【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 232單片機(jī)驅(qū)動(dòng) SSR電阻爐DS18B20圖 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 硬件電路圖 硬件設(shè)計(jì)電路 輸出通道的設(shè)計(jì)（1）電阻爐的功率調(diào)節(jié)方式電阻爐的溫度控制是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻爐的輸入電功率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前多數(shù)溫控儀采用晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。由晶閘管實(shí)現(xiàn)交流功率調(diào)節(jié)的途徑有兩條：一種是通過(guò)改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角，使得負(fù)載端電壓有效值得以調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電功率調(diào)節(jié)。由于這種調(diào)節(jié)方式下觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時(shí)刻與電壓波形的相位有關(guān)，因此稱(chēng)為相位控制調(diào)功；另一種調(diào)節(jié)方式是電壓波形不變而只改變電壓周波在控制周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)，這種調(diào)節(jié)方式稱(chēng)為通斷控制調(diào)功。就觸發(fā)方式而言，前者為移相觸發(fā)，后者為過(guò)零觸發(fā)。兩者的電壓波形比較如圖 所示。圖 率調(diào)節(jié)方式比較通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：相位控制的電壓波形不“規(guī)整” ，但正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，無(wú)直流成分，可直接用于電感負(fù)載。其最大的缺點(diǎn)是：大電流的切入造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊，不規(guī)整的脈沖負(fù)載電流引起電網(wǎng)波形的畸變及對(duì)其它電設(shè)備的中頻干擾。輸出的線性范圍窄而線性度又不好，只能靠反饋來(lái)改善。通斷控制的輸出波形仍為正弦波，其優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染和干擾其它用電設(shè)備，而且電爐的功率愈大，優(yōu)點(diǎn)愈突出。但通斷控制也存在抗電源干擾能力弱等缺點(diǎn)。對(duì)于純阻性負(fù)載的電阻爐來(lái)說(shuō)，溫控儀采用過(guò)零觸發(fā)方式可使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件計(jì)算方便。因此，在本系統(tǒng)中采用通斷控制的方式來(lái)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。（2）固態(tài)繼電器及應(yīng)用 固態(tài)繼電器(Solid State Relays)，簡(jiǎn)寫(xiě)成“SSR”，是一種全部由固態(tài)電子元件（如光電耦合器、晶體管、可控硅、電阻、電容等）組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件。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。但是與普通電磁繼電器比，SSR體積小，開(kāi)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)。它在通、斷時(shí)沒(méi)有火花和電弧，有利于防爆，干擾小（特別對(duì)微弱信號(hào)回路） 。另外，SSR 的驅(qū)動(dòng)電壓低，電流小，易于與計(jì)算機(jī)接口。因此 SSR 作為自動(dòng)控制的執(zhí)行部件得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。SSR 按使用場(chǎng)合可以分成交流型和直流型兩大類(lèi)。圖 交流 SSR 工作原理框圖交流型 SSR 的工作原理框圖如圖 所示，圖中的部件① ~④構(gòu)成交流 SSR 的主體。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。工作時(shí)只要在 A、B 上加上一定的控制信號(hào)，就可以控制 C、D 兩端之間的“通” 和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開(kāi)關(guān) ”的功能，其中耦合電路的功能是為 A、B 端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)輸入/ 輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開(kāi) SSR 中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系，以防止輸出端對(duì)輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器” ，它動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級(jí)高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使SSR 的輸入端很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用時(shí)可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路④ 工作，但由于開(kāi)關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過(guò)零控制電路 ”。所謂“過(guò)零”是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過(guò)零時(shí)，SSR 即為通態(tài)；而當(dāng)斷開(kāi)控制信號(hào)后，SSR 要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時(shí)，SSR 才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來(lái)的尖峰、浪涌(電壓)對(duì)開(kāi)關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動(dòng)作)而設(shè)計(jì)的，一般是用“RC”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器) 。