【正文】 本設(shè)計(jì)內(nèi)容安排分為5章，其各章節(jié)的內(nèi)如安排如下：第1章：引言。第2章：系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析。第3章：系統(tǒng)硬件電路的選型幾設(shè)計(jì)。第4章：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。第5章：試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析。2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析 系統(tǒng)主要工作原理通過熱電阻Pt100采集信號(hào)，經(jīng)模擬量前向通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換傳給單片機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算，然后控制繼電器輸出模塊來實(shí)現(xiàn)電加熱鍋爐升溫控制。先確定P參數(shù)，然后Ti參數(shù)，最后是Td參數(shù)，根據(jù)開環(huán)響應(yīng)結(jié)果設(shè)定積分分離帶、積分清零帶，同時(shí)可加入死區(qū)寬度；利用組態(tài)王軟件來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控，把水溫實(shí)時(shí)曲線，單片機(jī)中相應(yīng)參數(shù)顯示出來，觀察現(xiàn)象。熱電阻和熱電偶是工業(yè)過程溫度測(cè)量中最常用的溫度傳感器。常用的熱電阻有鉑電阻 (Pt100) 和銅電阻 (Cu50、Cu100 )，常用的熱電阻型號(hào)有 S、R、B 、K 、N 、E 、J、T八種。對(duì)熱電偶要采用補(bǔ)償導(dǎo)線,并考慮冷端溫度補(bǔ)償及熱電偶電壓值與被測(cè)溫度之間的非線性補(bǔ)償。Pt100是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在50 ~600℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響；數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將 Pt100的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的AD值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值；或者有MATLAB對(duì)阻值和溫度值進(jìn)行最小二乘法多項(xiàng)式擬合，%以下[2]。常用的采樣電路有兩種：一是恒流源式測(cè)溫電路，它在測(cè)量中通過施加恒定的電流將電阻值變?yōu)殡妷哼M(jìn)行測(cè)量。放大及信號(hào)調(diào)理電路中運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、放大倍數(shù)以及零點(diǎn)電壓的漂移，后級(jí)的AD 轉(zhuǎn)換器的漂移等以及電源電壓的變化等，最終對(duì)恒流源的要求將會(huì)更加苛刻。二是橋式電阻測(cè)溫電路，它簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，本次選擇該電路[3]。 (1)串口初始化通用同步/異步收發(fā)器采用一個(gè)硬件，支持兩種通用串行總線模式。我們可以根據(jù)寄存器UxCTL的SYNC位來選擇USART的工作模式，SYNC位為零時(shí)USART工作在異步模式下。串口操作的基本步驟如下：置位SWRST來復(fù)位串口（串口復(fù)位主要通過兩個(gè)操作實(shí)現(xiàn)：上電復(fù)位或置SWRST位為1）；?初始化所有的USART寄存器；?使能USART模塊；?清零SWRST位；如果需要，則使能中斷。前向模擬量采集通道的任務(wù)是把被控對(duì)象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以接受的數(shù)字量信號(hào)，來自于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器或變送器的多個(gè)模擬量信號(hào)首先需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后經(jīng)多路模擬開關(guān)，分時(shí)切換到后級(jí)進(jìn)行前置放大、采樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過接口電路以數(shù)字量信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，從而完成對(duì)過程參數(shù)的巡回檢測(cè)任務(wù)[5][6]。中斷向量寄存器TAIV用來確定哪一個(gè)產(chǎn)生了中斷請(qǐng)求，讀取該寄存器的值就可以確定發(fā)生了什么中斷。MSP430F149支持串口異步和同步通訊，每種方式都具有獨(dú)立的幀格式和獨(dú)立的控制寄存器，本設(shè)計(jì)采取異步通信，在異步模式下，接收器自身實(shí)現(xiàn)幀的同步,外部的通訊設(shè)備并不使用這一時(shí)鐘。異步幀格式由一個(gè)起始位、7或8個(gè)數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、1個(gè)地址位、1或2個(gè)停止位。PWM輸出：利用定時(shí)器自動(dòng)產(chǎn)生PWM波形輸出，本系統(tǒng)主要通過P41口輸出一PWM信號(hào)通過修改TBCCR0和TBCCR1可以改變PWM波形的頻率和占空比PID運(yùn)算：對(duì)誤差變化率進(jìn)行限制使鍋爐溫度變化不可能太大，并進(jìn)行積分限幅處理，因?yàn)殄仩t只能升溫不能降溫，所以當(dāng)前溫度值一旦超過設(shè)定值就令積分值為零，并進(jìn)行微分延遲輸出處理，啟動(dòng)定時(shí)器A中斷程序用來執(zhí)行PID控制程序，每2S進(jìn)行一次PID運(yùn)算，一個(gè)控制周期內(nèi)共計(jì)算4次，每4S進(jìn)行一次PID運(yùn)算結(jié)果輸出。