石墨電熱板溫度控制裝置設(shè)計(jì)

1、湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)號(hào)：畢業(yè)論文題目：石墨電熱板溫度控制裝置設(shè)計(jì)作 者 ： 鐘 成 屆 別 ： 2015屆 院 別 ： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) ：機(jī)械電子工程 指導(dǎo)教師 ： 張 敬 職 稱 ： 講師 完成時(shí)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(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用增強(qiáng)型C8051F410芯片作為控制核心，其內(nèi)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(shè)。采用數(shù)字型PID算法為系統(tǒng)的控制算法，通過(guò)K型熱電偶對(duì)石墨電熱板進(jìn)行溫度的測(cè)量。選擇AD849X芯片對(duì)石墨電熱板的溫度信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)與方大。采用基于PWM的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)

2、實(shí)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(bào)警模塊。溫度采集模塊及溫度控制模塊。通過(guò)七大模塊的連接以及利用數(shù)字型PID算法能夠做到對(duì)石墨電熱板溫度的良好控制。關(guān)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(jiǎn)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?jī)?nèi)容與基本要求2第二章 PID控制的理論知識(shí)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(shè)計(jì)方案103.2 主控制器設(shè)計(jì)方案103.3 電源模塊設(shè)計(jì)方案113.4 溫度采集與溫度控制模塊方案113.5 顯示/按鍵/報(bào)警方案13第四章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì).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(shè)計(jì).184.3 電源模塊電路設(shè)計(jì)19 4.4 溫度采集模塊電路設(shè)計(jì)20 4.5 顯示/按鍵/報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì).21第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).235.1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)235.1.1 按鍵掃描及按鍵處理設(shè)計(jì)235.1.2 溫度采集模塊軟件設(shè)計(jì)255.1.3 溫度控制模塊軟件設(shè)計(jì)265.2中斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)275.2.1 串口通信部分285.2.2 定時(shí)器3中斷服務(wù)程序285.2.3 顯示模塊295.2.4 報(bào)警模塊305.2.5 繼電器控制模塊31結(jié)論33參考文獻(xiàn)34致謝35附錄3643第1

8、章 緒論1.1 石墨電熱板的簡(jiǎn)介及前景本系統(tǒng)的研究對(duì)象是石墨電熱板，需要對(duì)其進(jìn)行智能溫度控制。本設(shè)計(jì)采用的石墨電熱板內(nèi)部有測(cè)溫元件，它的加熱體采用導(dǎo)熱性能好的等靜壓高純石墨，具有耐高溫、耐酸堿的特點(diǎn)。該產(chǎn)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(gè)樣品;進(jìn)行加熱時(shí)具有升溫快、溫度均勻且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，一般可持續(xù)工作48小時(shí)以上。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，石墨電熱板將會(huì)應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如：農(nóng)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(duì)礦石、土壤、植被、生物組織等樣品進(jìn)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(chǎn)生活中最基本的物理量，自然界的任何變化都與它魚(yú)油密切關(guān)系。所以溫度控制技術(shù)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是非常重要的，也是非常有必要的，它關(guān)系到人類的生活與發(fā)展。溫度的測(cè)量與控制直接與提高生產(chǎn)質(zhì)量、安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率以及節(jié)約資源等有著直接聯(lián)系。工業(yè)革命以來(lái)，溫度控制技術(shù)與工業(yè)就已經(jīng)離不開(kāi)了，在社會(huì)領(lǐng)域里，溫度控制技術(shù)在汽車、家電、材料等方面也有著廣泛應(yīng)用。1.2.2 溫度控制的方法 第一種方法是定值開(kāi)關(guān)溫度控制法。是通過(guò)硬件電路與軟件計(jì)算相結(jié)合來(lái)判定實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值的關(guān)系，從而對(duì)系統(tǒng)的加熱源進(jìn)行通斷控制。如果實(shí)際溫度值比設(shè)定溫度值高，就斷開(kāi)加熱器，或者開(kāi)動(dòng)制冷裝置；如果實(shí)際溫度值比設(shè)定溫度值低，就打開(kāi)

