【正文】 但是與普通電磁繼電器比， SSR 體積小，開關(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)。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 。 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。 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（ 。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)。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。 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。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。 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。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。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。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。這種開關(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)。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。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(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。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。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。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(kuò)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(kuò)充和修改。 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所長(zhǎng)。 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，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。 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 。 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。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(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)。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(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 )。 ④ RESET 復(fù)位輸入，低電平有效 。 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。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。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。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。 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)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)芯片 。 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。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 。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。 4)模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡(jiǎn)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(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。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。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。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(qiáng)和高度智能化正逐步成為現(xiàn)實(shí)。 另外，在大部分實(shí)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(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過(guò)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(duì)象特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)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(shí)際測(cè)得的溫控箱溫度值超過(guò)了 系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護(hù)電路就會(huì)做出反應(yīng)，從而對(duì)溫控箱實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù) 。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，對(duì)溫控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。與匯編語(yǔ)言相比， C語(yǔ)言具有以下的特點(diǎn) : ① 具有結(jié)構(gòu) 化控制語(yǔ)句 結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言的顯著特點(diǎn)是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)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(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。 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(duì) 式 ()進(jìn)行討論。 ③ 轉(zhuǎn)換誤差 ： 轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)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(shí)鐘為晶體 /諧振器時(shí)，晶體 /諧振器被接在 MCLKIN和 MCLKOUT之間，如果在 MCLKIN 引腳處接上一個(gè)外部時(shí)鐘， MCLKOUT 將提供一個(gè)反向時(shí)鐘 。 ② 零位控制 :在設(shè)定的周期 T 內(nèi)，觸發(fā)信號(hào)使主回路接通幾個(gè)周波 (幾個(gè)完整的正弦波 )，再斷開幾個(gè)周波，改變可控硅在設(shè)定周期內(nèi)的通斷時(shí)間比例，以 調(diào)節(jié)負(fù)載上的交流電的平均功率，即可達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載功率的目的。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?？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(shí)間比例零 位控制 )。 AD7705 引腳功能描述如下 : ① SCLK 串行時(shí)鐘，將一個(gè)外部的串行時(shí)鐘加于這一輸入端口，以訪問(wèn) 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(duì)輸入信號(hào)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(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。 ④ 內(nèi)部 ROM 中開辟了四個(gè)通用工作寄存器區(qū)，共 32 個(gè)通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的情況 。在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同的需求要選 擇合適的單片機(jī)，選擇單片機(jī)時(shí)要注意下幾點(diǎn) : ① 單片機(jī)的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲(chǔ)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(shí)及系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，以及本文所完成的主要工作 。 AT89C52單片機(jī)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(jī)。 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(jī)(Microcontroller)兩種形式。下面討論系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，包括 :系統(tǒng)的性能要求及特點(diǎn)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(cè)量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此 ,溫度的測(cè)量與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。 本文詳細(xì)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(jì)及相關(guān)的接口電路設(shè)計(jì)。 鑒于上述這些特點(diǎn)，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(shí)關(guān)斷制冷器。尤其是模糊控溫法在實(shí)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(jì)方面具有如下特點(diǎn) : 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(gè)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(gè)控制系統(tǒng)軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過(guò)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(guò)數(shù)字濾波之后，一方面將溫控箱的溫度通過(guò)控制面板上的 數(shù)碼管 顯示出來(lái) 。 ⑨ 供貨渠道是否暢通 ,價(jià)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(shí)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(jī)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(cè)量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測(cè)量穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性一般不如標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，這主要有兩個(gè)方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴(kuò)散使其純度 受到污染，從而降低了鉑電阻測(cè)溫的復(fù)現(xiàn)性能，其二是因?yàn)楦邷貤l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(guò)最小二乘法優(yōu)化之后， ()式誤差絕對(duì)值的最大值僅為℃ ，測(cè)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(duì)一個(gè)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(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）。 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(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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(jì)算溫度（ ?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級(jí) 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(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。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。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