【文章內(nèi)容簡介】 響應曲線由圖可以看出性能指標：調(diào)節(jié)時間ts約為300s，超調(diào)量σ％＝0，穩(wěn)態(tài)誤差ess=0。 本章小結(jié)本章通過實驗數(shù)據(jù)，建立了以電烤箱為對象的數(shù)學模型，分析了 PID 控制、和模糊自整定 PID 控制的原理及優(yōu)缺點，確定了模糊自整定 PID 控制為電烤箱的控制策略。最后通過對二種控制方案進行仿真研究和分析，證實了參數(shù)模糊自整定 PID 控制策略可實現(xiàn)調(diào)節(jié)時間短，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小等較理想的性能指標，作為該溫控系統(tǒng)的控制器是可行的。第三章 溫度測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計電烤箱是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)烤箱門、環(huán)境溫度、加熱材料以及電網(wǎng)等都影響控制過程，基于精確數(shù)學模型的常規(guī)控制難以保證加熱要求。因此電烤箱的溫度控制是一項關(guān)鍵性的技術(shù)，本章主要討論電烤箱溫度測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計。首先介紹了測控系統(tǒng)的總體設(shè)計原則和設(shè)計方案，然后具體介紹了系統(tǒng)各部分外圍硬件的設(shè)計。 圖31 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖系統(tǒng)硬件框圖如圖 32 所示，由以下幾部分組成：AT89S52 單片機及其最小系統(tǒng)模塊、溫度檢測模塊、鍵盤模塊、LED 顯示模塊、輸出控制模塊等。圖32 系統(tǒng)硬件框圖工作原理：電烤箱的溫度由熱電偶進行采集，經(jīng)信號放大、冷端補償、線性化處理、A/D 轉(zhuǎn)換后將所檢測的溫度信號轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字量，通過 SPI 串口送入單片機，通過單片機軟件對數(shù)據(jù)進行處理，該溫度一方面經(jīng) LED 數(shù)碼顯示器顯示，另一方面與鍵盤輸入的給定值進行比較，計算其偏差，通過參數(shù)模糊自整定 PID 控制算法進行運算，運算結(jié)果形成以PWM形式輸出的溫度控制信號，通過過零觸發(fā)光電耦合器件進行光電耦合隔離后，通過控制晶閘管的通斷來調(diào)節(jié)電烤箱平均功率的大小，以達到控制烤箱溫度的目的。 溫度檢測電路的設(shè)計溫度檢測電路是溫度測控系統(tǒng)中的重要部分，承擔著檢測電烤箱溫度并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C的任務(wù)在溫度的采集測量過程中，熱電偶因具有體積小、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高、性能穩(wěn)定、動態(tài)響應好、輸出直接是電壓信號，便于訊號的遠傳和記錄，也有利于集中檢測和控制等優(yōu)點而成為工程上應用最廣泛的溫度傳感器。 K 型熱電偶的穩(wěn)定性較高，可在氧化性和中性介質(zhì)中長期測 900度以下溫度，其回復性較好，產(chǎn)生熱電勢較大，線性好，價格便宜，測量精度較高，是工業(yè)中最常用的一種熱電偶。經(jīng)綜合考慮 K 型熱電偶的測溫范圍、測溫精度、測溫特性及價格，本文設(shè)計的智能溫度測控系統(tǒng)選擇 K 型熱電偶作為溫度傳感器，實物如圖 33 所示。圖 33 K 型熱電偶實物圖 K 型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應用的廉價測溫組件，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量溫度范圍寬，測量精度高、穩(wěn)定性好等特點，但將熱電偶應用于單片機系統(tǒng)時，存在以下幾個方面的問題：（1）信號弱：測溫時熱電偶產(chǎn)生的模擬信號很微弱，故需要對其進行放大處理。（2）冷端補償：熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為0度時與測量端的電勢差值，而在實際應用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度變化而變化的，故需進行冷端補償。（3）非線性：熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此在應用時必須進行線性化處理。