基于PCL711B采集卡的水溫控制系統(tǒng)

編號：畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書題目：PCL711B采集卡在水溫控制中的應(yīng)用院（系）：機電工程學(xué)院專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師單位：機械設(shè)計制造及其自動化教研室姓名：職稱：實驗師2009摘要水溫控制技術(shù)在很多工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和家用電器中廣泛應(yīng)用，控制算法一般采用PID控制，這是工業(yè)自動控制中常用的一種控制算法?；赑C的水溫控制系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集卡作為被控量信號的反饋通道和控制量信號的輸出通道，是控制器與被控對象之間的關(guān)鍵連接部件。本文設(shè)計了一個基于PCL711B采集卡的水溫控制系統(tǒng),由下位機、上位機、和通訊網(wǎng)絡(luò)三部分組成。下位機是基于采集卡PCL711B和溫度傳感器AD590的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，功能是對溫度的檢測與輸出控制。上位機采用計算機，與下位機進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互，并顯示各路溫度值及其曲線、控制參數(shù)、設(shè)定值等。其中，溫度檢測單元和可控硅調(diào)功控溫單元是本文的設(shè)計重點。溫度檢測單元，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)的要求我們選擇了溫度傳感器AD590，實現(xiàn)溫度采集。輸出控制單元是通過對加熱電阻絲的電源通斷來實現(xiàn)的，采用可控硅（晶閘管）調(diào)功方式。通過MOC3041光耦過零觸發(fā)器實現(xiàn)對功率晶閘管的過零觸發(fā)，從而實現(xiàn)對被控對象（如爐溫）的PID溫度調(diào)節(jié)。采用PID算法的控制方式控制雙向可控硅的導(dǎo)通、關(guān)斷,調(diào)整功率,使之切斷或接通加熱器,從而控制水溫穩(wěn)定在預(yù)設(shè)定值上。關(guān)鍵詞：PCL711B采集卡；溫度傳感AD590；PID溫度調(diào)節(jié)；可控硅調(diào)功

ABSTRACTTemperaturecontroltechnologyiswidelyusedtocontrolinmanyindustrialproductionequipmentandhouseholdappliances.Generally,thePIDcontrolalgorithmiscommonlyusedinindustrialautomaticcontrol.ThedataacquisitioncardisusedforTemperaturecontrolsystembasedonPCasachannel.Thechannelsincludethefeedbackchannelforthesignalofcontrolevolumeandtheoutputchannelforthesignalofcontroledvolume.Thedataacquisitioncardisthekeycomponentsconnectionsthecontrollerwiththetargetcontroled.ThepapermaindesignsabrainpowercontrollingsystemofwatertemperaturebasedontheAcquisitionCardAD590.Itconsistsofupamachine,bottomamachine,andcommunicationnetwork.BottomamachineisahighaccuracydatacollectionsystemthatbasesontheAcquisitionCardPCL711BandthetemperaturesensorAD590system.Itsfunctionistotemperatureandoutputthecontrol.TheupamachineisaPC.withthebottomamachineproceedingdatainformationhandsoverwitheachother,combineeachroadofmanifestationtemperaturevalueanditscurve,controlparameter,initialvalue...etc.Amongthem,theunitsofthetemperatureexaminationandtheregulatingpowerofthecan-controlledsiliconarethepointsofthisdesign.Forthetemperatureexaminationunit,consideroftheindexrequestofthedesign,wechoosingthethetemperaturesensorAD590torealizetemperaturecollection.Theoutputcontrolledunitisachievedbyturn-onandturn-offofthepowersupplyoftheheatedresistancewire,andadopttheregulatingpowerofthecan-controlledsilicon.viaphotoelectricitycouplingby-zerotriggerMOC3041,itcanactualizeby-zerotouch-offtopowerthyristor,therebyactualizethePIDthermoregulationoftheundercontroller(suchasthetemperaturecampstove).ThePIDcontrolalgorithmisusedtocontroloftwo-waythyristorconduction,turn-off,adjustingthepower,cutofforconnectedtotheheatertocontrolthewatertemperaturehasstabilizedatpre-setvalue.KeyWords:theAcquisitionCardr;PCL711B;thetemperaturesensorAD590;thePIDthermoregulation；theregulatingpowerofthecan-controlledsilico

目錄TOC\o"1-3"\u引言 11緒論 21.1課題研究背景和意義 21.1.1數(shù)據(jù)采集 21.1.2基于PC的控制系統(tǒng) 51.1.3溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展 51.2本課題的研究內(nèi)容和要求 62系統(tǒng)方案設(shè)計 83硬件設(shè)計 93.1檢測電路設(shè)計 93.2控制電路設(shè)計 113.3系統(tǒng)電源設(shè)計 143.4總體電路設(shè)計 154PCL711B采集卡介紹 174.1簡介 174.1.1規(guī)格 174.1.2一般特性 184.2PCL711B參數(shù)設(shè)置 184.2.1I/O端口設(shè)置 184.2.2I/O地址選擇 194.3D/A范圍選擇 194.4連接針頭的分配 205軟件設(shè)計 225.1程序設(shè)計 225.1.1溫度控制程序設(shè)計 225.1.2界面設(shè)計 255.1.3PID運算程序設(shè)計 275.2PID程序調(diào)試： 295.2.1參數(shù)選擇方法 295.2.2采樣周期的選擇 316水溫電熱裝置分析 337結(jié)論 35謝辭 36參考文獻(xiàn) 37引言眾所周知，溫度控制在我們的日常生活及工業(yè)上生產(chǎn)上都有著廣泛的應(yīng)用?？茖W(xué)在進(jìn)步，人們對溫度控制的要求越來越高，在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中更是如此。因此測量控制系統(tǒng)的精度將成為衡量一個系統(tǒng)成敗的重要指標(biāo)。水溫控制系統(tǒng)作為一種比較常見的溫控系統(tǒng)，在我們的生活中的應(yīng)用更加廣泛。功能上對其稍加擴展可以進(jìn)一步用于室溫控制、其他溫控設(shè)施。水溫控制的方法很多，在一些溫控系統(tǒng)中，一般我們常見的有熱敏電阻、溫度傳感器PT100、熱電偶轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換器能接收的模擬量，經(jīng)過采樣/保持電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，再送入單片機及其相應(yīng)的外圍電路，完成監(jiān)控。但是由于傳統(tǒng)的信號處理電路實現(xiàn)復(fù)雜、易受干擾、不易控制且精度不高，所以在我們這個系統(tǒng)當(dāng)中采用線性變化的AD590溫度傳感器與性價比良好的晶閘管和功能強大的PCL711B采集卡。PCL711B是一款I(lǐng)SA總線的半長卡，能夠為PC/AT及其兼容系統(tǒng)提供四相基本I/O功能：A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出。PCL711B成本低，能夠執(zhí)行多種I/O工作，是OEM、學(xué)校和企業(yè)的理想選擇。

