石墨電熱板溫度控制裝置設計

1、湖南理工學院畢業(yè)設計（論文）學號：畢業(yè)論文題目：石墨電熱板溫度控制裝置設計作 者 ： 鐘 成 屆 別 ： 2015屆 院 別 ： 機械工程學院 專 業(yè) ：機械電子工程 指導教師 ： 張 敬 職 稱 ： 講師 完成時間 : 2015年 5 月20日 摘 要本文介紹了石墨電熱板溫度控制裝置的設計，系統(tǒng)采用增強型C8051F410芯片作為控制核心，其內部集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)所需的幾乎所有模擬與數(shù)字外設。采用數(shù)字型PID算法為系統(tǒng)的控制算法，通過K型熱電偶對石墨電熱板進行溫度的測量。選擇AD849X芯片對石墨電熱板的溫度信號進行調節(jié)與方大。采用基于PWM的脈沖寬度調制技術

2、實現(xiàn)石墨電熱板的精確溫度控制。本系統(tǒng)有七大模塊，分別為：主控制器模塊、按鍵模塊、顯示模塊、電源模塊、報警模塊。溫度采集模塊及溫度控制模塊。通過七大模塊的連接以及利用數(shù)字型PID算法能夠做到對石墨電熱板溫度的良好控制。關鍵字：PID算法；石墨電熱板；溫度控制AbstractThis article describes the graphite heating plate temperature control device design, this system using enhanced C8051F410 chip as control core, its internal integra

3、tion with almost everything needed for the data acquisition and control system simulation and digital peripherals. Using digital PID algorithm for system control algorithm, by K type thermocouple for graphite electric hot plate temperature measurement. Choose AD849X chip of graphite electric hot pla

4、te temperature signal to adjust with the party. Based on the PWM pulse width modulation technology was adopted to realize accurate temperature control of graphite electric hot plate. This system has seven modules, respectively is: main controller module, keys module and display module, power supply

5、module, alarm module. Temperature acquisition module and temperature control module. Through seven modules connected and the use of digital type PID algorithm can achieve good control of graphite electric hot plate temperature.Keywords: PID；Graphite electric hot plate；Temperature control目 錄摘 要IIAbst

6、ractIII第一章 緒 論11.1 石墨電熱板的簡介與前景11.2 溫度控制系統(tǒng) 11.2.1 溫度控制系統(tǒng)的研究背景及發(fā)展概況.1 1.2.2 溫度控制的方法.11.3 本課題的研究內容與基本要求2第二章 PID控制的理論知識32.1 PID控制的原理32.2 PID控制算法42.2.1 模擬PID控制算法42.2.2 數(shù)字式PID的控制算法52.3 PID參數(shù)的整定7第三章 系統(tǒng)方案論證103.1 系統(tǒng)總設計方案103.2 主控制器設計方案103.3 電源模塊設計方案113.4 溫度采集與溫度控制模塊方案113.5 顯示/按鍵/報警方案13第四章 系統(tǒng)的硬件電路設計.144.1 系統(tǒng)的主

7、要芯片介紹144.1.1 C8051F410介紹144.1.2 AD849X芯片介紹17 4.2 主控制器電路設計.184.3 電源模塊電路設計19 4.4 溫度采集模塊電路設計20 4.5 顯示/按鍵/報警模塊電路設計.21第五章 系統(tǒng)軟件設計.235.1 系統(tǒng)的主程序設計235.1.1 按鍵掃描及按鍵處理設計235.1.2 溫度采集模塊軟件設計255.1.3 溫度控制模塊軟件設計265.2中斷系統(tǒng)的設計275.2.1 串口通信部分285.2.2 定時器3中斷服務程序285.2.3 顯示模塊295.2.4 報警模塊305.2.5 繼電器控制模塊31結論33參考文獻34致謝35附錄3643第1

8、章 緒論1.1 石墨電熱板的簡介及前景本系統(tǒng)的研究對象是石墨電熱板，需要對其進行智能溫度控制。本設計采用的石墨電熱板內部有測溫元件，它的加熱體采用導熱性能好的等靜壓高純石墨，具有耐高溫、耐酸堿的特點。該產品是由石墨制成的加熱板的，它的加熱面積大，能夠處理多個樣品;進行加熱時具有升溫快、溫度均勻且持續(xù)時間長等特點，一般可持續(xù)工作48小時以上。隨著我國經濟的進一步發(fā)展，石墨電熱板將會應用于很多領域，例如：農業(yè)、醫(yī)藥、食品、化工、環(huán)保、林業(yè)等。還可以用于科研部門和高校對礦石、土壤、植被、生物組織等樣品進行輔助加熱和消解處理。1.2 溫度控制系統(tǒng)1.2.1 溫度控制系統(tǒng)的研究背景及發(fā)展概況溫度是我們生

9、產生活中最基本的物理量，自然界的任何變化都與它魚油密切關系。所以溫度控制技術對我們來說是非常重要的，也是非常有必要的，它關系到人類的生活與發(fā)展。溫度的測量與控制直接與提高生產質量、安全生產、提高生產效率以及節(jié)約資源等有著直接聯(lián)系。工業(yè)革命以來，溫度控制技術與工業(yè)就已經離不開了，在社會領域里，溫度控制技術在汽車、家電、材料等方面也有著廣泛應用。1.2.2 溫度控制的方法 第一種方法是定值開關溫度控制法。是通過硬件電路與軟件計算相結合來判定實際溫度值與設定溫度值的關系，從而對系統(tǒng)的加熱源進行通斷控制。如果實際溫度值比設定溫度值高，就斷開加熱器，或者開動制冷裝置；如果實際溫度值比設定溫度值低，就打開