（4）數(shù)字化輸出：與單片機系統(tǒng)接口要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口,而作為模擬小信號測溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個要求,需要進行 A/D 轉(zhuǎn)換。因而，通常將熱電偶應用于單片機系統(tǒng)時，都采用“傳感器→ 濾波器→ 放大器冷端補償 →線性化處理→ A/D 轉(zhuǎn)換”的模式，該模式具有轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復雜、抗干擾能力差、精度低、調(diào)試困難等缺點。如果能將上述的功能集成到一個集成電路芯片中，即采用單芯片來完成信號放大、冷端補償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡化熱電偶在單片機領(lǐng)域的應用設(shè)計。 本文設(shè)計中選用了由 Maxim 公司生產(chǎn)的 K 型熱電偶專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX6675，來完成熱電偶電勢至溫度的轉(zhuǎn)換。它是一種高精度的集成芯片，體積極小，不需要其它任何的外圍電路，就能獨立完成信號放大、冷端補償、線性化、A/D 轉(zhuǎn)換及 SPI 串口數(shù)字化輸出功能，可以直接與單片機接口，大大簡化了熱電偶測量智能裝置原本復雜的軟硬件設(shè)計，大大減少了溫度控制過程中的不穩(wěn)定因素，保證了測溫的快速、準確。MAX6675 的特性和引腳功能MAX6675 的性能特點如下： (1)對 K 型熱電偶輸出直接進行數(shù)字轉(zhuǎn)換； (2)內(nèi)部集成有冷端補償電路； (3)簡單的 SPI 串行口溫度值輸出； (4)0度～，溫度分辨率為 ； (5)內(nèi)含熱電偶斷線檢測電路； (6)高阻抗差動輸入，低功耗； MAX6675 采用 SO8 封裝形式，長 ，寬 5mm，高 ，引腳功能如表 33所列。表 33 MAX6675 引腳功能引腳名稱功能1GND接地端2TK型熱電偶負極3T+K型熱電偶正極4VCC正電源端5SCK串行時鐘輸入6C\S\片選端7S0串行數(shù)據(jù)輸出8NC空腳MAX6675 與單片機的通信 MAX6675 采用標準的 SPI 串行外設(shè)總線與單片機接口，通信過程如下：當單片機使 MAX6675 的CS 引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r，MAX6675 將進行新的轉(zhuǎn)換；當單片機使 MAX6675 的CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，MAX6675 將停止任何信號的轉(zhuǎn)換,同時在 SCK 時鐘輸入脈沖的作用下，從 SO 端輸出串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，一個完整的數(shù)據(jù)輸出過程需要 16 個 SCK 時鐘周期，數(shù)據(jù)的讀取約定在 SCK 的下降沿完成。MAX6675 的輸出數(shù)據(jù)為 16 位，輸出時高位在前。D15 位是偽標志位，始終為 0；D14～D3 是由高位到低位順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；D2 用于檢測熱電偶是否斷線，當 D2 為 1 時表明熱電偶斷開；D1 為MAX6675 的標識符，始終為 0；D0 位為三態(tài)。斷開；D1 為 MAX6675 的標識符，始終為 0；D0 位為三態(tài)。MAX6675 的串行接口時序圖如圖 34所示。圖34 MAX6675 SPI 接口時序圖MAX6675 與單片機的接口電路 MAX6675 與單片機的接口電路如圖 35所示，單片機的 、 口分別接到 MAX6675 的 SCK、CS 、SO 端。當 AT89S52 的 為低電平且 產(chǎn)生時鐘脈沖時，MAX6675 的 SO 腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，每一個 SCK 的脈沖信號下降沿 SO 輸出一個數(shù)據(jù)，16 個脈沖信號完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位 D15，最后輸出的是低電位 DO，D14～D3 為相應的 12 位溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換值的變化范圍是 0～4095，對應表示實際溫度為 0度～，分辨率為 。