1緒論進(jìn)入21世紀(jì)后，數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域正在發(fā)生著重要的變化。首先,分布式控制應(yīng)用場合中的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正在發(fā)展。其次,總線兼容型數(shù)據(jù)采集插件的數(shù)量正在增大,與個人計算機兼客的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量也在增加。數(shù)據(jù)采集與控制數(shù)據(jù)采集已長時間地被認(rèn)為與數(shù)據(jù)記錄及其它數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)相等同。在工作時,一些要打印出硬拷貝,而另一些則把采集的數(shù)據(jù)饋送給主計算機處理。但是,隨著分布式控制在各個領(lǐng)域里越來越普遍地應(yīng)用,數(shù)據(jù)采集設(shè)備開始同控制設(shè)備相結(jié)合。1.1課題研究背景和意義1.1.1數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個領(lǐng)域。比如攝像頭，麥克風(fēng)，都是數(shù)據(jù)采集工具。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風(fēng)速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數(shù)據(jù)重復(fù)采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值，也可是某段時間內(nèi)的一個特征值。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)量測是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測對象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確性。數(shù)據(jù)采集含義很廣，包抱對面狀連續(xù)物理量的采集。在計算機輔助制圖、測圖、設(shè)計中，對圖形或圖像數(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集，此時被采集的是幾何量（或包括物理量，如灰度）數(shù)據(jù)。在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)采集已經(jīng)被廣泛互聯(lián)網(wǎng)及分布式領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了重要的變化。首先,分布式控制應(yīng)用場合中的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國內(nèi)外已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。其次,總線兼容型數(shù)據(jù)采集插件的數(shù)量不斷增大,與個人計算機兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量也在增加。國內(nèi)外各種數(shù)據(jù)采集機先后問世，將數(shù)據(jù)采集帶入了一個全新的時代。（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展近況現(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在系統(tǒng)初始化、編程、修改、擴充等方面,變得比過去更加容易。變換器的技術(shù)進(jìn)展,允許以更高的分辨率,更快的采樣速率和更低的成本實現(xiàn)更精密的測量其他硬件的改進(jìn)使功能模塊能夠互換。這些功能模塊通過對電流、電壓和電阻的檢測,實現(xiàn)對諸如應(yīng)變、溫度、壓力和流量等物理量的測量。附加模塊有助于控制任務(wù)的圓滿完成。各制造廠家正在用接口技術(shù)如變壓器禍和光隔離技術(shù)來消除“黑盒子”接口和解決噪聲間題。大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用菜單驅(qū)動軟件,用戶可以采用諸如這樣的高級語言或用提供更高級控制的擴展型語言來編程。為了增強數(shù)據(jù)顯示能力,也可買到作圖軟件包。不久以前,要實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還需要購買一臺計算機，購買或設(shè)計接口板,然后把這些硬件組合起來,并研制驅(qū)動這些硬件的軟件—這一切,說起來容易,做起來難。把這樣的系統(tǒng)建立并運行起來,不僅要耗費大量的時間,而且投資巨大。結(jié)果,盡管工程師們需要精良的測量設(shè)備,但他們總是有點不愿意從事數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制開發(fā)工作。這樣的系統(tǒng)投入運行,常常只在有限的應(yīng)用中,完成一項任務(wù)。顯然,要想使這樣的系統(tǒng)有較高的效費比,其測量或采集任務(wù)必須在一個相當(dāng)長的時間里保持不變。如果任務(wù)改變,我們就又要付出巨大的努力來重新組合這個系統(tǒng),從而導(dǎo)致開支增加,成本提高。幸而,上面所述的情況已不再是一成不變的了。技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)消除或顯著地減少了上述的在系統(tǒng)實現(xiàn)中出現(xiàn)的大多數(shù)問題?，F(xiàn)在可供選擇的范廣,用戶可以定做設(shè)備,也可以購買成套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。今天的系統(tǒng)正在全面地解決過去如何進(jìn)行名目繁多的、常常是同時的測量以及如何完成數(shù)據(jù)分析等問題。（2）發(fā)展趨勢及其代表有幾個因素影響著今天的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展。最重要的是,現(xiàn)在許多公司終于充供了解決測量和完成數(shù)據(jù)分析的省錢的途徑,它當(dāng)然會對數(shù)據(jù)采集市場產(chǎn)生影響。然而,當(dāng)選擇這種性質(zhì)的系統(tǒng)時,用戶必須在一定的采樣速率要求下進(jìn)行價格性能的析衷考慮。目前可以得到的大多數(shù)兼容系統(tǒng)具有位的分辨率,最大單通道采樣速度大約為,它們的價格在美元至美元之間。按照這些系統(tǒng)制造廠商的說法,更快的采樣速度接近即將問世。不過對許多應(yīng)用來說,這些兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),足以滿足要求。但,在沖擊和噪聲測量這樣的應(yīng)用場合,則應(yīng)提供更高的采樣速度的系統(tǒng)。①PC兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)美國公司生產(chǎn)的ACRO-SYSTEM800型是與或與Apple個人計算機兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個實例。當(dāng)800型構(gòu)成一個單通道系統(tǒng)時，它能達(dá)到5000次秒的數(shù)據(jù)采樣速度。其互鎖模塊的設(shè)計便于系統(tǒng)的重新組合。一臺8088微處理機可控制15個輸入/輸出功能模塊（即測量溫度應(yīng)變等的插件）,從而把PC主機解放出來,使它能進(jìn)行附加的數(shù)據(jù)分析。浮動的（變壓器藕合）輸入和輸出能提供電氣上最大抗擾性。另外,軟件包括聯(lián)機求助功能,該能按照程序語法規(guī)程給用戶以幫助。作為首批進(jìn)入PC兼容數(shù)據(jù)采集市場公司之一的Cyborgg計算機提供了ISSAC和ISSA2000。ISSA2000的突發(fā)式采樣速度接近200KHZ(分辨率為12位),反映了個人計機驅(qū)動的系統(tǒng)是朝著提高采樣速度方向發(fā)展。它的程序設(shè)計語言（Labsoft）包含于數(shù)據(jù)采集的命令,可通過IBMBASIC存取。最后, ISSAC2000能控制到8個高速A/D模塊或16個較低速模塊(例如較低速的A/D模塊),熱電偶接口,等等。