10、加熱器并同時關斷制冷器。這種開關控溫的方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下，可以用簡單的模擬電路實現(xiàn)。采用這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。由于這種控制方法是當系統(tǒng)溫度上升至設定點時需斷開電源，當系統(tǒng)溫度下降至設定點時需開啟電源，從而無法克服溫度變化過程的滯后性，導致使系統(tǒng)溫度波動較大，控制精度很低，所以完全不適用于高精度的溫度控制。第二種方法是PID線性控制法，這也是本設計所運用到的算法，所謂PID控制就是對比例、積分、微分進行控制。自19世紀40年代以來,PID廣泛應用于工業(yè)生產中，由于其結構簡單、比較實用、價格低廉，可以實現(xiàn)滿意的控制。溫控系統(tǒng)將熱電偶實時

11、采集的溫度值與設定值比較兩者的差值作為PID功能塊的輸入參數(shù)。PID算法根據(jù)比例、積分、微分系數(shù)計算出合適的輸出參數(shù),利用改變控制變量誤差這種方法實現(xiàn)閉環(huán)控制。由于PID控制算法比較簡單并且可靠性高等特點，現(xiàn)如今，在控制技術高速發(fā)展的時代，它在工業(yè)過程控制中仍然占有主導地位。第三種方法是智能溫度控制法，智能控制就是利用人工智能的理論和技術與運籌學的優(yōu)化方法，并且將其同控制理論的方法與技術相結，將PID控制與智能控制相結合，由此實現(xiàn)對溫度的智能控制。智能控溫法以神經元網絡和模糊數(shù)學為理論基礎，并且適當?shù)丶右詫＜蚁到y(tǒng)來實現(xiàn)智能化。其中應用比較多的有神經網絡控制、模糊控制與專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫

12、法在現(xiàn)實的工程技術中得到了非常廣泛的應用。1.3 本課題的研究內容與基本要求本課題的研究內容為：第一部分主要闡述了自動控制系統(tǒng)以及PID的理論知識。作為自動溫度控制系統(tǒng)，從整體上介紹了系統(tǒng)的基本要求、構成等。而溫控系統(tǒng)的核心部分是PID，一個合適的PID算法才能給系統(tǒng)帶來優(yōu)越的性能，課題以數(shù)字PID為主，介紹了數(shù)字PID的歷史發(fā)展、改進以及參數(shù)的整定。其中，參數(shù)的整定是本課題主要討論的問題。也是判斷設計出來的產品是否符合規(guī)格的標準。第二部分主要是針對此系統(tǒng)，從工業(yè)實際應用方面介紹了系統(tǒng)的具體方案。從最初的元器件選取，到軟件各功能模塊都做出了詳細的考慮。第三部分是溫度控制系統(tǒng)的硬件設計。一個穩(wěn)定

13、并且可靠的電路是本設計核心之一。她是設計的重要部分。第四部分是溫度控制系統(tǒng)的軟件設計。該部分作為產品成型的最后一步，也是很重要的，程序編寫的規(guī)范可靠也會影響到最后的測試結果。本課題的基本要求是為石墨電熱板提供一種性能穩(wěn)定可靠、溫度控制準確、溫控平衡時間短的數(shù)字式溫度控制裝置。第2章 PID控制的理論知識2.1 PID控制的原理 PID控制是由反饋系統(tǒng)的偏差的比例（P）、積分（I）以及微分（D）線性組合而成，這3種基本控制規(guī)律各有各自的特點。 P比例控制：比例控制器是在控制輸入信號e(t)發(fā)生變化時，只改變信號的幅度值而不改變相應信號的相位，利用比例控制能夠提高該系統(tǒng)的開環(huán)增益。該控制是主要控制

14、部分。 D微分控制：微分控制器是對輸入信號取其差分或微分，微分反映了系統(tǒng)的變化率，所以微分控制是一種超前的預測性控制，可以預測系統(tǒng)將發(fā)生的變化，可以增大系統(tǒng)阻尼，使相角的裕度提高，從而對系統(tǒng)性能起到改善作用。但是微分對于干擾也有很大的放大影響，過大的微分會使系統(tǒng)加劇震蕩。I積分控制：積分是累加作用，它會記錄系統(tǒng)的變化歷史，所以，積分控制反映了在控制中，歷史對當前系統(tǒng)起到的作用。積分控制是向系統(tǒng)加入了零極點，這樣可以提高該系統(tǒng)型別（控制系統(tǒng)型別是開環(huán)傳遞函數(shù)的零極點的重數(shù)，表明了系統(tǒng)跟隨其輸入信號的能力），除去靜差，提高系統(tǒng)無差度，但同時也會使系統(tǒng)的加劇震蕩，增大超調，降低動態(tài)性能，因此，一般不

15、單獨使用而與PD控制結合使用。PID的復合控制：綜合了上述幾種控制規(guī)律的優(yōu)點，能夠使系統(tǒng)得到更好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。PID控制的基本輸入/輸出關系用微分方程表示為： （2.1） 上式中，e(t)為控制器的輸入偏差信號; 為比例控制增益；為積分時間常數(shù)；微分時間常數(shù)。 相應的傳遞函數(shù)是： （2.2）2.2 PID控制算法2.2.1 模擬PID控制算法 在模擬控制系統(tǒng)中，最常用到的控制是PID控制，其中模擬PID控制是發(fā)展最早的控制理論，所以也是其他理論的基礎。模擬PID在模擬系統(tǒng)中的應用比較多，分別由比例部分、積分部分、微分部分構成，根據(jù)偏差經過PID運算，由得到的結果，通過執(zhí)行結構控來制被控對象

