畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于灰色PID的溫度控制系統(tǒng)的研究

1、溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的電子測(cè)量在原理、功能、精度和自動(dòng)化程度上有了極大地提高。單片機(jī)具有處理能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在溫度測(cè)量與控制方面，控制簡(jiǎn)單方便，測(cè)量范圍廣，精度較高。本文以電阻爐爐溫控制為研究對(duì)象設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的硬件電路和軟件程序。硬件電路選用8951單片機(jī)，軟件程序采用中斷嵌套方式。提出了灰色pid控制算，即以灰色系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)不確定部分建立灰色模型，進(jìn)行灰色

2、預(yù)估補(bǔ)償，使控制系統(tǒng)的灰量得到一定程度的白化，進(jìn)而提高pid控制質(zhì)量及其魯棒性。關(guān)鍵詞：灰色pid調(diào)節(jié)，溫度控制，單片機(jī)，電阻爐1 緒 論1.1 概述近年來(lái)，在我國(guó)以信息化帶動(dòng)的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)對(duì)象控制中一種重要的參數(shù)，特別是在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。由于爐子的種類及原理不同，因此所采用的加熱方法及燃料也不同，如煤氣、天然氣、油電等。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，選用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電

3、等；控制方案有直接數(shù)字控制（ddc），推斷控制，預(yù)測(cè)控制，模糊控制（fuzzy），專家控制(expert control)，魯棒控制（robust control），推理控制等。 隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足高精度、高速度的控制要求。如接觸器溫度控制儀表，其主要缺點(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大，由于它主要通過(guò)控制接觸器的通斷時(shí)間比例來(lái)達(dá)到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來(lái)快速發(fā)展了多種先進(jìn)的溫度控制方式，如：pid控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡(jiǎn)便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)

4、品的成本，提高了生產(chǎn)效率。單片微型計(jì)算機(jī)的功能不斷的增強(qiáng)，為先進(jìn)的控制算法提供的載體，許多高性能的新型機(jī)種應(yīng)運(yùn)而生。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化領(lǐng)域和其他測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更是起到了不可替代的核心作用。像用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的坩鍋電阻爐等類似工業(yè)用加熱爐中都可以廣泛應(yīng)用，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，一些設(shè)備對(duì)溫度的控制要求越來(lái)越高，而本文則以單片機(jī)為核心、灰色pid算法為控制方式而設(shè)計(jì)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)有四部分組成：8951單片機(jī)系統(tǒng)；溫度檢測(cè)；輸出控制通道及報(bào)警

5、顯示系統(tǒng)。工作時(shí)，溫度由熱電偶和電壓電流變換器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，經(jīng)運(yùn)放放大至05v的電壓信號(hào)，由a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能接受的數(shù)字信號(hào)，此信號(hào)與溫度的給定值比較得到溫度偏差，通過(guò)灰色pid控制器運(yùn)算，此控制量經(jīng)可控硅控制加在電阻爐上的電壓的通斷時(shí)間，以達(dá)到溫度控制的目的。系統(tǒng)的給定值、pid參數(shù)由鍵盤(pán)輸入，并可以隨時(shí)修改，給溫度和采樣溫度顯示在led上。1.2 國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能提出了更多的要求，因此熱處理技術(shù)也想著優(yōu)質(zhì)、高效的方向發(fā)展。電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛,因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。其控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié),具有大慣性、純滯后

6、、非線性等特點(diǎn),導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、控制精度低。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，加熱時(shí)均溫過(guò)程的測(cè)量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)。第一，控溫精度高。其次，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化而影響到控溫精度時(shí)，要有適合的手段進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到要求。而且，為了方便進(jìn)行工藝的研究，需要能保存溫度數(shù)據(jù)。而采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制,具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn),對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)工業(yè)有了較大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)引進(jìn)和生產(chǎn)了少量的比較先進(jìn)的控制設(shè)備，但是，我國(guó)的大部分電阻爐控制系統(tǒng)比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家落后，占主導(dǎo)地位的是模擬儀表控制，這種系統(tǒng)的參數(shù)需要人工選

