【文章內容簡介】 實現(xiàn)高精度 的控制。 PID 控制器問世至今已有近70 年歷史，它以其 結構 簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的 結構 和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的 結構 和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定， 因此本次設計 應用 PID 控制技術最為 有效 。 湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 方案的論證 無論是工農業(yè)生產中，還是日常生活中，對溫度的檢測和控制都是必不可少的，對于溫度的檢測通常是采用熱敏電阻在通過 A/D（模 /數(shù)）轉換得到數(shù)字信號，但由于信號的采集對整個系統(tǒng)的影響很大，如果采 樣精度不高，會使這個系統(tǒng)準確性下降。因此本次設計采用高精度的溫度傳感器： 數(shù)字溫度傳感器DS18B20。 這種 數(shù)字溫度傳感器 是 DALLAS 公司生產的單總線 ， 。而對于溫度控制的方法也有很多：如單片機控制、 PLC 控制、模擬 PID 調節(jié)器和數(shù)字 PID 調節(jié)器等等。綜合各方面的意見，本設計采用單片機來實現(xiàn)溫度的控制。 方案一 利用單片機實現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng) 利用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)溫度恒定的控制，其總體結構圖如圖 所示 。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場溫度采集、實時溫度顯示、 加熱控制參數(shù)設置、加熱電路控制輸出、 與報警裝置 和系統(tǒng)核心 AT89S52 單片機作為微處理器。 圖 方案一的 系統(tǒng)總體結構框圖 溫度采集電路以 數(shù)字量 形式將現(xiàn)場溫度傳至單片機。單片機結合現(xiàn)場溫度與用戶設定的目標溫度，按照已經編程固化的 模糊 控制算法計算出實時控制量。以此控制量 控制固態(tài)繼電器開通和關斷 ，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使溫 度 逐步穩(wěn)定于用戶設定的目標值。 在溫度到達設定的目標溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時，單片機通過采樣回的溫度與設置的目標溫度比較，作出相應的控制，開啟加熱器。當用戶需要比實時溫度低的溫度時，此電路可以利用風扇降溫。 系統(tǒng)運行過程中的各種狀態(tài) 參量均 可 由數(shù)碼管實時顯示 。 方案二 利用 PLC實現(xiàn)恒溫控 制 系統(tǒng) 利用 PLC 實現(xiàn)對溫度恒定的控制，其控制系統(tǒng)的結構框圖如圖 所示：采用 PLC 控制實現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導通和全斷加熱的自動控制方式，來達到溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測對象中，熱電偶的傳感器信號數(shù)字式溫度傳感器加熱器控制器單片機顯示越限報警鍵盤湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 與恒定溫度的給定電壓進行比較，構成閉環(huán)系統(tǒng)，生成溫差電壓 Vt， PLC 自適應恒溫控制電路，根據(jù) Vt的大小計算出全通、間接導通和全斷的自適應恒溫控制電路，并將占空比可調的控制電平經輸出隔離電路去控制可控硅門極的通斷，實現(xiàn)自適應的恒溫控制 。若溫度升的過快， PLC 也將輸出關斷電平信號轉換為可控硅電路相匹配的輸入信號。 圖 方案二 的系統(tǒng)結構框圖 方案三 利用 模擬 PID 調節(jié)的恒溫控制系統(tǒng) 基于 模擬 PID 調節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)由數(shù)字電路部分和模擬電路兩部分組成，其控制系統(tǒng)的機構框圖如圖 所示。由按鍵設定某一溫度，單片機對設定溫度值進行查表計算后轉換為對應的電壓數(shù)字值，通過 16 位的數(shù)模轉換器得到與之精確對應的電壓信號，此電壓值于熱敏電阻實際測量的電壓值進行比較產生一個誤差信號，經過 PID 電路后，獲得一個控制量給制冷元件構 成實時閉環(huán)系統(tǒng)，同時實際測量的電壓值并顯示在液晶屏上。 圖 方案三 的系統(tǒng)結構框圖 設計方案 控制模塊的選擇， 數(shù)字比較器與模擬控制器相比較，數(shù)字比較器具有以下幾個優(yōu)點 ： 模擬調節(jié)器調節(jié)能力有限，當控制規(guī)律較為復雜時，就難以甚至無法實現(xiàn)。