【導(dǎo)讀】正逐步成為現(xiàn)實(shí)。其中以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器因其體積小、成本低、功能強(qiáng)、簡(jiǎn)便易行而得到廣泛應(yīng)用。PID溫度控制器作為一種重要的控制設(shè)備，在?；ぁ⑹称返戎T多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要討論在過(guò)程控制。的接口電路設(shè)計(jì)。并且充分考慮了系統(tǒng)的可靠性，采取了相應(yīng)的措施予以保證。針對(duì)控制對(duì)象的特點(diǎn)，在系統(tǒng)辨識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行了仿真研究，最后針對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)

　　

【正文】 在單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST (9 腳 ) 上保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就能使 AT89C52 完全復(fù)位。復(fù)位電路的接法很多，本系統(tǒng)中采用上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位鍵復(fù)位相結(jié)合的方式。 圖 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路 系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。 AT89C52 內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)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(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容構(gòu)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(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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(biāo)準(zhǔn)的波特率。復(fù)位電路和時(shí)鐘電路如圖 。 輸入通道設(shè)計(jì) 系統(tǒng)輸入通道的作用是將溫控箱的溫度 (非電量 )通過(guò)傳感器電路轉(zhuǎn)化為電量(電壓或電流 )輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉(zhuǎn)化為電壓的 輸出。由于此時(shí)的電量 (電壓 )還是單片機(jī)所不能識(shí)別的模擬量，所以還需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，提供給單片機(jī)判斷和控制。輸入通道由傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)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(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測(cè)溫原理的不同，使得其測(cè)量溫度的范圍、測(cè)量精度也各不相同。因此在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)選擇不同的溫度傳感器。 Pt100 型鉑電阻，在 2020C到 850℃范圍內(nèi)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(xué)性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強(qiáng)，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。這些特點(diǎn)使得鉑電阻溫度傳感器具有信號(hào)強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好的特點(diǎn)。由于在本系統(tǒng)中，測(cè)溫范圍較大 (在室溫到 6000C之間 )，且要求檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。在測(cè)量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測(cè)量穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性一般不如標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，這主要有兩個(gè)方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴(kuò)散使其純度 受到污染，從而降低了鉑電阻測(cè)溫的復(fù)現(xiàn)性能，其二是因?yàn)楦邷貤l件下的應(yīng)力退火影響了其復(fù)現(xiàn)性能。但是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器也存在價(jià)格昂貴，維護(hù)起來(lái)較為困難等缺點(diǎn)?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級(jí) 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(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 鉑電阻測(cè)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(duì) Pt100 鉑電阻進(jìn)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(zhuǎn)化為電壓輸出。 測(cè)溫原理 ：電路采用 TL431和電位器 VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生 ；采用 RR VR Pt100構(gòu)成測(cè)量電橋（其中 R1＝ R2， VR2為 100Ω精密電阻），當(dāng) Pt100的電阻值和 VR2的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè) mV級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放 LM324放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連 AD轉(zhuǎn)換芯片。差動(dòng)放大電路中 R3＝ R R5＝ R放大倍數(shù)＝ R5/R3，運(yùn)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(jìn)行溫度測(cè)量的，根據(jù) IEC (International Electrician Committee)標(biāo)準(zhǔn) 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(shí)的電阻值， Ro為 0℃時(shí)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(duì) 式 ()進(jìn)行討論。由 ()式可知，鉑電阻 溫度傳感器在其測(cè)量范圍內(nèi)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(cè)量帶來(lái)的誤差，這里采用最小二乘法對(duì)鉑電阻的非線性進(jìn)行優(yōu)化。 在 0800℃之間均勻的抽取 100 個(gè)溫度點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的鉑電阻阻值利用 式 ()計(jì)算出來(lái)，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(diǎn)。對(duì)這 100 組溫度和電壓數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行擬合，求出溫度與電壓關(guān)系的三次多項(xiàng)式為 : t = + － + 式 () 求解出測(cè)溫多項(xiàng)式后，在 0800℃之間隨機(jī)抽取 10 個(gè)點(diǎn)，對(duì)此多項(xiàng)式進(jìn)行檢驗(yàn)，其結(jié)果如表 。 由 下 表可以看到經(jīng)過(guò)最小二乘法優(yōu)化之后， ()式誤差絕對(duì)值的最大值僅為℃ ，測(cè)量精度已經(jīng)滿足系統(tǒng)的要求 [3]。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 12 表 實(shí)際溫度與測(cè)得溫度對(duì)照表 實(shí)際溫度（ 。 C） 計(jì)算溫度（ 。 C） 誤差（ 。 