10、加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。這種開(kāi)關(guān)控溫的方法比較簡(jiǎn)單，在沒(méi)有計(jì)算機(jī)參與的情況下，可以用簡(jiǎn)單的模擬電路實(shí)現(xiàn)。采用這種控制方法的溫度控制器在我國(guó)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(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)需斷開(kāi)電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)需開(kāi)啟電源，從而無(wú)法克服溫度變化過(guò)程的滯后性，導(dǎo)致使系統(tǒng)溫度波動(dòng)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(shè)計(jì)所運(yùn)用到的算法，所謂PID控制就是對(duì)比例、積分、微分進(jìn)行控制。自19世紀(jì)40年代以來(lái),PID廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、比較實(shí)用、價(jià)格低廉，可以實(shí)現(xiàn)滿意的控制。溫控系統(tǒng)將熱電偶實(shí)時(shí)

11、采集的溫度值與設(shè)定值比較兩者的差值作為PID功能塊的輸入?yún)?shù)。PID算法根據(jù)比例、積分、微分系數(shù)計(jì)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。由于PID控制算法比較簡(jiǎn)單并且可靠性高等特點(diǎn)，現(xiàn)如今，在控制技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，它在工業(yè)過(guò)程控制中仍然占有主導(dǎo)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(shù)與運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化方法，并且將其同控制理論的方法與技術(shù)相結(jié)，將PID控制與智能控制相結(jié)合，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并且適當(dāng)?shù)丶右詫＜蚁到y(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用比較多的有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shí)的工程技術(shù)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。1.3 本課題的研究?jī)?nèi)容與基本要求本課題的研究?jī)?nèi)容為：第一部分主要闡述了自動(dòng)控制系統(tǒng)以及PID的理論知識(shí)。作為自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，從整體上介紹了系統(tǒng)的基本要求、構(gòu)成等。而溫控系統(tǒng)的核心部分是PID，一個(gè)合適的PID算法才能給系統(tǒng)帶來(lái)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(jìn)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(wèn)題。也是判斷設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品是否符合規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)。第二部分主要是針對(duì)此系統(tǒng)，從工業(yè)實(shí)際應(yīng)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(xì)的考慮。第三部分是溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。一個(gè)穩(wěn)定

13、并且可靠的電路是本設(shè)計(jì)核心之一。她是設(shè)計(jì)的重要部分。第四部分是溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。該部分作為產(chǎn)品成型的最后一步，也是很重要的，程序編寫(xiě)的規(guī)范可靠也會(huì)影響到最后的測(cè)試結(jié)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(zhǔn)確、溫控平衡時(shí)間短的數(shù)字式溫度控制裝置。第2章 PID控制的理論知識(shí)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(diǎn)。 P比例控制：比例控制器是在控制輸入信號(hào)e(t)發(fā)生變化時(shí)，只改變信號(hào)的幅度值而不改變相應(yīng)信號(hào)的相位，利用比例控制能夠提高該系統(tǒng)的開(kāi)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(duì)輸入信號(hào)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(yù)測(cè)性控制，可以預(yù)測(cè)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(duì)系統(tǒng)性能起到改善作用。但是微分對(duì)于干擾也有很大的放大影響，過(guò)大的微分會(huì)使系統(tǒng)加劇震蕩。I積分控制：積分是累加作用，它會(huì)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(duì)當(dāng)前系統(tǒng)起到的作用。積分控制是向系統(tǒng)加入了零極點(diǎn)，這樣可以提高該系統(tǒng)型別（控制系統(tǒng)型別是開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)的重?cái)?shù)，表明了系統(tǒng)跟隨其輸入信號(hào)的能力），除去靜差，提高系統(tǒng)無(wú)差度，但同時(shí)也會(huì)使系統(tǒng)的加劇震蕩，增大超調(diào)，降低動(dòng)態(tài)性能，因此，一般不

15、單獨(dú)使用而與PD控制結(jié)合使用。PID的復(fù)合控制：綜合了上述幾種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，能夠使系統(tǒng)得到更好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。PID控制的基本輸入/輸出關(guān)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(hào); 為比例控制增益；為積分時(shí)間常數(shù)；微分時(shí)間常數(shù)。 相應(yīng)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(chǔ)。模擬PID在模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用比較多，分別由比例部分、積分部分、微分部分構(gòu)成，根據(jù)偏差經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，由得到的結(jié)果，通過(guò)執(zhí)行結(jié)構(gòu)控來(lái)制被控對(duì)象

