【正文】 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 結(jié)論 本文通過(guò)對(duì)熱電偶測(cè)量溫度 的基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)原理出發(fā)，以單片機(jī)AT89S52 芯片為核心元件，設(shè)計(jì)了測(cè)溫控溫電路，討論了控溫系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及流程，在抗電磁干擾方面，也做了詳細(xì)的闡述與說(shuō)明。接著對(duì)控溫器軟件設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。若要提高精度則必然增加量化級(jí)數(shù)，從而導(dǎo)致規(guī)則搜索范圍 擴(kuò)大，降低決策速度，甚至不能實(shí)時(shí)控制； 和魯棒性問(wèn)題。 而其缺點(diǎn)是： ，這對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的。 ，使得操作人員易于使用自然語(yǔ)言自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。 其原理圖如下圖 42 所示 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 知 識(shí) 庫(kù)模 糊 化去 模 糊 化A / D模 糊 推 理D / A調(diào) 節(jié) 環(huán) 節(jié)被 控 過(guò) 程敏 感 環(huán) 節(jié)設(shè) 定 值r測(cè) 量 值 feEUu 圖 42 模糊控制系統(tǒng)原理圖 模糊控制算法具有以下優(yōu)點(diǎn)： ，特別適用于非線性、時(shí)變、模型不完全的系統(tǒng)上。近 20 多年來(lái)，模糊控制不論從理論上還是技術(shù)上都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域中一個(gè)非常活躍而又碩果累累的分支。模糊控制的一大特點(diǎn)是既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實(shí)際應(yīng)用背景。這一開(kāi)拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。 1965 年，美國(guó)的 創(chuàng)立了模糊集合論； 1973 年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理?；瑒?dòng)濾波法的公式是： Yn=Q1Xn+Q2Xn1+Q3Xn2，其中 Q1 + Q2+ Q3 =1 且 Q1 Q2 Q3。 滑動(dòng)濾波法是從一階低通濾 波法推廣過(guò)來(lái)的，原理是信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)突變，這種方法也有其局限性，所有的信號(hào)的突變都看作干擾。來(lái)自線現(xiàn)場(chǎng)的的往往是 420mA信號(hào)，它的變化一般比較緩慢，而干擾一般帶有突發(fā)性的特點(diǎn)，變化頻率較高，而低通濾波器就可以濾除這種干擾，這就是低通濾波的原理。 公式為 Yk =QXk+(1Q)Yk1 截止頻率為 f=K/2πT。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 這種方法的原理是將采集到的若干個(gè)周期的變量值進(jìn)行排序，然后取排好順序的值得中間的值，這種方法可以有效的防止受到突發(fā)性脈沖干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)入。經(jīng)典濾波器就是假定輸入信號(hào) x(n)中的有用成分 和希望濾除成分分別位于不同的頻帶，因而我們通過(guò)一個(gè)線性系統(tǒng)就可以對(duì)噪聲進(jìn)行濾除，如果噪聲和信號(hào)的頻 然后求其平均值，這種方法可以有效的消除周期性的干擾。 數(shù)字濾波 數(shù)字濾波 （ digital filtering） 是指 用數(shù)字設(shè)備，通過(guò)一定的算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將某個(gè)頻段的信號(hào)進(jìn)行濾除，得到新的信號(hào)的這一過(guò)程。 利用以下兩個(gè)公式 (1) (2) 其中 NAt、 NBt 為材料 A、 B 的自由電子密度，它們都是溫度 t 的函數(shù)。當(dāng)所測(cè)電壓量在節(jié)點(diǎn)上時(shí)，可以直接查表求出溫度值；當(dāng)電壓值在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間時(shí)，可以過(guò)這兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)做一條直線，并認(rèn)為此電壓值是直線 上某點(diǎn)的函數(shù)值，通過(guò)求解函數(shù)曲線，進(jìn)而求解溫度值。為此，本設(shè)計(jì)中采用線性插值法相結(jié)合的方法來(lái)求解溫度值。所謂查表法是指事先根據(jù)熱電偶的溫度特性， 制作相應(yīng)的溫度 — 熱電勢(shì)關(guān)系表格，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將該表格事先存入內(nèi)存中供實(shí)時(shí)查表使用。 控溫器軟件總體方案如圖 41 所示?！?作為控制器控制溫度的目標(biāo)范圍；若控溫范圍為一個(gè)溫度范圍如 45℃ ~55℃ ，則取 ~ 作為控制器控制溫度的目標(biāo)范圍。