7、擇，要配置專門(mén)的儀表調(diào)試人員，費(fèi)事，費(fèi)力且不準(zhǔn)確?？刂凭炔桓撸僮鞑环奖?，數(shù)據(jù)無(wú)法保存。針對(duì)于此本文提出了灰色pid調(diào)節(jié)的方法。1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用的溫度測(cè)量元件是ds18b20，它是dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)（按9位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個(gè)傳感器芯片，它具有三引腳to-92小體積封裝形式，溫度測(cè)量范圍55125，可編程為912位a/d轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，

8、其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，業(yè)可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個(gè)ds18b20可以并聯(lián)到三根或者兩根線上，cpu只需一根端口線就能與多個(gè)ds18b20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。從而可以看出ds18b20可以非常方便的被用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。綜上，在本系統(tǒng)中我采用溫度芯片ds18b20測(cè)量溫度。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件，且此元件線形較好。在0100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于1攝氏度。該芯片直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)處理及控制。 pid控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，是迄今為止最通用的控制方法。目前大多數(shù)工業(yè)控制回路仍然應(yīng)用著pid控

9、制器或改進(jìn)型pid控制器。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以采用常規(guī)的pid調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)要求，采用各種pid的變種，如pi、pd控制，不完全微分控制，積分分離控制，模糊pid控制，灰色pid控制等等。pid控制器把設(shè)定值與實(shí)際輸出值相減，得到控制偏差，偏差值經(jīng)比例、積分、微分運(yùn)算后通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，然后對(duì)于對(duì)象進(jìn)行控制。雖然計(jì)算機(jī)控制是離散的，但對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其近似于連續(xù)變化。因此，可以用數(shù)字pid代替模擬調(diào)節(jié)器。 在模擬控制系統(tǒng)中，其過(guò)程控制是將被測(cè)參數(shù)，由傳感器變換成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中與給定值進(jìn)行比較，再把比較出的差值經(jīng)pid運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變進(jìn)給

10、量，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。在數(shù)字控制系統(tǒng)中則是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來(lái)代替模擬調(diào)節(jié)器，按偏差的比例，積分，微分進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，是連續(xù)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)器。在工業(yè)控制中，由于控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要花費(fèi)很大代價(jià)進(jìn)行模型辨識(shí)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型十分困難，應(yīng)用直接數(shù)字控制方法比較困難。所以通常采用pid調(diào)節(jié)器，雖然常規(guī)pid調(diào)節(jié)器具有較強(qiáng)的魯棒性，技術(shù)成熟，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但它的控制理論和方法，大多是根據(jù)系統(tǒng)已發(fā)生的行為特征進(jìn)行控制的，屬“事后控制”。已發(fā)生行為，一般來(lái)說(shuō)由于系統(tǒng)的慣性，會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)持續(xù)下去，所以這些控制在多數(shù)情況下是可用的、有實(shí)

11、際效果的，但是很難做到完全真正的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，因而難以使控制系統(tǒng)質(zhì)量得到進(jìn)一步地提高。所以本文采用了由二十世紀(jì)八十年代由我國(guó)學(xué)者鄧聚龍教授提出的灰色預(yù)測(cè)控制理論，則是從已發(fā)生的行為特征量中，尋找系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律，按其預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的行為，并根據(jù)未來(lái)的行為趨勢(shì)，確定相應(yīng)的控制決策。所以，這種控制是著眼于系統(tǒng)未來(lái)行為的預(yù)控制、是超前控制，它具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性、通用性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)明了，是一種具有廣闊前景的新型控制。本文以電阻爐爐溫控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用灰色pid調(diào)節(jié)器對(duì)電阻爐爐溫系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)調(diào)節(jié)比例系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)控制，以達(dá)到滿意的控制效果。 2系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案2.1

