【文章內容簡介】 ～ 12位 A/D轉換精度，測溫分辨率可達 ℃ 。此器件具有體積小、質量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設計要求。 比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點，因此選用方案三。 DS18B20 是 Dallas 半導體公 司推出的一線總線數字化溫度傳感器件，它能在現場采集溫度數據，并將溫度數據直接轉換成數字量輸出。 DS18B20 支持 “一線總線 ”接口，測量溫度的范圍為 55176。C～ +125176。C，現場溫度直接以 “一線總線 ”的數字式傳輸，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形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達，其中 S 為符號位。數據轉換如下表 。 沈陽理工大學計算機控制系統(tǒng)課程設計論文 10 表 DS18B20 溫度數據轉換表 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 這是 12 位轉化后得到的 12 位數據，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，測到的數值需要取反加 1再乘于 即可得到實際溫度。 沈陽理工大學計算機控制系統(tǒng)課程設計論文 11 第二章 溫度控 制系統(tǒng)的硬件設計 2． 1 硬件系統(tǒng)框圖 圖 硬件系統(tǒng)設計框圖 硬件電路 圖 硬件設計電路 PC 機 鍵盤 顯示器 RS232 單片機 驅動 SSR 電阻爐 DS18B20 沈陽理工大學計算機控制系統(tǒng)課程設計論文 12 輸出通道的設計 （ 1）電阻爐的功率調節(jié)方式 電阻爐的溫度控制是通過調節(jié)電阻爐的輸入電功率來實現的。目前多數溫控儀采用晶閘管來實現功率調節(jié)。由晶閘管實現交流功率調節(jié)的途徑有兩條：一種是通過改變交流電壓每周期內電壓波形的導通角，使得負載端電壓有效值得以調節(jié)，進而實現電功率調節(jié)。由于這種調節(jié)方式下觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時刻與電壓波形的相位有關 ，因此稱為相位控制調功；另一種調節(jié)方式是電壓波形不變而只改變電壓周波在控制周期內出現的次數，這種調節(jié)方式稱為通斷控制調功。就觸發(fā)方式而言，前者為移相觸發(fā)，后者為過零觸發(fā)。兩者的電壓波形比較如圖 所示。 圖 率調節(jié)方式比較 通過比較發(fā)現：相位控制的電壓波形不 “規(guī)整 ”，但正負半周對稱，無直流成分，可沈陽理工大學計算機控制系統(tǒng)課程設計論文 13 直接用于電感負載。其最大的缺點是：大電流的切入造成對電網的沖擊，不規(guī)整的脈沖負載電流引起電網波形的畸變及對其它電設備的中頻干擾。輸出的線性范圍窄而線性度又不好，只能靠反饋來改善。通斷控制的輸出波形仍為 正弦波，其優(yōu)點是，不會對電網造成嚴重污染和干擾其它用電設備，而且電爐的功率愈大，優(yōu)點愈突出。但通斷控制也存在抗電源干擾能力弱等缺點。對于純阻性負載的電阻爐來說，溫控儀采用過零觸發(fā)方式可使電路結構簡單，軟件計算方便。因此，在本系統(tǒng)中采用通斷控制的方式來進行功率調節(jié)。 （ 2）固態(tài)繼電器及應用 固態(tài)繼電器 (Solid State Relays)，簡寫成 “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）組成的新型無觸點開關器件。與普通繼電器一樣，它的輸入側與輸出側之間是電絕緣的。但 是與普通電磁繼電器比， SSR 體積小，開關速度快，無機械觸點，因而沒有機械磨損，不怕有害氣體腐蝕，沒有機械噪聲，耐振動、耐沖擊，使用壽命長。它在通、斷時沒有火花和電弧，有利于防爆，干擾小（特別對微弱信號回路）。另外， SSR 的驅動電壓低，電流小，易于與計算機接口。因此 SSR作為自動控制的執(zhí)行部件得到越來越廣泛的應用。 SSR 按使用場合可以分成交流型和直流型兩大類。 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 構成交流 SSR 的主體。