【正文】 定值開關(guān)控溫法所謂定值開關(guān)控溫法，就是通過硬件電路或軟件計(jì)算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱裝置(或冷卻裝置)進(jìn)行通斷控制。這種開關(guān)控溫方法比較簡單，在沒有計(jì)算機(jī)參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使被控對(duì)象溫度波動(dòng)較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。由于PID調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫。前者稱為模擬PID控制器，后者稱為數(shù)字PID控制器。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)PID參數(shù)(比例值、積分值、微分值)。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對(duì)象特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。并通過將智能控制與PID控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來改善控制能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。目前國內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對(duì)國外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。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(hào)氣相色譜儀的溫度控制子系統(tǒng)，其目的是對(duì)兩個(gè)溫控箱的溫度進(jìn)行恒值溫度控制?！妗? 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(duì)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)特點(diǎn)：鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應(yīng)具有的體積小、成本低、功能強(qiáng)、抗干擾并盡可能達(dá)到更高精度的要求。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。本文采用最小二乘法擬合的方法對(duì)鉑電阻的非線性進(jìn)行優(yōu)化。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)。 系統(tǒng)硬件方案分析目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路(Analog Circuit)和單片機(jī)(Microcontroller)兩種形式。它的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，對(duì)溫控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢得不到體現(xiàn)。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)。由此可見，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。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。它不僅能滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個(gè)系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡化。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。AT89C52單片機(jī)是ATMEL公司出品的與MCS51系列兼容的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)。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。與匯編語言相比，C語言具有以下的特點(diǎn)：(1)具有結(jié)構(gòu)化控制語句結(jié)構(gòu)化控制語言的顯著特點(diǎn)是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。目前，主流的CPU和常見的MCU都有C編譯器。所以，本系統(tǒng)的軟件選擇使用C語言開發(fā)。溫度控制算法方面，在對(duì)溫控箱數(shù)學(xué)模型辨識(shí)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(duì)來說算法簡單、魯棒性好和可靠性高。3 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個(gè)部分：單片機(jī)主控模塊、輸入通道、輸出通道、保護(hù)電路等。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。此數(shù)字量經(jīng)過數(shù)字濾波之后，一方面將溫控箱的溫度通過控制面板上的液晶顯示器顯示出來；另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過控制雙向可控硅控制周期內(nèi)的通斷占空比(即控制溫控箱加熱平均功率的大小)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)溫控箱溫度進(jìn)行控制的目的。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(duì)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。目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。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(jí)、軍品級(jí)還是商業(yè)級(jí)，如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)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(jí)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。 單片機(jī)介紹本系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列單片機(jī)中的AT89C52，AT89C52單片機(jī)是一種新型的低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系列和引腳完全兼容。 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。這里選擇用紫外線擦寫的64K8的EPROM 27512和靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8K8的SRAM 6264擴(kuò)展單片機(jī)的存儲(chǔ)器。由于P0口的分時(shí)復(fù)用所以需要使用地址鎖存器74HC373對(duì)低8位地址進(jìn)行鎖存。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。系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。引腳XTALl(19腳)和XTAL2(18腳)分別是此放大器的輸入端和輸出端。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。復(fù)位電路和時(shí)鐘電路如圖2所示。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。 Ptl00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)成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度也各不相同。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。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)。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。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)起來較為困難等缺點(diǎn)。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。本系統(tǒng)采用的是恒流四線制接法對(duì)Ptl 00鉑電阻進(jìn)行采樣。該電路將溫控箱的溫度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。本系統(tǒng)采用精密基準(zhǔn)電壓源LM399H產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，圖中參考電壓％EP即來自LM399H。LM399H是內(nèi)置恒溫槽高精度基準(zhǔn)電壓源。本系統(tǒng)中基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的電壓不僅提供給鉑電阻采樣電路而且還提供給A／D轉(zhuǎn)換電路使用。圖5所示為鉑電阻溫度電阻曲線。由(2)式可知，鉑電阻溫度傳感器在其測量范圍內(nèi)具有非線性，即阻值變化具有飽和特性。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(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)。表1 實(shí)際溫度、測得溫度對(duì)照表實(shí)際溫度(℃)計(jì)算溫度(℃)誤差(℃)由上表可以看到經(jīng)過最小二乘法優(yōu)化之后，(23)℃，測量精度已經(jīng)滿足系統(tǒng)的要求。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