【文章內(nèi)容簡介】 實(shí)現(xiàn)對爐 熱 的控制。 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如下圖 21所示： 圖 21 控制器設(shè)計總體框圖 在本系統(tǒng)的電路由 四 部分組成 (1)控制部分主芯片采用單片機(jī) AT89C52； (2)顯示部分采用 4位 LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn) 熱 度顯示； (3)熱 度采集部分采用 K型熱電偶傳感器 ； (4)熱度控制部分采用固態(tài)繼電器。 根據(jù) 熱 度變化慢 ， 并且控制精度不易掌握的特點(diǎn) ， 我們設(shè)計了以 AT89C52單片機(jī)為檢測控制中心，將 熱 度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 4 其主要的控制原理為：對被控對象的 熱 度進(jìn)行實(shí)時采集，其主要是通過熱電偶傳感器將 熱 度轉(zhuǎn)變成模擬電信號，并由 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0832將所得的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量送入單片機(jī)中 。 單片機(jī)將傳感器所采集到的 熱 度和事先設(shè)定的 熱 度進(jìn)行對比，當(dāng)小于設(shè)定值時將發(fā)出信號啟動加熱裝置；當(dāng)大于設(shè)定值時將關(guān)閉加熱裝置，從而使得被控 熱 度控制在一定的范圍之內(nèi)，達(dá)到實(shí)時控制的功能。 整個控制器主要有以下功能： (1)被控 熱 度可以根據(jù)實(shí)際的需要設(shè)定 ； (2)實(shí)時顯示當(dāng)前 熱 度值 ； (3)按鍵控制： a、 設(shè)置復(fù)位鍵、加一鍵 、減一鍵、確定鍵 ； b、修改 P、 I、 D系數(shù)； (4)越限報警。 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)以 STC89C52 單片機(jī)為核心，本系統(tǒng)選用 12MHZ 的晶振，使得單片機(jī)有合理的運(yùn)行速度 ,復(fù)位電路為按鍵高電平復(fù)位 [7]。 STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計如圖 22所示 ： 圖 22 STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng) 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 5 熱 度采集與傳感器 圖 23 熱電偶傳感器 熱度檢測是本次設(shè)計前向通道的重要組成部分，它的精確程度將直接影響到控制效果。因此，我們首先要選擇合適的測 熱 元件，對 熱 度進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。 熱電 偶的冷鍛 熱 度補(bǔ)償有四種方法： 補(bǔ)償導(dǎo)線法；冷端補(bǔ)償法；計算修正法；電橋補(bǔ)償法。 補(bǔ)償導(dǎo)線法： 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 6 圖 24 補(bǔ)償導(dǎo)線法的連接圖 冷端補(bǔ)償法： （ 1）將熱電偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端 熱 度保持 0℃ 不變的方法稱為冰浴法。采用這種方法可以消除冷端 熱 度 t0 不等于 0℃ 而引起的誤差。由于冰融化比較快，因而一般只適合在實(shí)驗(yàn)室中使用。 （ 2）將熱電偶的冷端置于電熱恒 熱 器中，恒 熱 器的 熱 度要略高于環(huán)境 熱 度的上限。 （ 3）將熱電偶的冷端置于恒 熱 的空調(diào)房間中，使冷端 熱 度保持恒定。 計算修正法： 當(dāng)熱電偶的冷端 熱 度 t0 ?0?C 時，由于熱端與冷端的 熱 差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢 EAB（ t， t0）與冷端為 0 ?C 時所測得的熱電勢 EAB（ t， 0?C）不等。若冷端 熱 度高于 0 ?C，則 EAB（ t， t0） EAB（ t， 0 ?C）?？梢岳孟率接嬎悴⑿拚郎y量誤差： EAB（ t,0?C） = EAB（ t,t0） + EAB（ t0,0?C） 電橋補(bǔ)償法： 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 7 圖 25 電橋補(bǔ)償法的接線圖 本次設(shè)計采用計算修正法。 熱電偶 熱 度信號的線性化 熱電偶 熱 度信號非線性是比較大的，如 B 型熱電 偶，從 0176。C 升高到 1800176。C，熱電勢從0mV 變化到 ，每 100176。C 熱電勢增加最大的約為最小的 8 倍。 B 偶的最大輸出熱電勢只有 ，而且當(dāng) 熱 度升高到約 1700176。C 時，該增加值下降。其他熱電偶都存在類似的問題，盡管稍有不同。這又給線性化增加了難度。從這一特性出發(fā)，熱電偶 熱 度信號的線性化主要有如下幾種方法。 (1)單反饋法 ： 利用負(fù)反饋，可以改善其線性，但是很有限。幾種非線 性 稍小的熱電偶，可以采用這種方法，特別是在 熱 區(qū)要求不寬的情況下。有時，由于在其一 熱 區(qū)有精度要求，那么就在該 熱 區(qū)對信號進(jìn)行調(diào)理，達(dá)到要求的目標(biāo)；在其他 熱 區(qū)可以放寬 精度要求，甚至不要求，只作監(jiān)視用。 (2)折線近似法 ： 這是一種對非線性較大的信號處理的較好的方法。處理得好可以達(dá)到較高的精度。這種方法普遍適用于各種熱電偶的整個正信號 熱 區(qū)。 圖 26 折線近似法 該種方法的電路原理圖如圖 26 所示。該電路的工作過程是：當(dāng)輸入的電壓信號較低時， IC1 中的反相端 電壓較同相端 (A)低得多（同相端的電壓大小是根據(jù)線性化要求設(shè)定的，B 點(diǎn)同樣）， IC1 的輸出端電壓較高， D1 截止。當(dāng)輸入信號電壓接近 IC1 的同相端時， IC1河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 8 的輸出逐漸降低，隨之， D1 逐漸導(dǎo)通， V4 逐漸增大，直到 V4 接近 A 點(diǎn)電壓為止。