【正文】 ....................... I Abstract ................................................................................................................ II 第 1 章 緒論 ........................................................................................................ 1 課題背景 ................................................................................................... 1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ....................................................................................... 1 本設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) ....................................................................................... 3 本文主要研究?jī)?nèi)容 ................................................................................... 3 第 2 章 熱電偶測(cè)量溫度原理 ............................................................................ 5 熱電偶傳感器分類 ................................................................................... 5 熱電偶的選取 ........................................................................................... 6 熱電效應(yīng)與熱電勢(shì) ................................................................................... 6 熱電偶測(cè)溫基本原理 ............................................................................... 7 熱電偶的冷端補(bǔ)償 ................................................................................... 7 本章小結(jié) ................................................................................................... 8 第 3 章 熱電偶溫度控制 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ........................................................ 9 控溫器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ....................................................................................... 9 系統(tǒng)的信號(hào)選通及 A/D 轉(zhuǎn)換電路 .......................................................... 9 單片機(jī) ..................................................................................................... 12 串行數(shù)據(jù)通信 ......................................................................................... 14 溫度控制電路 ......................................................................................... 18 本章小結(jié) ................................................................................................. 23 第 4 章 熱電偶溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ...................................................... 24 軟件總體方案設(shè)計(jì) ................................................................................. 24 查表法和插值法相結(jié)合求解溫度值 ..................................................... 26 數(shù)字濾波 ................................................................................................. 26 模糊控制算法 ......................................................................................... 27 本章小結(jié) ................................................................................................. 28 結(jié)論 .................................................................................................................... 30 致謝 .................................................................................................................... 31 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................ 32 附錄 .................................................................................................................... 34 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 課題背景 溫度（ temperature）是表示物體冷熱程度的 物理量 ，微觀上來講是物體 分子熱運(yùn)動(dòng) 的劇烈程度。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 哈 爾 濱 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目： 基于熱電偶的控溫器設(shè)計(jì) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II 基于熱電偶的控溫器設(shè)計(jì) 摘要 熱電偶（ thermocouple）是 溫度測(cè)量?jī)x表 中常用的測(cè)溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來 間接測(cè)量 ，而用來量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫 溫標(biāo) 。在這些實(shí)驗(yàn)中有些是與溫 度密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，需要在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)溫度進(jìn)行密切監(jiān)控。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 PID 發(fā)展現(xiàn)狀 1922 年美國的 Minorsky 在對(duì)船舶自動(dòng)導(dǎo)航的研究中，提出了基于輸出反饋的比例積分微分（ PID， Proportional Integral Differential）控制器的設(shè)計(jì)方法，標(biāo)志了 PID 控制的誕生。 20 世紀(jì) 50 年代中期，隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，用差分方程來描述控制系統(tǒng)模型的方法得到了應(yīng)用。其具體電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)功能。在溫控過程中，由于難以建立控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，所以可以用 PID 技術(shù)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的控制 規(guī)律不停地自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量以使被控系統(tǒng)朝著設(shè)定的平衡狀態(tài)過渡，最后達(dá)到控制范圍精度內(nèi)穩(wěn)定動(dòng) 數(shù)字 PID 控制則是一種是以微處理器為基礎(chǔ) ,綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)等高新技術(shù)的智能控制。 第二章 簡(jiǎn)要介紹了各種型號(hào)的熱電偶傳感器，討論了熱電效應(yīng)和熱電動(dòng)勢(shì)，詳細(xì)闡述了熱電偶測(cè)溫的基本原理，最后設(shè)計(jì) 了熱電偶冷端補(bǔ)償方法。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用。 熱電偶的選取 我國從 1988 年 1 月 1 日起，熱電偶和熱電阻全部按 IEC 國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 S、 B、 E、 K、 R、 J、 T 七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱 電偶。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。 圖 22 熱電偶測(cè)溫原理圖 熱電勢(shì)的大小與材質(zhì)有關(guān) ,與熱電偶兩端的溫差有關(guān)。 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一 ,為接觸式測(cè)溫 ,其優(yōu)點(diǎn)有 :測(cè)量精度高 ,因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸 ,不受中間介質(zhì)的影響 。存在單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)通過定時(shí)串口通信與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理。由下表 1 可知，當(dāng) EN 為低時(shí)，不管地址信號(hào) A3 、 A2 、 A A0 的數(shù)據(jù)為何內(nèi)容，“ ON”CHANNEL 始終為“ NONE”，即 16 路中沒有任何一路被選通；當(dāng) EN 為高時(shí)，地址線 A A A A0 對(duì)應(yīng)不同的二進(jìn)制數(shù)值時(shí)即選通不同的路。單片機(jī)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的核心，它負(fù)責(zé)控制著地址線數(shù)據(jù)的寫入與讀出、進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理并保持著與上位機(jī)的通信，以使得整個(gè)系統(tǒng)能在人的控制范圍內(nèi)。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。在這種模式下 ， P0 不具有內(nèi)部上拉電阻 。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。與并行通信相對(duì)比，雖然串行通信 在短距離傳輸時(shí)傳輸速度較并行通信慢，但在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)則明顯快于并行通信。因此兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸不能同時(shí)進(jìn)行，而只能交替進(jìn)行。這樣，當(dāng) A 向 B 發(fā)送， B 向 A 發(fā)送時(shí)，實(shí)際上使用兩個(gè)邏輯上獨(dú)立的單向傳輸線路。 RS232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有 2500pF 的電容負(fù)載，通 信距離將受此電容限制 。接收器輸入阻抗為 4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力 104k+100Ω（終接電阻）。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。在 RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個(gè) 主機(jī) 帶多個(gè)從機(jī)。 RS485 網(wǎng)絡(luò)： RS485/MODBUS 是現(xiàn)在流行的一種布網(wǎng)方式，其特點(diǎn)是實(shí)施簡(jiǎn)單方便 ，而且現(xiàn)在支持 RS485 的儀表又特多，特別是在油品行業(yè)簡(jiǎn)直是一統(tǒng)天下，現(xiàn)在的儀表商也紛紛轉(zhuǎn)而支持 RS485/MODBUS，原因很簡(jiǎn)單，原來的 HART 儀表想買一個(gè)轉(zhuǎn)換口非常困難 而且價(jià)格昂貴，RS485 的 轉(zhuǎn)換 接口 就便 宜的多 而且 種類 繁多。 PID 控制器原理框圖如下圖所示 單片機(jī)顯 示 模 塊溫 度 傳 感器按 鍵 模 塊D / AA / DP I D 電 路 放 大反 饋 電 路加 熱器 圖 311 PID 系統(tǒng)原理框圖 加熱控制電路 用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制 ， 被控對(duì)象為電爐絲 ，采用對(duì)加在電爐絲兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法進(jìn)行控制 ， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)加熱功率的調(diào)整 ， 從而達(dá)到對(duì)恒溫溫控制的目 的。 PID 算法的流程圖如下圖所示 輸 入計(jì) 算 en= r ( n ) C ( n )計(jì) 算 P1= K1 en計(jì) 算 Pp =Kp( en en 1)計(jì) 算 Pp+ P1計(jì) 算 PD = KD( en 2 en 1+ en 2) )計(jì) 算 un= un 1+ Pp+ P1+ PD得 到 結(jié) 果 en 1，en 2，un 1un輸 出 限 幅 隔 離 處 理返 回 圖 313 PID 算法流程圖 計(jì)