16、達到預測效果。其結構圖如圖2.1所示。+ -+ +c(t)u(t)e(t)r(t) 比例積分 微分被控對象圖2.1 模擬PID控制系統(tǒng)結構圖它主要由模擬PID控制器與被控對象組成。而PID控制器則由比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)組成。它的數(shù)學表達式為: (2.3)式中，比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。模擬PID調節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （2.4）1、 比例部分 比例部分的數(shù)學表達式是：*e(t) 模擬PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間作出反應。比例環(huán)節(jié)成比例反映出偏差信號e(t)，一旦產生偏差，控制器馬上產生控制作用，使偏差減小。比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)調節(jié)的精

17、度。如果Kp越大,那么系統(tǒng)的響應速度將會越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度也會越高，也就是說對偏差的分辨率越高。但是會產生超調，甚至會使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。如果Kp取值過小，則會降低調節(jié)精度，特別是使系統(tǒng)響應的速度變慢，從而使調節(jié)時間延長。2、 積分部分 積分部分的數(shù)學表達式是：積分環(huán)節(jié)主要用來消除靜差，從而提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的大小由積分時間常數(shù)決定,越大，則積分作用越弱，反之則越強。積分作用系數(shù)越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越大，但積分作用過大，使得在響應過程初期產生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應過程的超調變大，如果積分作用系數(shù)過小，則會使系統(tǒng)靜差難以得到消除，進而影響到系統(tǒng)的調節(jié)精度。3、 微分部分 微分環(huán)節(jié)的數(shù)

18、學表達式是： 實際上，控制系統(tǒng)除了希望可以消除靜態(tài)誤差外，還需要加快調節(jié)過程。在偏差出現(xiàn)時，或在偏差變化的瞬間，不但要對偏差量做及時響應，并且要根據(jù)偏差的變化趨勢預先給出適當?shù)募m正。為了能夠實現(xiàn)這一作用，可在PI控制器的基礎上加入微分環(huán)節(jié)，形成PID控制器。 微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差變化。它是依據(jù)偏差的變化趨勢（變化速度）來進行控制的。偏差變化的越快，那么微分控制器的輸出會越大，并且能在偏差值變大之前進行修正。引入微分作用，會有助于減小超調量，克服振蕩，從而有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，對髙階系統(tǒng)也非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。微分部分的作用主要是由微分時間常數(shù)Td來決定。Td越大時，它的偏差

19、的影響越大；Td越小時，則它抑制偏差變化的作用越弱。2.2.2 數(shù)字式PID控制算法 數(shù)字式PID控制算法可分為位置式PID控制算法和增量式控制PID算法。（1） 位置式PID算法 由于計算機控制是一種采樣控制，只能依據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量，所以對式(2.3)中的微分和積分部分不能直接使用，而應先進行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式(2.3)，現(xiàn)在以一系列的采樣時刻點kT來代表連續(xù)的時間t，以增量代替微分，以合式代替積分，作如下的近似變換： （2.5） 由上式得到：在離散化過程中，采樣周期T需要足夠短，才會有足夠的精度。為了書寫方便，將e(kT)簡化成e(k)，將式(2.5)代入

20、式(2.3)，可以得到離散的PID表達式為: （2.6） 上式中:k是采樣序列號;u(k)是第k次采樣時刻的輸出值;e(k)表示第k次采樣時刻輸入的偏差值;e(k-1)為第k-1次采樣時刻輸入的偏差值；Ki是積分系數(shù)，KiKpT/Ti;Kd是微分系數(shù), KdKpTd/T。我們常稱式(2.6)為位置式PID控制算法。對于位置式PID控制算法來說，位置式PID控制算法原理圖如圖2.2所示，因為是全量輸出，所以每次輸出都和過去狀態(tài)有關，計算時需要對誤差進行累加，所以這樣會使運算工作量變大。而且假如執(zhí)行器(計算機)出現(xiàn)故障，就會使執(zhí)行機構位置大幅度變化，這種情況在生產場合是不允許的，所以產生了增量式P

21、ID控制算法。+-r (t)e(t)uc(t) PID 位置算法 調節(jié)閥 被控對象圖2.2 位置型控制原理圖（2） 增量式PID控制算法增量式PID一般是指數(shù)字控制器的輸出只有控制量的增量(k)。增量式PID控制系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。增量式PID控制算式為： （2.7） 式（2.6）減去式（2.7）得：（2.8） 上式稱為增量式PID控制算法。 增量式控制算法的優(yōu)點為誤差小，有利于實現(xiàn)無擾動切換。如果計算機出現(xiàn)故障，可以保持原值，較為容易獲得比較好的控制效果。但由于積分截斷效應較大，會出現(xiàn)靜態(tài)誤差，使得溢出影響大。+-r(t)e(t)uc(t)PID增量算法 步進電機 被控對象 圖2.3 增

22、量型控制示意圖2.3 PID參數(shù)整定 控制器參數(shù)整定：一般是指決定調節(jié)器的積分時間Ti、比例系數(shù)Kp、采樣周期Ts和微分時間Td。通過改變調節(jié)器參數(shù)的整定，使它的特性與過程特性匹配，以提高動態(tài)和靜態(tài)的指標體系，從而達到最佳的控制效果。整定調節(jié)器參數(shù)可以用多種方法，其中可以分成兩大類，第一是理論計算整定法和工程整定法。理論計算整定法有對根軌跡法和對數(shù)頻率特性法等；工程整定法有臨界比例法、湊試法、經驗法、衰減曲線法和響應曲線法等。不需要事先知道過程的數(shù)學模型，直接在過程控制系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定這是工程整定法特點，這種方法簡單、計算簡便、易于掌握。2.3.1 臨界比例法臨界比例法是對連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度

