【正文】 但是與普通電磁繼電器比， SSR 體積小，開關(guān)速度快，無機械觸點，因而沒有機械磨損，不怕有害氣體腐蝕，沒有機械噪聲，耐振動、耐沖擊，使用壽命長。當(dāng)該引腳處于高電平時，不能進行讀操作，當(dāng)數(shù)據(jù) 更新后，該引腳又返回低電平 。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計 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。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計 12 表 實際溫度與測得溫度對照表 實際溫度（ 。但是標準鉑電阻溫度傳感器也存在價格昂貴，維護起來較為困難等缺點。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。 單片機介紹 本系統(tǒng)選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89 系列單片機中的 AT89C52, AT89C52 單片機是一種新型的低功耗、高性能的 8 位 CMOS 微控制器，與工業(yè)標準 MCS51 指令系列和引腳完全兼容。另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用 PID 控制算法進行運算，最后通過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 )，進而達到對溫控箱溫度進行控制的目的。 溫度控制算法方面，在對溫控箱數(shù)學(xué)模型辨識的基礎(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 控制相對來說算法簡單、魯棒性好和可靠性高。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（論文） 緒論 5 片應(yīng)用到先進的控制儀表中。作為與 MCS51系列兼容的單片機，無論在運算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。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)驗來改善 控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。這種開關(guān)控溫方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。下面就簡要的討論一下溫度測控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀。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。在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測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)濟指標相聯(lián)系。另外的非接觸式測溫方法是通過對輻射能量的檢測來實現(xiàn)溫度測量的方法，其優(yōu)點是 :不河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 2 破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測量運動物體的溫度，還可以測量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。其具體控制電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)功能。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。系統(tǒng)擴展和配置在滿足功能要求的基礎(chǔ)上留有適當(dāng)裕量，以利于擴充和修改。 目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長。 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 ,通過對 PID 控制的分析設(shè)計了系統(tǒng)控制器 。目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。 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，可通過編程設(shè)定 。 輸入通道設(shè)計 系統(tǒng)輸入通道的作用是將溫控箱的溫度 (非電量 )通過傳感器電路轉(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。鉑電阻溫度傳感器采樣電路如圖 所示。完成 A/D轉(zhuǎn)換的器件即為 A/D 轉(zhuǎn)換器。 AD7705 引腳如圖 。 圖 A/D轉(zhuǎn)換電路 輸出通道設(shè)計 溫控箱的功率調(diào)節(jié)方式 目前多數(shù)溫控系統(tǒng)均采用可控硅來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。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。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)接通幾個周波，然后在 T周期剩余的時間內(nèi)連續(xù)關(guān)斷幾個周波 )。 ④ RESET 復(fù)位輸入，低電平有效 。 ④ 線性度 ： 線性度指實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。由 ()式可知，鉑電阻 溫度傳感器在其測量范圍內(nèi)具有非線性，即阻值變化具有飽和特性。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，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。在單片機的復(fù)位引腳 RST (9 腳 ) 上保持兩個機器周期的高電平就能使 AT89C52 完全復(fù)位。 ⑤ 芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級、軍品級還是商業(yè)級，如果 設(shè)計戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級芯片 。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計 7 第二章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計 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部 分 :單片機主控模塊、輸入通道、輸出通道、保護電路等。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護及調(diào)試 。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來實現(xiàn)控制算法，很難實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。 4)模塊化設(shè)計，安裝拆卸簡單，維修方便 。 智能溫度控制法 為了克服 PID 線性控溫法的弱點，人們相繼提出了一系列自動調(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。恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動幅度 (即穩(wěn)態(tài)誤差 )不能超過某允許值。因此，對溫度的控制精度要求比較高的情況下，是不允許出現(xiàn)過沖現(xiàn)象的，即不允許實際溫度超過控制的目標溫度。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 I 摘要 隨著控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制器的適應(yīng)能力增強和高度智能化正逐步成為現(xiàn)實。 另外，在大部分實際的環(huán)境中，增溫要比降溫方便得多。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場合需要實現(xiàn)這一控制目標，如在發(fā)酵過程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等 。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對象特性一旦發(fā)生改變，三個控 制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。如果實際測得的溫控箱溫度值超過了 系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護電路就會做出反應(yīng)，從而對溫控箱實現(xiàn)超溫保護 。