【正文】 .................34 圖 階躍、誤差響應(yīng)曲線(xiàn) ..............................................................................................................................34 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 1 第一章 緒論 概述 溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。因此，對(duì)溫度的控制精度要求比較高的情況下，是不允許出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象的，即不允許實(shí)際溫度超過(guò)控制的目標(biāo)溫度。 在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是 :簡(jiǎn)單、可靠、低廉、測(cè)量精度 較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度 。恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度 (即穩(wěn)態(tài)誤差 )不能超過(guò)某允許值。 PID線(xiàn)性控溫法 這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的 PID 調(diào)節(jié)器控制原理， PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。 智能溫度控制法 為了克服 PID 線(xiàn)性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)整 PID 參數(shù)的方法，如 PID 參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的被控對(duì)象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。 4)模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡(jiǎn)單，維修方便 。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件，控制量采用雙向可控硅輸出，這樣就省去了 D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)控制算法，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。 從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)， SOC 是實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場(chǎng)上 SOC 的價(jià)格還比較昂貴，并且 SOC 的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實(shí)驗(yàn)電路板的搭建。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)及調(diào)試 。 ② 完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括采樣電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、主控制電路、 顯示 電路 等等的設(shè)計(jì) 。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7 第二章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個(gè)部 分 :單片機(jī)主控模塊、輸入通道、輸出通道、保護(hù)電路等。對(duì)于明確的應(yīng)用對(duì)象，選擇功能過(guò)少的單片機(jī)，無(wú)法完成控制任務(wù) 。 ⑤ 芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級(jí)、軍品級(jí)還是商業(yè)級(jí)，如果 設(shè)計(jì)戶(hù)外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)芯片 。 AT89C52 的主要特點(diǎn)有 : ① 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器為電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 EEPROM，容量 8KB，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量 256 字節(jié)，最大尋址空間 64KB。在單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST (9 腳 ) 上保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就能使 AT89C52 完全復(fù)位。采用這種頻率的晶體振蕩器的原因是可以方便的獲得標(biāo)準(zhǔn)的波特率。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(xiàn)方式的不同又可以分為二線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制幾種。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(xiàn)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(xiàn)性度 ： 線(xiàn)性度指實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線(xiàn)的最大偏移。 AD7705 采用三線(xiàn)串行接口，具有兩個(gè)全差分輸入通道，能達(dá)到 %非線(xiàn)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。 ④ RESET 復(fù)位輸入，低電平有效 。 ⑨ DIN 串行數(shù)據(jù)輸入端，向片內(nèi)的輸入移位寄存器寫(xiě)入的串行數(shù)據(jù)由此輸入。根據(jù)輸出電壓分布的不同，零位控制又分為分配式零位控制 (在 T 周期內(nèi)根據(jù)輸出百分比平均分布周波 )和時(shí)間比例零位控制 (在 T周期內(nèi)根據(jù)輸出百分比連續(xù)接通幾個(gè)周波，然后在 T周期剩余的時(shí)間內(nèi)連續(xù)關(guān)斷幾個(gè)周波 )。因此 SSR 作為自動(dòng)控制的執(zhí)行部件得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。交流型 SSR 的工作原理框圖如圖 2 .9 所示，圖中的部件① ④構(gòu)成交流 SSR 的主體。 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]。 圖 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)。 ⑥ REFIN (+)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 。 AD7705 引腳如圖 。溫度控制中 A/D 轉(zhuǎn)換是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。完成 A/D轉(zhuǎn)換的器件即為 A/D 轉(zhuǎn)換器。 在 0800℃之間均勻的抽取 100 個(gè)溫度點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的鉑電阻阻值利用 式 ()計(jì)算出來(lái)，然后將此電阻值代入采樣電路求得電壓值，這樣就有 100 組數(shù)據(jù)點(diǎn)。鉑電阻溫度傳感器采樣電路如圖 所示。