23、法的擴展。主要適用于系統(tǒng)本身可以趨于穩(wěn)定的控制情況，在整定時，可以不用知曉準確的模型和狀態(tài)。具體步驟如下：（1）選擇一個足夠短的采樣周期T。通?？蛇x采樣周期為被控對象純滯后時間的1/12。（2）用選擇的采樣周期T使系統(tǒng)工作。需要先屏蔽微分積分控制部分的作用，在這里只允許使用比例控制，調節(jié)比例系數(shù)增大，當輸出波形出現(xiàn)穩(wěn)定振蕩的時候，記錄此時的KP，即臨界比例度KC，及系統(tǒng)的臨界振蕩周期PC（即振蕩波形的兩個波峰之間的時間）。（3）計算控制度。控制度按照式(2.8)計算: (2.9)根據(jù)上式求出控制度，然后，按表2.1計算出采樣周期T以及PID參數(shù)KP、TI、TD值，根據(jù)計算所得出來的參數(shù)進行調試

24、整定，觀察調試效果，如果性能不滿意，可利用其他方法和對P、I、D各控制項作用，進一步調節(jié)參數(shù)，直到滿意為止。表2.1 擴充臨界比例度法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律T/TKKP/KKTI/TKTD/TK1.05PIPID0.030.0140.530.630.880.49-0.141.20PIPID0.050.0430.490.470.910.47-0.161.50PIPID0.140.090.420.340.990.43-0.202.0PIPID0.220.160.360.271.050.40-0.22臨界比例度法整定注意事項：   有的過程控制系統(tǒng)，臨界比例系數(shù)很大，使系統(tǒng)接近兩

25、式控制，調節(jié)閥不是全關就是全開，對工業(yè)生產不利。有的過程控制系統(tǒng)，當調節(jié)器比例系數(shù)Kp調到最大刻度值時,系統(tǒng)仍不產生等幅振蕩，對此，就把最大刻度的比例度作為臨界比例度Ku進行調節(jié)器參數(shù)整定。2.3.2 試湊法在實際整定中，使用上述方法后，系統(tǒng)可能依然達不到要求，這就要求我們用經驗的方法去不斷改變參數(shù)觀察輸出曲線，值到找到合適的參數(shù)，一個經驗豐富的工程師往往在不斷改變參數(shù)的時候也遵循一定的規(guī)律。根據(jù)整定好的參數(shù)，可用如下方法繼續(xù)調整直到找到合適的參數(shù)。1.首先只整定比例部分。將KP在附近變化，并記錄相應的系統(tǒng)響應曲線，直到得到反應快，超調小的響應曲線。如果沒有穩(wěn)態(tài)誤差或穩(wěn)態(tài)誤差已小到允許范圍，那

26、么系統(tǒng)可以用改組參數(shù)。2.如果在調節(jié)比例系數(shù)的基礎上穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，則繼續(xù)整定積分系數(shù)。整定時首先將第一步確定的KP減少一點值，對應積分時間參數(shù)從較大值開始，然后慢慢減小積分時間常數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好動態(tài)響應的情況下，消除穩(wěn)態(tài)誤差，即可使用該組參數(shù)。這種調整方法可以根據(jù)動態(tài)響應狀況，反復改變KP及TI以得到滿意的控制過程。3.若上述方法消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但動態(tài)過程卻始終達不到要求，則可調節(jié)微分環(huán)節(jié)。TD逐漸增大，同時相應地改變KP和TI，逐步試湊以獲得滿意的調節(jié)效果。最后，根據(jù)系統(tǒng)的階躍響應曲線的形狀特點與要求的差異，可微調參數(shù)：曲線在達到穩(wěn)定之前超調大，減少KP；達到穩(wěn)定之前曲線超調少，

27、調節(jié)時間卻長，增大KP；快達到穩(wěn)定的時候曲線偏離回復時間長，適當減少積分時間；曲線時而偏離，時而回復，則可增加積分時間；當曲線達到穩(wěn)定之前振蕩周期短，則減少微分時間;曲線達到穩(wěn)定之前振蕩周期長，過渡時間長，則增加微分時間。第三章 方案論證3.1 系統(tǒng)總方案根據(jù)系統(tǒng)的主要功能：控制石墨電熱板的溫度按照設定溫度變化，由此設計思路為：系統(tǒng)的期望溫度通過鍵盤設計，實際溫度通過溫度采集電路采集，把采集的溫度與設定的溫度通過運算處理輸出相應的控制系數(shù)，用于控制電熱板加熱。由此設計出系統(tǒng)的總方框圖如圖3.1所示。系統(tǒng)有以下模塊：電源模塊、溫度采集模塊、按鍵模塊、顯示模塊、主控制器模塊、溫度控制模塊、報警模塊