②高速數(shù)據(jù)采集盡管PC兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正在開辟一個新的市場,但ADAC、GOULD、惠普、ANALOGIC和NEFF儀器這些公司所生產(chǎn)的高速系統(tǒng)其采樣速度高于40KHZ仍占據(jù)重要的位置。相應(yīng)地,速度的加快和處理能力的增強還意味著價格的提高這一類的完整系統(tǒng)價格一般在1--10萬美元之間。除本文前面提到的那些應(yīng)用之外,這樣的系統(tǒng)還能產(chǎn)生快速付里葉變換,能完成振蕩分析和暫態(tài)分析。ADAC公司提供了在廣闊領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。這種設(shè)備包括稱之為的成套系統(tǒng)。若和一系統(tǒng)包括一和一一配套時,據(jù)說能以每秒萬次的轉(zhuǎn)換速率分辨率為位連續(xù)地把數(shù)據(jù)送入磁盤。該系統(tǒng)的速度是從它的高速變換器模塊和個接存貯器存取控制器得到的。由于FASTRAK的軟件是菜單驅(qū)動的,用戶就沒必要進(jìn)行程序設(shè)計。一系列提示和提問指導(dǎo)著操作人員完成解釋數(shù)據(jù)文本和規(guī)定如增益、通道掃描和觸發(fā)方式這些參數(shù)的任務(wù)。公司宣稱:FASTRAK裝上那天,就可以開始收集數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)成套設(shè)備包括一個有滾輪的機箱,系統(tǒng)箱體,一個LSI-11/23CPU,512K字節(jié)的存貯器,兩個串聯(lián)端口,一個溫盤,VT101終端,FASTRAK模塊和安裝在機箱后面的螺旋式終端板。③低速數(shù)據(jù)采集有許多應(yīng)用不需要采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的用戶一般都只用它們來監(jiān)控象溫度和應(yīng)變這樣的參數(shù),以及監(jiān)控各種各樣的環(huán)境條件。大多數(shù)這樣的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的起始價格約為1萬美元。本月,JOHNFLUKEMANUFACTURING公司介紹了一種稱為2452MCS型的新測量和控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)把FLUKE1722A儀表控制器和2400B智能計算機前端結(jié)合起來。2400B提供數(shù)字和模擬側(cè)量,信號波形修整和智能判定。而1722A則斌予該系統(tǒng)計算能力?；萜展旧a(chǎn)的另一種低速系統(tǒng),允許用戶在4種機型中任選一種機型來驅(qū)動系統(tǒng)。HP3054A型數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)可選用HP85A、HP9825T、HP9835A或。這些計算機每種都為用戶提供不同的編程、數(shù)據(jù)存貯和格式化能力。由于許多低速系統(tǒng)是在生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境中工作,因此這些設(shè)備一般都能經(jīng)受住有害大氣條件(例如熱、濕、化學(xué)污染物)的危害。這樣的環(huán)境能大大降低沒有采取同這些不利環(huán)境隔離措施系統(tǒng)的性能,當(dāng)選擇系統(tǒng)時,用戶應(yīng)考慮這一特點。（3）應(yīng)用的擴大為了滿足測試工程師的需要,現(xiàn)在許多廠商大大擴大了前端模擬數(shù)字輸入輸出插件的選擇范圍。這些插件斌予數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以多種功能,因而現(xiàn)在開辟了這種系統(tǒng)的許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。此外,最近推出用來裝備測試工程師的以個人計算機為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都價格低廉,可以取代那些性能較高但價格昂貴的專用系統(tǒng)?？梢哉雇麛?shù)據(jù)采集的發(fā)展前景價廉、快速、高分辨率的A/D變換器的發(fā)展,肯定可使更高速度的價廉物美的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)付諸實現(xiàn)。1.1.2基于PC的控制系統(tǒng)基于PC的控制系統(tǒng)的優(yōu)勢：PC自身的軟、硬件條件為開發(fā)基于PC的超聲磁力復(fù)合研磨控制系統(tǒng)提供了可能。相對基于單片機、PLC等控制器件的控制系統(tǒng)，基于PC的控制系統(tǒng)無論功能、穩(wěn)定性還是性價比方面都有更大的優(yōu)勢：第一，無論是處理器的頻率、存儲器的容量，還是輸入輸出以及顯示功能，PC都有較高的性能。PC強大的I/O接口功能和運算速度是單片機、PLC等其他控制器件可望而不可即的。第二，PC的硬件是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，性能可靠，互換性好，價格低廉，性能高。采用PC作為控制系統(tǒng)的硬件平臺，將大大降低系統(tǒng)構(gòu)建的難度，高度集成的各種板卡為控制系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性都提供了保證。第三，PC上的軟件資源相當(dāng)豐富。通用的圖形化窗口操作系統(tǒng)提供了文件管理、應(yīng)用程序并行調(diào)度、進(jìn)程間通信、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫功能等等，都可直接或間接地支持控制系統(tǒng)的開發(fā)和運行。系統(tǒng)軟件開發(fā)以操作系統(tǒng)和高級語言為基礎(chǔ)，簡化了控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，增強了控制系統(tǒng)軟件功能和穩(wěn)定性。因此不僅可以大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期和減少資金投入，而且系統(tǒng)功能也得到了保證。1.1.3溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展（1）國外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國的技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點：①適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。②能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。③能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)的控制。④這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術(shù)，運用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛。⑤普遍溫控器具有參數(shù)自整定功能。借助計算機軟件技術(shù)，溫控器具有對控制對象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。⑥溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強、魯棒性好的特點。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。（2）國內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少目前，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外的差距主要表現(xiàn)在如下幾個方面:①行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，導(dǎo)致研發(fā)能力不強，制約技術(shù)發(fā)展。②商品化產(chǎn)品以PID控制器為主，智能化儀表少，這方面同國外差距較大，目前，國內(nèi)企業(yè)復(fù)雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)大多采用進(jìn)口溫度控制儀表。③儀表控制用關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)算法及控制軟件方面的研究較國外滯后。例如:在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件。