12、系統(tǒng)工作原理溫度傳感器 ds18b20 從設(shè)備環(huán)境的不同位置采集溫度，單片機(jī) at89s51 獲取采集的溫度值，經(jīng)處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度值，再根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度上下限值，通過(guò)加熱和降溫對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后超過(guò)設(shè)定溫度的上限時(shí)，單片機(jī)通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)繼電器開(kāi)啟降溫設(shè)備 (壓縮制冷器) ，當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度的下時(shí) , 單片機(jī)通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)繼電器開(kāi)啟升溫設(shè)備 (加熱器) 。 當(dāng)由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設(shè)備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時(shí)候，單片機(jī)通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出警笛聲。 系統(tǒng)中

13、將通過(guò)串口通訊連接pc機(jī)存儲(chǔ)溫度變化時(shí)的歷史數(shù)據(jù)，以便觀察整個(gè)溫度的控制過(guò)程及監(jiān)控溫度的變化全過(guò)程。圖2-1工作原理圖2.2 控制過(guò)程 整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)定時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的數(shù)字量，再送到微機(jī)進(jìn)行判斷和運(yùn)算，得到相應(yīng)的控制量，去控制加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。本文采用8951單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，為了便于用戶根據(jù)不同的實(shí)際需要對(duì)工作方式及其他參數(shù)組態(tài)進(jìn)行修改，要求所有的參數(shù)及組態(tài)狀況均可通過(guò)面板的幾個(gè)操作建輸入、檢查、修改，并可在斷電情況下，使參數(shù)保存半年。為了便于與上級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)成兩級(jí)控制系統(tǒng)，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中加入了通信功能。采用rs-232接口，通信速率為1200b/s，

14、2400b/s，4800b/s和9600b/s等四種波特率，由用戶通過(guò)鍵盤(pán)自行按需要選擇。系統(tǒng)的測(cè)量值和所有設(shè)定參數(shù)均由led數(shù)碼管直接顯示，讀數(shù)清晰，直觀?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖2-2所示 圖2-2控制器結(jié)構(gòu)3硬件電路設(shè)計(jì)3.1 硬件電路設(shè)計(jì)原則 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路包含有兩部分內(nèi)容；一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ram,rom,i/o口。定時(shí)/計(jì)數(shù)器，中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí) ，必須在另外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，即按照功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤(pán)，顯示器等，要求設(shè)計(jì)合適的接口電路 系統(tǒng)擴(kuò)展和配置設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則：（1） 盡可能選擇典型

15、電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)算法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)（2） 系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)（3） 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相互影響?？紤]的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件實(shí)現(xiàn)來(lái)的長(zhǎng)，而且占用cpu時(shí)間。因此，選擇軟件方案時(shí)，要考慮這些時(shí)間因素。（4） 整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)元件要盡可能做到性能匹配。（5） 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的一部分，它包括芯片，器件選擇，去耦濾波，印刷電路板布線，通

16、道隔離等。（6） 單片機(jī)外接較多，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)不足，系統(tǒng)工作不可靠，解決辦法是增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，增設(shè)驅(qū)動(dòng)器或者減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。3.2 單片機(jī)的選擇 at89s51 是一個(gè)低功耗，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes isp(in-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的at89s51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方

17、案。at89s51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k bytes flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗（wdt）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，at89s51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，cpu暫停工作，而ram定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)不同

18、產(chǎn)品的需求。由于系統(tǒng)控制方案簡(jiǎn)單 ,數(shù)據(jù)量也不大 ,考慮到電路的簡(jiǎn)單和成本等因素 ,因此在本設(shè)計(jì)中選用 a tmel 公司的 a t89s51單片機(jī)作為主控芯片。主控模塊采用單片機(jī)最小系統(tǒng)是由于 a t89s51芯片內(nèi)含有4 kb的 e2prom ,無(wú)需外擴(kuò)存儲(chǔ)器 ,電路簡(jiǎn)單可靠 ,其時(shí)鐘頻率為 024 mhz ,并且價(jià)格低廉 ,批量?jī)r(jià)在 10元以內(nèi)。其主要功能特性： 兼容mcs-51指令系統(tǒng) 4k可反復(fù)擦寫(xiě)(1000次）isp flash rom 32個(gè)雙向i/o口 4.5-5.5v工作電壓 2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘頻率0-33mhz 全雙工uart串行中斷口線 128x8 bit