16、達(dá)到預(yù)測(cè)效果。其結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。+ -+ +c(t)u(t)e(t)r(t) 比例積分 微分被控對(duì)象圖2.1 模擬PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖它主要由模擬PID控制器與被控對(duì)象組成。而PID控制器則由比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)組成。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為: (2.3)式中，比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。模擬PID調(diào)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(xué)表達(dá)式是：*e(t) 模擬PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間作出反應(yīng)。比例環(huán)節(jié)成比例反映出偏差信號(hào)e(t)，一旦產(chǎn)生偏差，控制器馬上產(chǎn)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(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)的精

17、度。如果Kp越大,那么系統(tǒng)的響應(yīng)速度將會(huì)越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度也會(huì)越高，也就是說(shuō)對(duì)偏差的分辨率越高。但是會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)沟孟到y(tǒng)不穩(wěn)定。如果Kp取值過(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，特別是使系統(tǒng)響應(yīng)的速度變慢，從而使調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。2、 積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：積分環(huán)節(jié)主要用來(lái)消除靜差，從而提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的大小由積分時(shí)間常數(shù)決定,越大，則積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。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(guò)大，使得在響應(yīng)過(guò)程初期產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的超調(diào)變大，如果積分作用系數(shù)過(guò)小，則會(huì)使系統(tǒng)靜差難以得到消除，進(jìn)而影響到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。3、 微分部分 微分環(huán)節(jié)的數(shù)

18、學(xué)表達(dá)式是： 實(shí)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(diào)節(jié)過(guò)程。在偏差出現(xiàn)時(shí)，或在偏差變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做及時(shí)響應(yīng)，并且要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一作用，可在PI控制器的基礎(chǔ)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(shì)（變化速度）來(lái)進(jìn)行控制的。偏差變化的越快，那么微分控制器的輸出會(huì)越大，并且能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。引入微分作用，會(huì)有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，從而有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)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(shí)間常數(shù)Td來(lái)決定。Td越大時(shí)，它的偏差

19、的影響越大；Td越小時(shí)，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(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，只能依據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算控制量，所以對(duì)式(2.3)中的微分和積分部分不能直接使用，而應(yīng)先進(jìn)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(shí)刻點(diǎn)kT來(lái)代表連續(xù)的時(shí)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(guò)程中，采樣周期T需要足夠短，才會(huì)有足夠的精度。為了書(shū)寫(xiě)方便，將e(kT)簡(jiǎn)化成e(k)，將式(2.5)代入

20、式(2.3)，可以得到離散的PID表達(dá)式為: （2.6） 上式中:k是采樣序列號(hào);u(k)是第k次采樣時(shí)刻的輸出值;e(k)表示第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;e(k-1)為第k-1次采樣時(shí)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(duì)于位置式PID控制算法來(lái)說(shuō)，位置式PID控制算法原理圖如圖2.2所示，因?yàn)槭侨枯敵?，所以每次輸出都和過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)需要對(duì)誤差進(jìn)行累加，所以這樣會(huì)使運(yùn)算工作量變大。而且假如執(zhí)行器(計(jì)算機(jī))出現(xiàn)故障，就會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置大幅度變化，這種情況在生產(chǎn)場(chǎng)合是不允許的，所以產(chǎn)生了增量式P

21、ID控制算法。+-r (t)e(t)uc(t) PID 位置算法 調(diào)節(jié)閥 被控對(duì)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(diǎn)為誤差小，有利于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。如果計(jì)算機(jī)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?cái)嘈?yīng)較大，會(huì)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(jìn)電機(jī) 被控對(duì)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(diào)節(jié)器的積分時(shí)間Ti、比例系數(shù)Kp、采樣周期Ts和微分時(shí)間Td。通過(guò)改變調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，使它的特性與過(guò)程特性匹配，以提高動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的指標(biāo)體系，從而達(dá)到最佳的控制效果。整定調(diào)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(jì)算整定法和工程整定法。理論計(jì)算整定法有對(duì)根軌跡法和對(duì)數(shù)頻率特性法等；工程整定法有臨界比例法、湊試法、經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法和響應(yīng)曲線法等。不需要事先知道過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，直接在過(guò)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定這是工程整定法特點(diǎn)，這種方法簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便、易于掌握。2.3.1 臨界比例法臨界比例法是對(duì)連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度