控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試來確定。這些差距，是我們必須努力克服的。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及加入WTO，我國政府及企業(yè)對此都非常重視，對相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過合資、技術(shù)合作等方式，組建了一批合資、合作及獨資企業(yè)，使我國溫度等儀表工業(yè)得到迅速的發(fā)展。1.2本課題的研究內(nèi)容和要求水溫控制技術(shù)在很多工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和家用電器中廣泛應(yīng)用，控制算法一般采用PID控制，這是工業(yè)自動控制中常用的一種控制算法?；赑C的水溫控制系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集卡作為被控量信號的反饋通道和控制量信號的輸出通道，是控制器與被控對象之間的關(guān)鍵連接部件。本課題在對PCL711B數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于水溫的恒值控制。本課題的具體任務(wù)是：（1）掌握在DOS編程環(huán)境下開發(fā)工業(yè)控制程序的知識和方法。（2）掌握PCL711B數(shù)據(jù)采集卡用于溫度測量和控制的編程方法。（3）分析一個水溫電熱系統(tǒng)的動態(tài)特性，確定PID控制參數(shù)。（4）設(shè)計并調(diào)試水溫反饋控制系統(tǒng)的DOS應(yīng)用程序。（5）測試控制程序運行時的水溫控制效果。本課題的具體要求是：以PCL711B數(shù)據(jù)采集卡和工控微機為控制平臺開發(fā)水溫反饋控制的DOS應(yīng)用程序，采用簡潔的彩色圖形用戶界面，軟件具備水溫控制的基本功能。以傳遞函數(shù)描述水溫電熱系統(tǒng)的動態(tài)特性，采用MATLAB對PID參數(shù)的控制效果進(jìn)行仿真。水溫控制在60℃，溫度顯示分辨力0.1℃，控制精度3%，最大超調(diào)量≤15%，實時顯示水溫及其變化曲線。

2系統(tǒng)方案設(shè)計水溫控制系統(tǒng)的工作原理：通過熱敏電阻、溫度傳感器PT100、熱電偶等傳感器直接對水溫進(jìn)行檢測，產(chǎn)生的電壓模擬信號傳送到采集卡，由計算機進(jìn)行連續(xù)采集，做出相應(yīng)的比較后控制采集卡輸出數(shù)字信號到繼電器或可控硅等電路開關(guān)，從而快速控制電熱裝置接通或關(guān)斷，最后實現(xiàn)對水溫的控制。系統(tǒng)框圖如下：圖2.1系統(tǒng)框圖根據(jù)題目要求，采用PCL711B采集卡為核心，我們提出了以下三種方案：方案一：此方案采用熱敏電阻、繼電器和精密電阻，通過熱電偶轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量供采集卡接收，再由采集卡輸出控制信號控制繼電器通斷，以達(dá)到控制水溫的目的；方案二：此方案采用18B20溫度傳感器、晶閘管和單片機，通過18B20溫度傳感器對水溫進(jìn)行檢測，輸出信號經(jīng)單片機處理后供采集卡接收，再由采集卡輸出信號控制晶閘管通斷，以達(dá)到控制水溫的目的。方案三：此方案采用MOC3041芯片、AD590溫度傳感器、晶閘管，利用AD590串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)碾娮杞M成檢測電路，直接輸出電壓供采集卡采集，經(jīng)過處理后輸出數(shù)字信號給MOC3041來控制晶閘管的通斷，進(jìn)而達(dá)到恒溫效果。方案對比分析：方案一中由于熱敏電阻的溫度變化不是線性的，需要一個不受溫度影響或影響不大的精密電阻，這無疑增加了成本。還有就是繼電器的被控溫度在一定范圍內(nèi)變化，不能實現(xiàn)PID控制，因此該方案行不通。對于方案二中采用的是應(yīng)用相當(dāng)頻繁的18B20溫度傳感器，雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用線少等優(yōu)點，但不能實現(xiàn)與采集卡直接連接，需要加一個單片機才能實行通訊，這將使設(shè)計變得復(fù)雜，增加了工作量。而方案三使用的是線性很好的AD590溫度傳感器，它嚴(yán)格按照電流隨著溫度線性變化，使得輸出的電壓也線性變化，那么采集卡所采集到的數(shù)據(jù)就相當(dāng)可靠，進(jìn)而輸出更準(zhǔn)確的控制信號，MOC3041接收信號后控制晶閘管的通斷，實現(xiàn)控溫。經(jīng)過對比后，方案三是最優(yōu)選擇。3硬件設(shè)計3.1檢測電路設(shè)計檢測電路部分是AD590溫度傳感器和一個普通電阻串聯(lián)的簡單電路。溫度傳感器AD590經(jīng)過封裝后放入水中，在電路接通后，開始采集溫度，將溫度轉(zhuǎn)換為電流，從而得到采集卡能直接采集的電壓模擬量。圖3.1檢測電路集成溫度傳感器實質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b—e結(jié)壓降的不飽和值V與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度O℃時輸出為O，溫度25℃時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1uA/K。集成溫度傳感器是集成溫度傳感技術(shù)與集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，利用集成電路工藝技術(shù)，將感溫元件與外圍電路集成在同一塊芯片上，從而和傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有很多優(yōu)越性，諸如不需要線性化或冷補償，體積小，功耗低，精確度高，可以與數(shù)字系統(tǒng)直接相連等。其中美國ANALOGDEVICE公司生產(chǎn)的AD59O以其良好的性能/價格比得到了廣泛的應(yīng)用。AD590是繼電壓輸出型溫度傳感器之后發(fā)展的一種電流輸出型溫度傳感器，以電流輸出作為溫度指標(biāo)，在激勵電壓為430V時，AD590的輸出電流與絕對溫度成正比，表現(xiàn)出高阻抗恒流調(diào)節(jié)的優(yōu)良特性。作為正比于溫度的高阻電流源，AD59O可以和數(shù)百歐姆的電阻串聯(lián)使用，不易受接觸電阻、引線電阻和電壓噪聲的干擾，適合于多點溫度測量和遠(yuǎn)距離溫度測量和控制。AD590簡介(1)AD59O溫度傳感器的工作原理隨著半導(dǎo)體技術(shù)和測溫技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在一定的電流模式下，PN結(jié)的正向電壓與溫度具有很好的線性關(guān)系。AD590就是利用硅晶體管的基本性能實現(xiàn)與溫度成正比的。根據(jù)PN結(jié)理論，對于理想二極管，只要正向電壓大于幾個，其正向電流與正向電壓和溫度之間的關(guān)系可表示為(3-1)式中為二極管反向飽和電流，為玻爾茲曼常數(shù)(),為絕對溫度(K)，為電子電荷(庫倫)；將式(3-1)兩邊除以，并取對數(shù)，整理后得到(3-2)從式(3-2)中可知，在一定的電流下，二極管的正向電壓隨溫度的升高而降低，故呈現(xiàn)負(fù)的溫度系數(shù)，AD590就是根據(jù)上式進(jìn)行工作的。由半導(dǎo)體理論可知，對于實際的二極管來說，只要它們工作在PN結(jié)空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面漏電流可以忽略，而又未發(fā)生在大注入效應(yīng)的電壓和溫度范圍內(nèi)，其特性與上述理想二極管是相符的。經(jīng)研究表明，對于鍺和硅二極管，在相當(dāng)寬的一個溫度范圍內(nèi)，其在正向電壓和溫度之間的關(guān)系與式(3-2)是吻合的。（2）AD590的性能特點AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：①流過器件的電流(uA)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)；②AD590的測溫范圍為-55℃～+150℃：③AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V～6V范圍變化，電流變化1uA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞；④輸出電阻為71OMΩ；⑤精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+15O℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。