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個相對緩慢的過程，對溫控系統(tǒng)的實時性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢得不到體現(xiàn)。與匯編語言相比， C語言具有以下的特點 : ① 具有結(jié)構(gòu) 化控制語句 結(jié)構(gòu)化控制語言的顯著特點是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。第 五 章結(jié)論全文工作的總結(jié)和展望 。選擇 DIP 封裝在搭建實驗電路時會更加方便一些 。 單片機的復(fù)位是由外部復(fù)位電路來實現(xiàn)的。 Pt100 型鉑電阻，在 2020C到 850℃范圍內(nèi)是精度最高的溫度傳感器之一。 由于本系統(tǒng)中溫控箱的溫度范圍在室溫到 600℃之間，故只針對 式 ()進行討論。 ③ 轉(zhuǎn)換誤差 ： 轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示 。 ③ MCLKOUT，當(dāng)主時鐘為晶體 /諧振器時，晶體 /諧振器被接在 MCLKIN和 MCLKOUT之間，如果在 MCLKIN 引腳處接上一個外部時鐘， MCLKOUT 將提供一個反向時鐘 。 ② 零位控制 :在設(shè)定的周期 T 內(nèi)，觸發(fā)信號使主回路接通幾個周波 (幾個完整的正弦波 )，再斷開幾個周波，改變可控硅在設(shè)定周期內(nèi)的通斷時間比例，以 調(diào)節(jié)負載上的交流電的平均功率，即可達到調(diào)節(jié)負載功率的目的。從整體上看， SSR 只有兩個輸入端 (A和 B)及兩個輸出端 (C 和 D)，是一種四端器件?？煽毓璧目刂颇Ｊ接袃煞N :相位控制和零位控制 (分配式零位控制、時間比例零 位控制 )。 AD7705 引腳功能描述如下 : ① SCLK 串行時鐘，將一個外部的串行時鐘加于這一輸入端口，以訪問 AD7705的串行數(shù)據(jù)。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有 : ① 分辨率 ： 分辨率表示 A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。該電路將溫控箱的溫度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。由于此時的電量 (電壓 )還是單片機所不能識別的模擬量，所以還需要進行 A/D 轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對應(yīng)的數(shù)字量，提供給單片機判斷和控制。 ④ 內(nèi)部 ROM 中開辟了四個通用工作寄存器區(qū)，共 32 個通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的情況 。在實際應(yīng)用中，針對不同的需求要選 擇合適的單片機，選擇單片機時要注意下幾點 : ① 單片機的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲器容量，中斷能力及 I/O口引腳數(shù)量等 。 本文結(jié)構(gòu) 安排 本論文 由以下幾部分組成 : 第一章緒論主要介紹本文的背景知識及系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，以及本文所完成的主要工作 。 AT89C52單片機是 ATMEL 公司生產(chǎn) 的與 MCS51 系列兼容的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機。 系統(tǒng)硬件方案分析 目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路 (Analog Circuit)和單片機(Microcontroller)兩種形式。下面討論系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，包括 :系統(tǒng)的性能要求及特點以及系統(tǒng)的軟、硬件方案分析。前者稱為模擬 PID 控制器，后者稱為數(shù)字 PID 控制器。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴等缺點。因此 ,溫度的測量與控制在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。 本文詳細闡述了 基于 PID 控制的溫度控制系統(tǒng) 的硬件組成、軟件設(shè)計及相關(guān)的接口電路設(shè)計。 鑒于上述這些特點，高精度溫度控制的難度比較大，而且不同的應(yīng)用環(huán)境也需要不同的控制策略。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時關(guān)斷制冷器。尤其是模糊控溫法在實際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計方面具有如下特點 : 控制主板采用 AT89C52 作為核心芯片。 另外，隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng) SOC (System On Chip)得到了十足的發(fā)展。 由于整個系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，為了便于編 寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，故要求整個控制系統(tǒng)軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結(jié)構(gòu)。此數(shù)字量經(jīng)過數(shù)字濾波之后，一方面將溫控箱的溫度通過控制面板上的 數(shù)碼管 顯示出來 。 ⑨ 供貨渠道是否暢通 ,價格是否低廉 ,是否具有良好的技術(shù)服務(wù)支持 . 根據(jù)上面所述的原則，結(jié)合本系統(tǒng)實際情況綜合考慮，本文討論的溫度控制系統(tǒng)選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C52 單片機作為主控模塊的核心芯片。引腳 XTAL1（ 19 腳 )和 XTAL2 (18 腳 )分別是此放大器的輸入端和輸出端。在測量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測量穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性一般不如標準鉑電阻，這主要有兩個方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴散使其純度 受到污染，從而降低了鉑電阻測溫的復(fù)現(xiàn)性能，其二是因為高溫條件下的應(yīng)力退火影響了其復(fù)現(xiàn)性能。 由 下 表可以看到經(jīng)過最小二乘法優(yōu)化之后， ()式誤差絕對值的最大值僅為℃ ，測量精度已經(jīng)滿足系統(tǒng)的要求 [3]。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。完成對一個完全的輸出字的讀操作后，該引腳立即回到高電平。與普通繼電器一樣，它的輸入側(cè)與輸出側(cè)之間是電絕緣的。它在通、斷時沒有火花和電弧，有利于防爆，干擾?。ㄌ貏e對微弱信號回路）。 ⑧ DOUT 串行數(shù)據(jù)輸出端，從片內(nèi)的輸出移位寄存器讀出的串行數(shù)據(jù)由此端輸河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計 14 出。它包括由緩沖器和增益可編程放大器 (PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、 Σ 一△調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器等部件組成。 C） 計算溫度（ ?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級 Pt100 鉑電阻作為溫度傳感器。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。具有超強的三級加密功能，其片內(nèi)閃電存儲器 (Flash Memory)的編程與擦除完全用電實現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程 /擦除速度快。如果實際測得的溫度值超過了系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護電路會做出反應(yīng)，從而保護溫控箱。此外，在設(shè)計 PID 控制器時，依靠經(jīng)驗和試驗的方法在系統(tǒng)調(diào)試時確定 PID控制器的參數(shù) KP, KD, KI