19、內(nèi)部ram 2個(gè)外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級(jí)加密位 看門(mén)狗（wdt）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的isp字節(jié)和分頁(yè)編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 可以看出at89s51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32個(gè)i/o口線，看門(mén)狗（wdt），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘。同時(shí), at89s51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許ram，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式何在ram中的內(nèi)容，

20、但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一個(gè)硬件復(fù)位。at89s51引角功能說(shuō)明vcc：電源電壓gnd：地p0口：p0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向i/o口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“1”可作為高阻抗輸入端口。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，p0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。p1口：p1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)ttl邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1

21、”,通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)校驗(yàn)期間，p1接收低8位地址。表3-1為p1口第二功能。表3-1 p1口第二功能端口引腳第二功能p1.5mosi（用于isp編程）p1.6miso（用于isp編程）p1.7sck（用于isp編程）p2口：p2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ttl邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”,通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流i。在訪問(wèn)位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行：movx

22、 ri 指令）時(shí)，p2口線上的內(nèi)（也即特殊功能寄存器，在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，p2也接收高位地址和其它控制信號(hào)。）p3口：p3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口。p3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)ttl邏輯門(mén)電路。對(duì)p3口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端口時(shí)，被外部拉低的p3口將用上拉電阻輸出電流i。p3口除了作為一般的i/o口線外，更重要的用途是它的第二功能，p3口的第二功能如下表3-2。 表3-2 p3口的第二功能 端口功能第二功能端口引腳第二功能rxd（p3.0）串行輸入口t0（p3.4）定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入txd

23、（p3.1）串行輸出口t1（p3.5）定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入int0（p3.2）外中斷0wr（p3.6）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通int1（p3.3）外中斷1rd（p3.7）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩工作時(shí)，rst引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。wdt益出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置sfr auxr 的 disrto 位（地址8eh）可打開(kāi)或關(guān)閉該功能。disrto 位缺省為reset輸出高電平打開(kāi)狀態(tài)。ale/prog：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ale仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出的正

24、脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目地，要注意的是：第當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ale脈沖。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh單元的d0位置位，可禁止ale操作。該位禁位后，只有一條movx 和movc指令ale才會(huì)被激活。此外，該引腳伎被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ale無(wú)效。psen：程序儲(chǔ)存允許（psen）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)at89s51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次psen有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高有兩次有效的psen信號(hào)。ea/vpp：外部訪問(wèn)允許。欲使cpu公訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地

25、址0000hffffh），ea端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。flash存儲(chǔ)器編程時(shí),該引腳加上12v的編程電壓vpp。xtal1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。at89s51單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)造及功能：中斷寄存器：各中斷允許控制位于ie寄存器，5個(gè)中斷源的中斷優(yōu)先級(jí)控制位于ip寄存器。雙時(shí)鐘指針寄存器：為方便地訪問(wèn)內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，提供了兩個(gè)16位數(shù)據(jù)指針寄存儲(chǔ)器：pd0位于sfr區(qū)塊中的地址82h、83h和dp1位于地

26、址84h、85h，當(dāng)sfr中的位dps=0時(shí)選擇dp0,而dps=1時(shí)選擇dp1。在使用前初始化dps電源空閑標(biāo)志：電源空閑標(biāo)志（pof）在特殊功能寄存儲(chǔ)器sfr中pcon的第4位（pcon.4）,電源打開(kāi)時(shí)pof置“1”,它可由軟件設(shè)置睡眠狀態(tài)并不為復(fù)位所影響。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：mcs-51單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分開(kāi)的結(jié)構(gòu)，均具有64kb外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。程序存儲(chǔ)器：如果ea引腳接地（gnd），全部程序均執(zhí)行外部存儲(chǔ)器。在at89s51,假如接至vcc（電源），程序首先執(zhí)行從地址0000h0fffh（4kb）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，再執(zhí)行地址為1000hffffh（60kb）的外