AD590實物圖如下：圖3.2AD590實物圖圖3.3AD590符號簡圖3.2控制電路設(shè)計控制電路部分采用MOC3041和晶閘管，溫度控制方法如下：該系統(tǒng)使用PCL711B采集卡的DO口發(fā)出的脈沖來控制MOC3041何時發(fā)出使可控硅導(dǎo)通的觸發(fā)脈沖。具體的控制電路如圖：圖3.4控制電路MOC3041介紹：MOC3041的實物圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳如下圖:圖3.5MOC3041實物圖圖3.6MOC3041內(nèi)部結(jié)構(gòu)外部引腳MOC3041芯片是一種集成的帶有光耦合的雙向可控硅驅(qū)動電路,內(nèi)部集成了發(fā)光二極管,雙向可控硅和過零觸發(fā)電路等器件。使用MOC3041的過程是:當(dāng)D/O0口輸出為低電平時,3041內(nèi)部導(dǎo)通,4端發(fā)出同步觸發(fā)脈沖,控制可控硅導(dǎo)通,打開加熱器,當(dāng)D/O0口為高電平時,MOC3041內(nèi)部截止,可控硅斷開,停止加熱關(guān)閉加熱器?？刂凭幊虂砜刂艱/O0口的輸出狀態(tài)即何時為低電平,低電平維持多久就可以控制加熱器何時加熱,加熱多久,從而達(dá)到對溫度的控制。可控硅-晶閘管介紹:晶閘管，又稱可控硅（單向SCR、雙向BCR）是一種4層的（PNPN）三端器件。在電子技術(shù)和工業(yè)控制中，被派作整流和電子開關(guān)等用場。在這里，筆者介紹它們的基本特性和幾種典型應(yīng)用電路。

（1）鎖存器電路。

圖1是一種由繼電器J、電源（+12）、開關(guān)K1和微動開關(guān)K2組成的鎖存器電路。當(dāng)電源開關(guān)K1閉合時，因J回路中的開關(guān)K2和其觸點J-1是斷開的，繼電器J不工作，其觸點J-2也未閉合，所以電珠L不亮。一旦人工觸動一下K2，J得電激活，對應(yīng)的觸點J-1、J-2閉合，L點亮。此時微動開關(guān)K2不再起作用（已自鎖）。要使電珠L熄滅，只有斷開電源開關(guān)K1使繼電器釋放，電珠L才會熄滅。所以該電路具有鎖存器（J-1自鎖）的功能。圖2電路是用單向可控硅SCR代替圖1中的繼電器J,仍可完成圖1的鎖存器功能，即開關(guān)K1閉合時，電路不工作，電珠L不亮。當(dāng)觸動一下微動開關(guān)K2時，SCR因電源電壓通過R1對門極加電而被觸發(fā)導(dǎo)通且自鎖,L點亮，此時K2不再起作用，要使L熄滅，只有斷開K1。由此可見，圖2電路也具有鎖存器的功能。圖2與圖1雖然都具有鎖存器功能，但它們的工作條件仍有區(qū)別：(1)圖1的鎖存功能是利用繼電器觸點的閉合維持其J線圈和L的電流，但圖2中，是利用SCR自身導(dǎo)通完成鎖存功能。(2)圖1的J與控制器件L完全處于隔離狀態(tài)，但圖2中的SCR與L不能隔離。所以在實際應(yīng)用電路中，常把圖1和圖2電路混合使用，完成所需的鎖存器功能。（2）單向可控硅SCR振蕩器。

圖3電路是利用SCR的鎖存性制作的低頻振蕩器電路。圖中的揚聲器LS(8Ω/0.5W）作為振蕩器的負(fù)載。當(dāng)電路接上電源時，由于電源通過R1對C1充電，初始時，C1電壓很低，A、B端的電位器W的分壓不能觸發(fā)SCR，SCR不導(dǎo)通。當(dāng)C1充得電壓達(dá)到一定值時，A、B端電壓升高，SCR被觸發(fā)而導(dǎo)通。一旦SCR導(dǎo)通，電容器C1通過SCR和LS放電，結(jié)果A、B端的電壓又下降，當(dāng)A、B端電壓下降到很低時，又使SCR截止，一旦SCR截止，電容器C1又通過R1充電，這種充放電過程反復(fù)進(jìn)行形成電路的振蕩，此時LS發(fā)出響聲。電路中的Ｗ可用來調(diào)節(jié)SCR門極電壓的大小，以達(dá)到控制振蕩器的頻率變化。按圖中元件數(shù)據(jù)，C1取值為0．22～4μF，電路均可正常工作。（3）SCR半波整流穩(wěn)壓電源。

如圖4電路，是一種輸出電壓為＋12V的穩(wěn)壓電源。該電路的特點是變壓器B將220V的電壓變換為低壓（16～20V），采用單向可控硅SCR半波整流。SCR的門極G從R1、D1和D2的回路中的C點取出約13．4V的電壓作為SCR門陰間的偏置電壓。電容器C1起濾波和儲能作用。在輸出CD端可獲得約＋12V的穩(wěn)壓。（4）SCR全波整流穩(wěn)壓電源。上述的半波整流穩(wěn)壓電源，其缺點是電源的效率低，其紋波也較大。圖5的SCR全波整流穩(wěn)壓電源，完全克服了上述的缺點。該電路的輸出電壓也為12V（也可改接成其他電壓輸出）。該電路實際是由圖4的兩個半波整流和穩(wěn)壓電路組合而成。D1、SCR1、D4等工作在交流的正半周；D2、SCR2、D6等工作在交流的負(fù)半周，他們共同向輸出的C、D端提供電流。電路中的D3、D5起隔離作用，即D3是防止A點交流負(fù)半周時，其電流通過R1；D5是防止A點交流正半周時，其電流通過R2的。電路的其他工作過程與上期圖4相同。（5）雙向可控硅和固體繼器(SSR)。

利用雙向可控硅BCR制作調(diào)光器是BCR最常見的應(yīng)用，這里不再復(fù)述。筆者剖析過一種Sharp（夏普）固體繼電器SSR（S201S02型）產(chǎn)品的內(nèi)部電路，以此說明BCR的應(yīng)用，如圖6所示。由圖可見，該SSR產(chǎn)品是由雙向可控硅BCR和光耦合交流過零觸發(fā)電路共同組成的，因此該SSR的效率高（即功耗小）、自身引起的電噪聲（脈沖式干擾）很小。利用圖6的內(nèi)部電路，讀者完全可以自制SSR，并把他應(yīng)用到控制電路中，如圖7可控制交流（220V）電源的插座電路。圖中的光耦合器MOC3041為BCR提供交流過流觸發(fā)信號。一般MOC3041的輸入控制電流約20MA，所以當(dāng)控制信號為5V時，其限流電阻取270Ω。圖中的R2是控制BCR門極（G）觸發(fā)電流的，該值應(yīng)隨使用BCR型號而調(diào)整的，一般6A／700V的BCR，其G極所需的觸發(fā)電流約10MA，即可可靠觸發(fā)BCR工作。圖中的Z為交流電源插座。當(dāng)圖7中的控制信號輸出5V電平時，BCR導(dǎo)通，Z上即有220V的電壓輸出，反之，Z無輸出電壓。（6）抑制RF干擾的輔助電路

當(dāng)電路中使用了可控硅作多種控制電路時，一般應(yīng)附加抑制RF干擾的輔助電路，尤其是使用了雙向可控硅的電路。一般抑制RF干擾的電路是加在交流電源的輸入端，如圖8所示。電路中的電感L1、L2和電容器C1的值已在圖中標(biāo)注。圖3.7晶閘管的工作原理圖3.3系統(tǒng)電源設(shè)計除了電熱裝置需要DC220V電源外，系統(tǒng)其他部分需設(shè)計直流電源。其中控制電路的MOC3041芯片需要DC5V電源，檢測部分的溫度傳感器需要DC12V電源。電源設(shè)計是電路設(shè)計很重要關(guān)節(jié)。它的穩(wěn)定與否涉及到電路是否能穩(wěn)定工作。遵照要求需要一個+5V電壓和一個+12V電壓。LM7805和LM7812都是三端穩(wěn)壓集成電路，LM7805輸出是＋5V，LM7812輸出是+12V。AC220V經(jīng)220：15V變壓器變壓后得到AC15V，經(jīng)過全橋整流得到DC18V左右電源，再經(jīng)過LM7812穩(wěn)壓得到DC12V作為電機電源；該DC12V電源濾波后經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓得到DC5V電源。圖3.8電源電路3.4總體電路設(shè)計完成對各部分電路的設(shè)計后，將其進(jìn)行分析組合，得到圖3.10所示完整的總電路圖74LS14芯片介紹74LS14是一個6反向器，引腳定義如下圖：圖3.974LS14芯片A端為輸入端，Y端為輸出端，一片芯片一共6路，即1，3，5，9，11，13為輸入端，2，4，6，8，10，12為輸出端，輸出結(jié)果與輸入結(jié)果反向。即如果輸入端為高電平，那么輸出為低電平。如果輸入低電平，輸出為高電平。圖3.10總設(shè)計圖