28、。圖3.1 系統(tǒng)總方框圖3.2 主控制器設計方案根據(jù)設計任務，控制器主要任務是處理按鍵、顯示、報警、溫度采集與溫度控制，有如下選擇（1）采用FPGA(Field Programmable Gate Array, 現(xiàn)場可編輯門陣列)作為系統(tǒng)的主控芯片，可行性方案是：通過軟件將計算的參數(shù)送給FPGA,FPGA通過其內部的功能設計出能控制PWM脈沖，但因為本次設計要求數(shù)據(jù)處理的速率不高，F(xiàn)PGA的善于處理復雜邏輯功能的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于芯片集成度高，使其芯片成本偏高，又由于引腳較多，硬件電路板設計布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。（3）采用增強型C8051F系列作為控制器。C805

29、1F作為與51系列單片機完全兼容的增強型4，繼承了51單片機的所有優(yōu)點，且內部集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)所需的幾乎所有的模擬與數(shù)字外設：ADC、可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus/IIC、UART、CAN、SPI、PCA（帶比較/捕獲模塊PCA，可實現(xiàn)捕捉、軟件定時、高速輸出、PWM）、Flash存儲器、非易失性存儲器、SRAM、WDT、VDD監(jiān)視器等。并且有多種復位源和完善的時鐘系統(tǒng)，通過JTAG口進行非侵入式全速在系統(tǒng)(ISP)和在應用(IAP)編程調試。綜上所述，使用C8051F系列作為控制器，能簡化系統(tǒng)硬件，降低硬件成本，提高硬件可靠度，提高系統(tǒng)靈活性

30、和可靠性，有關PID運算，輸入信號轉換及大部分控制過程都可由軟件來完成。該單片機提供的UART、ISP、IAP功能，降低軟件設計的復雜性及大大方便了系統(tǒng)的開發(fā)。由于高度集成的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)所需的外設，系統(tǒng)擴展功能只需要修改軟件而不必改太多的硬件電路。本系統(tǒng)選用的是C8051F410芯片。3.3 電源模塊方案設計電源輸入是市電，整個系統(tǒng)分為兩部分電路供電，一部分供系統(tǒng)供電，+5V，一部分給繼電器供電+10V左右，因此變壓方面選用2路隔離輸出變壓器。對于繼電器供電，由于繼電器適應電壓電流范圍廣，所以無需設計穩(wěn)壓模塊以增加系統(tǒng)設計復雜度，提高成本。對于系統(tǒng)供電，由于系統(tǒng)都是由單片機及各種芯片、電

31、容、電組構成，不需要負電壓；數(shù)字系統(tǒng)中要求電源電壓穩(wěn)定性好，溫度系數(shù)要小，且用電源電壓做ADC轉換的基準電壓，所以使用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路不能作為高精度的基準電壓源。穩(wěn)壓性能好的基準電壓源是當代模擬集成電路極為重要的組成部分，它為A/D，D/A轉換器提供基準電源，也是傳感器的穩(wěn)壓供電。綜合考慮，該系統(tǒng)采用基準電源模塊MC7805。3.4 溫度采集模塊及溫度控制模塊方案設計1、 溫度采集模塊方案 溫度傳感器有四種類型：熱點偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器以及IC溫度傳感器。熱敏電阻需要搭建電橋、溫度檢測器過于復雜、IC溫度傳感器不適應工業(yè)溫度的特點，因此所選方案為熱電偶采集溫度。 熱電偶是比較常見的溫度采

32、集方案，它屬于接觸類測溫芯片，通過與被測對象直接接觸，不受外界干擾。熱點偶測溫的靈敏度非常高，受環(huán)境干擾非常小。設置冷端補償后誤差不超過0.2。采用熱電偶使能夠測溫的范圍也比較廣：0-1000。綜上所述，系統(tǒng)的整體方案是：采用K型熱點偶測溫，信號調節(jié)放大選用AD849X芯片。選用C8051F410內部12為A/D進行數(shù)值轉換，電路簡單方便。通過選用高精度電壓穩(wěn)壓芯片電源做REF和電路調節(jié)，使測溫分辨率能達到很高。2、 溫度控制模塊方案 由于溫度控制系統(tǒng)控制的石墨電熱板具有慣性較大的特點，熱量傳遞的時候也有阻力，所以可以將它歸于具有純滯后的慣性環(huán)節(jié)。對于這樣一些存在大的滯后特性的過渡過程控制，一

33、般可采用以下方案：（1）輸出開關量控制：對于慣性較大的環(huán)節(jié)可的采用輸出開關量控制的方法，這種方法通過比較給定值與被控參數(shù)的偏差來控制輸出狀態(tài)：開通或關斷，因此控制過程十分簡單也容易實現(xiàn)。但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個方向上變化的速率均為最大，因此容易引起反饋回路產生振蕩，對自動控制會產生十分不利的影響，所以這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對控制精度和動態(tài)特性要求不高的情況下使用（2）比例積分微分控制（PID控制）：由前文論述可知，PID控制器對溫度具有良好的控制作用，其微分能根據(jù)誤差的變化率超前預測誤差，采取措施。對于溫度控制這樣的滯后系統(tǒng)來說，微分是非常重要的，但由于只引入微分，

34、系統(tǒng)容易受干擾。加入比例后能解決這個問題。積分的引進，能是系統(tǒng)長期運行時的誤差非常小，這對于溫度要求場合高的地方也是關鍵的一點。因此，PID控制適合于負荷變化大、滯后較大、控制質量要求又很高的控制系統(tǒng)。綜上所述，PID控制方法最適合本系統(tǒng)使用。由于采用單片機實現(xiàn)控制，無論采用上述哪一種控制方法都不會增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對軟件作相應改變即可實現(xiàn)不同的控制方案。系統(tǒng)的總體方案是：使用采集到的高精度溫度與期望溫度進行PID運算，結果作為占空比，使用軟件產生與占空比相關的PWM(Pulse_Width Modulation,脈寬調制)控制繼電器，以達到控制加熱功率的目的。3.5 按鍵、顯示、報警模

