【正文】 制品質(zhì)的好壞主要取決于三個 PID 參數(shù)（即比例值、積分值、微分值）。 國內(nèi)外實例 甘肅大學(xué)的趙紫靜研究了一種基于 PID 溫度控制技術(shù)的 X 射線發(fā)生器。 ℃左右，才能保證器件輸出的 X射線波長不發(fā)生超出要求的飄移，否則， X 射線波長的超范圍飄移將使整個設(shè)備難 以正常使用。海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實驗部的哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 李建海等設(shè)計了一種上位機監(jiān)控采用組態(tài)軟件，下位機采用西門子 PLC 的電路智能溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能控制、多控制功能為一體的綜合控制系統(tǒng)。 英國的 Hamid 等將 PID 控制器應(yīng)用到冰箱的溫度控制中，通過使用MATLAB/Simulink 軟件仿真和誤差分析圖的方式與傳統(tǒng)的 ONOFF 控制做了細(xì)致的比較。 日本 Komatsu Electronics 公司的 Kazuhiro Mimura 對基于 PID 控制與現(xiàn)代控制理論相結(jié)合的離子化熱水器溫度控制開展了研究，結(jié)果證 明這樣的溫度控制方法能夠使用比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)更的溫度傳感器，進(jìn)而降低成本，提高了公司效益。具體研究內(nèi)容如下： 第一章簡要說明了本課題的研究背景，以及在熱電偶測溫領(lǐng)域國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。 第三章 描述了控溫器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)說明了各主要部分的功能。本章還進(jìn)行了熱電偶控溫器電磁兼容性哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)計。構(gòu)建了熱電偶控溫器的測溫，控溫的總體軟件設(shè)計方案。 熱電偶傳感器分類 熱電偶（ thermocouple）是 溫度測量儀表 中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱 電偶 測溫 的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢 ——熱電動勢，這就是所謂的 塞貝克效應(yīng) (Seebeck effect）。 根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表； 分度表 是自由端溫 度 在 0℃ 時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。 圖 21 熱電偶實體圖 熱電偶同時又分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指在使用哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，它一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊的場合的測量。其中 S、 R、 B 屬于貴金屬熱電偶， N、 K、 E、 J、 T 屬于廉金屬熱電偶。 K 型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從0℃到 1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度， 考慮到 本設(shè)計的控溫范圍是 0℃到 500℃，并且 K 型熱電偶具有以下優(yōu)點 ： (1)高溫廉金屬熱電偶，價格便宜，使用廣泛，年產(chǎn)量幾乎占全部金屬熱電偶的一半 ； (2)復(fù)現(xiàn)性好，熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性； (3)熱電勢大，熱電勢率高， (4)抗氧化性能較好，可在氧化性氣氛及空氣中長期使用 ； (5)產(chǎn)生的熱電勢較大，約為 41uV/℃，因而測溫精度相對較高。 K 型熱電偶偶絲為鎳鉻 鎳硅，型號為 wrn，分度號為 K，基本誤差限為 ％ t（ t 是感溫元件實測溫度值） 。 兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，而這種電動勢稱為熱電勢。 熱電偶實際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個問題： 一是 熱電偶的熱電勢是熱電偶 工作端的兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函數(shù)； 二是 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時 ， 與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 兩端的溫差有關(guān) 。 熱電偶測溫基本原理 將兩種不同材料 (但符合一定要求 )的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A 和 B 的任意一端焊接在一起就構(gòu)成了熱電偶。當(dāng)兩端溫度不同時就會有熱電勢產(chǎn)生，它是測量溫度的感溫元件，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號再由儀表顯示出來。熱電偶測溫原理圖如下圖 22 所示。對應(yīng)一定材質(zhì) ,其兩端的 溫度與熱電勢間有固定的函數(shù)關(guān)系 ,利用這個關(guān)系就可以測出溫度值來。 熱電偶的冷端補償 由于熱電偶的材料一般都比較貴重 (特別是采用貴金屬時 ),而測溫點到儀表的距離都很遠(yuǎn) ,為了節(jié)省熱電偶材料 ,降低成本 ,通常采用補償導(dǎo)線把熱電偶的冷端 (自由端 )延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi) ,連接到儀表端子上。電橋的三個橋臂為三個標(biāo)準(zhǔn)電阻，另 外一個橋臂是由（銅）熱電阻組成。這就是熱電偶的電橋冷端補償原理。測量范圍廣 ,常用的熱電偶從 50~+1600℃ 均可連續(xù)測量 ,某些特殊熱電偶最低可測到 269℃ (如金鐵鎳鉻 ）， 最高可達(dá) +2800℃ (如鎢 錸 )。熱電偶測溫的缺點是 :熱電偶損耗比較大 ,增大了維護量 ,備件費用消耗大；熱響應(yīng)有一定滯后。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 第 3章 熱電偶溫度控制系 統(tǒng)的硬件設(shè)計 上一章對熱電偶的分類，測量基本原理及冷端補償方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述，本章則對熱電偶溫度控制系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行詳細(xì)闡述與設(shè)計。