【導讀】正逐步成為現(xiàn)實。其中以單片機為核心實現(xiàn)的數(shù)字控制器因其體積小、成本低、功能強、簡便易行而得到廣泛應用。PID溫度控制器作為一種重要的控制設備，在?；?、食品等諸多工業(yè)生產過程中得到了廣泛的應用。本文主要討論在過程控制。的接口電路設計。并且充分考慮了系統(tǒng)的可靠性，采取了相應的措施予以保證。針對控制對象的特點，在系統(tǒng)辨識的基礎上對系統(tǒng)的控制算法進行了仿真研究，最后針對溫控系統(tǒng)進行了實驗，通過對實驗

　　

【正文】 在單片機的復位引腳 RST (9 腳 ) 上保持兩個機器周期的高電平就能使 AT89C52 完全復位。復位電路的接法很多，本系統(tǒng)中采用上電復位和手動復位鍵復位相結合的方式。 圖 復位電路和時鐘電路 系統(tǒng)時鐘電路設計采用內部方式。 AT89C52 內部有一個用于構成 振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1（ 19 腳 )和 XTAL2 (18 腳 )分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。本系統(tǒng)河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 10 電路采用的晶體振蕩器頻率為 12MHz。采用這種頻率的晶體振蕩器的原因是可以方便的獲得標準的波特率。復位電路和時鐘電路如圖 。 輸入通道設計 系統(tǒng)輸入通道的作用是將溫控箱的溫度 (非電量 )通過傳感器電路轉化為電量(電壓或電流 )輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉化為電壓的 輸出。由于此時的電量 (電壓 )還是單片機所不能識別的模擬量，所以還需要進行 A/D 轉換，即將模擬的電量轉化成與之對應的數(shù)字量，提供給單片機判斷和控制。輸入通道由傳感器、 A/D 轉換等電路組成 [1]。 Pt100溫度傳感器 溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構成材料、構成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度也各不相同。因此在不同的應用場合，應選擇不同的溫度傳感器。 Pt100 型鉑電阻，在 2020C到 850℃范圍內是精度最高的溫度傳感器之一。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的 物理、化學性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。這些特點使得鉑電阻溫度傳感器具有信號強、精度高、穩(wěn)定性和復現(xiàn)性好的特點。由于在本系統(tǒng)中，測溫范圍較大 (在室溫到 6000C之間 )，且要求檢測精度高、穩(wěn)定性好，因此選用 Pt100 鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。 鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型 :標準鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。在測量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測量穩(wěn)定性和復現(xiàn)性一般不如標準鉑電阻，這主要有兩個方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴散使其純度 受到污染，從而降低了鉑電阻測溫的復現(xiàn)性能，其二是因為高溫條件下的應力退火影響了其復現(xiàn)性能。但是標準鉑電阻溫度傳感器也存在價格昂貴，維護起來較為困難等缺點?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級 Pt100 鉑電阻作為溫度傳感器。 圖 鉑電阻溫度傳感器采樣電路 河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 11 鉑電阻測溫電路的工作方式一般分為恒壓方式和恒流方式兩種。按照接線方式的不同又可以分為二線制、三線制和四線制幾種。本系統(tǒng)采用的是三線制橋式接法對 Pt100 鉑電阻進行采樣。鉑電阻溫度傳感器采樣電路如圖 所示。該電路將溫控箱的溫度轉化為電壓輸出。 測溫原理 ：電路采用 TL431和電位器 VR1調節(jié)產生 ；采用 RR VR Pt100構成測量電橋（其中 R1＝ R2， VR2為 100Ω精密電阻），當 Pt100的電阻值和 VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個 mV級的壓差信號，這個壓差信號經過運放 LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連 AD轉換芯片。