35、塊方案設計按鍵采用四個，主要用于設定溫度，功能分別為右移鍵，左移鍵，增大鍵，減少鍵。采用獨立式鍵盤，這種鍵盤硬件和軟件都容易實現(xiàn)，并且按鍵都互相獨立，按鍵的工作狀態(tài)不會影響其他按鍵的狀態(tài)，由于按鍵功能少，實現(xiàn)的功能也比較簡單，所以直接采用獨立式鍵盤而不采用行列式鍵盤。顯示采用LED顯示。因為顯示的內容只有數(shù)字，從實現(xiàn)的復雜度及成本考慮，都不易選用液晶等顯示。使用8個數(shù)碼管分別顯示3位溫度，精確到小數(shù)點后一位的期望溫度與實際溫度。段選使用一組I/O，片選采用74LS138譯碼器，占用I/O三個，節(jié)約出I/O口。 報警采用蜂鳴器報警。 第四章 系統(tǒng)硬件設計4.1 系統(tǒng)主要芯片的介紹 本系統(tǒng)的主要芯

36、片有C8051F410芯片以及AD849X芯片。4.1.1 C8051F410介紹C8051F410系列器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器核。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編和編譯器進行軟件開發(fā)。芯片引腳如圖4.1所示。圖4.1 LQFP-32引腳圖其電路分布如下：1.復位電路C8051F410提供多種復位方式：上電復位、掉電復位和VDD監(jiān)視器、外部復位、時鐘丟失檢測器復位、比較器0復位、PCA看門狗定時器復位、FLASH錯誤復位、smaRTClock復位、軟件復位。本系統(tǒng)設計上選用上電復位。在上電后，器件保持在復位狀態(tài)，/

37、RST引腳被驅動到低電平,直到VDD上升超過VRST電平，從復位開始到退出復位狀態(tài)要經過一個延時。2.串口通信UART是一個異步、全雙工串，它提供標準8051串口的方式1和方式3。UART具有專門的波特率發(fā)生器和多個時鐘源可以用于產生標準串列傳輸速率。本系統(tǒng)使用定時器1的工作方式1用于產生波特率（8位UART，主要用于單機與PC機通信），用于調試過程中發(fā)送相關數(shù)據(jù)到上位機，以驗證程序正確性。3.在線調試C8051F410器件具有片內Silicon Labs 2線(C2)界面調試電路，支持安裝好的電路上調試，有IPA和IPS兩種方式。調試電路是通過C2D及C2CK接口接入，中間加以USB調試適配

38、器，連接到PC機上的。本系統(tǒng)設有專門的調試電路，方便程序設計及修改。3.IIC總線電路在該系統(tǒng)設計中，需要對期望溫度好加熱時間等程序數(shù)據(jù)進行掉電保護，若采用普通存儲器，需要設計相應的電池電路，并需要在硬件上增加掉電檢測電路，這無疑加大設計難度與系統(tǒng)可靠性。所以本系統(tǒng)選用FM24C02作為系統(tǒng)掉電保護存儲器。FM24C02采用具有IIC總線技術。IIC總線8(Inter IC Bus)是一種總線協(xié)議，它具有接口少、通信速率快、傳輸距離大的特點，屬于異步通信。IIC總線技術有一套相應的完整的總線協(xié)議，可支持多機通信，主機通過地址識別對應的從機。IIC總線由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL兩條線構成通信線

39、路，即可發(fā)送數(shù)據(jù)，也可接收數(shù)據(jù)。CPU發(fā)送的控制信號分為地址碼和數(shù)據(jù)碼兩部分：地址碼用來選址，數(shù)據(jù)碼是通信內容。FM24C029具有4K的存儲容量，使用標準IIC總線界面的串行EEPROM器件，硬件電路簡單，可多次擦寫，擦寫次數(shù)10萬次以上。FM24C02的芯片地址為1010，地址控制格式為1010A2A1A0R/W，其中A2，A1，A0為可編程地址選擇位。A2，A1，A0引腳接高低電平后得到確定的三位編碼，與1010形式7位編碼，即為該器件的地址碼。R/W為芯片讀寫控制位，該位為0，表示對芯片進行寫操作；該位為1，表示對芯片進行讀操作。其中引腳圖與引腳定義分別如圖4.2和表4.1所示。圖4.

40、2 FM24C02引腳圖表4.1 引腳功能定義A1，A2可編程地址輸入VSS電源地SDA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端SCL串行時鐘輸入端WP寫保護端，用于硬件數(shù)據(jù)保護。低電平時，可以對整個存儲器進行正常讀寫操作；高電平的時候，存儲器具有寫保護功能，但讀操作不受影響。VCC電源正端NC空引腳綜上所述，主控芯片C8051F410的引腳分布如下：l P1與LED的8個段選位連接，用于輸出段選信號。l P2.0到P2.3與4個按鍵相連，用于掃描按鍵信號。l P2.4到P2.6與74LS138譯碼器相連，用于輸出位選信號。l C2K和C2D與在線調試界面相連。l P0.7連接黃燈，P0.5連接藍燈，P0.4連接