第三章 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具介紹本系統(tǒng)中單片機(jī)的開(kāi)發(fā)工具采用 。標(biāo)準(zhǔn) C 編譯器 KEIL C51,在保留匯編代碼高效、快速性的同時(shí)為 8051 微控制器的軟件開(kāi)發(fā)提供 C 語(yǔ)言環(huán)境。C51 集成到uVision2 開(kāi)發(fā)環(huán)境，這個(gè)環(huán)境包括：編譯器，匯編器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，調(diào)試器。主體程序是圍繞 PID 運(yùn)算和 PWM 調(diào)功輸出來(lái)進(jìn)行的，其中比例增益、積分增益、微分增益為節(jié)約機(jī)時(shí)從而不須經(jīng)常運(yùn)算，只需在有沒(méi)定參數(shù)改動(dòng)時(shí)才進(jìn)行運(yùn)算。 程序結(jié)構(gòu)框圖圖 程序結(jié)構(gòu)圖 PID 算法在控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制。PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖32 所示。系統(tǒng)由 PID 控制器和被控對(duì)象組成。 比 例微 分積 分 被 控 對(duì) 象Rin(k) Yout(k)+ +圖 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的基本輸入輸出關(guān)系可用微分方程表示為： ?????????tDIPdteTetKtu0)()(1)()(式中 為調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào)，且te 、)()(tCrte??其中： 為給定值， 為被控變量；)(tr)(tC 為調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)；u 為比例系數(shù)；PK 為積分時(shí)間常數(shù)；IT 微分時(shí)間常數(shù)。D計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，若采樣周期為 T 第 n 次采樣的輸入誤差為 ，且ne，輸出為 ，PID 算法用的微分 由差分 代替，積分)(nCren?)(nudteTn1?由 代替，于是得到dtt?0)(?TeK 、??????????TeunDniIPn 101寫(xiě)成遞推形式為△ 1?nnu　　　= ?????? ??????? ?ni nnDiInP eeTeTeK0 2111 )()()( = ?????)2()( 211 nnDnIn = )()( 211 ?? ??nnPnIPnP eeTKeeK = 2211 ?nnDnIn = DIP?其中： )(1??neK IIPIT )2()2( 2121 ?????? nnDnnDP eeKeeTK 顯然，PID 計(jì)算△ 只需要保留現(xiàn)時(shí)刻 以及以前的兩個(gè)偏差量 和 。nun 1?ne2初始化程序初值 通過(guò)采樣并根據(jù)參數(shù) 、 、 以及 、 和021??nePDIK計(jì)算△ 。2?neu 根據(jù)輸出控制增量△ ，可求出本次控制輸出為nu +△ = 1??n DIP??1 由于電阻爐一般是屬于一階對(duì)象和滯后的一階對(duì)象，所以式中 、 、PKD的選擇取決于電阻爐的階躍響應(yīng)曲線和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，工程上已經(jīng)積累了不少行之的參IK數(shù)整定方法。本設(shè)計(jì)采用 ZieglerNichols 提出的 PID 歸一調(diào)整法，調(diào)整參數(shù)，主要是為了減少在線整定參數(shù)的數(shù)目，常常人為假定約束條件，以減少獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)，令： ? I5 UD2.式中 稱(chēng)為臨界周期。在單純比例作用下（比例增益由小到大） ，是系統(tǒng)產(chǎn)生等幅UT振蕩的比例增益 ，這時(shí)的工作周期為臨界周期 ，則可以得到KUT△ =nu? ?)2()( 211 ?? ??nnnnP eee = PPK= )()( 211 ?? nnDnInP eeeK式中 = ， = [8] IPP從而可以調(diào)節(jié)的參數(shù)只有一個(gè)?？稍O(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)整子程序，通過(guò)鍵盤(pán)輸入改變 值，PK改變運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)滿(mǎn)足要求。下面對(duì) PID 運(yùn)算加以說(shuō)明： 所有的數(shù)都變成定點(diǎn)純小數(shù)進(jìn)行處理。 算式中的各項(xiàng)有正有負(fù)，以最高位作為符號(hào)位，最高位為 0 表示為正數(shù)，為 1 表示負(fù)數(shù)。正負(fù)數(shù)都是補(bǔ)碼表示，最后的計(jì)算以原碼輸出。 雙精度運(yùn)算，為了保證運(yùn)算精度，把單字節(jié) 8 位輸入采樣值 和給定值nC都變成雙字節(jié) 16 位進(jìn)行計(jì)算，最后將運(yùn)算結(jié)果取成高 8 位有效值輸出。nr 輸出控制量 的限幅處理。為了便于實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的通斷處理，PID 的輸nu出現(xiàn)在在 0～250 之間。大于 250 或小于 0 的控制量 都是沒(méi)有意義的，因在算法nu上對(duì) 進(jìn)行限幅，即nu = nu???????maxmaxinii uPID 的計(jì)算公式采用位置式算法，計(jì)算公式為+1??nu )2()( 211 ?? ??nnDnInP eeKeK = DI?PID 計(jì)算的程序流程圖圖 所指示。表 參數(shù)內(nèi)存分配表存儲(chǔ)單元符號(hào)說(shuō)明存儲(chǔ)單元符號(hào)說(shuō)明3FH nHu高 8 位n38H DLK低 8 位I30H nL低 8 位nu39H nHe高 8 位n31H nHr給定值高 8位3AH nLe低 8 位n32H nLr給定值低 8位3BH Hn1?高 81?ne位33H PHK高 8 位P3CH Lne1?低 81?n位34H PL低 8 位P3DH Hn2?高 82?n位35H IHK高 8 位D32EH Lne2?低 82?n位36H IL低 8 位D3FH IHP高 8 位I37H DHK高 8 位I 40H IL低 8 位I3．4 程序設(shè)計(jì)include include