而數(shù)字控制器能實現(xiàn)復雜控制規(guī)律的控制。 計算機具有分時控制能力，可實現(xiàn)多回路控制。 智能型熱電耦溫度表SZ4PLC輸出隔離電路可控硅爐體給定值熱電耦Vt 控制電平 電熱絲液晶顯示復位E2PROM單片機DAAD鍵盤PI D電 路熱敏電阻及反饋電路功放制冷元件湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 數(shù)字控制器具有靈活性。起控制規(guī)律可靈活多樣，可用一臺計算機對不同的回路實現(xiàn)不同的控制方式，并且修改控制參數(shù)或控制方式一般只 可改變控制程序即可，使用起來簡單方便，可改善調節(jié)品質，提高產品的產量和質量。 采用計算機除實現(xiàn) PID 數(shù)字控制外，還能實現(xiàn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示等其他功能。綜合考慮，本設計控制模塊采用數(shù)字 PID 調節(jié)器。 對于 方案一，采用單片機實現(xiàn)恒溫控制，雖然該方案成本低，可靠性高，抗干擾性強，但對于系統(tǒng)的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場合是不合適的；而對于方案二，采用 PLC 實現(xiàn)恒溫控制，由于 PLC 成本高，且 PLC 是外圍系統(tǒng)配置復雜，不利于我們的設計 ，由于數(shù)字 PID 調節(jié)，運算量大，只要選擇合適的參數(shù)對于溫度的控制 精度往往能達到較好的效果。為了使設計的成本低、抗干擾強，系統(tǒng)動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能好的前提下， 設計 方案的總體結構框圖如圖 所示：通過單片機對偏差進行 PID 運算，輸出控制 D/A 轉換電路轉換成 0— 8V 電壓信號來控制可控硅觸發(fā)電路，從而控制可控硅通斷率，通過調節(jié)加熱功率即可達到控制溫度恒定的目的。 鍵 盤溫 度 顯 示ＡＴ８９Ｓ５２上 位 機溫 度 傳 感 器E 2 P R O M加 熱 控 制電 路 圖 設計總體結構框圖 湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 第 2 章 恒溫控制系統(tǒng)硬件設計 考慮到盡量降低成本和避免與復雜的電路，此系統(tǒng)所用到的元器件均為常用的電子器件。而主控器 采用低功耗、高性能、片內含 8k byte 可反復檫寫的Flash 、只讀程序器 CMOS8 位單片機 AT89S52；溫度傳感器采用 DALLAS 公司生產的單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20；采用 控制端 TTL 電平，即可實現(xiàn)對繼電器的開關，使用時完全可以用 NPN 型三極管接成電壓跟隨器的形式驅動 ；單片機所需要的 +5V 工作電源是通過 220V 交流電壓通過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波得到。實時控制的顯示器、鍵盤通過單片機來完成鍵盤掃描與輸出動態(tài)顯示?？紤]到系統(tǒng)對傳輸速度的要求不高，在 PCA 機上設定和實時顯示溫度，系統(tǒng)配有RS232 串行通訊端口， 下面對硬件電路作具體的設計。 AT89S52 單片機 簡介 AT89S52 單片機資 源 簡介 AT89S52的結構如圖 所示。由于它的廣泛使用使得市面價格較 815 825 8279 要低，所以說用它是很經濟的。 該芯片具有如下功能：①有 1 個專用的鍵盤 /顯示接口；②有 1個全雙工異步串行通信接口；③有 2個 16位定時 /計數(shù)器。這樣， 1 個 89S52，承擔了 3 個專用接口芯片的工作；不僅使成本大大下降，而且優(yōu)化了硬件結構和軟件設計，給用戶帶來許多方便。 89S52 有 40個引腳，有 32個 輸入端口（ I/O），有 2個讀寫口線，可以反復插除。所以可以降低成本。 主要功能特性： （ 1） 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) （ 2） 32 個雙向 I/O 口 線 （ 3） 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷 （ 4） 2 個串行中斷 口 （ 5） 2 個外部中斷源 （ 6） 2 個讀寫中斷口線 （ 7） 低功耗空閑和掉電模式 （ 8） 8k 可反復擦寫 (1000 次 )Flash ROM 湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 （ 9） 256x8 bit 內部 RAM （ 10） 時鐘頻率 024MHz （ 11） 可編程 UART 串行通道 （ 12） 共 6個中斷源 （ 13） 3 級加密位 （ 14） 軟件設置睡眠和喚醒功能 。 