27、部程序存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：在at89s51的具有128字節(jié)的內(nèi)部ram，這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問(wèn)，堆棧操作可利用間接尋址方式進(jìn)行，128字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間?？撮T(mén)狗定時(shí)器（wdt）：wdt是為了解決cpu程序運(yùn)行時(shí)可能進(jìn)入混亂或死循環(huán)而設(shè)置，它由一個(gè)14bit計(jì)數(shù)器和看狗復(fù)位sfr（wdtrst）構(gòu)成。外部復(fù)位時(shí)，wdt默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，要打開(kāi)wdt，必按順序?qū)?1h和0e1h寫(xiě)到wdtrst寄存器，當(dāng)啟動(dòng)了wdt，它會(huì)隨晶體振蕩器在每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，除硬件復(fù)位或wdt溢出復(fù)位外沒(méi)有其它方法關(guān)閉wdt，當(dāng)wdt溢出，將使rst引腳輸出高電平的復(fù)位脈沖。引腳圖詳見(jiàn)圖3-1圖3-

28、1at89s51引腳圖根據(jù)以上所講以及工業(yè)設(shè)計(jì)要求給出溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)框圖3-2 圖3-2溫度檢測(cè)控制回路3.3溫度檢測(cè)與控制元件3.3.1 溫度檢測(cè)元件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(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測(cè)溫原理的不同，使得其測(cè)量溫度的范圍、測(cè)量精度也各不相同。因此在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)選擇不同的溫度傳感器。ptloo型鉑電阻，在-200到850范圍內(nèi)是精度最高的溫度傳感器之一。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學(xué)性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強(qiáng)，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。這些特點(diǎn)使得鉑電阻溫度傳感器具有信號(hào)強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好的特點(diǎn)。由于在本系統(tǒng)

29、中，測(cè)溫范圍較大(在室溫到600oc之間)，且要求檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好，因此選用pt100鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型:標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻度傳感器。在測(cè)量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測(cè)量穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性一般不如標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，這主要有兩個(gè)方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周?chē)牧现g的擴(kuò)散使其純度受到污染，從而降低了鉑電阻測(cè)溫的復(fù)現(xiàn)性能，其二是因?yàn)楦邷貤l件下的應(yīng)力退火影響了其復(fù)現(xiàn)性能。但是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器也存在價(jià)格昂貴，維護(hù)起來(lái)較為困難等缺點(diǎn)?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級(jí)pt100鉑電阻作為溫度傳感器。鉑電阻測(cè)溫電路的工作方式一般分為恒壓方式和

30、恒流方式兩種。按照接線方式的不同又可以分為二線制、三線制和四線制幾種。本系統(tǒng)采用的是恒流四線制接法對(duì)pt100鉑電阻進(jìn)行采樣。鉑電阻溫度傳感器采樣電路如圖2所示。該電路將溫控箱的溫度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。采用恒流四線制接法的測(cè)溫電路中需要用到一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源。本系統(tǒng)采用精密基準(zhǔn)電壓源lm399h產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，圖中參考電壓不認(rèn)石尸即來(lái)自lm399h?；鶞?zhǔn)電壓源電路如圖所示。lm399h是內(nèi)置恒溫槽高精度基準(zhǔn)電壓源，輸出電壓6.9999v。它是迄今為止同類產(chǎn)品中溫度系數(shù)最低的器件，內(nèi)部有恒溫電路，保證了器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的電壓不僅提供給鉑電阻采樣電路而且還提供給a/d轉(zhuǎn)換電路使

