變化具有飽和特性。C） A/D轉(zhuǎn)換在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，控制或測(cè)量對(duì)象的有關(guān)變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。④線性度：線性度指實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。AD7705采用三線串行接口，具有兩個(gè)全差分輸入通道，%非線性的16位無(wú)誤碼輸出，其增益和輸出更新率均可編程設(shè)定，還可以選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。⑤AIN1(+)差分模擬輸入通道1的正輸入端。A/[4]。本系統(tǒng)采用分配式零位控制的模式，控制溫控箱的加熱電阻的平均加熱功率，進(jìn)而控制溫控箱的溫度[5]。交流型SSR的工作原理框圖如圖2 .9所示，圖中的部件①④構(gòu)成交流SSR的主體。圖中當(dāng)①、②端輸入電壓大于某數(shù)值后，光耦合器中的光敏三極管流過(guò)集電極電流，它在R1上的壓降使三極管T1截止，此時(shí)如果T2不與單向可控硅SCR相連，由于SCR的G極電位高于陰極K電位，觸發(fā)SCR，交流電流流過(guò)電阻R4，在R4上產(chǎn)生的壓降的絕對(duì)值大于雙向可控硅BCR的觸發(fā)電壓，BCR觸發(fā)導(dǎo)通，使③、④端間短路。在本系統(tǒng)中，由于AT89C52單片機(jī)I/O端口的驅(qū)動(dòng)能力可以高達(dá)幾十mA，足以滿足SSR的驅(qū)動(dòng)要求，故無(wú)需加跟隨器來(lái)提高驅(qū)動(dòng)電流。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此使用非常廣泛。芯片74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出。電路中的670Ω電阻是為保護(hù)LED而設(shè)置的限流電阻[6]。在輸入、輸出通道采用光電耦合器將控制系統(tǒng)與外圍接口隔離。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時(shí)一般要符合以下基本要求:①易理解性、易維護(hù)性：要達(dá)到易理解和易維護(hù)等指標(biāo)，在軟件的設(shè)計(jì)方法中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是最好的一種設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法是由整體到局部，然后再由局部到細(xì)節(jié)，先考慮整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)，然后把這個(gè)目標(biāo)分成一個(gè)個(gè)的任務(wù)，任務(wù)中可以分成若干個(gè)子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成是前臺(tái)行為(foreground)。主模塊的功能是為其余幾個(gè)模塊構(gòu)建整體框架及初始化工作。 主程序流程圖 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是負(fù)責(zé)溫度信號(hào)的采集以及將采集到的模擬量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量提供給單片機(jī)。常用的數(shù)字濾波方法有程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、一階滯后濾波法、去極值平均濾波法等等，下面簡(jiǎn)要介紹這幾種數(shù)字濾波方法。采樣次數(shù)越大，平滑效果越好，但系統(tǒng)的靈敏度要下降。②中值濾波法對(duì)目標(biāo)參數(shù)連續(xù)進(jìn)行若干次采樣，然后將這些采樣進(jìn)行排序，選取中間位置的采樣值為有效值。這種從數(shù)據(jù)序列中提取逼近真值數(shù)據(jù)的軟件算法，通常稱為數(shù)字濾波算法。下面就介紹本系統(tǒng)幾個(gè)主要的程序模塊。本系統(tǒng)軟件正是基于這種軟件思想編制的。 ④可靠性：可靠性是系統(tǒng)軟件最重要的指標(biāo)之一，作為能夠穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)，抗干擾技術(shù)的應(yīng)用是必不可少的，最起碼的要求是在軟件受到干擾出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)還能恢復(fù)正常工作。(去耦電容)。 硬件抗干擾措施硬件抗干擾是應(yīng)用系統(tǒng)最基本和最主要的抗干擾手段，一般從防和抗兩方面入手來(lái)抑制干擾。/MR（第9腳）為復(fù)位端，當(dāng)/MR=0時(shí)，移位寄存器各位復(fù)0，只有當(dāng)/MR=1時(shí)，時(shí)鐘脈沖才起作用。這種方式占用CPU時(shí)間較少，工作可靠且亮度高?？寇浖R(shí)別的稱為非編碼鍵盤。從而實(shí)現(xiàn)了交流SSR的過(guò)零觸發(fā)。所謂“過(guò)零”是指，當(dāng)加入控制信號(hào)交流電壓過(guò)零時(shí)，SSR即為通態(tài)；而當(dāng)斷開(kāi)控制信號(hào)后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時(shí)，SSR才為斷態(tài)。它在通、斷時(shí)沒(méi)有火花和電弧，有利于防爆，干擾?。ㄌ貏e對(duì)微弱信號(hào)回路）。采用相位控制模式的可控硅控制器可以叫做調(diào)壓器，它可以方便的調(diào)節(jié)電壓有效值，可用于電爐溫度控制、燈光調(diào)節(jié)、異步電機(jī)降壓軟啟動(dòng)和調(diào)壓調(diào)速等。當(dāng)該引腳處于高電平時(shí)，不能進(jìn)行讀操作，當(dāng)數(shù)據(jù)更新后，該引腳又返回低電平。② MCLKIN為轉(zhuǎn)換器提供主時(shí)鐘信號(hào)，能以晶體/諧振器或外部時(shí)鐘的形式提供。綜合考慮，本系統(tǒng)選用AD (ANALOG DEVICES) 公司生產(chǎn)的16位AD轉(zhuǎn)換芯片AD7705作為本溫控系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示。由下表可以看到經(jīng)過(guò)最小二乘法優(yōu)化之后，()℃，測(cè)量精度已經(jīng)滿足系統(tǒng)的要求[3]。測(cè)溫原理：；采用RRVRPt100構(gòu)成測(cè)量電橋（其中R1＝R2，VR2為100Ω精密電阻），當(dāng)Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè)mV級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型:標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。由于此時(shí)的電量(電壓)還是單片機(jī)所不能識(shí)別的模擬量，所以還需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，提供給單片機(jī)判斷和控制。 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。 ③可利用兩根I/O口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過(guò)編程設(shè)定。⑦單片機(jī)的抗干擾性能好。目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。由結(jié)構(gòu)框圖可見(jiàn)，溫度控制系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，并擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器構(gòu)成主控模塊。 ③完成該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括主程序模塊、控制運(yùn)算模塊、數(shù)據(jù)輸入輸出及處理模塊等一些子功能模塊的設(shè)計(jì)。 ②適用范圍大和可移植性好 同其他高級(jí)語(yǔ)言一樣，C語(yǔ)言不依賴于特定的CPU，其源程序具有良好的可移植性。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。 單片機(jī)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(jì)算機(jī)。 整個(gè)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(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化打下良好基礎(chǔ)。 5)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本論文所討論的基于PID控制的溫度控制系統(tǒng)是對(duì)被控對(duì)象溫度進(jìn)行恒值溫度控制，以溫控箱為例。并通過(guò)將智能控制與PID控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。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(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān)控溫。本文所討論的基于PID控制的溫度控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)恒值溫度控制要求，故以下僅對(duì)恒值溫度控制進(jìn)行討論。但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于超高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。特別是隔熱效果很好的環(huán)境，溫度一旦出現(xiàn)過(guò)沖，將難以很快把溫度降下來(lái)。自然界中任何物理、化學(xué)過(guò)程都緊密的與溫度相聯(lián)系。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，兩個(gè)溫度相同的系統(tǒng)之間是達(dá)到熱平衡的，這樣利用一個(gè)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(jìn)行熱隔離。 溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 近年來(lái)，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問(wèn)題。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國(guó)許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。只要PID參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制精度是比較令人滿意的。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。 3)具有加熱保護(hù)功能的安全性要求。根據(jù)溫控箱測(cè)溫范圍的要求，本系統(tǒng)適合采用Pt100鉑電阻作為溫度傳感器，而Pt100鉑電阻在大溫度范圍內(nèi)測(cè)溫時(shí)表現(xiàn)出的不可忽視的非線性不容忽視，因此在溫度測(cè)量的過(guò)程中必須對(duì)鉑電阻溫度傳感器的非線性進(jìn)行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)溫度測(cè)量的精確度。根據(jù)計(jì)算機(jī)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(yīng)特性。SOC芯片通常含有一個(gè)微處理器核(CPU)，同時(shí)，它還含有多個(gè)外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲(chǔ)器(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(qiáng)大，適用領(lǐng)域也非常廣。 系統(tǒng)軟件方案分析 目前，MCS 51單片機(jī)的開(kāi)發(fā)主要用到兩種語(yǔ)言:匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。此外，在設(shè)計(jì)PID控制器時(shí)，依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)的方法在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)確定PID控制器的參數(shù)KP, KD, KI，然后用代碼實(shí)現(xiàn)了算法。第四章控制方案著重介紹溫度控制系統(tǒng)溫控箱的數(shù)學(xué)模型的確立及PID算法原理和控制仿真。 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 主控模塊器件選型及設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選用針對(duì)一定的用途，恰當(dāng)?shù)倪x擇所使用的單片機(jī)是十分重要的。選擇DIP封裝在搭建實(shí)驗(yàn)電路時(shí)會(huì)更加方便一些。單片機(jī)的復(fù)位是由外部復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻率為12MHz。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學(xué)性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強(qiáng)，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。按照接線方式的不同又可以分為二線制、三線制和四線制幾種。為了減少鉑電阻的飽和特性給溫度測(cè)量帶來(lái)的誤差，這里采用最小二乘法對(duì)鉑電阻的非線性進(jìn)行優(yōu)化。但是大多數(shù)單片機(jī)本身只能識(shí)別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過(guò)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象的識(shí)別和處理。目前有很多類型的A/D轉(zhuǎn)換芯片，它們?cè)谵D(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率以及使用價(jià)值上都各具特色，其中大多數(shù)積分型或逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)于高精度測(cè)量，其轉(zhuǎn)換效果不夠理想。工作電壓3V或5V，在3V工作電壓時(shí)，器件的最大功耗僅為1mW。⑥REFIN (+)差分基準(zhǔn)輸入的正輸入端，基準(zhǔn)輸入是差分的，并規(guī)定REFIN (+)必須大于REFIN()，REFIN(+)可以取VDD和GND之間的任何值。 A/D轉(zhuǎn)換電路 輸出通道設(shè)計(jì) 溫控箱的功率調(diào)節(jié)方式目前多數(shù)溫控系統(tǒng)均采用可控硅來(lái)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。 可控硅輸出電路固態(tài)繼電器(Solid State Relays)，簡(jiǎn)寫成“SSR”，是一種全部由固態(tài)電子元件（如光電耦合器、晶體管、可控硅、電阻、電容等）組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件。從整體上看，SSR只有兩個(gè)輸入端(A和B)及兩個(gè)輸出端(C和D)，是一種四端器件。當(dāng)①、②端輸入電壓為零時(shí)，在交流電壓過(guò)零后BRC被阻斷。因此，將SSR的輸入端①直接接到單片機(jī)引腳，輸入端②接地，輸出端③、④（、D端）串入交流負(fù)載回路即可[7]。