由于 MAX6675 內(nèi)部經(jīng)過了激光修正，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果對應溫度值具有較好的線性關(guān)系。溫度值與數(shù)字量的對應關(guān)系為：溫度值=轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量/4095=轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量/4。當 為高電平時，MAX6675 開始進行新的溫度轉(zhuǎn)換。圖 35 MAX6675 與單片機的接口電路為了正確使用 MAX6675 芯片，在進行電路硬件設(shè)計時，還應該注意以下幾點： (1)MAX6675 的測量精度對電源耦合噪聲比較敏感，設(shè)計時需要在 MAX6675 的電源引腳與地線之間接一個 0．1μF 的陶瓷旁路電容，同時盡量將 MAX6675 布置在遠離其他 I/O 芯片的地方，以降低電源噪聲的影響。 (2)MAX6675 的 T端必須接地，并使接地點盡可能接近 GND 腳，否則讀出數(shù)據(jù)為無規(guī)律的亂碼。 (3)由于 MAX6675 是通過冷端補償來校正周圍溫度變化的。只有當熱電偶的冷端和芯片溫度相等時，才可獲得最佳的測量精度，所以在進行 PCB 設(shè)計時，要盡量避免在 MAX6675 附近放置易發(fā)熱元件或器件。同時，要采用大面積接地技術(shù)來降低芯片自熱引起的測量誤差，提高溫度測量精度。 (4)MAX6675 完成溫度的放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換以及 SIP 輸出等一系列過程要一個最小轉(zhuǎn)換時間，約 ～ 秒，所以一般應使系統(tǒng)的采樣周期大于 250 毫秒。 (5)盡量采用大截面積的熱電偶導線，長距離傳輸時，可采用雙絞線作為信號傳輸線。 AT89S52 單片機及其最小系統(tǒng) 單片機又稱微處理器，具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，適用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。本課題中運用單片機的目的是構(gòu)成一個具有一定判斷、運算、存儲、顯示和控制等功能的智能溫度測控儀表，單片機型號的選擇主要從有較強的抗干擾能力和較高的性價比兩方面考慮。由于 52 系列單片機在我國使用最廣，并且該系列單片機的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是美國 ATMEL 公司 2003 年推出的新一代 89S 系列單片機，其典型產(chǎn)品 AT89S52 單片機具有較高的性價比，因此本系統(tǒng)采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 8位單片機 AT89S52 作為下位機的控制器。AT89S52 單片機具有以下特性： (1)與 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容； (2)8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 FLASH 存儲器； (3)256 字節(jié)內(nèi)部 RAM； (4)1000 次擦寫周期； (5)全靜態(tài)時鐘：0HZ～33MHZ； (6)三級加密程序存儲器； (7)32 個可編程 I/O 口線； (8)3 個 16 位定時/計數(shù)器； (9)8 個中斷源； (10)全雙工 UART 串行通道； (11)雙數(shù)據(jù)指針； (12)看門狗定時器； (13)低功耗空閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒；本系統(tǒng)中 AT89S52 單片機及其最小系統(tǒng)如圖 38 所示。為了提高單片機系統(tǒng)的可靠性，在本課題采用專門的監(jiān)控芯片 MAX813L。MAX813L是一個看門狗與電源監(jiān)控芯片，在系統(tǒng)加電、掉電以及供電電壓降低情況下的復位輸出，復位脈沖寬度典型值為 200 ms，高電平有效，復位門限的典型值 。MAX813L 具有獨立的看門狗輸出，如果在 內(nèi) 6 腳沒有收到 MCU 的觸發(fā)信號，則 8 腳輸出一個低電平信號。另外MAX813L 具有電源監(jiān)控功能，內(nèi)置 門限值檢測器，用于電源故障報警。圖 36 AT89S52 單片機及其最小系統(tǒng) 圖中 MAX8l3L 的 1 腳與 8 腳相連，7 腳與單片機的 9 腳 RESET 相連，6 腳與單片機的 腳相連。在軟件設(shè)計中， 不斷