【正文】 數也必須相應地跟著改變，否則其控制品質就難以得到保證。并通過將智能控制與 PID 控制相結合，從而實現溫度的智能控制。其中應用較多的有模糊控制、神經網絡控制以及專家系統(tǒng)等。目前已出現一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經驗來改善 控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。 目前國內溫控儀表的發(fā)展，相對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，具體表現為國內溫控儀在全量程范圍內溫度控制精度比較低，自適應性較差。 系統(tǒng)總體設計方案 本論文所討論的 基于 PID 控制的溫度控制系統(tǒng) 是 對被控對象 溫度進行恒值溫度控制 ，以溫控 箱為例 。下面討論系統(tǒng)的總體設計方案，包括 :系統(tǒng)的性能要求及特點以及系統(tǒng)的軟、硬件方案分析。 2)能夠實現對溫控箱溫度的測量并且通過控制面板上的 數碼管 顯示出來 。如果實際測得的溫控箱溫度值超過了 系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護電路就會做出反應，從而對溫控箱實現超溫保護 。 5)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障 。 河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 緒論 4 ② 系統(tǒng)特點 : 鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應具有的體積小、成本低、功能強、抗干擾并盡可能達到更高精度的要求。作為與 MCS51系列兼容的單片機，無論在運算速度，還是在內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鉑電阻的非線性進行優(yōu)化。 整個系統(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、標準化和模塊化打下良好基礎。 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(Microcontroller)兩種形式。它的最大優(yōu)點是系統(tǒng)響應速度快，能實現對系統(tǒng)的實時控制。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個相對緩慢的過程，對溫控系統(tǒng)的實時性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢得不到體現。 單片機是大規(guī)模集成電路技術發(fā)展的產物，屬于第四代電子計算機。由此可見，采用單片機設計控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結構，而且控制算法由軟件實現，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。一些廠家根據系統(tǒng)功能的復雜程度，將這種 SOC 芯河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 緒論 5 片應用到先進的控制儀表中。它不僅能滿足復雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個 系統(tǒng)的電路緊湊 ,硬件結構簡化。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應用單片機 實現溫度控制系統(tǒng)是比較經濟實用的。 AT89C52單片機是 ATMEL 公司生產 的與 MCS51 系列兼容的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機。此外，在選取外圍擴展芯片時，本著節(jié)約成本的原則，盡量選取典型的、易于擴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 : ① 具有結構 化控制語句 結構化控制語言的顯著特點是代碼和數據的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。 ② 適用范圍大和可移植性好 同其他高級語言一樣， C 語言不依賴于特定的 CPU，其源程序具有良好的可移植性。加之集成開發(fā)環(huán)境 KEIL 編譯生成的代碼效率很高 (僅比匯編語言生成的代碼效率低 10%15 %).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，在對溫控箱數學模型辨識的基礎之上，結合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經典的 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。 