4PCL711B采集卡介紹4.1簡介系統(tǒng)選用的是研華公司制造的用于IBM個人計算機和其他兼容機的高性能、高速多功能的數(shù)據(jù)采集控制卡PCL711B。它提供了A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出等I/O功能。PCL711B可實現(xiàn)8路模擬量單端輸入,其A/D轉(zhuǎn)換支持3種觸發(fā)模式軟件觸發(fā)、可編程計時器觸發(fā)和外部脈沖觸發(fā)。另外,還具有一個用于讀取微弱輸入信號的高增益可編程放大器,可對每個輸入通道的增益進(jìn)行編程設(shè)置。4.1.1規(guī)格(1)模擬量輸入（A/D轉(zhuǎn)換）通道：8路單端輸入分辨率：12位輸入范圍：+0.625V，+1.25V，+2.5，+5V,+0.3125V,可編程轉(zhuǎn)換器：AD574或兼容轉(zhuǎn)換時間：25uS（最大）精度：+1LSB非線性度：+1位放大增益：*1、*2、*4、*8或*16，軟件可編程觸發(fā)模式：軟件觸發(fā)、定時器觸發(fā)或外部觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸：輪詢方式或中斷方式過載電壓：持續(xù)+30V（最大）IRQ級：IRQ2-IRQ7(2)模擬量輸出（D/A轉(zhuǎn)換）通道：1路模擬輸出分辨率：12位輸出范圍：0+5V或0+10V建立時間：30uS基準(zhǔn)電壓：內(nèi)部-5V或-10V（+0.05V）轉(zhuǎn)換器：PM7548GP或兼容線性度：+1/2LSB輸出驅(qū)動能力：+5mA(最大)(3)數(shù)字量輸入通道：16路電平：與TTL電平兼容輸入電壓：低電平：00.8V高電平：最小2V輸入負(fù)載：低電平：+0.5V@0.4mA(最大)高電平：+2.7V@0.05mA最大）(4)數(shù)字量輸出通道：16路電平：與TTL電平兼容驅(qū)動能力：低電平：8mA@0.5V(最大)高電平：-0.4mA@2.4V(最小)4.1.2一般特性(1)功耗：+5V@500mA(典型)，1.0A（最大）+12V@50mA(典型)，100mA(最大)-12V@14mA(典型)，20mA(最大)(2)工作溫度：0°50°C（32°122°） (3)存儲溫度：-2065°C（-4149°F）(4)工作濕度：5%95%RH，無凝結(jié)。(5)接口：1個用于A/D和D/A的20心扁平電纜接口1個用于數(shù)字量輸入的20心扁平電纜接口1個用于數(shù)字量輸出的20心扁平電纜接口(6)尺寸：155mm(L)*100mm(H)4.2PCL711B參數(shù)設(shè)置4.2.1I/O端口設(shè)置PCL711B卡占用PC機的16位連續(xù)的I/O地址單元,該卡I/O地址的有效范圍為000H-3FFH,它的出廠缺省值220H-22FH。在PCL711B卡上有一組DIP開關(guān)(稱為SW1),用于設(shè)置PCL711B卡的I/O端口地址。SW1只調(diào)節(jié)地址的A9-A4位,A3-A0位已定位為0。4.2.2I/O地址選擇大多數(shù)外圍的設(shè)備和接口卡通過你的PC的I/O口來控制。這些設(shè)備和卡應(yīng)被放置在一個適當(dāng)I/O空間以便它們間和PCL711B沒有沖突。注意PCL711B在你的PC的I/O空間愛你使用16位連續(xù)地址位置。I/O口基本地址被從DIP開關(guān)中選擇出來，SW1,板載PCL711B。有效地址是從000H—3F0H（16進(jìn)制）。出廠默認(rèn)地址設(shè)置是220。經(jīng)常性的，你可能發(fā)現(xiàn)你必須給其他設(shè)備提供其中一些空間。如果出現(xiàn)這種情況，你可以通過下面表格提供的信息改變地址。表4-1基本地址設(shè)置開關(guān)表I/O地址范圍開關(guān)位置（SW1）（16位）123456A9A000-00F000000100-10F010000200—20F100000201—21F100000220—22F100000300—30F1100003F0—3FF111111NOTE:0=ON1=OFF通過A9對應(yīng)A4你的電腦的地址線。4.3D/A范圍選擇PCL711B的輸出范圍依靠你在jumper，JP1選擇的參考電壓。參考電壓分別被指定作為每-5V或者10V，D/A輸出范圍從0--+5V或者0--+10V。當(dāng)需要D/A輸出范圍是0到5V時，把JP1設(shè)置到-5V。圖4.1跳閘如果你的應(yīng)用程序需要一個0—10V的D/A輸出范圍，把JP1設(shè)置到-10V。圖4.2跳閘注意：當(dāng)選擇了參考電壓-10V，D/A輸出最大電壓應(yīng)是+10V。雖然，可能因為你的PC機提供低于11.5V電壓給D/A電路本要求的+12V電壓資源，導(dǎo)致低于10V。4.4連接針頭的分配PCL—711B裝備有20針連接頭。2個連接頭在CN3和CN4位置。CN4用來數(shù)字輸入，CN3用來數(shù)字輸出。第三個連接頭是CN1，用來模擬輸入和輸出。每個接口都能用相同型號的帶狀電纜連接。也能用PCLK-1050工業(yè)接線包與D37口連接。下面是每個接口的說明A/D=模擬量輸入AGND=模擬量接地D/A=模擬量輸出D/O=數(shù)字量輸出D/I=數(shù)字量輸入DGND=數(shù)字量接地VREF=參考電壓源圖4.3A/D接口圖4.4D/O接口圖4.5D/I接口5軟件設(shè)計5.1程序設(shè)計5.1.1溫度控制程序設(shè)計圖5.1溫度控制程序流程圖本系統(tǒng)對溫度控制控制主要是通過對檢測采樣到的溫度值和預(yù)定的溫度值作比較，進(jìn)行不斷的調(diào)整，最終達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)溫度并保持，達(dá)到恒溫的要求。程序設(shè)計可能用到的函數(shù)：CStringstrMessage=_T(“數(shù)據(jù)采集卡信息”);charszErrMsg[80];//數(shù)據(jù)卡返回的錯誤信息FLOATfarfVoltage=0;//存放轉(zhuǎn)換后的電壓值LRESULTErrCde;//數(shù)據(jù)卡返回的錯誤代碼LONGDriverHandle=(LONG)NULL;//數(shù)據(jù)采集卡的句柄.//以下為軟件觸發(fā)方式需用到PT_AIConfigptAIConfig;PT_AIVoltageInptAIVoltageIn;//以下為檢查采樣過程需用到USHORTgwActiveBuf=0;USHORTgwStopped=0;ULONGgulRetrieved=0;USHORTgwOverrun=0;USHORTgwHalfReady=0;USHORTgwOverrun2=0;//FAITransfer返回的值unsignedshortdata[2000];//用來存放正在采集的數(shù)據(jù)unsignedshort3pdata=data;unsignedshortdata[2000];//用來存放正在采集的數(shù)據(jù)unsignedshort3pdata=data;FLOATfarDataVoltage[2000];//存放從buffer讀進(jìn)來的數(shù)據(jù)(浮點型的電壓值)FLOATfar3pDataVoltage=DataVoltage;//升壓觸發(fā)信號的采集采用軟件觸發(fā)的形式if((ErrCde=DRV_DeviceOpen(0,(LONGfar3)&DriverHandle))!=SUCCESS){DRV_GetErrorMessage(ErrCde,(LPSTR)szErrMsg);MessageBox((LPCSTR)szErrMsg,strMessage);DRV_DeviceClose((LONGfar3)&DriverHandle);return;}ptFAIIntStart.buffer=(USHORTfar3)pdata;//存放正在采集的數(shù)據(jù)intmain(void){intiKeyValue;status=system_temperature_set;System_Initial();PIDinit(); while(1){ iKeyValue=SP_GetCh(); //取鍵值 key_value_process(iKeyValue); //鍵值處理 if(status==system_temperature_control) display_temperature();//測量溫度顯示PID計算 System_ServiceLoop();//鍵盤掃描if(fOut<=0)turn_off_timerB();}}voiddisplay_temperature(void){floatfT,K;unsignedshortdata;staticintsiTlast=0; if(flag){//判斷是否有溫度采樣1，有0，無 flag=0; buff_data=data_cmp();//計算溫度平均值 if(buff_data>0x0255)K=0.079;//確定溫度系數(shù) elseK=0.076; fT=buff_data*K;//換算成溫度值 guiLED_Value[0]=(int)fT/10; //將溫度值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制用于LED顯示 guiLED_Value[1]=(int)fT%10; guiLED_Value[2]=(int)(fT*10)%10;stPID.Proportion=1.5;//設(shè)置PID比例值stPID.Integral=0.5;//設(shè)置PID積分值stPID.Derivative=0.0;//設(shè)置PID微分值fOut=PIDCalc(&stPID,(int)(fT*10));//PID計算active(); }}voidactive(){ if(fOut<=0){ turn_off_thyristor();//溫度高于設(shè)定值，關(guān)閉電飯鍋 turn_off_timerB();//停止計時 } else{ if(fOut<30*stPID.Proportion)//溫度低于設(shè)定值2攝氏度 turn_on_thyristor();//開電飯鍋加熱 else{turn_on_thyristor();SP_INT_TIMEB();}//初始化定時器，開始定時加熱 }}intdata_cmp(){intmax;intmin;intSum;inti;max=ptFAIIntStart.Buffer[1];for(i=1;i<11;i++){ if(ptFAIIntStart.buffer[i]>max) max=ptFAIIntStart.buffer[i];//取出最大值}min=ptFAIIntStart.buffer[i];for(i=1;i<11;i++){ if(ptFAIIntStart.buffer[i]<min) min=ptFAIIntStart.buffer[i];//取出最小值}for(i=1;i<11;i++)Sum+=ptFAIIntStart.buffer[i];//累計值Sum=Sum-max-min;//排除最大最小值return(Sum);}voidkey_value_process(intkey){ intiAddr; switch(key){ case0:break; case1: if(status==system_temperature_set){//溫度設(shè)置狀態(tài)下 guiLED_Value[0]++;//溫度值增加 if(guiLED_Value[0]==10) guiLED_Value[0]=0; } break;}}5.1.2界面設(shè)計通過設(shè)計一個簡單友好界面，能夠?qū)崿F(xiàn)更直觀的人機操作。