AT89S52 單片機信號引腳介紹 [9] 輸入輸出口線 ～ 0P 口 8位雙向口線 ～ 1P 口 8位雙向口線 ～ 2P 口 8位雙向口線 ～ 3P 口 8位雙向口線 ALE 地址鎖存控制信號 在系統(tǒng)擴展時 ,ALE用于控制把 0P 口輸出的低 8位地址送入鎖存器鎖存起來 ,以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時傳送 。 此外由于 ALE 是以六分之一晶振頻率的固定頻率輸出正脈沖 ,因此可 作為外部定時脈沖使用 。 PSEN 外部程序存儲器讀選通信號 在讀外部 ROM 時 , PSEN 有效 (低電平 ),以實現(xiàn)外部 ROM 單元的讀操作 。 EA 訪問程序 存儲趨控制信號 但 EA 信號為低電平時 ,對 ROM 的讀操作限定在外部程序存儲器；而當 EA 信號為高電平時 ,則對 ROM 的讀操作是從內部程序存儲器開始 ,并可延續(xù) 至外部程序存儲器。 RST 復位信號 當輸入的復位信號延續(xù) 2 個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位操作。 1XTAL 和 2XTAL 外接晶體引線端 當使用芯片內部時鐘時，此二引線端用語外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。 SSV 地線 CCV +5V 電源 湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 AT89S52 單片機時鐘和復位電 路 時鐘電路 單片機內部有一個高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳 1XTAL ，輸出端為引腳 2XTAL 。而在芯片外部 1XTAL 和 2XTAL 之間跨接晶體振蕩器和微調電容，從而構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻 率也高，單 片機運行速度也就快，但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的工藝要求也高，所以，這里使用震蕩頻率為6MHz 的石英晶 體。震蕩電路產生的震蕩脈沖并不直接是使用，而是經分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經過二分頻后才作為系統(tǒng)的時鐘信號。在設計電路板時，振蕩器和電容應盡量靠近單片機，以避免干擾。需要注意的是：電路板時，振蕩器和電容應盡量安裝得與單片機靠近，以減小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作電路圖 如圖 所示 復位電路 單片機的復位電路分上電復位和按鍵復位兩種方式。 （ a）上電復位： 在加電之后通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。當 CCV 的上升時間不超過 1ms，就可 以實現(xiàn)自動上電復位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖。 RST 上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長時間，滿足復位操作的要求。 (b) 按鍵復位： 程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需按復位鍵以重新啟動。 RST 引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效。按鍵復位又分按鍵脈沖復位 （ 圖 ） 和按鍵電平復位。電平復位將復位端通過電阻與 CCV 相連，按鍵脈沖復位是利用 RC分電路產生正脈沖來達到復位的。 (c) 注意： 因為按鍵脈 沖復位是利用 RC 微分電路產生正脈沖來達到復位的。所以電平復位要將復位端通過電阻與 CCV 相連 .如復位電路中 R、 C 的值選擇不當，使復位時間過長，單片機將處于循環(huán)復位狀態(tài)。故本設計采用按鍵復位。 湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 溫度傳感器 溫度測量轉換部分是整個系統(tǒng)的 數(shù)據(jù) 來源，直接影響系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的溫度測量方法是：溫度傳感器例如 AD590，將測量的溫度轉換成模擬電信號，再經過 A/D 轉換器把模擬信號轉換成數(shù)字信號，單片機再對采集的數(shù)字信號進行處理 [3]。這種模擬數(shù)字混合電路實現(xiàn)起來比較復雜，濾波消噪難 度大系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，鑒于這些考慮， 本設計采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20。 DS18B20 支持“一線總線”接口，測量溫度的范圍為 55176。 