河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 緒論 6 本文工作及 結構 安排 本文主要工作 ① 在對溫度控制發(fā)展現狀、系統(tǒng)控制要求進行研究的基礎上，選擇了整個控制系統(tǒng)的控制方案 。 ③ 完成該系統(tǒng)的軟件設計，包括主程序模塊、控制運算模塊、數據輸入輸出及處理模塊等一些子功能模塊的設計 。 本文結構 安排 本論文 由以下幾部分組成 : 第一章緒論主要介紹本文的背景知識及系統(tǒng)的總體設計方案，以及本文所完成的主要工作 。第三章軟件設計介紹了系統(tǒng)軟件各主要功能模塊的設計 。第 五 章結論全文工作的總結和展望 。硬件總體結構框圖如圖 所示。溫控箱的溫度由 Pt100 鉑電阻溫度傳感器檢測并轉換成微弱的電壓信號，再通過 16 位的 A/D 轉換器 AD7705 轉換成數字量。另一方面將該溫度值與設定的溫度值進行比較，根據其偏差值的大小，采用 PID 控制算法進行運算，最后通過控制雙向可控硅控制周期內的通斷占空比 (即控制 溫控箱加熱平均功率的大小 )，進而達到對溫控箱溫度進行控制的目的。 圖 硬件總體結構框圖 主控模塊器件選型及設計 單片機的選用 針對一定的用途，恰當的選擇所使用的單片機是十分重要的。選擇功能過強的單片機，則會造成資源浪費，使產品的性能價格比下降。在實際應用中，針對不同的需求要選 擇合適的單片機，選擇單片機時要注意下幾點 : ① 單片機的基本性能參數，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲器容量，中斷能力及 I/O口引腳數量等 。 ③ 單片機的存儲介質，對于程序存儲器來說， Flash 存儲器和 OTP(一次性可編程 )存儲器相比較，最好是選擇 Flash 存儲器 。選擇 DIP 封裝在搭建實驗電路時會更加方便一些 。 ⑥ 單片機的工作電壓范圍，例如設計電視機遙控器時，使用 2 節(jié)干電池供電，至少選擇的單片機能夠在 電壓范圍內工作 。 ⑧ 編程器以及仿真器的價格，單片機開發(fā)是否支持高級語言以及編程環(huán)境要好用易學 。 單片機介紹 本系統(tǒng)選用 ATMEL 公司生產的 AT89 系列單片機中的 AT89C52, AT89C52 單片機是一種新型的低功耗、高性能的 8 位 CMOS 微控制器，與工業(yè)標準 MCS51 指令系列和引腳完全兼容。 AT89C52 單片機 DIP 封裝的引腳如圖 。 ② 三個 16 位定 時 /計數器 。 ④ 內部 ROM 中開辟了四個通用工作寄存器區(qū)，共 32 個通用寄存器，以適應多種中斷或子程序嵌套的情況 。 ⑥ 內部有一個由直接可位尋址組成的布爾處理機，在指令系統(tǒng)中包含了一個指令子集，專門用于對布爾處理機的各位進行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問題 。 單片機的復位是由外部復位電路來實現的。復位電路的接法很多，本系統(tǒng)中采用上電復位和手動復位鍵復位相結合的方式。 AT89C52 內部有一個用于構成 振蕩器的高增益反相放大器。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。本系統(tǒng)河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 10 電路采用的晶體振蕩器頻率為 12MHz。復位電路和時鐘電路如圖 。由于此時的電量 (電壓 )還是單片機所不能識別的模擬量，所以還需要進行 A/D 轉換，即將模擬的電量轉化成與之對應的數字量，提供給單片機判斷和控制。 Pt100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成材料、構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。 Pt100 型鉑電阻，在 2020C到 850℃范圍內是精度最高的溫度傳感器之一。這些特點使得鉑電阻溫度傳感器具有信號強、精度高、穩(wěn)定性和復現性好的特點。 鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型 :標準鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。但是標準鉑電阻溫度傳感器也存在價格昂貴，維護起來較為困難等缺點。 圖 鉑電阻溫度傳感器采樣電路 河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 11 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)采用的是三線制橋式接法對 Pt100 鉑電阻進行采樣。該電路將溫控箱的溫度轉化為電壓輸出。差動放大電路中 R3＝ R R5＝ R放大倍數＝ R5/R3，運放采用單一 5V供電 [2]。 