C） A/D轉(zhuǎn)換 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，控制或測(cè)量對(duì)象的有關(guān)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(jī)本身只能識(shí)別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過(guò)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 (A/D 轉(zhuǎn)換 )， 才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象的識(shí)別和處理。完成 A/D轉(zhuǎn)換的器件即為 A/D 轉(zhuǎn)換器。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有 : ① 分辨率 ： 分辨率表示 A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示 。 ② 轉(zhuǎn)換時(shí)間 ： 轉(zhuǎn)換時(shí)間指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn) 。 ③ 轉(zhuǎn)換誤差 ： 轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)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(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片，它們?cè)谵D(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率以及使用價(jià)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(zhuǎn)換器對(duì)于高精度測(cè)量，其轉(zhuǎn)換效果不夠理想。溫度控制中 A/D 轉(zhuǎn)換是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法是在 A/D 轉(zhuǎn)換前增加一級(jí)高精度的測(cè)量放大器，這樣就增加了成本，電路也較為復(fù)雜。綜合考慮，本系統(tǒng)選用 AD (ANALOG DEVICES) 公司生產(chǎn)的 16 位 AD 轉(zhuǎn)換芯片 AD7705 作為本溫控系統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 圖 AD7705引腳圖 AD7705 是 AD 公司生產(chǎn)的 16 位Σ 一△型 A/D 轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)電路、 Σ 一△調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器等部件組成。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 AD7705 采用三線串行接口，具有兩個(gè)全差分輸入通道，能達(dá)到 %非線性的 16 位無(wú)誤碼輸出，其增益和輸出更新率均可編程設(shè)定，還可以選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。工作電壓 3V 或 5V，在 3V 工作電壓時(shí)，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(shí)鐘，將一個(gè)外部的串行時(shí)鐘加于這一輸入端口，以訪問(wèn) AD7705的串行數(shù)據(jù)。該串行時(shí)鐘可以是連續(xù)時(shí)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(shí)鐘，將信息發(fā)送給 AD7705 。 ② MCLKIN 為轉(zhuǎn)換器提供主時(shí)鐘信號(hào)，能以晶體 /諧 振器或外部時(shí)鐘的形式提供。晶體 /諧振器可以接在 MCLKIN 和 MCLKOUT 兩引腳之間，時(shí)鐘頻率的范圍為500kHz5MHz。 ③ MCLKOUT，當(dāng)主時(shí)鐘為晶體 /諧振器時(shí)，晶體 /諧振器被接在 MCLKIN和 MCLKOUT之間，如果在 MCLKIN 引腳處接上一個(gè)外部時(shí)鐘， MCLKOUT 將提供一個(gè)反向時(shí)鐘 。 ④ RESET 復(fù)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(zhǔn)輸入的正輸入端，基準(zhǔn)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(gè)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(duì)一個(gè)完全的輸出字的讀操作后，該引腳立即回到高電平。當(dāng)該引腳處于高電平時(shí)，不能進(jìn)行讀操作，當(dāng)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(nèi)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(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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(lái)自通信寄存器、時(shí)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(nèi)的輸入移位寄存器寫入的串行數(shù)據(jù)由此輸入。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖 [4]。 圖 A/D轉(zhuǎn)換電路 輸出通道設(shè)計(jì) 溫控箱的功率調(diào)節(jié)方式 目前多數(shù)溫控系統(tǒng)均采用可控硅來(lái)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)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(shí)間比例零 位控制 )。 區(qū)別 如圖 和圖。 圖 相位控制調(diào)功電壓波形 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 15 圖 通斷控制調(diào)功電壓波形 ① 相位控制 :作用于每一個(gè)交流正弦波，改變正弦波每個(gè)正半波和負(fù)半波的導(dǎo)通角來(lái)控制電壓的大小，進(jìn)而可以調(diào)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(diào)壓器，它可以方便的調(diào)節(jié)電壓有效值，可用于電爐溫度控制、燈光調(diào)節(jié)、異步電機(jī)降壓軟啟動(dòng)和調(diào)壓調(diào)速等。 ② 零位控制 :在設(shè)定的周期 T 內(nèi)，觸發(fā)信號(hào)使主回路接通幾個(gè)周波 (幾個(gè)完整的正弦波 )，再斷開幾個(gè)周波，改變可控硅在設(shè)定周期內(nèi)的通斷時(shí)間比例，以 調(diào)節(jié)負(fù)載上的交流電的平均功率，即可達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)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(nèi)根據(jù)輸出百分比平均分布周波 )和時(shí)間比例零位控制 (在 T周期內(nèi)根據(jù)輸出百分比連續(xù)接通幾個(gè)周波，然后在 T周期剩余的時(shí)間內(nèi)連續(xù)關(guān)斷幾個(gè)周波 )。它多用于大慣性的加熱器負(fù)載，采用這種控制既實(shí)現(xiàn)了溫度控制， 又消除了相位控制時(shí)帶來(lái)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(jìn)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(jiǎn)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(wú)觸點(diǎn)開關(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?。ㄌ貏e對(duì)微弱信號(hào)回路）。另外， SSR 的驅(qū)動(dòng)電河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 16 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。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(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 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)開關(guān)電路④工作，但由于開關(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)