本次設(shè)計是在DOS下選擇用TurboC++進(jìn)行圖形編程，TurboC提供了非常豐富的圖形函數(shù)，所有的函數(shù)原型都在graphics.h中。程序如下：#include<stdio.h>#include<graphics.h>main(){intgdriver,gmode;gdriver=DETECT;initgraph(&gdriver,&gmode,"c:\\TC30");clrscr();voidwindow(1,1,80,25);textbackground(LIGHTBLUE);/*定義整個屏幕背景顏色為淡藍(lán)*/clrscr();interface();/*調(diào)用界面子函數(shù)*/voidInitialization();window(20,5,50,20);/*定義一個窗口*/textbackcolor(WHITE);textcolor(BLACK);/*定義背景為白色，字體為黑色*/clrscr();rectangle(23,8,34,17);rectangle(28,10,33,11);rectangle(30,12,31,13);rectangle(30,15,31,16);textbackcolor(LIGHTGRAY);textcolor(RED);getch();getfillsettings(&save);closegraph();clrscr();printf("Thepatternis%d,Thecoloroffillingis%d",save.pattern,save.color);getch();}5.1.3PID運算程序設(shè)計采用PID調(diào)節(jié)控制的優(yōu)點如下:（1）比例環(huán)節(jié):作用快，無滯后。只要一有偏差，立即就能給出相應(yīng)的調(diào)節(jié)作用，它能及時克服擾動，使被調(diào)參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近。加大比例系數(shù)可以提高系統(tǒng)對偏差的分辨率，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。缺點是對具有自平衡性的控制對象有余差(自平衡性是指系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值)，擾動出現(xiàn)后，比例調(diào)節(jié)的結(jié)果使被調(diào)量不能回到給定值，只能恢復(fù)到給定值附近。對帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生振蕩，動態(tài)特性也差。比例系數(shù)過大會產(chǎn)生較大的超調(diào),甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定:若取的過小，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增大穩(wěn)定裕度，但會降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，使過渡時間延長。（2）積分環(huán)節(jié):提高系統(tǒng)的抗干擾能力，消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。適用于有自平衡性的系統(tǒng)。只要有偏差存在，輸出調(diào)節(jié)信號就不斷動作，直到把偏差信號消除。但它有滯后現(xiàn)象，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，超調(diào)量變大，并可能產(chǎn)生振蕩。加大積分系數(shù)有利于減小系統(tǒng)的靜差，但過強的積分作用會使超調(diào)增大。（3）微分環(huán)節(jié)：阻止偏差的變化，偏差變化越快，微分調(diào)節(jié)器的輸出也越大。因此微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)跟蹤的速度。適當(dāng)選擇微分常數(shù)TD的大小，對恰當(dāng)實現(xiàn)上述微分作用是至關(guān)重要的。圖5.2模擬PID控制模擬PID調(diào)節(jié)器的框圖如圖5.2所示，圖中是設(shè)定值，y為系統(tǒng)輸出，e=-y構(gòu)成控制偏差，為PID控制器的輸入，u為PID控制器的輸出，也是被控對象的輸入。模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為：(5-1)——比例系數(shù)；——積分系數(shù)；微分常數(shù)。在單片機的應(yīng)用中，可選的控制算法很多，但常用的仍是數(shù)字PID算法。最優(yōu)控制理論可以證明，PID控制能滿足相當(dāng)多工業(yè)對象的控制要求。離散化后的PID算式為：(5-2)式中，K是比例系數(shù)；是偏差為零時的控制作用；是積分時間；是微分時間；是設(shè)定值與實際輸出值構(gòu)成的控制偏差。PID調(diào)節(jié)程序框圖如圖5.3所示：圖5.3PID調(diào)節(jié)程序框圖程序如下:typedefstructPID{doubleSetPoint;//設(shè)定目標(biāo)doubleProportion;//比例常數(shù)doubleIntegral;//積分常數(shù)doubleDerivative;//微分常數(shù)doubleLastError;//誤差Error[k-1]doublePrevError;//誤差Error[k-2]doubleSumError;//誤差的和}PID;//PID的計算部分doublePIDCalc(PID*pp,doubleNextPoint){doubledError,Error;Error=pp->SetPoint-NextPoint;//計算當(dāng)前偏差pp->SumError+=Error;//積分《總偏差》dError=pp->LastError-pp->PrevError;//當(dāng)前微分pp->PrevError=pp->LastError;pp->LastError=Error;//三個誤差值移位return(pp->Proportion*Error//比例項 +pp->Integral*pp->SumError//積分項 +pp->Derivative*dError);//微分項}//初始化PID參數(shù)*********************voidPIDInit(PID*pp){memset(pp,0,sizeof(PID));}enumsystem_status{system_temperature_set,system_temperature_control};enumsystem_statusstatus;5.2PID程序調(diào)試：5.2.1參數(shù)選擇方法在數(shù)字PID控制中，如果采樣周期選得比較小，則PID控制參數(shù)、，。可按模擬PID控制器中的方法來選擇。在對溫度的控制中，首先要求系統(tǒng)是穩(wěn)定的。在給定值變化時，被控量應(yīng)能迅速、乎穩(wěn)地跟蹤。越調(diào)量要小。在各種干擾下。被控量應(yīng)能保持在給定值附近。另外。控制變量不宣過大，以避免系統(tǒng)過載。顯然，上述要求要都滿足是很困難的。因此。必須根據(jù)具體的實際情況。抓主要方面，兼顧其他方面。在選擇控制器參數(shù)前。應(yīng)首先確定控制器結(jié)構(gòu)，以保證被控系統(tǒng)的穩(wěn)定。并盡可能消除靜態(tài)誤差。PID參數(shù)的選擇有兩種可用方法：理論設(shè)汁法和試驗確定法。理論設(shè)計法確定PID按制參數(shù)的前提，是要有被控對象明確的數(shù)學(xué)模則，這在實際控制中往往很難做到。因此，用下列兩種試驗確定法來選擇PID控制參數(shù)，就成為目前經(jīng)常采用的。并且是行之有效的方法。（1）湊試法湊試法是通過模擬或閉環(huán)運行系統(tǒng)。來觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各控制參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，來改變參數(shù)，反復(fù)凄試。直到認(rèn)為得到滿意的響應(yīng)為讓。凄試前，要先了解PID控制器參數(shù)值對系統(tǒng)的響應(yīng)有哪些影響。增大比例系數(shù)：可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜態(tài)誤差；但是，過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，因此產(chǎn)生振蕩。破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增大積分常數(shù)：會有利于減小超調(diào)。減少振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定；但系統(tǒng)靜態(tài)誤差的消除將隨之減慢。增大微分常數(shù)：也可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)。使超調(diào)量減少，穩(wěn)定性增加；但系統(tǒng)的抗干擾能力降低。在考慮了參數(shù)對控制過程的影響后，湊試時，可按先比例—后積分一再微分的順序反復(fù)調(diào)試參數(shù)。具體步驟如下：①首先只調(diào)整比例部分，將比例系數(shù)由小變大，并觀察系統(tǒng)所對應(yīng)的響應(yīng)，直到得到響應(yīng)快、超調(diào)旦小的響應(yīng)曲線為止。如果這時系統(tǒng)的靜態(tài)誤差已在允許范圍內(nèi)，并且達(dá)到1/4衰減度的響應(yīng)曲線(最大超調(diào)衰減到1/4時，已進(jìn)入允許的靜態(tài)誤差范圍)，那么只需用比例環(huán)節(jié)即可，比例系數(shù)可由此確定。②如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上。系統(tǒng)的靜態(tài)誤差還達(dá)不到設(shè)計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。積分常數(shù)在湊試時，先給一個較大使，并將上一步調(diào)整時獲得的比例系數(shù)略微減小(例如取原值的80％)。然后逐漸減小積分常數(shù)進(jìn)行湊試，并根據(jù)歷獲得的響應(yīng)曲線進(jìn)一步調(diào)試比例系數(shù)值和積分常數(shù)值v直到消除靜態(tài)誤差，并且保持良好的動態(tài)性能為止。③如果使用比例積分環(huán)節(jié)雖然消除了靜態(tài)誤差，但系統(tǒng)的動態(tài)性能仍不能令人滿意，這時可加入微分環(huán)節(jié)。在凄試時，可先給一個很小的微分常數(shù)，以后逐漸增大，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分常數(shù)，直到獲得滿意的效果為止。注意：所謂“滿意”的效果，是根據(jù)被控對象的不同和對控制要求的不同。而得到的相對滿意程度。因為比例、積分、微分三者的控制作用有相互重疊之處。某一環(huán)節(jié)作用的減小往往可以由其他環(huán)節(jié)作用的增加來補償。因此，能達(dá)到“滿意”效果的參數(shù)組合并不是惟一的。（2）經(jīng)驗法用湊試法確定PID參數(shù)需要經(jīng)過多次反復(fù)的試驗，為了減少凄試次數(shù)，提高工作效率，可以借鑒他人的經(jīng)驗。并根據(jù)一定的要求，事先作少量的試驗。以得到若干基準(zhǔn)參數(shù)。然后按照經(jīng)驗公式，用這些基淮參數(shù)導(dǎo)出PID控制參數(shù)，這就是經(jīng)驗法。臨界比例法就是一種經(jīng)驗法。這種方法首先將控制器選為純比例控制器，并形成閉環(huán)，改變比例系數(shù)。使系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界狀態(tài)，這時記下比例系數(shù)、臨界振蕩周期為，根據(jù)Ziegler-Nichols提供的經(jīng)驗公式。就可以由這兩個基準(zhǔn)參數(shù)得到不同類型控制器的系數(shù)，如表5-1所示。表5-1臨界比例法確定的模擬控制器參數(shù)控制器類型P0.5PI0.450.85PID25.2.2采樣周期的選擇數(shù)字PID控制算法是模仿連續(xù)系統(tǒng)的PID控制器。在近似離散化的基礎(chǔ)，通過計算機實現(xiàn)數(shù)字控制。這種控制方式要求采樣周期要足夠短，一般要遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的時間常數(shù)，這是采用數(shù)字PID控制器的前提。采樣周期越小，數(shù)字控制效果就越接近連續(xù)控制。采樣周期的選擇要受到多方面因素的影響,在實際選擇采樣周期時，必須從需要和可能兩方面綜合考慮，一般要考由的因素如下：（1）從調(diào)節(jié)品質(zhì)和數(shù)字PID算法要求方面考慮。采樣周期應(yīng)取得短些。一般來說?？刂凭纫笤礁撸蓸又芷趹?yīng)該越短。采樣周期應(yīng)比被控對象的時間常數(shù)小得多，否則，采樣信號無法反映系統(tǒng)的瞬變過程。（2）為了使連續(xù)信號采樣后輸入計算機而不失真，應(yīng)根據(jù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理，采樣周期需要滿足下列關(guān)系式:（5-3）式中為被采樣信號的最高頻率。由于很難準(zhǔn)確確定，所以如香農(nóng)定理選擇采樣周期。實際取用的還須要放大4-6倍。（3）從控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾性能來考慮，也要求采樣周期短些。這樣，給定值的改變可以迅速地通過來樣得到。而不至于在控制中產(chǎn)生較大的延遲。此外。對低頻擾動，采用短的采樣周期可以迅速加以校正。（4）從執(zhí)行元件的響應(yīng)速度和要求來看，有時需要輸出信號保持件響應(yīng)速度侵，那么過短的采樣周期往往沒有必要。（5）一般要求采樣周期長些，以保證能有充分的實時運算時間和處理時間。（6）從精度方面考慮，過短的采樣周期是不實際的。如果采樣周期過短。前、后兩次采樣信號的數(shù)值接近，而無法區(qū)分，使控制作用減弱。此外，在用積分項消除靜態(tài)誤差的控制算法中，如果采樣周期太短。將會使積分部分的增益（/）過低，當(dāng)偏差小到一定限度以下時。增量算法中（）的就有可能受計算精度的限制而始終為0，積分部分起不了消除靜態(tài)誤差的作用。因此。采樣周期的選擇必須足夠長。使因計算精度造成的積分靜態(tài)誤差減小到可以接受的程度。從以上分析可以看到，各種因素對采樣周期的要求是不同的，甚至是相互矛盾的，因此。必須根據(jù)具體情況和要求綜合作出選擇。

6水溫電熱裝置分析水溫電熱裝置的選擇：可選用熱得快等電阻絲加熱方式，電飯鍋加熱和電壺加熱?？紤]到電熱裝置如果選擇的功率過大，會造成工作電路中電流過大，隨之產(chǎn)生的尖端脈沖較大，可能會使晶閘管燒掉。因此本系統(tǒng)選用300w的電飯鍋作為水溫電熱裝置。下面是對該裝置進(jìn)行介紹：結(jié)構(gòu)介紹首先，我們看一下這種電飯鍋有哪些主要結(jié)構(gòu)，電飯鍋主要由內(nèi)鍋(膽)、外殼、發(fā)熱板和溫控器構(gòu)成。(用己拆開的電飯鍋介紹)分析原理其次，我們重點看看它是根據(jù)什么原理來煮飯的，其實電飯鍋來源于這種最簡單的電爐，電熱絲在電流作用下產(chǎn)生熱。在電爐的基礎(chǔ)上人們把電熱絲加工制成管狀的電熱管，再把它埋鑄在鋁合金板內(nèi)，形成這樣的發(fā)熱板。這樣，就形成了最原始的電飯鍋。分析限溫器但是，這種電飯鍋存在很多缺點，比如飯煮熟后，它不能自動，飯熟后發(fā)熱板繼續(xù)發(fā)熱，這不僅會把飯燒焦，而且可能會造成危險。人們?yōu)榱丝朔@一缺點，在電路中接一個限溫器，飯煮熟時，它會自動斷開，發(fā)熱盤停止發(fā)熱，起到限溫作用。它主要由感溫軟磁鐵和永久磁鐵構(gòu)成。感溫軟磁鐵與受熱面固定在一起，內(nèi)鍋底部的熱量直接通過受熱面?zhèn)鬟f給它，當(dāng)溫度低于103℃時，感溫軟磁鐵和永久磁鐵一樣具有磁性，當(dāng)溫度高于103℃時，感溫軟磁鐵會突然失去磁性。煮飯時用手按動啟動開關(guān)，通過傳動桿使永久磁鐵和軟磁鐵吸合，其吸力大于彈簧的彈力和永久磁鐵的自身重力，所以(對軟黑板上原理圖進(jìn)行分析)永久磁鐵不會落下，觸點閉合，電路接通，發(fā)熱板開始發(fā)熱。當(dāng)飯煮熟后，溫度繼續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到103℃時，軟磁鐵突然失去磁性，永久磁鐵在自身重力及彈簧的彈力作用下落下，通過傳動桿使觸點分開，電路斷開，發(fā)熱板停止發(fā)熱。這