【正文】 nment for the conduct of the simulation By stabilizing the border will be the entire law and parameters the end system without steadystate error and adjust to the 30s no overshoot all targets were met design requirements The system is simple and hardware but also the realtime temperature with the particularity of the control process The design of a PID algorithm based on the temperature control to achieve the temperature control system the main aim is to achieve the production process for the temperature control speed high accuracy 第 1 章 緒論 11 引言 電加熱溫度控制具有升溫單向性大慣性大滯后性和時(shí)變性的特點(diǎn)例如其升溫單向性是由于電加熱的升溫保溫主要是通過電阻加熱降溫則通常是依靠自然冷卻當(dāng)溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段使其降溫因而很難用數(shù)字方法建立精確的模型并確定參數(shù)應(yīng)用傳統(tǒng)的模擬電路控制方法由于電路復(fù)雜器件太多往往很難達(dá)到理想的控制效果由于無法用精確的數(shù)學(xué)方法來建立模型并確定參數(shù)本設(shè)計(jì)采用 PID 控制 目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段 智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等而自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器傳感器變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入輸出接口控制器的輸出經(jīng)過輸出接口執(zhí)行機(jī)構(gòu)加在被控系統(tǒng)上控制系統(tǒng)的被控量經(jīng)過傳感器變送器通過輸入接口送到控制器不同的控制系統(tǒng)其傳感器變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都不一樣比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器而溫度控制系統(tǒng)要采用溫度傳感器目前 PID控制及其控制器或智能 PID控制器已經(jīng)很多產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用各大公司均開發(fā)了具有 PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器其中 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)是自動(dòng)調(diào)節(jié)是 通過智能化調(diào)整或自校正自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)有利用PID調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)壓力溫度流量液位的控制能實(shí)現(xiàn) PID控制功能的有 PLC和一些PC 機(jī) 傳統(tǒng)的 PID 控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜需配合相應(yīng)的可控硅控制電路來完成功率的調(diào)控針對(duì)它具有器件多生產(chǎn)成本高電路調(diào)試復(fù)雜的缺點(diǎn)本恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用 AT89S52的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字 PID運(yùn)算能充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的靈活性在必要時(shí)針對(duì) PID 算法進(jìn)行修正使其更加完善固態(tài)繼電器的功率調(diào)節(jié)電路極大地簡(jiǎn)化了執(zhí)行電路與單片機(jī)的接口也變得十分的方便同時(shí)只需要更換不同輸出功率的固態(tài)繼電器就可滿足不同功率加熱 系統(tǒng)的需要由于設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)溫度動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)要求要求不高允許有一定的溫度偏差和允許調(diào)節(jié)的時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)最流行控制方法還是繼電接觸器控制系統(tǒng)若繼電接觸器控制系統(tǒng) PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史它以其簡(jiǎn)單穩(wěn)定性好工作可靠調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一當(dāng)被控對(duì)象的和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)系統(tǒng)控制器的和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為和系統(tǒng)核心 圖 11 方案一的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 溫度采集電路以形式將現(xiàn)場(chǎng)溫度傳至單片機(jī)單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度與用戶設(shè)定 的目標(biāo)溫度按照已經(jīng)編程固化的控制算法計(jì)算出實(shí)時(shí)控制量以此控制量系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)參量均由 圖 13 方案三的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 13 設(shè)計(jì)方案 控制模塊的選擇數(shù)字比較器與模擬控制器相比較數(shù)字比較器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn) 1 模擬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力有限當(dāng)控制規(guī)律較為復(fù)雜時(shí)就難以甚至無法實(shí)現(xiàn)而數(shù)字控制器能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律的控制 2 計(jì)算機(jī)具有分時(shí)控制能力可實(shí)現(xiàn)多回路控制 3 數(shù)字控制器具有靈活性起控制規(guī)律可靈活多樣可用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)不同的回路實(shí)現(xiàn)不同的控制方式并且修改控制參數(shù)或控制方式一般只可改變控 制程序即可使用起來簡(jiǎn)單方便可改善調(diào)節(jié)品質(zhì)提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量 4采用計(jì)算機(jī)除實(shí)現(xiàn) PID數(shù)字控制外還能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集數(shù)字顯示等其他功能綜合考慮本設(shè)計(jì)控制模塊采用數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器 對(duì)于方案一采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制雖然該方案成本低可靠性高抗干擾性強(qiáng)但對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合是不合適的而對(duì)于方案二采用 PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制由于 PLC成本高且 PLC是外圍系統(tǒng)配置復(fù)雜不利于我們的設(shè)計(jì)由于數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)運(yùn)算量大只要選擇合適的參數(shù)對(duì)于溫度的控制精度往往能達(dá)到較好的效果為了使設(shè)計(jì)的成本低抗干擾強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng) 態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能好的前提下設(shè)計(jì)方案的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 13 所示通過單片機(jī)對(duì)偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算輸出控制 DA 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成 08V 電壓信號(hào)來控制可控硅觸發(fā)電路從而控制可控硅通斷率通過調(diào)節(jié)加熱功率即可達(dá)到控制溫度恒定的目的 