23、法的擴(kuò)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(shí)，可以不用知曉準(zhǔn)確的模型和狀態(tài)。具體步驟如下：（1）選擇一個(gè)足夠短的采樣周期T。通?？蛇x采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)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(diào)節(jié)比例系數(shù)增大，當(dāng)輸出波形出現(xiàn)穩(wěn)定振蕩的時(shí)候，記錄此時(shí)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(gè)波峰之間的時(shí)間）。（3）計(jì)算控制度?？刂贫劝凑帐?2.8)計(jì)算: (2.9)根據(jù)上式求出控制度，然后，按表2.1計(jì)算出采樣周期T以及PID參數(shù)KP、TI、TD值，根據(jù)計(jì)算所得出來(lái)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試

24、整定，觀察調(diào)試效果，如果性能不滿意，可利用其他方法和對(duì)P、I、D各控制項(xiàng)作用，進(jìn)一步調(diào)節(jié)參數(shù)，直到滿意為止。表2.1 擴(kuò)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(xiàng)：   有的過(guò)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(diào)節(jié)閥不是全關(guān)就是全開(kāi)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)不利。有的過(guò)程控制系統(tǒng)，當(dāng)調(diào)節(jié)器比例系數(shù)Kp調(diào)到最大刻度值時(shí),系統(tǒng)仍不產(chǎn)生等幅振蕩，對(duì)此，就把最大刻度的比例度作為臨界比例度Ku進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。2.3.2 試湊法在實(shí)際整定中，使用上述方法后，系統(tǒng)可能依然達(dá)不到要求，這就要求我們用經(jīng)驗(yàn)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(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師往往在不斷改變參數(shù)的時(shí)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(diào)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(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果沒(méi)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(diào)節(jié)比例系數(shù)的基礎(chǔ)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(shí)首先將第一步確定的KP減少一點(diǎn)值，對(duì)應(yīng)積分時(shí)間參數(shù)從較大值開(kāi)始，然后慢慢減小積分時(shí)間常數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)的情況下，消除穩(wěn)態(tài)誤差，即可使用該組參數(shù)。這種調(diào)整方法可以根據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀況，反復(fù)改變KP及TI以得到滿意的控制過(guò)程。3.若上述方法消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程卻始終達(dá)不到要求，則可調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)。TD逐漸增大，同時(shí)相應(yīng)地改變KP和TI，逐步試湊以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。最后，根據(jù)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線的形狀特點(diǎn)與要求的差異，可微調(diào)參數(shù)：曲線在達(dá)到穩(wěn)定之前超調(diào)大，減少KP；達(dá)到穩(wěn)定之前曲線超調(diào)少，

27、調(diào)節(jié)時(shí)間卻長(zhǎng)，增大KP；快達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)候曲線偏離回復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，適當(dāng)減少積分時(shí)間；曲線時(shí)而偏離，時(shí)而回復(fù)，則可增加積分時(shí)間；當(dāng)曲線達(dá)到穩(wěn)定之前振蕩周期短，則減少微分時(shí)間;曲線達(dá)到穩(wěn)定之前振蕩周期長(zhǎng)，過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，則增加微分時(shí)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(shè)定溫度變化，由此設(shè)計(jì)思路為：系統(tǒng)的期望溫度通過(guò)鍵盤設(shè)計(jì)，實(shí)際溫度通過(guò)溫度采集電路采集，把采集的溫度與設(shè)定的溫度通過(guò)運(yùn)算處理輸出相應(yīng)的控制系數(shù)，用于控制電熱板加熱。由此設(shè)計(jì)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(bào)警模塊

28、。圖3.1 系統(tǒng)總方框圖3.2 主控制器設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，控制器主要任務(wù)是處理按鍵、顯示、報(bào)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(chǎng)可編輯門陣列)作為系統(tǒng)的主控芯片，可行性方案是：通過(guò)軟件將計(jì)算的參數(shù)送給FPGA,FPGA通過(guò)其內(nèi)部的功能設(shè)計(jì)出能控制PWM脈沖，但因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)處理的速率不高，F(xiàn)PGA的善于處理復(fù)雜邏輯功能的優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。（3）采用增強(qiáng)型C8051F系列作為控制器。C805