差動放大電路中 R3＝ R R5＝ R放大倍數(shù)＝ R5/R3，運放采用單一 5V供電 [2]。 鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一特性進行溫度測量的，根據(jù) IEC (International Electrician Committee)標準 7511983: Rr=Ro[1+At+Bt2+C(t100)t3] (200℃ t0℃ ) 式 () Rr=Ro(1+At+Bt2) (0℃ t850℃ ) 式 () 其 中 Rr為 t℃時的電阻值， Ro為 0℃時的電阻值。 由于本系統(tǒng)中溫控箱的溫度范圍在室溫到 600℃之間，故只針對 式 ()進行討論。由 ()式可知，鉑電阻 溫度傳感器在其測量范圍內具有非線性，即阻值變化具有飽和特性。為了減少鉑電阻的飽和特性給溫度測量帶來的誤差，這里采用最小二乘法對鉑電阻的非線性進行優(yōu)化。 在 0800℃之間均勻的抽取 100 個溫度點，對應的鉑電阻阻值利用 式 ()計算出來，然后將此電阻值代入采樣電路求得電壓值，這樣就有 100 組數(shù)據(jù)點。對這 100 組溫度和電壓數(shù)據(jù)利用最小二乘法進行擬合，求出溫度與電壓關系的三次多項式為 : t = + － + 式 () 求解出測溫多項式后，在 0800℃之間隨機抽取 10 個點，對此多項式進行檢驗，其結果如表 。 由 下 表可以看到經過最小二乘法優(yōu)化之后， ()式誤差絕對值的最大值僅為℃ ，測量精度已經滿足系統(tǒng)的要求 [3]。 河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 12 表 實際溫度與測得溫度對照表 實際溫度（ 。 C） 計算溫度（ 。 C） 誤差（ 。 C） A/D轉換 在單片機控制系統(tǒng)中，控制或測量對象的有關變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。但是大多數(shù)單片機本身只能識別和處理數(shù)字量，因此必須經過模擬量到數(shù)字量的轉換 (A/D 轉換 )， 才能夠實現(xiàn)單片機對被控對象的識別和處理。完成 A/D轉換的器件即為 A/D 轉換器。 A/D 轉換器的主要性能參數(shù)有 : ① 分辨率 ： 分辨率表示 A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。 A/D 轉換器的分辨率以輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示 。 ② 轉換時間 ： 轉換時間指 A/D 轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經過的時間。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠 。 ③ 轉換誤差 ： 轉換誤差表示 A/D 轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示 。 ④ 線性度 ： 線性度指實際轉換器的轉移函數(shù)與理想直線的最大偏移。 目前有很多類型的 A/D 轉換芯片，它們在轉換速度、轉換精度、分辨率以及使用價值上都各具特色，其中大多數(shù)積分型或逐次比較型的 A/D 轉換器對于高精度測量，其轉換效果不夠理想。溫度控制中 A/D 轉換是非常重要的一個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的電路設計方法是在 A/D 轉換前增加一級高精度的測量放大器，這樣就增加了成本，電路也較為復雜。綜合考慮，本系統(tǒng)選用 AD (ANALOG DEVICES) 公司生產的 16 位 AD 轉換芯片 AD7705 作為本溫控系統(tǒng)的 A/D 轉換器。 河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 13 圖 AD7705引腳圖 AD7705 是 AD 公司生產的 16 位Σ 一△型 A/D 轉換器。它包括由緩沖器和增益可編程放大器 (PGA)組成的前端模擬調節(jié)電路、 Σ 一△調制器、可編程數(shù)字濾波器等部件組成。能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行 A/D 轉換。 AD7705 采用三線串行接口，具有兩個全差分輸入通道，能達到 %非線性的 16 位無誤碼輸出，其增益和輸出更新率均可編程設定，還可以選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準和系統(tǒng)校準方式。