由于在本系統(tǒng)中，測(cè)溫范圍較大 (在室溫到 6000C之間 )，且要求檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好，因此選用 Pt100 鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。 輸入通道設(shè)計(jì) 系統(tǒng)輸入通道的作用是將溫控箱的溫度 (非電量 )通過(guò)傳感器電路轉(zhuǎn)化為電量(電壓或電流 )輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉(zhuǎn)化為電壓的 輸出。 圖 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(xiàn)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(lèi)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。 ④ 研究了該系統(tǒng)的控制策略， 在建立溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上 ,通過(guò)對(duì) PID 控制的分析設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制器 。目前，主流的 CPU 和常見(jiàn)的 MCU 都有 C編譯器。 目前，市面上的單片機(jī)不僅種類(lèi)繁多，而且在性能方面也各有所長(zhǎng)。它是把中央處理單元 CPU(Central Processing Unit)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM(Random Access Memory) 、 只讀存儲(chǔ)器 ROM(Read only Memory)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器 以及I/O(Input/Output)輸入輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它的特點(diǎn)是 :功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。系統(tǒng)擴(kuò)展和配置在滿(mǎn)足功能要求的基礎(chǔ)上留有適當(dāng)裕量，以利于擴(kuò)充和修改。 6)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場(chǎng)上買(mǎi)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，溫度控制的精度要求為士 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(zhuān)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 :不河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 2 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。 PID 溫度控制器作為一種重要的控制設(shè)備，在化工、食品等諸多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。并且充分考慮了系統(tǒng)的可靠性，采取了相應(yīng)的措施予以保證。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(lèi) :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 芯河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 5 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) 。另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用 PID 控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過(guò)控制雙向可控硅控制周期內(nèi)的通斷占空比 (即控制 溫控箱加熱平均功率的大小 )，進(jìn)而達(dá)到對(duì)溫控箱溫度進(jìn)行控制的目的。 ③ 單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)，對(duì)于程序存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)， Flash 存儲(chǔ)器和 OTP(一次性可編程 )存儲(chǔ)器相比較，最好是選擇 Flash 存儲(chǔ)器 。 單片機(jī)介紹 本系統(tǒng)選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89 系列單片機(jī)中的 AT89C52, AT89C52 單片機(jī)是一種新型的低功耗、高性能的 8 位 CMOS 微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系列和引腳完全兼容。 ⑥ 內(nèi)部有一個(gè)由直接可位尋址組成的布爾處理機(jī)，在指令系統(tǒng)中包含了一個(gè)指令子集，專(zhuān)門(mén)用于對(duì)布爾處理機(jī)的各位進(jìn)行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問(wèn)題 。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。 Pt100溫度傳感器 溫度傳感器的種類(lèi)比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測(cè)溫原理的不同，使得其測(cè)量溫度的范圍、測(cè)量精度也各不相同。但是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器也存在價(jià)格昂貴，維護(hù)起來(lái)較為困難等缺點(diǎn)。差動(dòng)放大電路中 R3＝ R R5＝ R放大倍數(shù)＝ R5/R3，運(yùn)放采用單一 5V供電 [2]。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 12 表 實(shí)際溫度與測(cè)得溫度對(duì)照表 實(shí)際溫度（ 。 ② 轉(zhuǎn)換時(shí)間 ： 轉(zhuǎn)換時(shí)間指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 圖 AD7705引腳圖 AD7705 是 AD 公司生產(chǎn)的 16 位Σ 一△型 A/D 轉(zhuǎn)換器。 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。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 。 圖 相位控制調(diào)功電壓波形 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 15 圖 通斷控制調(diào)功電壓波形 ① 相位控制 :作用于每一個(gè)交流正弦波，改變正弦波每個(gè)正半波和負(fù)半波的導(dǎo)通角來(lái)控制電壓的大小，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)輸出電壓和功率的大小。但是與普通電磁繼電器比， SSR 體積小，開(kāi)關(guān)速度快，無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，因而沒(méi)有機(jī)械磨損，不怕有害氣體腐蝕，沒(méi)有機(jī)械噪聲，耐振動(dòng)、耐沖擊，使用壽命長(zhǎng)。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路④工作，但由于開(kāi)關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電 網(wǎng)，為此特設(shè)