41、紅燈。l P0.6與放大器相連，用于采集信號端。l P0.3與P0.2與ROM相連，用于I2C通信。l P0.1與蜂鳴器相連，輸出報警信號。l P0.0與光電二極管相連，用于輸出PWM控制信號。l VIO、Vregin與5V電源電壓相連。l VDD與Vrtc_backup相連。另外，為了降低干擾，在5V電源電壓及VDD電路附近都并聯(lián)有旁路電容。復位采用上電復位，使用內部晶振。4.1.2 AD849X介紹及應用由傳感器輸出的信號通常需要進行電壓放大或功率放大，以便對信號進行檢測，因此必須采用放大器。本系統(tǒng)選用AD849X放大芯片。該芯片采用8引腳MSOP封裝，完全符合ROHS標準。其中AD849

42、X的引腳圖和引腳定義如圖4.3和表4.2所示。圖4.3 AD849X引腳圖表4.2 AD849X引腳功能引腳號引腳名稱功能1-IN負輸入端2REF基準電壓端3-VS負電源端4NC空引腳5SENSE在測量模式時候該引腳與OUT腳相連，在調整的時候，改引腳與調整電壓相連6OUT放大信號輸出端7+VS電源正極8+IN負輸入端AD849X12利用片上溫度傳感器執(zhí)行冷結補償。熱電偶可在寬環(huán)境溫度范圍內進行精確測量。芯片內置一個高精度儀表放大器。該放大器具有高共模抑制性能，能夠抑制長引線熱電偶可能會拾取的共模噪音。如需額外保護，該放大器的高阻抗輸入端允許輕松添加額外的濾波措施。AD849X支持寬電源電壓范

43、圍。在5V單電源下，AD849X可以覆蓋近1000度的熱電偶溫度范圍。在3V電源下，它可以直接與低電源電壓ADC界面。穩(wěn)定的輸出設計可以處理各種實際連接狀況。AD849X可以承受遠高于電源軌的輸入電壓。一般應用在J或K型熱電偶。2.低通濾波器在傳感器獲得的信號中，往往含有很多與被測量無關的頻率成分需要通過信號濾波電路濾掉。濾波器可以通過用R、L、C一些無源元件組成，稱為無源濾波器；也可以用無源和有源元件組合而成，稱為有源濾波器。有源濾波器中的有源元件可以用電晶體，也可以用運算放大器。在濾波上，一般有2大類方法：軟件濾波與硬件濾波。本系統(tǒng)選用的是硬件濾波，采用一個低通濾波器作為信號采集的濾波器。

44、低通濾波器：低通濾波器的功能是讓直流信號在制定截止頻率的低頻分量通過，而使高頻分量有很大衰減。低通濾波器一般用截止頻率WC、阻帶頻率WS、直流增益HO、通帶紋波等參數(shù)來確定。選擇不同的傳遞函數(shù)，低通濾波器的幅頻特性和衰減率均不一樣。本系統(tǒng)使用RC無源低通濾波器。4.2 主控制器電路設計主控制器部分是整個系統(tǒng)的中心部分，它連接著其他幾個環(huán)節(jié)，它的原理圖如圖4.4所示。圖4.4 主控制器電路原理圖 圖中C8051F410芯片是單片機；R22和C12組成復位電路，RESET復位信號連接C8051F410芯片第2腳；FM24C02是存儲芯片，SCL和SDA是信號線，分別連接C8051F410芯片的第2

45、0腳和19腳，F(xiàn)M2402與R41/R42及C15組成主控制器的存儲單元，實現(xiàn)設定信息（包括設定溫度、加熱時間）的存儲；圖中電容C11、C15、C16、C17和C18都是起到濾波作用；圖中XS4是一個4針接口，接口一端的信號線TXD和RXD分別連接C8051F410芯片的第20腳和第19腳，接口另一端可連接計算機串口，實現(xiàn)程序下載和調試。4.3 溫度采集及溫度控制模塊電路設計溫度采集模塊電路原理圖如圖4.5所示：圖4.5 溫度采集電路原理圖 圖中SXI是一個2針接口，用于外接熱電偶，熱電偶采集的溫度信號送入放大器AD849X的第1腳和第8腳，經過發(fā)達器AD849X調節(jié)放大后從第6腳輸出，并接入

46、C8051F410芯片的第23腳；圖中電容C8、C24、和電感L1、L2組成抗干擾輔助電路，電路一端連接5V電源，即圖中VCC_5V_temp端子，通過C8濾波和L2隔離后從電路的另一端輸出，即VCC_5V_temp端子，VCC_5V_temp端子還通過電容C24接地濾波，VCC_5V_temp端子為放大器AD849X提供穩(wěn)定的5V電源電壓；電源地通過電感L1隔離后作為放大器AD849X的參考電壓，有效防止電源地信號干擾，提高溫度測量穩(wěn)定性。溫度控制模塊電路原理圖如如圖4.6所示圖4.6 溫度控制電路原理圖 圖中Relay_ctrl是繼電器控制信號，來自C8051F410芯片的第17 腳；D1

47、是光耦，起到隔離C8051F410芯片與繼電器的作用；XS2為繼電器接線端口：Vout2-為繼電器提供3V值12V的工作電壓；V1為開關三極管，受光耦D1的控制，如果Relay_ctrl為高電平，開關三極管V1導通，繼電器打開，石墨電熱板加熱絲通電加熱；頭則開關三極管截止，繼電器關閉，石墨電熱板加熱絲斷電，停止加熱；D12為一保護二極管，如果Vout2+與Vout2-反接，則D12將繼電器接線端口鉗位在0.7V左右，防止繼電器反向擊穿。4.4 按鍵、顯示、報警模塊電路設計（1） 按鍵電路 根據(jù)設計需要，本系統(tǒng)使用4個按鍵，采用獨立式分布，按鍵消抖由軟件實現(xiàn)。（2） 顯示界面電路為了是系統(tǒng)能夠直