工作電壓 3V 或 5V，在 3V 工作電壓時，器件的最大功耗僅為1mW。 AD7705 引腳如圖 。 AD7705 引腳功能描述如下 : ① SCLK 串行時鐘，將一個外部的串行時鐘加于這一輸入端口，以訪問 AD7705的串行數(shù)據(jù)。該串行時鐘可以是連續(xù)時鐘以連續(xù)的脈沖串傳送所有數(shù)據(jù)，反之，它也可以是非連續(xù)時鐘，將信息發(fā)送給 AD7705 。 ② MCLKIN 為轉換器提供主時鐘信號，能以晶體 /諧 振器或外部時鐘的形式提供。晶體 /諧振器可以接在 MCLKIN 和 MCLKOUT 兩引腳之間，時鐘頻率的范圍為500kHz5MHz。 ③ MCLKOUT，當主時鐘為晶體 /諧振器時，晶體 /諧振器被接在 MCLKIN和 MCLKOUT之間，如果在 MCLKIN 引腳處接上一個外部時鐘， MCLKOUT 將提供一個反向時鐘 。 ④ RESET 復位輸入，低電平有效 。 ⑤ AIN1(+)差分模擬輸入通道 1的正輸入端 。 ⑥ REFIN (+)差分基準輸入的正輸入端，基準輸入是差分的，并規(guī)定 REFIN (+)必須大于 REFIN()， REFIN(+)可以取 VDD 和 GND 之間的任何值 。 ⑦ DRDY 邏輯輸出，這個輸出端上的邏輯低電平表示可以從 AD7705 的數(shù)據(jù)寄存器獲取新的輸出字。完成對一個完全的輸出字的讀操作后，該引腳立即回到高電平。當該引腳處于高電平時，不能進行讀操作，當數(shù)據(jù) 更新后，該引腳又返回低電平 。 ⑧ DOUT 串行數(shù)據(jù)輸出端，從片內的輸出移位寄存器讀出的串行數(shù)據(jù)由此端輸河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 14 出。根據(jù)通信寄存器中的寄存器選擇位，移位寄存器可以容納來自通信寄存器、時鐘寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的信息 。 ⑨ DIN 串行數(shù)據(jù)輸入端，向片內的輸入移位寄存器寫入的串行數(shù)據(jù)由此輸入。A/D轉換電路如圖 [4]。 圖 A/D轉換電路 輸出通道設計 溫控箱的功率調節(jié)方式 目前多數(shù)溫控系統(tǒng)均采用可控硅來實現(xiàn)功率調節(jié)?？煽毓璧目刂颇Ｊ接袃煞N :相位控制和零位控制 (分配式零位控制、時間比例零 位控制 )。 區(qū)別 如圖 和圖。 圖 相位控制調功電壓波形 河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 15 圖 通斷控制調功電壓波形 ① 相位控制 :作用于每一個交流正弦波，改變正弦波每個正半波和負半波的導通角來控制電壓的大小，進而可以調節(jié)輸出電壓和功率的大小。采用相位控制模式的可控硅控制器可以叫做調壓器，它可以方便的調節(jié)電壓有效值，可用于電爐溫度控制、燈光調節(jié)、異步電機降壓軟啟動和調壓調速等。 ② 零位控制 :在設定的周期 T 內，觸發(fā)信號使主回路接通幾個周波 (幾個完整的正弦波 )，再斷開幾個周波，改變可控硅在設定周期內的通斷時間比例，以 調節(jié)負載上的交流電的平均功率，即可達到調節(jié)負載功率的目的。根據(jù)輸出電壓分布的不同，零位控制又分為分配式零位控制 (在 T 周期內根據(jù)輸出百分比平均分布周波 )和時間比例零位控制 (在 T周期內根據(jù)輸出百分比連續(xù)接通幾個周波，然后在 T周期剩余的時間內連續(xù)關斷幾個周波 )。它多用于大慣性的加熱器負載，采用這種控制既實現(xiàn)了溫度控制， 又消除了相位控制時帶來的高次諧波污染電網(wǎng)。 本系統(tǒng)采用分配式零位控制的模式，控制溫控箱的加熱電阻的平均加熱功率，進而控制溫控箱的溫度 [5]。 可控硅輸出電路 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?。ㄌ貏e對微弱信號回路）。另外， SSR 的驅動電河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 16 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。交流型 SSR 的工作原理框圖如圖 2 .9 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(xiàn)“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(lián)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、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(wǎng)，為此特設