29、1F作為與51系列單片機(jī)完全兼容的增強(qiáng)型4，繼承了51單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，且內(nèi)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(shè)：ADC、可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/IIC、UART、CAN、SPI、PCA（帶比較/捕獲模塊PCA，可實(shí)現(xiàn)捕捉、軟件定時(shí)、高速輸出、PWM）、Flash存儲(chǔ)器、非易失性存儲(chǔ)器、SRAM、WDT、VDD監(jiān)視器等。并且有多種復(fù)位源和完善的時(shí)鐘系統(tǒng)，通過(guò)JTAG口進(jìn)行非侵入式全速在系統(tǒng)(ISP)和在應(yīng)用(IAP)編程調(diào)試。綜上所述，使用C8051F系列作為控制器，能簡(jiǎn)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(guān)PID運(yùn)算，輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換及大部分控制過(guò)程都可由軟件來(lái)完成。該單片機(jī)提供的UART、ISP、IAP功能，降低軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及大大方便了系統(tǒng)的開(kāi)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(shè)，系統(tǒng)擴(kuò)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(shè)計(jì)電源輸入是市電，整個(gè)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(duì)于繼電器供電，由于繼電器適應(yīng)電壓電流范圍廣，所以無(wú)需設(shè)計(jì)穩(wěn)壓模塊以增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高成本。對(duì)于系統(tǒng)供電，由于系統(tǒng)都是由單片機(jī)及各種芯片、電

31、容、電組構(gòu)成，不需要負(fù)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(zhuǎn)換的基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓源。穩(wěn)壓性能好的基準(zhǔn)電壓源是當(dāng)代模擬集成電路極為重要的組成部分，它為A/D，D/A轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)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(zhǔn)電源模塊MC7805。3.4 溫度采集模塊及溫度控制模塊方案設(shè)計(jì)1、 溫度采集模塊方案 溫度傳感器有四種類型：熱點(diǎn)偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測(cè)器以及IC溫度傳感器。熱敏電阻需要搭建電橋、溫度檢測(cè)器過(guò)于復(fù)雜、IC溫度傳感器不適應(yīng)工業(yè)溫度的特點(diǎn)，因此所選方案為熱電偶采集溫度。 熱電偶是比較常見(jiàn)的溫度采

32、集方案，它屬于接觸類測(cè)溫芯片，通過(guò)與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受外界干擾。熱點(diǎn)偶測(cè)溫的靈敏度非常高，受環(huán)境干擾非常小。設(shè)置冷端補(bǔ)償后誤差不超過(guò)0.2。采用熱電偶使能夠測(cè)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(diǎn)偶測(cè)溫，信號(hào)調(diào)節(jié)放大選用AD849X芯片。選用C8051F410內(nèi)部12為A/D進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，電路簡(jiǎn)單方便。通過(guò)選用高精度電壓穩(wěn)壓芯片電源做REF和電路調(diào)節(jié)，使測(cè)溫分辨率能達(dá)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(diǎn)，熱量傳遞的時(shí)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(duì)于這樣一些存在大的滯后特性的過(guò)渡過(guò)程控制，一

33、般可采用以下方案：（1）輸出開(kāi)關(guān)量控制：對(duì)于慣性較大的環(huán)節(jié)可的采用輸出開(kāi)關(guān)量控制的方法，這種方法通過(guò)比較給定值與被控參數(shù)的偏差來(lái)控制輸出狀態(tài)：開(kāi)通或關(guān)斷，因此控制過(guò)程十分簡(jiǎn)單也容易實(shí)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(gè)方向上變化的速率均為最大，因此容易引起反饋回路產(chǎn)生振蕩，對(duì)自動(dòng)控制會(huì)產(chǎn)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(duì)控制精度和動(dòng)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(duì)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(yù)測(cè)誤差，采取措施。對(duì)于溫度控制這樣的滯后系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(gè)問(wèn)題。積分的引進(jìn)，能是系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的誤差非常小，這對(duì)于溫度要求場(chǎng)合高的地方也是關(guān)鍵的一點(diǎn)。因此，PID控制適合于負(fù)荷變化大、滯后較大、控制質(zhì)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(jī)實(shí)現(xiàn)控制，無(wú)論采用上述哪一種控制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對(duì)軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)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(jìn)行PID運(yùn)算，結(jié)果作為占空比，使用軟件產(chǎn)生與占空比相關(guān)的PWM(Pulse_Width Modulation,脈寬調(diào)制)控制繼電器，以達(dá)到控制加熱功率的目的。3.5 按鍵、顯示、報(bào)警模