例如，若控溫范圍為某一溫度值如 50℃177?？販胤秶菧囟缺O(jiān)控必須要達(dá)到的溫度范圍。在上位機(jī)的顯示數(shù)據(jù)中亦可將超出范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的顏色標(biāo)示，以方便工作人員發(fā)現(xiàn)異常。處理后的數(shù)據(jù)在上位機(jī)軟件上顯示并存儲(chǔ)在上位機(jī)中。數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容包括數(shù)字濾波和插值法求解溫 度值。放大后的信號(hào)在 A/D 轉(zhuǎn)換芯片對(duì)模擬小信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后存入中央處理器。 軟件總體方案設(shè)計(jì) 對(duì)設(shè)備供電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置。本章將就上位機(jī)的軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 此外，本章還對(duì)電磁干擾源的分類做了簡(jiǎn)單說(shuō)明，最后討論并設(shè)計(jì)了幾種常用的抗電磁干擾的方法。 PID 算法 的程序設(shè)計(jì) PID控制程序如下 : PI： MOV A， 29H ； e(n) CLR C SUBB A， 2AH ； e(n)e(n1) MOV B， 25H ； KP LCALL MULTS ； KP [e(n)e(n1)] MOV R4， A MOV R3， B ；暫存于 R3R4 MOV A， 29H ； e(n) MOV A， 26H ； KI LCALL MULTS ； KI e(n) ADD A， R4 MOV R4， A MOV A， B ADDC A， R3 MOV R3， A ； R3R4= KP [e(n)e(n1)]+ KI e(n) RET MULTS： CLR F0 ；置 e(n)符號(hào)標(biāo)志位 正 JNB ， MUL1 SETB F0 ；置 e(n)符號(hào)標(biāo) 志位 負(fù) CPL A INC A ；取絕對(duì)值 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 MUL1： MUL AB JNB F0， MUL2 CPL A ADD A， 1 MOV R2， A MOV A， B CPL A ADDC A， 0 MOV B， A MOV A， R2 ；還原為補(bǔ)碼 MUL2： RET 本章小結(jié) 本章首先描述了控溫器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然都詳細(xì)設(shè)計(jì)了各主要部分的功能。根據(jù)輸出控制增量△ un，可求出本次控制輸出為 un= un1+ △ un= un1+ Pp+P1+PD。 PID 算法的流程圖如下圖所示 輸 入計(jì) 算 en= r ( n ) C ( n )計(jì) 算 P1= K1 en計(jì) 算 Pp =Kp( en en 1)計(jì) 算 Pp+ P1計(jì) 算 PD = KD( en 2 en 1+ en 2) )計(jì) 算 un= un 1+ Pp+ P1+ PD得 到 結(jié) 果 en 1，en 2，un 1un輸 出 限 幅 隔 離 處 理返 回 圖 313 PID 算法流程圖 計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，若采樣周期為 T， 第 n 次采樣點(diǎn)的輸入誤 差為en,且 en=r(n)C(n),輸出為 u(n)， PID 算法用的微分 de/dt 由差分 (enen1)/T 代替，積分 ∫ e(t)dt 由 ∑ etT 代替，于是得到 可以得到遞推公式： △ un = unun1=Pp+P1+PD(其中 Pp=Kp(enen1), P1= KPT/T1 en= K1 en， PD= KPTD/T(en2en1+en2)= KD(en2en1+en2)) PID 計(jì)算 △ un 只需要保留現(xiàn)時(shí)刻 en 以及以前的兩個(gè)偏差量 en1 和 en2。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很 多 ， 設(shè)計(jì) 采用 PID 歸一整定法把對(duì)控制臺(tái)三個(gè)參數(shù) (K、 T、 T )轉(zhuǎn)換為哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 一個(gè)參數(shù) ， 使問(wèn)題明顯簡(jiǎn)化 。 PID 控制就是對(duì)偏差信 號(hào)進(jìn)行 比例 ， 積分 ， 微分運(yùn)算后 ， 形成一種控制規(guī)律即控制器的輸出為 ： 或者表示為傳遞函數(shù)形式： K 為比例系數(shù) ， 為積分時(shí)間常數(shù) ， T 為微分時(shí)間常數(shù)。三極管的基極連接單片機(jī)的 P13， 當(dāng)單片機(jī)的 P13 為高點(diǎn)平時(shí) ,三極管驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作 ,當(dāng)單片機(jī) 的 Pl3 為低電平時(shí)固態(tài)繼電器關(guān)斷 ,加熱器不工作 。 