【正文】 ......................................................................................... 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。本文就是基于此設(shè)計(jì)研究了新型的抗干擾熱偶控溫器設(shè)備。由于 PID 調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差，誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫法。具體研究?jī)?nèi)容如下： 第一章簡(jiǎn)要說明了本課題的研究背景，以及在熱電偶測(cè)溫領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指在使用哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，它一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊的場(chǎng)合的測(cè)量。熱電偶測(cè)溫原理圖如下圖 22 所示。熱電偶將電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)補(bǔ)償與放大電路放大后，通過多路選擇器選通其中一路進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存入AT89S52 單片機(jī)，然后多路選擇器選通下一路并對(duì)下一路信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 AD 工作所需的時(shí)鐘， ， DRDY,AT89S52可以通過查詢 是否可以讀取 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果， A/D 接口電路 如下圖 33所示 S C L KM C L K I NM C L K O U TC SR E S E TA V D DA i n ( + )A i n ( )D G N DD V D DD I ND O U TD R D YA G N DR e f i n ( )R e f i n ( + )N C+ V i nT E M PG N DN C / G N DN CV o u tT R I MC 31 5 p FC 41 5 p FY 11 . 0 0 0 M H ZC 20 . 0 1 u FR 61 0 0 KA DA G N DP 1 . 2P 1 . 6P 1 . 3D V + 5 VA V + 5 V0 . 1 u FC 8U 4A D 7 8 0A D 7 7 1 5U 2123456781 61 51 41 31 21 11 0912348765P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 7D G N DD V + 5 V 圖 33 A/D 轉(zhuǎn)換電路 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 單片機(jī) 信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后由溫度傳感器采集得到的溫度信號(hào)被送至中央處理器單片機(jī)中。 當(dāng)訪問外部 程序 和數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 時(shí) ， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。并行通信速度快，實(shí)時(shí)性好，但由于占用較多的單片機(jī)口線，不適合作為小型化產(chǎn)品和分布式、遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方式。從 A 到 B 的數(shù)據(jù)通路必須完全與從 B 到 A 的數(shù)據(jù)通路分開。即一個(gè)主設(shè)備（ Master），其余為從設(shè)備（ Salve），從設(shè)備之間不能通信，所以 RS422 支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。 RS485 有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實(shí)現(xiàn) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 的通信方式，現(xiàn)很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為 總線 式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接 32 個(gè)結(jié)點(diǎn)。 由按鍵模塊設(shè)定溫度值 ， 單片機(jī)對(duì)設(shè)定溫度值進(jìn)行查表計(jì)算后轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)字值，通過 l6 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到與之精確對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào) ， 此電壓值于溫度傳感器測(cè)量的電壓值進(jìn)行比較產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，經(jīng)過 PID 電路后，獲得一個(gè)控制量給加熱電路 ， 構(gòu)成實(shí)時(shí)閉環(huán)系統(tǒng) ， 同時(shí)實(shí)際測(cè)量電壓值并顯示在顯示模塊 上 輸出控制 D／ A 轉(zhuǎn)換 電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來控制可控硅觸發(fā)電路 ， 從而控制可控硅通斷率通過調(diào)節(jié)加熱功率即可達(dá)到控制溫度恒定的目的。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 第 4 章 熱電偶溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)作為整個(gè)控溫器的控制中心，其軟件設(shè)計(jì)也將是整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心。1℃則取 50℃ 177。同樣，這種方法還可以推廣成為連續(xù)幾個(gè)周期進(jìn)行平均。模糊控制的發(fā)展最初在西方遇到了較大的阻力；然而在東方尤其是在日本，卻得到了迅速而廣泛的推廣應(yīng)用。利用數(shù)字濾波技哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 術(shù)進(jìn)一步濾除濾波硬件電路沒有濾掉的干擾信號(hào)；利用查表法和插值法相結(jié)合的方法求解溫度值；利用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的控制。 1974 年，英國(guó)的 首先用模糊控制語(yǔ)句組成模糊控制器，并把它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，在實(shí)驗(yàn)室獲得成功。熱電勢(shì)是溫度函數(shù)的差，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在冷端溫度固定的情況下，熱電勢(shì)和工作端的溫度關(guān)系呈現(xiàn)一定的正比例關(guān)系，但并不是完全線性的，因此不能利用線性函數(shù)求解溫度值，必須進(jìn)行線性化處理 . 熱電勢(shì)是溫度函數(shù)的差，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在冷端溫度固定的情況下，熱電勢(shì)和工作端的溫度關(guān)系呈現(xiàn)一定的正比例關(guān)系，但并不是完全線性的，因此不能利用線性函數(shù)求解溫度值，必須進(jìn)行線性化處理。 