35、塊方案設(shè)計(jì)按鍵采用四個(gè)，主要用于設(shè)定溫度，功能分別為右移鍵，左移鍵，增大鍵，減少鍵。采用獨(dú)立式鍵盤，這種鍵盤硬件和軟件都容易實(shí)現(xiàn)，并且按鍵都互相獨(dú)立，按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)影響其他按鍵的狀態(tài)，由于按鍵功能少，實(shí)現(xiàn)的功能也比較簡(jiǎn)單，所以直接采用獨(dú)立式鍵盤而不采用行列式鍵盤。顯示采用LED顯示。因?yàn)轱@示的內(nèi)容只有數(shù)字，從實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度及成本考慮，都不易選用液晶等顯示。使用8個(gè)數(shù)碼管分別顯示3位溫度，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位的期望溫度與實(shí)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(gè)，節(jié)約出I/O口。 報(bào)警采用蜂鳴器報(bào)警。 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)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(fù)位電路C8051F410提供多種復(fù)位方式：上電復(fù)位、掉電復(fù)位和VDD監(jiān)視器、外部復(fù)位、時(shí)鐘丟失檢測(cè)器復(fù)位、比較器0復(fù)位、PCA看門狗定時(shí)器復(fù)位、FLASH錯(cuò)誤復(fù)位、smaRTClock復(fù)位、軟件復(fù)位。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)上選用上電復(fù)位。在上電后，器件保持在復(fù)位狀態(tài)，/

37、RST引腳被驅(qū)動(dòng)到低電平,直到VDD上升超過(guò)VRST電平，從復(fù)位開(kāi)始到退出復(fù)位狀態(tài)要經(jīng)過(guò)一個(gè)延時(shí)。2.串口通信UART是一個(gè)異步、全雙工串，它提供標(biāo)準(zhǔn)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(gè)時(shí)鐘源可以用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)串列傳輸速率。本系統(tǒng)使用定時(shí)器1的工作方式1用于產(chǎn)生波特率（8位UART，主要用于單機(jī)與PC機(jī)通信），用于調(diào)試過(guò)程中發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)到上位機(jī)，以驗(yàn)證程序正確性。3.在線調(diào)試C8051F410器件具有片內(nèi)Silicon Labs 2線(C2)界面調(diào)試電路，支持安裝好的電路上調(diào)試，有IPA和IPS兩種方式。調(diào)試電路是通過(guò)C2D及C2CK接口接入，中間加以USB調(diào)試適配

38、器，連接到PC機(jī)上的。本系統(tǒng)設(shè)有專門的調(diào)試電路，方便程序設(shè)計(jì)及修改。3.IIC總線電路在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)期望溫度好加熱時(shí)間等程序數(shù)據(jù)進(jìn)行掉電保護(hù)，若采用普通存儲(chǔ)器，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電池電路，并需要在硬件上增加掉電檢測(cè)電路，這無(wú)疑加大設(shè)計(jì)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(hù)存儲(chǔ)器。FM24C02采用具有IIC總線技術(shù)。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(diǎn)，屬于異步通信。IIC總線技術(shù)有一套相應(yīng)的完整的總線協(xié)議，可支持多機(jī)通信，主機(jī)通過(guò)地址識(shí)別對(duì)應(yīng)的從機(jī)。IIC總線由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL兩條線構(gòu)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(hào)分為地址碼和數(shù)據(jù)碼兩部分：地址碼用來(lái)選址，數(shù)據(jù)碼是通信內(nèi)容。FM24C029具有4K的存儲(chǔ)容量，使用標(biāo)準(zhǔn)IIC總線界面的串行EEPROM器件，硬件電路簡(jiǎn)單，可多次擦寫(xiě)，擦寫(xiě)次數(shù)10萬(wàn)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(xiě)控制位，該位為0，表示對(duì)芯片進(jìn)行寫(xiě)操作；該位為1，表示對(duì)芯片進(jìn)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(shí)鐘輸入端WP寫(xiě)保護(hù)端，用于硬件數(shù)據(jù)保護(hù)。低電平時(shí)，可以對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行正常讀寫(xiě)操作；高電平的時(shí)候，存儲(chǔ)器具有寫(xiě)保護(hù)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(gè)段選位連接，用于輸出段選信號(hào)。l P2.0到P2.3與4個(gè)按鍵相連，用于掃描按鍵信號(hào)。l P2.4到P2.6與74LS138譯碼器相連，用于輸出位選信號(hào)。l C2K和C2D與在線調(diào)試界面相連。l P0.7連接黃燈，P0.5連接藍(lán)燈，P0.4連接