PID 控制器原理框圖如下圖所示 單片機(jī)顯 示 模 塊溫 度 傳 感器按 鍵 模 塊D / AA / DP I D 電 路 放 大反 饋 電 路加 熱器 圖 311 PID 系統(tǒng)原理框圖 加熱控制電路 用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制 ， 被控對(duì)象為電爐絲 ，采用對(duì)加在電爐絲兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法進(jìn)行控制 ， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)加熱功率的調(diào)整 ， 從而達(dá)到對(duì)恒溫溫控制的目 的。 下圖是 PID 自動(dòng)控制電路 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 圖 310 PID 自動(dòng)控制電路 PID 調(diào)節(jié)的溫度控制系統(tǒng)的框圖如圖 311 所示 。 PID 電路 PID 是相當(dāng)于一個(gè)放 大倍數(shù)可自動(dòng)調(diào)節(jié) 放大器，動(dòng)態(tài)放大倍數(shù)低，而靜態(tài)時(shí)放大倍數(shù)高 。 RS485 實(shí)體圖如下圖 38 所示 圖 38 RS485 實(shí)體圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 RS485 串口通信 及外圍 電路如下圖所示。 RS485 網(wǎng)絡(luò)： RS485/MODBUS 是現(xiàn)在流行的一種布網(wǎng)方式，其特點(diǎn)是實(shí)施簡(jiǎn)單方便 ，而且現(xiàn)在支持 RS485 的儀表又特多，特別是在油品行業(yè)簡(jiǎn)直是一統(tǒng)天下，現(xiàn)在的儀表商也紛紛轉(zhuǎn)而支持 RS485/MODBUS，原因很簡(jiǎn)單，原來(lái)的 HART 儀表想買一個(gè)轉(zhuǎn)換口非常困難 而且價(jià)格昂貴，RS485 的轉(zhuǎn) 換接口就 便宜的多 而且種 類繁多。 由于 PC 機(jī)默認(rèn)的只帶有 RS232 接口，有兩種方法可以得到 PC上位機(jī) 的 RS485 電路： RS232/RS485 轉(zhuǎn)換電路將 PC 機(jī)串口 RS232 信號(hào)轉(zhuǎn)換成 RS485 信號(hào)，對(duì)于情況比較復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境最好是選用防浪涌帶隔離柵的產(chǎn)品。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。而忽略了信號(hào)地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個(gè)原因： ： RS485接口采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了。在 RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個(gè) 主機(jī) 帶多個(gè)從機(jī)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 RS485 采用差分信號(hào)負(fù)邏輯， +～ +6V 表示 “0”， 6V～ 表示 “1”。最初是數(shù)據(jù) 模擬信號(hào) 輸出簡(jiǎn)單過(guò)程量，后來(lái)儀表接口是 RS232 接口 ，這種接口可以實(shí)現(xiàn) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 的通信方式，但這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。 RS422 的實(shí)體圖如下圖 37 所示 圖 37 RS422 實(shí)體圖 智能儀表是隨著 80 年代初單片機(jī)技術(shù)的成熟而發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)在世界儀表市場(chǎng)基本被智能儀表所壟 斷。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。 RS422 需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。 RS422 的 最大傳輸距離為 4000英尺（約 1219 米），最大傳輸速率為 10Mb/s。接收器輸入阻抗為 4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力 104k+100Ω（終接電阻）。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送 驅(qū)動(dòng)器 比 RS232 更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收 節(jié)點(diǎn) ，最多可接 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 RS422 標(biāo)準(zhǔn)全稱是 “平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性 ”，它定義了接口電路的特性。傳輸距離短的另一原因是 RS232 屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問(wèn) 題 因此一般用于 20m 以內(nèi)的 通信。 RS232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有 2500pF 的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制 。 在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線