【正文】 參考文獻(xiàn)[1]陳國將．基于模糊PID控制的玻璃纖維機(jī)械溫度控制系統(tǒng)研究[D]．西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006[2]張文娜．電控空氣懸架PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D]．江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006[3]張宇．高精度恒溫箱溫度控制理論研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005[4]薛定宇．控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(第二版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2006[5]李朝青．單片機(jī)amp。因此人們在應(yīng)用PID控制的同時(shí)，也不斷地對其進(jìn)行了各種改進(jìn)。附錄中給出了延時(shí)程序的源程序，同時(shí)延時(shí)程序還作為通用功能模塊被其他模塊調(diào)用；(2)數(shù)字濾波數(shù)字濾波是將一組輸入數(shù)字序列進(jìn)行一定的運(yùn)算而轉(zhuǎn)換成另一組輸出數(shù)字序列的方法，采用軟件濾波算法不需要增加硬件設(shè)備，可靠性高，功能多樣，使用靈活，但是要占用一定的處理器運(yùn)行時(shí)間。其特點(diǎn)之一就是它的抖動(dòng)性，這是由按鍵的機(jī)械特性所決定的，抖動(dòng)的時(shí)間一般約為10ms20ms。本系統(tǒng)使用HTl621作為顯示驅(qū)動(dòng)器。(5)去極值平均濾波法既采用去極值法去掉明顯的脈沖干擾，又可對采樣值進(jìn)行平滑處理，在高、低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，它都能削弱干擾，提高數(shù)據(jù)處理能力。該算法適用于抑制隨機(jī)干擾。該算法適用于變化緩慢的物理參數(shù)的采樣過程，如濕度、液位等。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)由于數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，因而不需要增加硬件設(shè)備，而且可以多個(gè)輸入通道共用一個(gè)濾波程序；(2)由于數(shù)字濾波不需要硬件設(shè)備，因而可靠性高、穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題；(3)數(shù)字濾波可以對頻率很低(如O．01HZ)的信號實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷，而且通過改變數(shù)字濾波程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或改變?yōu)V波參數(shù)，這比改變模擬濾波器的硬件要更靈活方便。其中最重要的環(huán)節(jié)是數(shù)字濾波，所以這里主要討論系統(tǒng)采用的數(shù)字濾波程序。在附錄中給出了系統(tǒng)初始化源程序。下面就介紹本系統(tǒng)幾個(gè)主要的程序模塊。圖10 前后臺系統(tǒng) 軟件組成由于整個(gè)系統(tǒng)軟件相對比較龐大，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計(jì)。后臺也可以叫做任務(wù)級。結(jié)合上述編制系統(tǒng)軟件的基本要求，首先討論軟件的設(shè)計(jì)思想。4 軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)測控系統(tǒng)中，軟件與硬件同樣重要。要盡可能地使接地電路各自形成回路，減少電路與地線之間的電流耦合。對于本系統(tǒng)，硬件抗干擾設(shè)計(jì)具體措施有：隔離、接地、濾波等常用方法。變壓器將220V的市電降壓后再通過整流橋整流之后采用了大容量的電解電容進(jìn)行濾波，以減小輸出電壓紋波。圖9 串口通信電路其中T20UT連接上位機(jī)串口的RX端，R2IN連接上位機(jī)串口的TX端，R20UT和T2IN是TTL／CMOS發(fā)送器的輸出和輸入端，分別連接單片機(jī)的RX()和TX()端。10V電源用于RS232通信。具體任務(wù)是：(1)進(jìn)行串一并轉(zhuǎn)換；(2)控制數(shù)據(jù)傳輸速率；(3)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測；(4)進(jìn)行TTL與EIA電平轉(zhuǎn)換；(5)提供EIA—RS．232接口標(biāo)準(zhǔn)所要求的信號線。 串行通信接口電路目前，廣泛使用的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)有RS232，RS422與RS485三種。雙向可控硅相當(dāng)于兩個(gè)單向可控硅反向并聯(lián)。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。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。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(shí)鐘寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的信息；(14)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。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，能以晶體／諧振器或外部時(shí)鐘的形式提供。 AD7705采用三線串行接口，具有兩個(gè)全差分輸入通道，％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(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。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。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。但是大多數(shù)單片機(jī)本身只能識別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(A／D轉(zhuǎn)換)，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)對被控對象的識別和處理。在0800℃之間均勻的抽取100個(gè)溫度點(diǎn)，對應(yīng)的鉑電阻阻值利用(2)式計(jì)算出來，然后將此電阻值代入圖3所示采樣電路求得電壓值，這樣就有100組數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖5所示為鉑電阻溫度電阻曲線。LM399H是內(nèi)置恒溫槽高精度基準(zhǔn)電壓源。該電路將溫控箱的溫度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。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。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。Ptl00型鉑電阻，在200℃~850℃范圍內(nèi)是精度最高的溫度傳感器之一。由于此時(shí)的電量(電壓)還是單片機(jī)所不能識別的模擬量，所以還需要進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對應(yīng)的數(shù)字量，提供給單片機(jī)判斷和控制。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。系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。由于P0口的分時(shí)復(fù)用所以需要使用地址鎖存器74HC373對低8位地址進(jìn)行鎖存。 主控模塊設(shè)計(jì)主控模塊電路由AT89C52單片機(jī)、外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路組成。選擇DIP封裝在搭建實(shí)驗(yàn)電路時(shí)會(huì)更加方便一些；(5)芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級、軍品級還是商業(yè)級，如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級芯片；(6)單片機(jī)的工作電壓范圍，例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器時(shí)，使用2節(jié)干電池供電，~；(7)單片機(jī)的抗干擾性能好；(8)編程器以及仿真器的價(jià)格，單片機(jī)開發(fā)是否支持高級語言以及編程環(huán)境要好用易學(xué)；(9)供貨渠道是否暢通，價(jià)格是否低廉，是否具有良好的技術(shù)服務(wù)支持。保護(hù)電路設(shè)定溫度值溫控箱加熱部件AD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘電路可控硅溫度顯示串行通信溫度傳感器MCU圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 主控模塊器件選型及設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選用針對一定的用途，恰當(dāng)?shù)倪x擇所使用的單片機(jī)是十分重要的。由結(jié)構(gòu)框圖可見，溫度控制系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，并擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器構(gòu)成主控模塊。溫度控制算法方面，在對溫控箱數(shù)學(xué)模型辨識的基礎(chǔ)之上，結(jié)合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經(jīng)典的PID控制算法，這主要是由于PID控制相對來說算法簡單、魯棒性好和可靠性高。目前，主流的CPU和常見的MCU都有C編譯器。此外，在選取外圍擴(kuò)展芯片時(shí)，本著節(jié)約成本的原則，盡量選取典型的、易于擴(kuò)展和替換的芯片及器件。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種SOC芯片應(yīng)用到先進(jìn)的控制儀表中。單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。整個(gè)系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易于替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化打下良好基礎(chǔ)。作為與MCS51系列兼容的單片機(jī)，無論在運(yùn)算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。 系統(tǒng)性能要求及特點(diǎn)(1)系統(tǒng)性能要求：(a)可以人為方便地通過控制面板或PC機(jī)設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)將溫控箱加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制；(b)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫控箱溫度的測量并且通過控制面板上的液晶顯示實(shí)時(shí)的顯示出來；(c)具有加熱保護(hù)功能的安全性要求。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本論文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)是某型號氣相色譜儀的溫度控制子系統(tǒng)，其目的是對兩個(gè)溫控箱的溫度進(jìn)