：內(nèi)部DCO振蕩器和外部高速、低速晶體振蕩器；MSP430單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令，大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可以參加多種運(yùn)算；MSP430單片機(jī)都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。MSP430F149芯片管腳圖如圖2所示：圖2 MSP430F149芯片管腳圖 圖3 開關(guān)電源原理圖 開關(guān)電源模塊設(shè)計(jì)電源電路是整個(gè)系統(tǒng)中十分重要的一環(huán)，如何降低功耗成為工程師面臨的急需解決的問題。因此電源管理越發(fā)顯得重要。電源電路設(shè)計(jì)主要考慮用哪種類型的電源器件，輸入輸出電壓，輸出電流以及控制狀態(tài)。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。所以智能儀表的供電選擇開關(guān)電源來供電。所以，必須通過多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)多選一的操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)。CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動(dòng)及開關(guān)電路三部分組成。模擬量采樣通道流程圖如圖4所示：圖4 模擬量采樣通道流程圖 前置放大器前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換的的量程范圍之內(nèi)；對(duì)單純的微弱信號(hào)，可用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行單端同向放大或單端反向放大，OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器，在A/D通道中，采樣保持器的采樣和保持電平應(yīng)與后級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換相配合，該電平信號(hào)既可以由其它控制電路產(chǎn)生，也可以由A/D轉(zhuǎn)換器直接提供。 輸出驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)鍋爐的溫度控制需要PWM波控制接觸器的開斷來控制加熱，實(shí)現(xiàn)達(dá)到設(shè)定值的目的。所以用MSP430驅(qū)動(dòng)繼電器，通過控制繼電器的開關(guān)，再用繼電器控制接觸器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)溫度控制。EWARM 中包含一個(gè)全軟件的模擬程序(simulator)。從中可以了解和評(píng)估IAR EWARM 的功能和使用方法[9]。 主程序MSP430單片機(jī)內(nèi)部分三種時(shí)鐘信號(hào)即低速晶體振蕩器、高速晶體振蕩器、數(shù)字控制振蕩器，高速晶體振蕩器是用來進(jìn)行快速大量的數(shù)據(jù)計(jì)算和快速的外部時(shí)間響應(yīng)的，為滿足設(shè)計(jì)要求[11]，本設(shè)計(jì)使用高速晶體振蕩器，程序如下：BCSCTL1 amp。//打開XT2高頻晶體振蕩do{ IFG1 amp。//清除晶振失敗標(biāo)志 for (i = 0xFF。 i)。 OFIFG))。//MCLK和SMCLK選擇高頻晶振 PID算法程序本PID算法程序采用位置式控制算式，由于在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)溫度曲線波動(dòng)較大且出現(xiàn)毛刺，所以在原有的完全微分的基礎(chǔ)上改進(jìn)為不完全微分，因?yàn)橥耆⒎諴ID是一次微分作用，而不完全微分PID是分幾次輸出微分作用。假如偏差的階躍幅值較大，在完全微分時(shí)，一次輸出的微分作用幅值會(huì)很大，很可能會(huì)因輸出限幅而喪失應(yīng)有的微分作用。在開停工或大幅度升降設(shè)定值時(shí)，由于偏差累計(jì)較大，故在積分項(xiàng)的作用下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，特別是對(duì)于溫度、液面等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。//誤差變化率 Current_Error = Set_Temp Pre_Temp 。// 誤差積分Prev_Error = Last_Error。// 存儲(chǔ)誤差更新Rate = ( Current_Error Last_Error )*1000/ Ctrl_Period。if(Rate5)Rate=5。 /*比例項(xiàng)*/I_OUT = I * Gain * Sum_Error 。if( I_OUTPID_I_MIN ) I_OUT = PID_I_MIN。amp。 }if( (Current_Error = ) amp。 ( Last_Error =55)){ I_OUT=I_OUT * 。amp。 } //微分延遲輸出處理 D_OUT= ( D_OUT * Sdde_Para + D * Rate * (1Sdde_Para) )*Gain 。 if ( PID_OUT = PWM_DATA_MAX ) PID_OUT = PWM_DATA_MAX。 if( Set_Temp Pre_Temp =10) PID_OUT=16383。 while(1){ LED8_Rollback。 } } ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換程序該段程序首先完成ADC12模塊的通用程序框架，ADC12模塊的初始化函數(shù)，僅僅實(shí)現(xiàn)了多通道的單次和多次轉(zhuǎn)換，單通道的可以用參數(shù),，開始A/D轉(zhuǎn)換。這里選用的時(shí)鐘SMCLK，每次當(dāng)多個(gè)通道轉(zhuǎn)換完成后，打開中斷時(shí)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)調(diào)用本函數(shù)，使用時(shí)需要自己添加處理邏輯[12]，程序如下：char ADC12Init(char n,char channels[],char rep){ if(n15)return 0。// 開啟ad,ADC12CTL1 = SHP + ADC12SSEL_3。i n。*(char*)(ADC12MCTL0_ + i) = channels[i]。