從整體上看， SSR 只有兩個輸入端 (A 和 B)及兩個輸出端 (C 和 D)，是一種四端器件。工作時只要在 A、 B 上加上一定的控制信號，就可以控制 C、 D 兩端之間的 “通 ”和 “斷 ”，實現 “開關 ”的功能，其中耦合電路的功能是為 A、 B 端輸入的控制信號提供一個輸入 /輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開 SSR 中輸入端和輸出端之間的 (電 )聯系，以防止輸出端對輸入端的影響，耦合電路用的元件是 “光耦合器 ”，它動作靈敏、響應速度高、沈陽理工大學計算機控制系統(tǒng)課程設計論文 14 輸入 /輸出端間的絕緣 (耐壓 )等級高；由于輸入端的負載是發(fā)光二極管，這使 SSR 的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用時可直接與計算機輸出接 口相接，即受 “1”與 “0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產生合乎要求的觸發(fā)信號，驅動開關電路 ④工作，但由于開關電路在不加特殊控制電路時，將產生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網，為此特設 “過零控制電路 ”。所謂 “過零 ”是指，當加入控制信號，交流電壓過零時， SSR 即為通態(tài)；而當斷開控制信號后， SSR 要等待交流電的正半周與負半周的交界點 (零電位 )時， SSR 才為斷態(tài)。這種設計能防止高次諧波的干擾和對電網的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌 (電壓 )對開關器件雙向可控硅管的沖擊和干擾 (甚至誤動作 )而設計 的，一般是用 “RC”串聯吸收電路或非線性電阻 (壓敏電阻器 )。 沈陽理工大學計算機控制系統(tǒng)課程設計論文 15 第三章 溫度控制系統(tǒng)的軟件設 計 系統(tǒng)開發(fā)工具介紹 本系統(tǒng)中單片機的開發(fā)工具采用 。標準 C 編譯器 KEIL C51,在保留匯編代碼高效、快速性的同時為 8051微控制器的軟件開發(fā)提供 C語言環(huán)境。 C51集成到 uVision2開發(fā)環(huán)境，這個環(huán)境包括：編譯器，匯編器，實時操作系統(tǒng)，調試器。 主體程序是圍繞PID 運算和 PWM 調功輸出來進行的，其中比例增益、積分增益、微分增益為節(jié)約機時從而不須經常運算，只 需在有沒定參數改動時才進行運算。 程序結構框圖 圖 程序結構圖 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 控制器和被控對象組成。 沈陽理工大學計算機控制系統(tǒng)課程設計論文 16 比例微分積分被控對象Rin(k) Yout(k)+++ 圖 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 PID 調節(jié)規(guī)律的基本輸入輸出關系可用微分方程表示為： ?????? ??? ?t DIP dt tdeTdtteTteKtu 0 )()(1)()( 式中 )(te 為調節(jié)器 的輸入誤差信號，且 )()()( tCtrte ?? 、 其中： )(tr 為給定值， )(tC 為被控變量； )(tu 為調節(jié)器的輸出控制信號； PK 為比例系數； IT 為積分時間 常數； DT 微分時間常數。 計算機只能處理數字信號，若采樣周期為 T 第 n 次采樣的輸入誤差為 ne ，且)()( nCnren ?? ，輸出為 )(nu ， PID 算法用的微分 dtde 由差分 Tee nn 1?? 代替，積分 dttet?0)(由 ?TeK 代替，于是得到 ?????? ???? ??? T eeTTTeKu nnDniInPn 101 、 寫成遞推形式為 △ 1??? nnn uuu 沈陽理工大學計算機控制系統(tǒng)課程設計論文 17 = ?????? ?????? ? ?? ?????ni nnnDni iiInnP eeeTTeeTTeeK0 21101 )2()()( = ?????? ????? ??? )2()( 211 nnnDnInnPeeeTTeTTeeK = )2()(211 ??? ????