這就有 效地限制了熱電偶信號迅速增加，降低了非線性。 IC2 的工作過程與此類似，不同的是 B點(diǎn)電位比 A 點(diǎn)高。當(dāng)輸入電壓在 A 點(diǎn)電壓以下時， D2 截止， IC2 不工作；只有當(dāng)輸入電壓高于 A 點(diǎn)電壓或接近 B 點(diǎn)電壓時 IC2 才工作。工作過程與 IC1 相同。所用折線的段數(shù)是根據(jù)精度要求決定的。對于熱電偶信號 處理來說，有三段就可以使精度達(dá)到 %以上。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 本設(shè)計中 熱 度檢測電路輸出信號為 模擬 量，要想將 檢測數(shù)據(jù) 送入單片機(jī)，必須將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這里選用集成 A/D 轉(zhuǎn)換器 —— ADC0832。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 用來把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字形式，即二進(jìn)制數(shù)。實(shí)際的轉(zhuǎn)換過程包括在特定時刻的信號采樣并保持其值直到一個穩(wěn)定信號被輸入到模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器即止。模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的二進(jìn)制數(shù)通過微機(jī)的輸入通道進(jìn)入微型機(jī)。復(fù)雜的硬件或具有合適的軟件指令的簡單硬件都可能實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。軟件的使用會降低模數(shù)轉(zhuǎn)換過程的 速度。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換的整個過程均需要使用硬件。用于特定用途的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器可按其精度和速度分類。 出于各種實(shí)用的目的，模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器可視為一個黑盒子，它能把在一定范圍取任意連續(xù)值的模擬電壓轉(zhuǎn)換成離散的二進(jìn)制代碼。模擬電壓轉(zhuǎn)換得到的二進(jìn)制碼的數(shù)值取決于模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。一個 N 位模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器將提供 2N 個離散代碼來代表輸入的模擬電壓。大 多數(shù)模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器基于逐次逼近和雙斜式轉(zhuǎn)換技術(shù)。 N 位的逐次逼近模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器涉及 N 次比較操作。每次比較可以產(chǎn)生該位確切的二進(jìn)制值 (0 或 1)。最先產(chǎn)生的為最高位，最后產(chǎn)生的則是最低位。第一次 比較時，用輸入的電壓與參考信號電壓的一半 (1/22)進(jìn)行比較。如果輸入電壓大于參考信號的一半，那么最高位置為 1，否則置為 0。假定輸人電壓大于參考信號的一半，對 8 位 ADC 來說，第一次比較將產(chǎn)生二進(jìn)制碼 10000000。下一步是把參考電壓的四分之一 (1/22)迭加到由上面代碼產(chǎn)生的電壓上，并再次用它與輸入電壓比較。根據(jù)這次比較，產(chǎn)生的二進(jìn)制代碼將是 11000000(模擬輸入電壓大于代碼電壓時 )，或者是10000000(模擬輸入電壓小于代碼電壓時 )。接著把參考電壓的八分之一 (1/23)迭加到第二位轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制代 碼所產(chǎn)生的電壓上，把迭加后 的電壓與輸入模擬電壓比較以確定第三位的二進(jìn)制值。這個過程重復(fù)進(jìn)行 N 次 (模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù) )。因此對于第 N 位，由第 N1 位產(chǎn)生的代碼得到的電壓被迭加到 1/2N倍的參考電壓后，并且讓它與輸入電壓比較以決定第N 位的二進(jìn)制值。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 9 控制器 控制流程 目前模糊 PID 控制器有多種結(jié)構(gòu)形式，但工作原理基本一致。人們運(yùn)用模學(xué)的基本原理和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制則以及其有關(guān)信息作為知識存入計算機(jī)的知識庫中，然后計算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)回應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，即可自動實(shí) 現(xiàn)對 PID 參數(shù)的最佳調(diào)整，構(gòu)成模糊自整 PID 控制器。 自整定模糊 PID 控制是在 PID算法的基礎(chǔ)上，通過計算當(dāng)前系統(tǒng)的誤差 e和誤差變化率 ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)的整定。因此模糊自整定 PID控制器設(shè)計的核心是總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊控制規(guī)則表，得到針對 PK ， IK ， DK 三個參分別整定的模糊控制表。 基于以上相關(guān)的理論研究和分析，我 們總結(jié)出模糊 PID 控制器的設(shè)計分為如下部分 : (l)確定模糊 PID 控制器的輸入和輸出變量。模糊控制器的輸入變量通常取誤差 E和誤差的變化 EC，構(gòu)成二維模糊 PD 控制器，輸出變量一般選擇控制量的增量。