//序列結(jié)束 if(rep != 0)//多次轉(zhuǎn)換{ADC12CTL1 |= CONSEQ_3。}ADC12IE = 1(n1)。} 定時(shí)器設(shè)置程序設(shè)定定時(shí)器A控制寄存器使能中斷，設(shè)置CCR0初值,及100毫秒中斷一次，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)設(shè)置為加模式初始化定時(shí)器B，函數(shù)設(shè)置PWM中斷周期，PWM低電平時(shí)間，設(shè)置PWMIO口和PWM低電平時(shí)間。//設(shè)定定時(shí)器A控制寄存器 CCTL0=CCIE。//設(shè)置CCR0初值,及100毫秒中斷一次 TACTL|=MC0。 TBCCTL1=OUTMOD_3。//PWM中斷周期 TBCCR1=4000。//設(shè)置PWMIO口 P4SEL|=BIT1。//PWM低電平時(shí)間} 異步通訊程序異步通訊串口數(shù)據(jù)格式包括起始位、7位或8位數(shù)據(jù)、奇偶校驗(yàn)位、地址位、一位或二位停止位，每位數(shù)據(jù)的周期通過所選擇的時(shí)鐘和波特率發(fā)生器來確定，本設(shè)計(jì)采用空閑模式void UART0_Init(void){ WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD。// ,5 = USART0 TXD/RXD ME1 |= UTXE0+URXE0。// 8bit character UTCTL0 |= SSEL0。// 32k/9600 UBR10 = 0x00。// Modulation UCTL0 amp。// Initialize USART state machine IE1 |= URXIE0。 UTXIFG0))。// 發(fā)送數(shù)據(jù)}void Blank(void) { PutChar(0x20)。//發(fā)送一個(gè)回車 PutChar(0x0a)。\039。 } } 溫度擬合程序?qū)⒉杉臏囟葦?shù)值與模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行擬合和標(biāo)度變換，程序如下：float Scale_Conv( u16 Value){float Temp1=0,Temp2=0。Temp1=Value*Temp1。//當(dāng)前溫度=A*X*X+B*X+C零漂return (Temp1+Temp2+C_para+Null_shift)。上位機(jī)通信窗口如圖9所示圖9 上位機(jī)通信窗口應(yīng)用程序下載窗口如圖10所示：圖10 應(yīng)用程序下載窗口 上位機(jī)監(jiān)控畫面上位機(jī)監(jiān)控畫面如圖1113所示：圖11 上位機(jī)監(jiān)控畫面P：100 I： D： 當(dāng)前溫度： 設(shè)定溫度：圖12 上位機(jī)監(jiān)控畫面P: I: D: 當(dāng)前溫度： 設(shè)定溫度：圖13 上位機(jī)監(jiān)控畫面P: I: D: 當(dāng)前溫度： 設(shè)定溫度： 結(jié)果分析從效果可以看出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)鍋爐溫度控制，無超調(diào)，℃，通過對(duì)比可以驗(yàn)證出如果比例系數(shù)增大，則系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏響應(yīng)速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小，如果Kp偏大則導(dǎo)致調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)時(shí)，積分控制常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降Ti值太小，系統(tǒng)不穩(wěn)定，Ti值偏小，容易引起系統(tǒng)振蕩，Ti值太大，對(duì)系統(tǒng)的影響將消弱，穩(wěn)態(tài)時(shí)，積分控制可以消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)精度，但Ti值太大時(shí)，因積分控制作用的削弱，反而不能減小穩(wěn)態(tài)誤差；微分時(shí)間Td對(duì)系統(tǒng)性能的主要作用是減小超調(diào)量、縮短調(diào)節(jié)時(shí)間、允許加強(qiáng)比例控制，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度和改善動(dòng)態(tài)特性等。 在本課題的研究中，主要完成了以下工作：（1）收集資料。 （2）完成對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)之后，根據(jù)課題的要求進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，同樣也是分模塊進(jìn)行，并且最終完成了對(duì)軟硬件的設(shè)計(jì)。在完成對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)之后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)試，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)和設(shè)定溫度值，并在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，最終達(dá)到了預(yù)期的要求。float PID_OUT=0,PWM_Duty=0。float Current_Error=0, Last_Error=0。float Step=。 /*選擇系統(tǒng)主時(shí)鐘為8MHz*/ BCSCTL1 amp。//打開XT2高頻晶體振蕩器 do { IFG1 amp。//清除晶振失敗標(biāo)志 for (i = 0xFF。 i)。 OFIFG))。//MCLK和SMCLK選擇高頻晶振} void Parameter_Init(void){ Operating_Paramrter[0] = P。//I Operating_Paramrter[2] = D。//當(dāng)前溫度 Operating_Paramrter[4] = Set_Temp。//PID_OUT Operating_Paramrte