【正文】 一體。在輸入溫度時先按下功能鍵，然后輸入相應的數(shù)字鍵，如果某一位輸入有誤，可以通過左移或右移鍵來進行個別位修改，然后按確認鍵完成輸入。另外，當電源電壓低于復位門限值 時， MAX8l3L 也產(chǎn)生復位輸出，使單片機處于復位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復正常，可有效防止單片機因電源電壓較低時而產(chǎn)生的誤動作。由于 52 系列單片機在我國使用最廣，并且該系列單片機的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是美國 ATMEL 公司 2020 年推出的新一代 89S 系列單片機，其典型產(chǎn)品 AT89S52 單片機具有較高的性價比，因此本系統(tǒng)采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 8 位單片機 AT89S52 作為下位機的控制器。 (2)MAX6675 的 T端必須接地，并使接地點盡可能接近 GND 腳，否則讀出數(shù)據(jù)為無規(guī)律的亂碼。 斷開； D1 為 MAX6675 的標識符，始終為 0； D0 位為三態(tài)。 因而，通常將熱電偶應用于單片機系統(tǒng)時，都采用“傳感器 → 濾波器 → 放大器冷端補償 → 線性化處理 → A/D 轉(zhuǎn)換”的模式，該模式具有轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復雜、抗干擾能力差、精度低、調(diào)試困難等缺點。 圖 32 系統(tǒng)硬件框圖 工作原理：電烤箱的溫度由熱電偶進行采集，經(jīng)信號放大、冷端補償、線性化處理、 A/D 轉(zhuǎn)換后將所檢測的溫度信號轉(zhuǎn) 換成對應的數(shù)字量，通過 SPI 串口送入單片機，通過單片機軟件對數(shù)據(jù)進行處理，該溫度一方面經(jīng) LED 數(shù)碼顯示器顯示，另一方面與鍵盤輸入的給定值進行比較，計算其偏差，通過參數(shù)模糊自整定 PID 控制算法進行運算，運算結果形成以 PWM 形式輸出的溫度控制信號，通過過零觸發(fā)光電耦合器件進行光電耦合隔離后，通過控制晶閘管的通斷來調(diào)節(jié)電烤箱平均功率的大小，以達到控制烤箱溫度的目的。當給定值為 150 時，仿真結果如圖 25 所示： 圖 25 PID 控制系統(tǒng)響應曲線 可見性能指標為 ：調(diào)節(jié)時間 ts 約為 750s，超調(diào)量σ約為 40％，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。在離散控制系統(tǒng)中， PID 控制采用差分方程表示： ? ??????? ????? ??ki dP kekeTTiTiTkKk 0 )1()()(e)(e)(u （ 28） 令 )1()()(e ???? kekek ，ip TTKK ?i ， TTKK dp?d 即有 )()()()(u 0 keKieKkeKk dkiiP ???? ?? （ 29） 其中 iK ， dK 分別為積分系數(shù)和微分系數(shù)。 (2)積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，此時控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個常值上。在實驗過程中對其給定輸入 180 度 ，每 30S 采樣一次，得到實驗數(shù)據(jù)如表 21 所示： 表 21 實驗測得 的電烤箱溫度數(shù)據(jù) 將表 21 中的數(shù)據(jù)輸入 MATLAB 進行仿真得到圖 22。 電烤箱是一個具有熱容量的對象，當系統(tǒng)上電以后，箱內(nèi)的溫度是一個隨時間逐漸上升的過程。 第三章：智能溫度測控系統(tǒng)硬件電路的設計。由于溫度控制涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活等眾多領域，智能溫度控制技術成為國內(nèi)學者研究的重要內(nèi)容，在科技刊物上發(fā)表的與智能溫度控制有關的論文也相繼增多。另一方面基于控制實驗室建設的要求，目前在國內(nèi)高校，虛擬儀器正逐步走進理工科課堂和實驗室，用虛擬 儀器技術來實現(xiàn)智能溫度測控實驗系統(tǒng)，將其用于實驗室電烤箱的溫度控制，使其達到相應的技術要求，來滿足自動控制技術、單片機、虛擬儀器技術、傳感器與檢測技術等多門課程的教學與實驗，并能用作學生綜合實訓或課程設計 ,系統(tǒng)的使用和維護費用低。上述差距，是我們必須努力克服的。溫度控制對于小到人民的日常生活、大到鋼鐵等大型工業(yè)生產(chǎn)工程都具有廣闊的應用前景。 4．本人完全了解學校關于保存、使用畢業(yè)設計的規(guī)定，即：按照學校要求提交論文和相關材料的印刷本和電子版本；同意學校保留畢業(yè)設計的復印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學校可以采用影印、縮印或其他復制手段保存畢業(yè)設計，可以公布其中的全部或部分內(nèi)容。 以上承諾的法律結果將完全由本人承擔！ 