系統(tǒng)初始化后，即開始確定控溫范圍。 由于電阻爐一般是屬于一階對(duì)象和滯后的一階對(duì)象，式中 Kp KD K1 的選擇取決于電熱絲的階躍響應(yīng)曲線和實(shí)際經(jīng)驗(yàn) ， 設(shè)計(jì)采用 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 Ziegler— Nichols 提出的 PID 歸一調(diào)整法 ， 調(diào)整參數(shù) ， 主要是減少在線整定參數(shù)的數(shù)目，人為假定約束條件 ， 以減少獨(dú)立變量的個(gè)數(shù) ， 令 ：T1=， TD= 式中 TU 稱為臨界周期。 1432T X DP 1 . 0R X DC 5 1 C 5 2R 4 3R 4 2V C C8765V C CABG N DRR ED EDR 4 4R 4 5R 4 5R 4 8R 4 74 8 5 AV 1V 2V 3V 44 8 5 B 圖 39 RS485 串口通信 及外圍 電路 圖 溫度控制電路 由于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)純滯后時(shí)間較小，故我們采用 PID（比例、積分、微分）控制算法來實(shí)現(xiàn)溫度的控制。究其原因就是企業(yè)信息化的需要，企業(yè)在儀表選型時(shí)其中的一個(gè)必要條件就是要具有聯(lián)網(wǎng) 通信接口 。 RS232 實(shí)體圖如下圖 36 所示 圖 36 RS232 實(shí)體圖 TXD RXD 單片機(jī) RXD TXD 外設(shè) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 RS422 是在 RS232 以后發(fā)展起來的，比起 RS232 的非 平衡傳送方式上在電氣指標(biāo)上有了大幅度提高。不可能有 A、 B 同時(shí)作為發(fā)送器或者同時(shí)作為接收器的情況。 P3 口： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。 AT89S52 各引腳功能如下表 32 所示 。剩余的 4 路，為了防止輸入端引腳懸空引起的不確定因素，故將未用的 4 路輸入端做接地處理。熱電偶測(cè)溫的缺點(diǎn)是 :熱電偶損耗比較大 ,增大了維護(hù)量 ,備件費(fèi)用消耗大；熱響應(yīng)有一定滯后。 熱電偶測(cè)溫基本原理 將兩種不同材料 (但符合一定要求 )的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A 和 B 的任意一端焊接在一起就構(gòu)成了熱電偶。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表； 分度表 是自由端溫 度 在 0℃ 時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。 英國(guó)的 Hamid 等將 PID 控制器應(yīng)用到冰箱的溫度控制中，通過使用MATLAB/Simulink 軟件仿真和誤差分析圖的方式與傳統(tǒng)的 ONOFF 控制做了細(xì)致的比較。現(xiàn)代控制理論開始應(yīng)用于實(shí)際的過程控制，但這需要對(duì)過程對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以實(shí)際上往往難以得到精確的數(shù)學(xué)模型。 但是，在實(shí)驗(yàn)中總會(huì)遇到或多或少的問題。 為了達(dá)到提高測(cè)溫精度的目的，需要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，以彌補(bǔ)熱電偶冷端處于室溫環(huán)境時(shí)造成的誤差；在 PCB 電路設(shè)計(jì)中，從電源、電纜、印制板三個(gè)層次對(duì)熱電偶控溫器進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)；在軟件設(shè)計(jì)過程中，利用數(shù)字濾波技術(shù)進(jìn)一步對(duì)干擾信號(hào)濾波處理、并用線性插值法求解溫度值，最后用模糊算法實(shí)現(xiàn)控溫器 對(duì)環(huán)境溫度的控制。從 分子運(yùn)動(dòng)論 觀點(diǎn)看，溫度是物體分子運(yùn)動(dòng)平均 動(dòng)能 的標(biāo)志。這種經(jīng)典設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)一種反饋補(bǔ)償器，以獲得一定量的穩(wěn)定裕度，重點(diǎn)考慮了模型的不確定性，并利用反饋來減少系統(tǒng)對(duì)干擾和模型誤差的靈敏度。只要 PID 參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。 第四章對(duì)熱電偶控溫系統(tǒng)的軟件 進(jìn)行 了總體設(shè)計(jì)，運(yùn)用查表法和插值法相結(jié)合的方法求解環(huán)境溫度，采用模糊控制法對(duì)監(jiān)控點(diǎn)溫度進(jìn)行控制。 因此我們選用 K 型熱電偶作為測(cè)溫元件。 電橋補(bǔ)償法通常采用在冷端串聯(lián)一個(gè)由熱電阻構(gòu)成的電橋。 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 P2 口： P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器 能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。數(shù)據(jù)只能由 A 傳送到 B。 RS 是 英文 “推薦標(biāo)準(zhǔn) ”的縮寫， 232 為標(biāo)識(shí)號(hào)， C 表示修改次數(shù)。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。 PID 控制就是對(duì)偏差信 號(hào)進(jìn)行 比例 ， 積分 ， 微分運(yùn)算后 ， 形成一種控制規(guī)律即控制器的輸出為 ： 或者表示為傳遞函數(shù)形式： K 為比例系數(shù) ， 為積分時(shí)間常數(shù) ， T 為微分時(shí)間常數(shù)。放大后的信號(hào)在 A/D 轉(zhuǎn)換芯片對(duì)模擬小信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后存入中央處理器。所謂查表法是指事先根據(jù)熱電偶的溫度特性，制作相應(yīng)的溫度 — 熱電勢(shì)關(guān)系表格，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將該表格事先存入內(nèi)存中供實(shí)時(shí)查表使用。來自線現(xiàn)場(chǎng)的的往往是 420mA信號(hào)，它的變化一般比較緩慢，而干擾一般帶有突發(fā)性的特點(diǎn)，變化頻率較高，而低通濾波器就可以濾除這種干擾，這就是低通濾波的原理。 ，使得操作人員易于使用自然語(yǔ)言自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。 而其缺點(diǎn)是： ，這對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的。 滑動(dòng)濾波法是從一階低通濾波法推廣過來的，原理是信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)突變，這種方法也有其局限性，所有的信號(hào)的突變都看作干擾。為此，本設(shè)計(jì)中采用線性插值法相結(jié)合的方法來求解溫度值。數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容包括數(shù)字濾波和插值法求解溫度值。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很 多