圖 13 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖 第 2 章 釀酒槽溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 考慮到盡量降低成本和避免與復(fù)雜的電路此系統(tǒng)所用到的元器件均為常用的電子器件而主控器采用低功耗高性能片內(nèi)含 8k byte 可反復(fù)檫寫的 Flash 只讀程序器 CMOS8 位單片機(jī) AT89S52 溫度傳感器采用 DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫 度傳感器 DS18B20采用控制端 TTL電平即可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開關(guān)使用時(shí)完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)單片機(jī)所需要的 5V工作電源是通過 220V 交流電壓通過變壓整流穩(wěn)壓濾波得到實(shí)時(shí)控制的顯示器鍵盤通過單片機(jī)來完成鍵盤掃描與輸出動(dòng)態(tài)顯示采用具有微功耗外圍接口簡(jiǎn)單精度高工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)的 ds12887 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 考慮到系統(tǒng)對(duì)傳輸速度的要求不高在 PCA 機(jī)上設(shè)定和實(shí)時(shí)顯示溫度系統(tǒng)配有 RS232 串行通訊端口下面對(duì)硬件電路作具體的設(shè)計(jì) 21 AT89S52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89S52 單片機(jī)資 源簡(jiǎn)介 AT89S52 的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示由于它的廣泛使用使得市面價(jià)格較815582558279 要低所以說用它是很經(jīng)濟(jì)的該芯片具有如下功能①有 1 個(gè)專用的鍵盤顯示接口②有 1 個(gè)全雙工異步串行通信接口③有 2 個(gè) 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器這樣1個(gè) 89S52承擔(dān)了 3個(gè)專用接口芯片的工作不僅使成本大大下降而且優(yōu)化了硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)給用戶帶來許多方便 89S52 有 40 個(gè)引腳有 32 個(gè)輸入端口 IO 有 2 個(gè)讀寫口線可以反復(fù)插除所以可以降低成本 主要功能特性兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 32 個(gè)雙向 IO 口 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷 2個(gè)串行中斷 2個(gè)外 部中斷源 2個(gè)讀寫中斷口線低功耗空閑和掉電模式8k 可反復(fù)擦寫 1000 次 Flash ROM 9256x8 bit 內(nèi)部 RAM 時(shí)鐘頻率 024MHz 可編程 UART 串行通道共 6 個(gè)中斷源3 級(jí)加密位軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能～口 8 位雙向口線 ～ 口 8 位雙向口線 ～口 8 位雙向口線 ～ 口 8 位雙向口線 ALE 地址鎖存控制信號(hào) 在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí) ALE用于控制把口輸出的低 8位地址送入鎖存器鎖存起來以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送此外由于 ALE 是以六分之一晶振頻率的固定頻率輸出正脈沖因此可作為外部定時(shí)脈沖使用 外部程序存儲(chǔ) 器讀選通信號(hào) 在讀外部 ROM 時(shí) 有效 低電平 以實(shí)現(xiàn)外部 ROM 單元的讀操作 訪問程序存儲(chǔ)趨控制信號(hào) 但信號(hào)為低電平時(shí)對(duì) ROM 的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器而當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)則對(duì) ROM 的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ)器 RST 復(fù)位信號(hào) 當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效用以完成單片機(jī)的復(fù)位操作 和 外接晶體引線端 當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)此二引線端用語外接石英晶體和微調(diào)電容當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào) 地線 5V 電源 AT89S52 單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器輸入端為芯片引腳輸出端為引腳而在芯片外部和 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器晶體震蕩頻率高則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高單片機(jī)運(yùn)行速度也就快但反過來運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高對(duì)印制電路板的工藝要求也高所以這里使用震蕩頻率為 6MHz 的石英晶體震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接是使用而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用震蕩脈沖經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)在設(shè)計(jì)電路板時(shí)振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)以避免干擾需要注意的是電路板時(shí)振蕩器和電容 應(yīng)盡量安裝得與單片機(jī)靠近以減小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定可靠的工作電路圖如圖 22 所示 復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式 a 上電復(fù)位 在加電之后通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的當(dāng)?shù)纳仙龝r(shí)間不超過 1ms 就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖RST 上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長(zhǎng)時(shí)間滿足復(fù)位操作的要求 b 按鍵復(fù)位 程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)為了擺脫困境也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng) RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端復(fù)位信號(hào) 是高電平有效按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位圖 23 和按鍵電平復(fù)位電平復(fù)位將復(fù)位端通過電阻與相連按鍵脈沖復(fù)位是利用 RC 分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的 c 注意 因?yàn)榘存I脈沖復(fù)位是利用 RC 微分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的所以電平復(fù)位要將復(fù)位端通過電阻與相連如復(fù)位電路中 RC 的值選擇不當(dāng)使復(fù)位時(shí)間過長(zhǎng)單片機(jī)將處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)故本設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位 22 溫度傳感器 溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源直接影響系統(tǒng)的可靠性傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法是溫度傳感器例如 AD590 將測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)再經(jīng)過 AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號(hào)單片機(jī)再對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理 [3]這種模擬數(shù)字混合電路實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜濾波消噪難度大系統(tǒng)穩(wěn)定性不高鑒于這些考慮本設(shè)計(jì)采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 支持一線總線接口測(cè)量溫度的范圍為 55176。 C～ 125176