48、觀的顯示其溫度的變化，顯示系統(tǒng)主要由2組4個的LED構成，一組用于顯示實際溫度，一組用于顯示設定溫度，最大顯示溫度為999。LED數(shù)碼管分共陰極與共陽極兩種，數(shù)碼管是以掃描形式工作，段選接在P1口，位選通過74LS138譯碼器分別于2組數(shù)碼管相連。74LS138譯碼電路如圖4.7所示。圖4.7 位選譯碼電路（3） 報警電路 報警和發(fā)光二極管電路原理一樣：電路采用一個三極管開關電路，當I/O口輸出高電平的時候，三極管導通，蜂鳴器有電流通過，報警。在I/O口輸出的部分有RC電路保護蜂鳴器與LED。圖4.8 報警電路4.5 電源模塊電路設計電源是一個系統(tǒng)的心臟，維系這系統(tǒng)的運行。一個好的電源才能確定

49、系統(tǒng)穩(wěn)定長久的運行。本系統(tǒng)采用市電輸入，電源設計主要包括變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個部分。并且系統(tǒng)分2個部分供電：繼電器與控制系統(tǒng)。1.變壓：變壓是將交流市電電壓（220V）變換為符合整流需要的數(shù)值。這里選用的是AC_2AC變壓器。該變壓器輸入為220V，輸出有2路電壓。2.整流：整流電路的功能是利用電力電子器件的單向導電性將正弦交流電壓變換為單向脈動電壓。整流電路有單相整流和三相整流，按整流電路分為半波整流、全波整流、橋式整流等。本系統(tǒng)兩個供電部分采用的都是單相橋式整流。3.濾波：濾波電路的作用是濾除整流電壓中的紋波。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復試濾波及有源濾波。該系統(tǒng)采用的是大電容

50、濾波。電容濾波電路是最簡單的濾波器，它是在整流電路的負載上并聯(lián)一個電容C。電容為帶有正、負極性的大電容，如點解電容、坦電容等。4. 穩(wěn)壓：基準電壓源MC7805芯片。MC7805是一種高精度、低溫漂、采用激光修正的能隙基準源。MC7805基準電壓源的內部電路很復雜，但應用很簡單，只需外接少量元件。綜上所述，電源電路如圖4.9所示。圖4.9 電源電路原理圖第5章 系統(tǒng)的軟件設計5.1 系統(tǒng)的主程序設計主程序主要由初始化模塊、鍵盤掃描與處理模塊、熱電偶溫度采集模塊、熱電偶溫度顯示更新模塊、溫度控制（PID控制）模塊。主程序流程圖如圖5.1所示。圖5.1 主程序流程圖5.1.1 按鍵掃描及按鍵處理設

51、計按鍵掃描及按鍵處理程序框圖分別如圖5.2和圖5.3所示圖5.2 按鍵掃描模塊流程圖圖5.3 按鍵處理模塊流程圖5.1.2 溫度 采集模塊軟件設計 C8051F410的ADC轉換非常方便，不要態(tài)度的CPU干預; 轉換精度高，±0.2的誤差，啟動延遲一定時間后，讀取ADC相關寄存器里面的數(shù)據(jù)即可。溫度采集的準確對直接關乎后面相關的溫度控制等，所以準確的溫度采集很有必要，這里設置ADC采樣20次后求平均數(shù)的方法降低誤差。其流程圖如圖5.4所示。圖5.4 熱電偶溫度采集模塊流程圖5.1.3 溫度控制模塊軟件設計PID控制模塊流程圖如圖5.5所示。溫度控制模塊是軟件的核心部分，把PID理論合

52、理的運用到系統(tǒng)控制中去才能是系統(tǒng)得到滿意的控制效果。溫度控制模塊的主要任務是：以實際溫度與期望溫度，通過計算，返回PWM控制的占空比。本系統(tǒng)運用的是位置式PID算法，并引入抗積分飽和機制。所有用于記錄PID數(shù)據(jù)的都采用長型浮點類型變量，防止整量化誤差。其中軟件中參數(shù)的整定是關鍵，在實驗調試部分有詳細的介紹。圖5.5 PID控制模塊流程圖5.2 中斷系統(tǒng)的設計本系統(tǒng)主要有三個中斷源，對應三個中斷服務程序ADC中斷服務程序、串口通信中斷服務程序、定時器3中斷服務程序。ADC中斷服務程序中是把ADC中斷標志位清零。5.2.1 串口通信部分圖5.6 串口通信中斷服務程序流程圖串口通信部分主要包括串口通信初始化、串口發(fā)送數(shù)據(jù)、串口中斷。在軟件設計中，串口通信部分設置一個串口環(huán)形緩沖區(qū)，當在其他部分中要發(fā)送多組數(shù)據(jù)給計算機時，可以直接寫發(fā)送函數(shù)而無需等待上一組數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成。發(fā)送時會把數(shù)據(jù)存儲起來，發(fā)送完一組后能自動取下一組數(shù)據(jù)發(fā)送而無需干涉。5.2.2 定時器3終端服務程序定時器3中斷服務程序是本程序的主要處理部分。它的中斷周期為1ms，定時器3的中斷服務程序主要處理了一下事情：中斷標志位清零；產生心跳節(jié)拍記記錄中斷次數(shù)；4個標志位的處理；以及模塊函數(shù)。主要包括三個模塊函數(shù)：報警處理模塊；