41、紅燈。l P0.6與放大器相連，用于采集信號(hào)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(bào)警信號(hào)。l P0.0與光電二極管相連，用于輸出PWM控制信號(hào)。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(fù)位采用上電復(fù)位，使用內(nèi)部晶振。4.1.2 AD849X介紹及應(yīng)用由傳感器輸出的信號(hào)通常需要進(jìn)行電壓放大或功率放大，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，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(biāo)準(zhǔn)。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(hào)引腳名稱功能1-IN負(fù)輸入端2REF基準(zhǔn)電壓端3-VS負(fù)電源端4NC空引腳5SENSE在測(cè)量模式時(shí)候該引腳與OUT腳相連，在調(diào)整的時(shí)候，改引腳與調(diào)整電壓相連6OUT放大信號(hào)輸出端7+VS電源正極8+IN負(fù)輸入端AD849X12利用片上溫度傳感器執(zhí)行冷結(jié)補(bǔ)償。熱電偶可在寬環(huán)境溫度范圍內(nèi)進(jìn)行精確測(cè)量。芯片內(nèi)置一個(gè)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(zhǎng)引線熱電偶可能會(huì)拾取的共模噪音。如需額外保護(hù)，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(shè)計(jì)可以處理各種實(shí)際連接狀況。AD849X可以承受遠(yuǎn)高于電源軌的輸入電壓。一般應(yīng)用在J或K型熱電偶。2.低通濾波器在傳感器獲得的信號(hào)中，往往含有很多與被測(cè)量無(wú)關(guān)的頻率成分需要通過(guò)信號(hào)濾波電路濾掉。濾波器可以通過(guò)用R、L、C一些無(wú)源元件組成，稱為無(wú)源濾波器；也可以用無(wú)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(yùn)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(gè)低通濾波器作為信號(hào)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(hào)在制定截止頻率的低頻分量通過(guò)，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(lái)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(wú)源低通濾波器。4.2 主控制器電路設(shè)計(jì)主控制器部分是整個(gè)系統(tǒng)的中心部分，它連接著其他幾個(gè)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(jī)；R22和C12組成復(fù)位電路，RESET復(fù)位信號(hào)連接C8051F410芯片第2腳；FM24C02是存儲(chǔ)芯片，SCL和SDA是信號(hào)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(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)設(shè)定信息（包括設(shè)定溫度、加熱時(shí)間）的存儲(chǔ)；圖中電容C11、C15、C16、C17和C18都是起到濾波作用；圖中XS4是一個(gè)4針接口，接口一端的信號(hào)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(jì)算機(jī)串口，實(shí)現(xiàn)程序下載和調(diào)試。4.3 溫度采集及溫度控制模塊電路設(shè)計(jì)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(gè)2針接口，用于外接熱電偶，熱電偶采集的溫度信號(hào)送入放大器AD849X的第1腳和第8腳，經(jīng)過(guò)發(fā)達(dá)器AD849X調(diào)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(guò)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(guò)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(guò)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(hào)干擾，提高溫度測(cè)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(hào)，來(lái)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(kāi)關(guān)三極管，受光耦D1的控制，如果Relay_ctrl為高電平，開(kāi)關(guān)三極管V1導(dǎo)通，繼電器打開(kāi)，石墨電熱板加熱絲通電加熱；頭則開(kāi)關(guān)三極管截止，繼電器關(guān)閉，石墨電熱板加熱絲斷電，停止加熱；D12為一保護(hù)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(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)（1） 按鍵電路 根據(jù)設(shè)計(jì)需要，本系統(tǒng)使用4個(gè)按鍵，采用獨(dú)立式分布，按鍵消抖由軟件實(shí)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(gè)的LED構(gòu)成，一組用于顯示實(shí)際溫度，一組用于顯示設(shè)定溫度，最大顯示溫度為999。LED數(shù)碼管分共陰極與共陽(yáng)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(guò)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(bào)警電路 報(bào)警和發(fā)光二極管電路原理一樣：電路采用一個(gè)三極管開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)I/O口輸出高電平的時(shí)候，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器有電流通過(guò)，報(bào)警。在I/O口輸出的部分有RC電路保護(hù)蜂鳴器與LED。圖4.8 報(bào)警電路4.5 電源模塊電路設(shè)計(jì)電源是一個(gè)系統(tǒng)的心臟，維系這系統(tǒng)的運(yùn)行。一個(gè)好的電源才能確定

