【正文】 在長春理工大學(xué)電子信息學(xué)院做論文期間，從和劉教授溝通與學(xué)習(xí) 中，我受益頗多。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 27 致 謝 首先，對我的導(dǎo)師劉智教授致以我最衷心的謝意！ 在我臨畢業(yè)期間，從方案的選取，到論文的撰寫都得到了劉教授的悉心指導(dǎo)。尤其在單片機方面的，我感覺真的是收獲甚多。同時對系統(tǒng)可靠性進行了設(shè)計，給出了一些常用的抗干擾措施。 本章小結(jié) 本章在第三章硬件基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了軟件的流程圖，并在 Keil C51 環(huán)境下用 C 語言編輯采樣、顯示、鍵盤、串口通信和模糊自適應(yīng) PID 控制算法的程序，并編譯成功，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)可模擬現(xiàn)場情況，基本實現(xiàn)了所需要的功能 。參數(shù)模糊自整定 PID 控制算法流程圖如圖 43 所示。 主控模塊 主控軟件設(shè)計主要包括微處理器的初始化、溫度數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)顯示，實際溫度與鍵盤設(shè)定值進行比較并通過模糊自整定 PID 控制算法計算輸出控制量，流程圖如圖 41 所示。其內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具，可以完成從工程建立到管理、編譯、鏈接、目標(biāo)代碼的成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發(fā)流程，尤其是 C 編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達到了較高的水平。本節(jié)主要對下位機軟件程序模塊的功能實現(xiàn)進行介紹和說明。 PCB 抗干擾設(shè)計 電路板總體布局要合理，強、弱信號，數(shù)字、模擬信號要區(qū)分布置； PCB 布線盡可能短，雙面布線時要采用垂直布線，減少寄生耦合；盡量加粗電源線和地線寬度，減少環(huán)路電阻，降低耦合噪聲；將數(shù)字地與模擬地分開布置， 最后統(tǒng)一接到電源地上；晶振與單片機引腳盡量靠近，晶振外殼接地并固定；盡可能把干擾源與敏感元件遠離，把易發(fā)熱元件置于通風(fēng)處；對于一些集成電路，在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下，閑置的管腳要接地或接電源。 隔離技術(shù) 隔離的目的是從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。為防止這些干擾，在交流電源線后依次接上交流穩(wěn)壓器，電源濾波器、三端穩(wěn)壓器 7805，最后供給系統(tǒng)。硬件抗干擾是單片機系統(tǒng)設(shè)計首選的抗干擾措施，它從防和抗兩方面入手，能把干擾消除在外圍。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 20 圖 311 輸出控制電路 串口通信電路 一般 PC 機串口為標(biāo)準(zhǔn)的 RS232C 接口，采用負(fù)邏輯，即邏輯“ 1”為－5V～ 15V，邏輯“ 0”為 +5V～ +15V，而單片機為 TTL 電平，所以需采用 MAX232 實現(xiàn) TTL 與標(biāo)準(zhǔn) RS232 接口之間的電平轉(zhuǎn)換。新型器件 M0C3061 集光電隔離、過零檢測功能于一身，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強、無噪聲等優(yōu)點，使調(diào)功電路變得非常簡練。過零觸發(fā)方式下的輸出波形仍為正弦波，其優(yōu)點是，過零觸發(fā)方式把可控硅導(dǎo)通的起始點限制在電源電壓過零點，從而大大降低了諧波分量，不會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染和干擾其它用電設(shè)備，而且電烤箱的功率愈大，優(yōu)點越突出。 圖 39 移相觸發(fā)方式的電壓波形 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 19 圖 310 過零觸發(fā)方式的電壓波形 通過比較發(fā)現(xiàn)：移相觸發(fā)方式下的輸出電壓波形正負(fù)半周對稱，但不規(guī)整，無直流分，可直接用于電感負(fù)載。目前，多數(shù)溫控儀采用可控硅來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。為此，可通過在 3 根信號線上對地接入一個 1000pF 的瓷片電容來有效地濾除因空間干擾而引起的尖脈沖。源于段驅(qū)動器的峰電流，以電流的 100 倍進入 Iset。 SEGA～ SEGF 是 7 段驅(qū)動輸出端，與 LED 對應(yīng)的 7 個段 a， b， c， d， e， f 和 g 連接， SEGDP 為小數(shù)點 dp 驅(qū)動輸出端。一般要求控制芯片使用簡單、功能多樣化、多級灰度調(diào)節(jié)、外圍電路精簡可靠、譯碼與功率驅(qū)動于一體。從理論上講，如果要很明了的顯示各種數(shù)值的話，應(yīng)該加上漢字顯示模塊，這樣更一目了然， LCD 在這方面占了很多優(yōu)勢，但 LCD 顯示器一般都有 8 根數(shù)據(jù)線和 5 根控制線，即使是串行的情況下也要占用單片機的 8 個 I/O 或 6 根線和幾個邏輯門，使用 LED 顯示器 可以很容易的解決 I/O 口的問題，而且 LED 顯示方式具有高亮度、顯示醒目、使用壽命長、方便、價格低廉等優(yōu)點，綜合考慮設(shè)計的幾個原則，本設(shè)計采用 8 位 LED 顯示，分別用于顯示設(shè)定溫度和實測溫度的百、十、個和小數(shù)位，顯示的溫度可精確到 度 。在輸入溫度時先按下功能鍵，然后輸入相應(yīng)的數(shù)字鍵，如果某一位輸入有誤，可以通過左移或右移鍵來進行個別位修改，然后按確認(rèn)鍵完成輸入。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 16 人機交互接口電路設(shè)計 鍵盤電路 鍵盤接口按不同標(biāo)準(zhǔn)可有不同分類方法，按鍵盤排布方式可分為獨立方式和行列方式；按 CPU 響應(yīng)方式可分成中斷方式和查詢方式；按讀入鍵值的方式可分為直讀方式和掃描方式；按是否進行硬件編碼可分成非編碼方式和硬件編碼方式。另外，當(dāng)電源電壓低于復(fù)位門限值 時， MAX8l3L 也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正常，可有效防止單片機因電源電壓較低時而產(chǎn)生的誤動作。 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。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 2020 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。 (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(yīng)使系統(tǒng)的采樣周期大于 250 毫秒。 (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。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(yīng)溫度值具有較好的線性關(guān)系。 斷開； D1 為 MAX6675 的標(biāo)識符，始終為 0； D0 位為三態(tài)。 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～ 度的測溫范圍，溫度分辨率為 度； (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。 因而，通常將熱電偶應(yīng)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(fù)雜、抗干擾能力差、精度低、調(diào)試?yán)щy等缺點。 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(yīng)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(yīng)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。 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(yīng)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。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 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(xué)模型的常規(guī)控制難以保證加熱要求。當(dāng)給定值為 150 時，仿真結(jié)果如圖 25 所示： 圖 25 PID 控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 可見性能指標(biāo)為 ：調(diào)節(jié)時間 ts 約為 750s，超調(diào)量σ約為 40％，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。但從另一方面來講，控制算法的簡單性和普遍適用性也反映了 PID 控制器在控制品質(zhì)上的局限性，主要體現(xiàn)在以下幾方面： （ 1） PID 控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點，閉環(huán)特性從根本上是基于 動態(tài)特性的低階近似假定的。在離散控制系統(tǒng)中， PID 控制采用差分方程表示： ? ??????? ????? ??ki dP kekeTTiTiTkKk 0 )1()()(e)(e)(u （ 28） 令 )1()()(e ???? kekek ，ip TTKK ?i ， TTKK dp?d 即有 )()()()(u 0 keKieKkeKk dkiiP ???? ?? （ 29） 其中 iK ， dK 分別為積分系數(shù)和微分系數(shù)。微分部分的作用強弱由長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 微分時間 DT 決定。 (2)積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，此時控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個常值上。 比 例 P微 分 D被 控 對 象++r （ t ）y （ t ）積 分 I 圖 23 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理圖 理想的 PID 控制器根據(jù)給定值 r (t)與實際輸出值 c (t)構(gòu)成的控制偏差 e(t） e (t)= r(t)c(t) （ 26） 將控制偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控其 連續(xù)形式為： ?????? ??? ?t Dip dt tdeTdtteTteKt 0 )()(1)()(u （ 27） 其中， e (t)為系統(tǒng)誤差， PK iT DT 分別為比例系數(shù)、積分時間和微分時間。在實驗過程中對其給定輸入 180 度 ，每 30S 采樣一次，得到實驗數(shù)據(jù)如表 21 所示： 表 21 實驗測得 的電烤箱溫度數(shù)據(jù) 將表 21 中的數(shù)據(jù)輸入 MATLAB 進行仿真得到圖 22。在獲得對象的飛升曲線后可用 CohnCoon 公式求對象參數(shù)。 電烤箱是一個具有熱容量的對象，當(dāng)系統(tǒng)上電以后，箱內(nèi)的溫度是一個隨時間逐漸上升的過程。機理建模理論上可以很精確，但實際上受客觀條件的限制很難做到，對于復(fù)雜的系統(tǒng)必須事先做許多簡化和理想化才能建立模型。 第三章：智能溫度測控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。目前國內(nèi)成熟的溫控產(chǎn)品主要以 “點位 ”控制及常規(guī)的 PID 控制為主，商品化的智能控制系統(tǒng)少，在智能控制技術(shù)研究方面投入的人力、物力還不夠。由于溫度控制涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活等眾多領(lǐng)域，智能溫度控制技術(shù)成為國內(nèi)學(xué)者研究的重要內(nèi)容，在科技刊物上發(fā)表的與智能溫度控制有關(guān)的論文也相繼增多。 20 世紀(jì) 90 年代，美國、英國相繼發(fā)表《智能控制專輯》，德國、日本等國家也連續(xù)發(fā)表多篇智能溫度控制在各個領(lǐng)域的應(yīng)用方面的論文。另一方面基于控制實驗室建設(shè)的要求，目前在國內(nèi)高校，虛擬儀器正逐步走進理工科課堂和實驗室，用虛擬 儀器技術(shù)來實現(xiàn)智能溫度測控實驗系統(tǒng)，將其用于實驗室電烤箱的溫度控制，使其達到相應(yīng)的技術(shù)要求，來滿足自動控制技術(shù)、單片機、虛擬儀器技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)等多門課程的教學(xué)與實驗，并能用作學(xué)生綜合實訓(xùn)或課程設(shè)計 ,系統(tǒng)的使用和維護費用低。同時，現(xiàn) 代控制理論的發(fā)展，人工智能技術(shù)的深入研究，也為控制系統(tǒng)的理論領(lǐng)域增加了新的內(nèi)容。上述差距，是我們必須努力克服的。顯然，傳統(tǒng)儀器已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的要求。溫度控制對于小到人民的日常生活、大到鋼鐵等大型工業(yè)生產(chǎn)工程都具有廣闊的應(yīng)用前景。通過串口通信將下位機采集的數(shù)據(jù)送至上位機 。 4．本人完全了解學(xué)校關(guān)于保存、使用畢業(yè)設(shè)計的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交論文和相關(guān)材料的印刷本和電子版本；同意學(xué)校保留畢業(yè)設(shè)計的復(fù)印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學(xué)校可以采用影印、