作 者 簽 名： 年 月 日 長春理工大學畢業(yè)設計 I 摘 要 本論文分析了 PID 控制和模糊控制的優(yōu)缺點，考慮將它們結合起來，實現(xiàn)優(yōu)勢互補 ，采用模糊規(guī)則在線整定 PID 的 kP kD kI 三個參數(shù)的模糊自適應 PID 控制方案。準確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件，所以對溫度進行控制是非常必要且有意義的。 隨著科學技術的進步和計算機技術的飛速發(fā)展，虛擬儀器開啟了測控儀器的新紀元。 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1967 年 Leondes 等人在他們的技術匯報中首次正式使用 “智能控制 ”一詞。 總體而言，智能控制在溫度控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。根據(jù)系統(tǒng)設計原則，給出整體設計方案，詳細介紹以單片機為核心的溫控系統(tǒng)各部分器件的功能與原理，給出電路原理圖，并對硬件采取各種抗干擾措施。加熱絲的溫度逐漸升高，通過箱壁熱傳遞和熱輻射使箱體內(nèi)溫度也逐漸升高，溫箱有一定的容量滯后，其余環(huán)節(jié)可視為比例環(huán)節(jié)，因而一般可用一階慣性環(huán)節(jié)加一個滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對象的數(shù)學模型，其傳遞函數(shù)表示為： se1)( ???TSKsG (21) 式中 K 是對象的靜態(tài)增益； T 是對象的時間常數(shù)； τ 是對象的純滯后時間。 圖 22 系統(tǒng)階躍響應響應曲線 根據(jù) CohnCoon 公式可得到系統(tǒng)模型的各參數(shù)： k =， T = 178s， 時間 /s 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 溫度 /℃ 20 30 37 50 63 75 94 106 120 131 141 時間 /s 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 溫度 /℃ 152 161 168 171 175 177 178 179 180 180 長春理工大學畢業(yè)設計 6 τ =30s。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) iT , iT 越大積分作用越弱，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但消除靜差所需的時間較長。 從式（ 29）可以看出，每次輸出均與過去的狀態(tài)有關，為了避免在求取計算機輸出值 u (k)時對 e (k)量進行累加計算，在實際應用中常采用增量式 PID 控制算法： 根據(jù)遞推原理可得： ? ? )1()(1)1(u 10 ??????? ??? keKieKkeKk dkiiP （ 210） 用式（ 29）減式（ 210）可得 )}1()({)()}1(e)({)(u i ?????????? kekeKkeKkkeKk dp （ 211） PID 控制器的優(yōu)缺點 現(xiàn)今在過程控制中接近 90％仍是采用純 PID 調(diào)節(jié)器， PID 控制器能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象，充分反映了其良好品質(zhì)。 模糊自整定 PID 控制 以下是在 SIMULINK 中創(chuàng)建的用模糊自整定 PID 控制算法控制電烤箱溫度的仿真模型： 長春理工大學畢業(yè)設計 9 圖 26 電烤箱模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)仿真模型 當給定值為 150 時，系統(tǒng)響應曲線如圖 27 所示： 圖 27 模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)響應曲線 由圖可以看出性能指標：調(diào)節(jié)時間 ts 約為 300s，超調(diào)量σ％＝ 0，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。 溫度檢測電路的設計 溫度檢測電路是溫度測控系統(tǒng)中的重要部分，承擔著檢測電烤箱溫度并將數(shù)長春理工大學畢業(yè)設計 11 據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C的任務在溫度的采集測量過程中 ，熱電偶因具有體積小、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高、性能穩(wěn)定、動態(tài)響應好、輸出直接是電壓信號，便于訊號的遠傳和記錄，也有利于集中檢測和控制等優(yōu)點而成為工程上應用最廣泛的溫度傳感器。如果能將上述的功能集成到一個集成電路芯片中，即采用單芯片來完成信號放大、冷端補償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡化熱電偶在單片機領域的應用設計。 