49、系統(tǒng)穩(wěn)定長(zhǎng)久的運(yùn)行。本系統(tǒng)采用市電輸入，電源設(shè)計(jì)主要包括變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)部分。并且系統(tǒng)分2個(gè)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?qū)щ娦詫⒄医涣麟妷鹤儞Q為單向脈動(dòng)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(gè)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(fù)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(jiǎn)單的濾波器，它是在整流電路的負(fù)載上并聯(lián)一個(gè)電容C。電容為帶有正、負(fù)極性的大電容，如點(diǎn)解電容、坦電容等。4. 穩(wěn)壓：基準(zhǔn)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(zhǔn)源。MC7805基準(zhǔn)電壓源的內(nèi)部電路很復(fù)雜，但應(yīng)用很簡(jiǎn)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(shè)計(jì)5.1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)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(shè)

51、計(jì)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(shè)計(jì) C8051F410的ADC轉(zhuǎn)換非常方便，不要態(tài)度的CPU干預(yù); 轉(zhuǎn)換精度高，±0.2的誤差，啟動(dòng)延遲一定時(shí)間后，讀取ADC相關(guān)寄存器里面的數(shù)據(jù)即可。溫度采集的準(zhǔn)確對(duì)直接關(guān)乎后面相關(guān)的溫度控制等，所以準(zhǔn)確的溫度采集很有必要，這里設(shè)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(shè)計(jì)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(yùn)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(wù)是：以實(shí)際溫度與期望溫度，通過(guò)計(jì)算，返回PWM控制的占空比。本系統(tǒng)運(yùn)用的是位置式PID算法，并引入抗積分飽和機(jī)制。所有用于記錄PID數(shù)據(jù)的都采用長(zhǎng)型浮點(diǎn)類型變量，防止整量化誤差。其中軟件中參數(shù)的整定是關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)調(diào)試部分有詳細(xì)的介紹。圖5.5 PID控制模塊流程圖5.2 中斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要有三個(gè)中斷源，對(duì)應(yīng)三個(gè)中斷服務(wù)程序ADC中斷服務(wù)程序、串口通信中斷服務(wù)程序、定時(shí)器3中斷服務(wù)程序。ADC中斷服務(wù)程序中是把ADC中斷標(biāo)志位清零。5.2.1 串口通信部分圖5.6 串口通信中斷服務(wù)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(shè)計(jì)中，串口通信部分設(shè)置一個(gè)串口環(huán)形緩沖區(qū)，當(dāng)在其他部分中要發(fā)送多組數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)時(shí)，可以直接寫(xiě)發(fā)送函數(shù)而無(wú)需等待上一組數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成。發(fā)送時(shí)會(huì)把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，發(fā)送完一組后能自動(dòng)取下一組數(shù)據(jù)發(fā)送而無(wú)需干涉。5.2.2 定時(shí)器3終端服務(wù)程序定時(shí)器3中斷服務(wù)程序是本程序的主要處理部分。它的中斷周期為1ms，定時(shí)器3的中斷服務(wù)程序主要處理了一下事情：中斷標(biāo)志位清零；產(chǎn)生心跳節(jié)拍記記錄中斷次數(shù)；4個(gè)標(biāo)志位的處理；以及模塊函數(shù)。主要包括三個(gè)模塊函數(shù)：報(bào)警處理模塊；