熱電偶將電壓信號經(jīng)信號補償與放大電路放大后，通過多路選擇器選通其中一路進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存入AT89S52 單片機，然后多路選擇器選通下一路并對下一路信號進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 上位機在得出 測量溫度值并對溫度值進(jìn)行判定：若溫度值高于限定溫度值，則發(fā)送指令，使加熱器控制電路開啟加熱器；若溫度值低于限定溫度值，則發(fā)送指令，使制冷電路開啟液氮回路。下面分別對這些電路進(jìn)行描述和設(shè)計。 圖 31 熱電偶控溫器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的信號選通及 A/D 轉(zhuǎn)換 電路 熱電偶測溫，控溫電路一般是多通道的，不可能對每一路分別處理顯 AT89S 52 上位機 A/D 轉(zhuǎn)換器 液氮回路 電源電路 選通電路 加熱控制 加熱器 制冷控制 熱 電偶 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 示。在此設(shè)計中，采用HI546選通芯片來實現(xiàn)多路熱電偶信號的選通，其選通電路如下圖 32所示 C J K 1C J K 2C J K 3C J K 4C J K 5C J K 6C J K 7C J K 8C J K 9C J K 1 0C J K 1 1C J K 1 2R 9R 1 0R 1 1R 1 2R 1 3R 1 4R 1 5R 1 6R 1 7R 1 8R 1 9R 2 0R 2 1R 2 2R 2 3R 2 41 91 81 71 61 51 41 31 21 11 0987654I N 1I N 2I N 3I N 4I N 5I N 6I N 7I N 8I N 9I N 1 0I N 1 1I N 1 2I N 1 3I N 1 4I N 1 5I N 1 6O U TA 3A 2A 1A 0E NV R F FG N D V+ VI N 1 212 71 2 R 2 71 31 8+ 5 V+ 1 2 VR 2 5R 2 6C 6C 72 81 41 51 61 7P 3P 2P 1P 0 圖 32 信號選通電路 HI546 為 16 路多路模擬信號選通芯片，通過使能信號 Enable 和地址信號 A A A A0 來控制多路信號的選擇。這樣， A A A A0 的組合即可實現(xiàn) 16 路信號中任一信號到達(dá)芯片輸出端，從而實現(xiàn)了多路信號的單路選通。剩余的 4 路，為了防止輸入 端引腳懸空引起的不確定因素，故將未用的 4 路輸入端做接地處理。 表 31 HI546 真值表 A3 A2 A1 A0 EN “ ON ”CHANNEL X X X X L NONE 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 L L L L H 1 L L L H H 2 L L H L H 3 L L H H H 4 L H L H H 5 L H H L H 6 L H L L H 7 L H H H H 8 H L L L H 9 H L L H H 10 H L H L H 11 H L H H H 12 H H L L H 13 H H L H H 14 H H H L H 15 H H H H H 16 單片機以及上位機處理的信息必須為數(shù)字量，但是熱電勢信號為連續(xù)變化的模擬信號，因此必須對模擬信號進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 AD 工作所需的時鐘， ， DRDY,AT89S52可以通過查詢 是否可以讀取 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果， A/D 接口電路 如下圖 33所示 S C L KM C L K I NM C L K O U TC SR E S E TA V D DA i n ( + )A i n ( )D G N DD V D DD I ND O U TD R D YA G N DR e f i n ( )R e f i n ( + )N C+ V i nT E M PG N DN C / G N DN CV o u tT R I MC 31 5 p FC 41 5 p FY 11 . 0 0 0 M H ZC 20 . 0 1 u FR 61 0 0 KA DA G N DP 1 . 2P 1 . 6P 1 . 3D V + 5 VA V + 5 V0 . 1 u FC 8U 4A D 7 8 0A D 7 7 1 5U 2123456781 61 51 41 31 21 11 0912348765P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 7D G N DD V + 5 V 圖 33 A/D 轉(zhuǎn)換電路 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 單片機 信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后由溫度傳感器采集得到的溫度信號被送至中央處理器單片機中。在本設(shè)計中我們采用 AT89S52芯片。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 1235467891 01 11 21 31 41 61 71 81 92 01 54 03 93 83 63 73 53 43 33 23 13 02 92 82 72 52 42 32 22 12 6 ( T 2 ) P 1 . 0( T 2 E X ) P 1 . 1P 1 . 2( M I S O ) P 1 . 6( M O S I ) P 1 . 5P 1 . 4P 1 . 3R S TG N D( T 2 E X ) P 3 . 7X T A L 1( R D ) P 3 . 6( W R ) P 3 . 5( T 1 ) P 3 . 4( T 0 ) P 3 . 3( I N T 0 ) P 3 . 2( T X D ) P 3 . 1( R X D ) P 3 . 0( S C K ) P 1 . 7X T A L 2V C CP 2 . 0 ( A 8 )P 2 . 1 ( A 9 )P 2 . 2 ( A 1 0 )P 2 . 3 ( A 1 1 )P 2 . 4 ( A 1 2 )P 2 . 5 ( A 1 3 )P 2 . 6 ( A 1 4 )P 2 . 7 ( A 1 5 )P S E NA L E / P R O GE A N P PP 0 . 7 ( A D 7 )P 0 . 6 ( A D 6 )P 0 . 5 ( A D 5 )P 0 . 4 ( A D 4 )P 0 . 3 ( A D 3 )P 0 . 2 ( A D 2 )P 0 . 1 ( A D 1 )P 0 . 0 ( A D 0 ) 圖 34 AT89S52 引腳圖 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 :8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32