由于本系統(tǒng)中溫控箱的溫度范圍在室溫到 600℃之間，故只針對 式 ()進行討論。為了減少鉑電阻的飽和特性給溫度測量帶來的誤差，這里采用最小二乘法對鉑電阻的非線性進行優(yōu)化。對這 100 組溫度和電壓數據利用最小二乘法進行擬合，求出溫度與電壓關系的三次多項式為 : t = + － + 式 () 求解出測溫多項式后，在 0800℃之間隨機抽取 10 個點，對此多項式進行檢驗，其結果如表 。 河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 12 表 實際溫度與測得溫度對照表 實際溫度（ 。 C） 誤差（ 。但是大多數單片機本身只能識別和處理數字量，因此必須經過模擬量到數字量的轉換 (A/D 轉換 )， 才能夠實現單片機對被控對象的識別和處理。 A/D 轉換器的主要性能參數有 : ① 分辨率 ： 分辨率表示 A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。 ② 轉換時間 ： 轉換時間指 A/D 轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數字信號所經過的時間。 ③ 轉換誤差 ： 轉換誤差表示 A/D 轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別，常用最低有效位的倍數表示 。 目前有很多類型的 A/D 轉換芯片，它們在轉換速度、轉換精度、分辨率以及使用價值上都各具特色，其中大多數積分型或逐次比較型的 A/D 轉換器對于高精度測量，其轉換效果不夠理想。傳統(tǒng)的電路設計方法是在 A/D 轉換前增加一級高精度的測量放大器，這樣就增加了成本，電路也較為復雜。 河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 13 圖 AD7705引腳圖 AD7705 是 AD 公司生產的 16 位Σ 一△型 A/D 轉換器。能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行 A/D 轉換。工作電壓 3V 或 5V，在 3V 工作電壓時，器件的最大功耗僅為1mW。 AD7705 引腳功能描述如下 : ① SCLK 串行時鐘，將一個外部的串行時鐘加于這一輸入端口，以訪問 AD7705的串行數據。 ② MCLKIN 為轉換器提供主時鐘信號，能以晶體 /諧 振器或外部時鐘的形式提供。 ③ MCLKOUT，當主時鐘為晶體 /諧振器時，晶體 /諧振器被接在 MCLKIN和 MCLKOUT之間，如果在 MCLKIN 引腳處接上一個外部時鐘， MCLKOUT 將提供一個反向時鐘 。 ⑤ AIN1(+)差分模擬輸入通道 1的正輸入端 。 ⑦ DRDY 邏輯輸出，這個輸出端上的邏輯低電平表示可以從 AD7705 的數據寄存器獲取新的輸出字。當該引腳處于高電平時，不能進行讀操作，當數據 更新后，該引腳又返回低電平 。根據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、時鐘寄存器或數據寄存器的信息 。A/D轉換電路如圖 [4]?？煽毓璧目刂颇Ｊ接袃煞N :相位控制和零位控制 (分配式零位控制、時間比例零 位控制 )。 圖 相位控制調功電壓波形 河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 15 圖 通斷控制調功電壓波形 ① 相位控制 :作用于每一個交流正弦波，改變正弦波每個正半波和負半波的導通角來控制電壓的大小，進而可以調節(jié)輸出電壓和功率的大小。 ② 零位控制 :在設定的周期 T 內，觸發(fā)信號使主回路接通幾個周波 (幾個完整的正弦波 )，再斷開幾個周波，改變可控硅在設定周期內的通斷時間比例，以 調節(jié)負載上的交流電的平均功率，即可達到調節(jié)負載功率的目的。它多用于大慣性的加熱器負載，采用這種控制既實現了溫度控制， 又消除了相位控制時帶來的高次諧波污染電網。 可控硅輸出電路 固態(tài)繼電器 (Solid State Relays)，簡寫成“ SSR”，是一種全部由固態(tài)電子元件（如光電耦合器、晶體管、可控硅、電阻、電容等）組成的新型無觸點開關器件。但是與普通電磁繼電器比， SSR 體積小，開關速度快，無機械觸點，因而沒有機械磨損，不怕有害氣體腐蝕，沒有機械噪聲，耐振動、耐沖擊，使用壽命長。另外， SSR 的驅動電河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 16 壓低，電流小，易于與計算機接口。 SSR 按使用場合可以分成交流型和直流型兩大類。從整體上看， SSR 只有兩個輸入端 (A和 B)及兩個輸出端 (C 和 D)，是一種四端器件。觸發(fā)電路的功能是產生合乎要求的觸發(fā)信號，驅動開關電路④工作，但由于開關電路在不加特殊控制電路時，將產生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電 網，為此特設