模糊 PID 控制系統(tǒng)中控制量通常是 PK ， IK ， DK ，取其增量△ Kp,△ Ki, △ Kd 為輸出量。 (2)根據(jù)輸入輸出變量的變化范圍，確定它們的量化等級、量化因子、比例因子。在每個變量的量化論域內(nèi)定 義模糊子集。首先確定模糊子集個數(shù)，確定每個模糊子集的語言變量，然后為各語言變量選擇合適的隸屬度函數(shù)。 (3)建立模糊控制規(guī)則。模糊控制是語言控制，因此用語言歸納專家的手動控制策略，從而建立模糊控制規(guī)則表。模糊控制規(guī)則實(shí)際上是一組多重條件語句。 (4)模糊推理模糊判決。通過模糊控制規(guī)則，得到從誤差論域到控制量的模糊關(guān)系矩陣R，再通過誤差的模糊矢量 E和誤差變化的模糊矢量 EC 與模糊關(guān)系 R 合成進(jìn)行模糊推理，得到控制量的模糊矢量。采用清晰化方法將模糊控制矢量轉(zhuǎn)化為精確量。 (5)求模糊控制表。模糊關(guān)系、模糊推理以及模 糊判決的運(yùn)算可以離線進(jìn)行，最后得到模糊控制器輸入量的量化等級 E、 EC 與 PID控制量 PK ， IK ， DK 之間的確定關(guān)系。 (6)把采樣得到的偏差、偏差變化再經(jīng)過模糊化，代入模糊控制規(guī)則表，得出新的 PID參數(shù)，再經(jīng)過 PID 算法的計算就得出了最后的輸出量，也就是系統(tǒng)的控制量。 (7)通過仿真分析模糊 PID 控制性能，再對比例因子和量化因子進(jìn)行調(diào)整以獲得最佳的控制效果。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 10 第 3 章 單片機(jī) 在多 數(shù)電子設(shè)計當(dāng)中，基于性價比的考慮， 8 位單片機(jī)仍是首選。 AT89C52 是一種低功耗 /低電壓、高性能的 8 位單片機(jī)。片內(nèi)帶有一個 8KB 的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲器（ EPROM）。它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲器（ NURAM）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS51 兼容、片內(nèi)的 Flash 存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。因此， AT89C52 是一種功能強(qiáng)、靈活性高，且價格合理的單片機(jī)，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域?；谏鲜鲞@些特點(diǎn)，這里選擇AT89C52 單片機(jī)作為控制核心。 因?yàn)閱纹瑱C(jī)的工作電源為 +5V， AT89C52電源輸入支持的電壓范圍為 5v~， 且底層電路功耗很小。 Vcc，電源端； GND，接地端。其電源供電電路如圖 31所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 13 Ju n 20 11 S he e t of F i l e : F : \設(shè)計 \畢業(yè)設(shè)計 \設(shè)計 \ 99 原理圖 \ x d D B D r a w n B y :R6510D 10LEDJ4RCAGND+ 5V 圖 31 電源供電電路 單片機(jī)的主控單元 本部分主要介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計。單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展，一般是以基本最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。所謂最小系統(tǒng)，是指一個真正可用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng)，對于片內(nèi)帶有程序存儲器的單片機(jī)，只要在芯片外接時鐘電路和復(fù)位電路就是一個小系統(tǒng)了。小系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基石。本電路的小系統(tǒng)主 要由三部分組成，一塊 AT89C52芯片、復(fù)位電路及時鐘電路。 AT89C52單片機(jī)： AT89C52是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8位單片機(jī)，器件采用 ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051指令系統(tǒng)及引腳。4K 字節(jié)可系統(tǒng)編程的 Flash 程序存儲器， 128字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32個 I/O口線，看門狗 (WDT)，兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16位定時 /計數(shù)器，一個 5矢量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 11 片內(nèi)振蕩器及時鐘電路 [12]。同時， AT89C52停止 CPU的工作，但允許 RAM、定時 /計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止其他所有部件工作，直到下一個硬件復(fù)位。 AT89C52 單片機(jī)的 引腳說明 VCC：供電電壓； GND：接地。 P0是一個 8位雙向 I/O端口，端口置 1時作高阻抗輸入端，作為輸出口時能驅(qū)動 8個 TTL電平。對內(nèi)部 Flash程序存儲器編程時，接收指令字節(jié)；校驗(yàn)程序時輸出指令字節(jié)，需要接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時， P0口是分時轉(zhuǎn)換的地址 (低 8位 )/數(shù)據(jù)總線，訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。 P1是一個帶有 內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/0端口。輸出時可驅(qū)動 4個 TTL電平。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)