C～ +125176。 C，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20 為 3 引腳， DQ 為數(shù)字信號輸入 /輸出端； GND為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端。 溫度采集電路模塊如圖 所示。 DSB8B20 的 3腳接系統(tǒng)中單片機的 口線，用于將采集到的溫度送入單片機中處理， 2腳和 3腳之間接一個 上拉電阻，即可完成溫度采集部分硬件電路。 DS18B20 內部結構主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 圖 溫度采樣電路 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12位轉化為例 :用 16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達，其中 S 為符號位 。數(shù)據(jù)轉換如下表 。 表 DS18B20 溫度數(shù)據(jù)轉換表 LS Byte Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 23 22 21 20 21 22 23 24 MS Byte Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8 S S S S S 26 25 24 湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 這是 12位轉化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個 8比特的 RAM 中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1再乘于 即可得到實際溫度。 電源電路 電源電路可分為三大塊：變壓部分、整流濾波部分、穩(wěn)壓部分 [1]。電源電路如圖 所示。 圖 電源電路 電源變壓器 變壓部分其實就是一個變壓器，變壓器作用是將 220V 的交流電壓變換成我們所需的電壓 9V。然后再送去整流和濾波 。 整流濾波電路 整流電路將交流電壓變成單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成份，合之成為平滑的直流電壓。濾波電路常見的有電容濾波電路、電感濾波電路。一般的整流有全波整流、單相半流整流、橋式整流、及 變 壓整流。 穩(wěn)壓電路 在這的穩(wěn)壓電路中我使用的是“三端固定輸出集成穩(wěn)壓器”，穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電源電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。集成穩(wěn)壓器、使用方便、性能穩(wěn)定、更重要的是考慮到它的價格低廉，因而我湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 在此使用。 鍵盤和顯示電路 模塊電路如下圖 。 鍵盤采用行列式和外部中斷相結合的方法，各按鍵的功能定義如下表 。其中設置鍵與單片機的 0INT 腳相連， 90 SS ?? 、 YES、 NO用四行三列接單片機 P0 口， REST鍵為硬件復位鍵， 與 R、 C 構成復位電路。 表 按鍵功能 按鍵 鍵名 功能 REST 復位鍵 使系統(tǒng)復位 SET 設置鍵 使系統(tǒng)產生中斷，進入設置狀態(tài) 90 SS ?? 數(shù)字鍵 設置用戶需要的溫度 YES 確認鍵 用戶設定目標溫度后進行確認 NO 清除鍵 用戶設定溫度錯誤或誤按了 YES鍵后使用 圖 鍵盤接口電路 顯示采用 3位共陽 LED 動態(tài)顯示方式 ,顯示內容有溫度值的十位、個位及小數(shù)點后一位。用 P2 口作為段控碼輸出，并用 74HC244 作驅動。 — 作為位控碼輸出，用 PNP 型三極管做驅動 [4]。模塊電路如下圖 ： 圖 顯示接口電路 湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 加熱控制電路 控制電路圖如下圖 。用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制，被控對象為電熱杯，采用對加 在電熱杯兩端的電壓進行通斷的方 法進行控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調整，從而達到對水溫控制的目的。對電爐絲通斷的控制采用 SSR40DA 固態(tài)繼電器。它的使用非常簡單，只要在控制端 TTL 電平，即可實現(xiàn)對繼電器的開關，使用時完全可以用 NPN 型三極管接成電壓跟隨器的形式驅動。當單片 機的 為高點平時，三極管驅動固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作