MAX6675 的串長春理工大學畢業(yè)設計 13 行接口時序圖如圖 34 所示。 (3)由于 MAX6675 是通過冷端補償來校正周圍溫度變化的。 AT89S52 單片機 具有以下特性： (1)與 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容； (2)8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 FLASH 存儲器； (3)256 字節(jié)內(nèi)部 RAM； (4)1000 次擦寫周期； (5)全靜態(tài)時鐘： 0HZ～ 33MHZ； (6)三級加密程序存儲器； (7)32 個可編程 I/O 口線； (8)3 個 16 位定時 /計數(shù)器； (9)8 個中斷源； (10)全雙工 UART 串行通道； (11)雙數(shù)據(jù)指針； (12)看門狗定時器； (13)低功耗空閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒；本系統(tǒng)中 AT89S52 單片機及其最小系統(tǒng)如圖 38 所示。 為了建立一個電源故障預警電路，可以在 4 腳電源故障輸入 PFI 上連接一個電阻分壓支路，該支路連接的監(jiān)視點通常是未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電源。系統(tǒng)在程序初始化時控制鍵盤行線的 口輸出高電平，控制鍵盤列線的 口輸出低電平。本課題采用一種基于 MAX7219 芯片的 LED 串行顯示技術。一般段電流為 37mA，允許最大段電流為 40mA，由于 LED 有 的電壓降，則調(diào)節(jié)亮度電阻的電壓降為 V+— VLED=，七段碼全部點亮的總電流為 737mA=259mA，外部調(diào)節(jié)亮度電阻 Rset 最小值是 。就可控硅調(diào)功的觸發(fā)方式而言有兩種：移相觸發(fā)和過零觸發(fā)。對于純阻性負載的電烤箱來說，采用過零觸發(fā)方式可使電路結構簡單。單片機與 PC 機串口通信如圖 312 所示。 配置去耦電容 本系統(tǒng)在硬件電路設計中使用了較多的數(shù)字 IC，而每片數(shù)字 IC 本身都是一個脈沖干擾源，它們在電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊尖峰電流，通過電源線相互干擾。 本章小結 本章主要討論了溫度測控系統(tǒng)的硬件設計。鑒于上述眾多優(yōu)點，本設計采用的是基于 Keil C51 開發(fā)環(huán)境下的 C 語言進行軟件編程的。 圖 43 模糊自整定 PID 控制算法流程圖 長春理工大學畢業(yè)設計 25 實驗數(shù)據(jù)分析 采用設計的模糊自整定 PID 控制器對電烤箱進行溫度控制，溫度初始值以室溫 20℃算，當設定溫度為 85℃時，測得的實驗數(shù)據(jù)如表 51 所示。 （ 3）對整個系統(tǒng)進行了調(diào)試和實驗，通過對實驗結果的分析，可以看出該溫度 測控系統(tǒng)能夠較好地完成所需的測控任務，實時地進行溫度采集和控制，控制效果良好。 從知識的積累，到人生的定位。他嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度，對事業(yè)的執(zhí)著和奉獻，優(yōu)雅的談吐和師表都給我留下了深刻的印象。它使我們在掌握軟硬件知識上，都得到了很大的提高。由于元件參數(shù)、實驗環(huán)境、焊接等各方面因素，導致實驗 數(shù)據(jù)仿真相比還存在一定差距，但實驗數(shù)據(jù)已基本滿足系統(tǒng)設計的要求。下面介紹主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制算法模塊的設計方法和編程實現(xiàn)。 長春理工大學畢業(yè)設計 22 第四章 溫度測控系統(tǒng)的軟件設計及實驗結果 系統(tǒng)下位機軟件設計 系統(tǒng)能否正常工作，除了硬件的合理設計外，還與功能完善的軟件設計是分不開的。去耦電容的選擇可按 C=1/F 選取，其中 F 為電路頻率，微機系統(tǒng)一般取 ～ 之間即可?？垢蓴_就是針對干擾產(chǎn)生的原因采取相應的方法抑制和消除干擾源，切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道，降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性，使系統(tǒng)正常穩(wěn)定地工作。設控制周期為 T，在 T 周期內(nèi)工頻交流電的半周波數(shù)為 N，如全導通時額定加熱功率為 PH，則實際的平均加熱功率 P 與 T 周期內(nèi)實際導通的半周波數(shù) n成正比，即 NnpH?p (31) 由于傳統(tǒng)的可控硅過零觸發(fā)調(diào)功器由同步脈沖產(chǎn)生電路、檢零電路、隔離電路組成，結構復雜，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件 的離散性和溫漂嚴重影響調(diào)功器控制精度及使用壽命，所以本系統(tǒng)中采用 MOC3061 作為可控硅的驅(qū)動器。兩者的電壓波形比較如圖 39 和 3