31、用。第二章pid控制與灰色控制理論2.1 pid控制原理 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中pid控制是一種比較普遍的控制方式，它是一種比例、積分、微分并聯(lián)的控制器。常規(guī)pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2-1 圖2-1理想的pid控制器根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的控制偏差) (2-1)將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。 (2-2)式中控制器的輸出控制器的輸入，給定值與被控對(duì)象輸出值的差，即偏差信號(hào)；比例控制項(xiàng)，為比例系數(shù)；積分控制項(xiàng)，為積分時(shí)間常數(shù)；微分控制項(xiàng)，為微分時(shí)間常數(shù)。pid控制器個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用：1.比例環(huán)節(jié)(p) 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，

32、以最快的速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向最小的方向變化。比例調(diào)節(jié)作用大小，除了與偏差有關(guān)外，主要取決與比例系數(shù)。越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能也越好；反之，越小，調(diào)節(jié)作用越弱。但對(duì)于大多數(shù)慣性環(huán)節(jié)，太大，會(huì)引起自激振蕩。2.積分環(huán)節(jié)（i） 主要用于消除靜差，即當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，則此時(shí)控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個(gè)常值上。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強(qiáng)。隨著積分時(shí)間常數(shù)的減小，靜差在減?。坏^(guò)小的積分常數(shù)會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 3.微分環(huán)節(jié)（d）：主要作用是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏

33、差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù)pid控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。在計(jì)算機(jī)pid控制中，使用的是數(shù)字pid控制器。pid控制規(guī)律在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn),是用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期t足夠短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使pid算法離散化，即可作如下近似變換： （2-3） 2-3式中t是采樣周期將連續(xù)pid系統(tǒng)的微分方程由相應(yīng)的描述離散pid系統(tǒng)的差分方程來(lái)代替。為了書(shū)寫(xiě)方面，將簡(jiǎn)寫(xiě)為，即為數(shù)字型pid位置算法，如

34、式所示 （2-4） 或 （2-5）式中采樣序號(hào)，；第次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；第次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；第次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；積分系數(shù),；微分系數(shù)，；由式可得（2-6） 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般采用恒定的采樣周期t，當(dāng)確定了，時(shí)，根據(jù)前后3次測(cè)量值偏差可由式 求出控制增量。由于它的控制輸出對(duì)應(yīng)每次閥門(mén)的增量，所以稱為pid控制的增量式算式。2.2灰色預(yù)測(cè)基本原理2.2.1.灰色預(yù)測(cè)原理 信息完全明確的系統(tǒng)稱白色系統(tǒng)。信息完全不明確的系統(tǒng)稱黑色系統(tǒng)。信息中部分明確、部分不明確的系統(tǒng)稱灰色系統(tǒng)?；疑到y(tǒng)的方法是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、建模、預(yù)測(cè)、決策、規(guī)劃、控制的有效方法?；疑A(yù)測(cè)是用灰色模型進(jìn)行定量

35、預(yù)測(cè)，灰色控制是指本征特性灰色系統(tǒng)的控制，或?qū)ο到y(tǒng)中含灰參數(shù)的控制，或用 構(gòu)成的預(yù)測(cè)控制。2.2.2.灰色模型（gm）利用較少的或不確切的表示灰色系統(tǒng)行為特征的原始數(shù)據(jù)序列,作為生成變換后建立的,用以描述灰色系統(tǒng)內(nèi)部事物連續(xù)變化過(guò)程的模型, 稱為灰色模型,簡(jiǎn)稱gm?；疑碚搶?duì)灰量、灰過(guò)程的處理，不是找概率分布求統(tǒng)計(jì)規(guī)律；而是用生成的方法，求得隨機(jī)性弱化和規(guī)律性強(qiáng)化的新數(shù)列數(shù)據(jù)，稱為生成數(shù)；利用生成數(shù)建模是其重要特點(diǎn)之一?；疑煽煞譃槔奂由?、累減生成、初值化生成、均值化生成、歸一化生成等多種累加生成是灰色模型的主要研究方法之一。將無(wú)規(guī)律的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和累加生成,變?yōu)橛幸?guī)律的數(shù)列,可以更好

36、地辨識(shí)出模型的不確定部分,并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。 （2-7） （2-8） 則稱的累加生成為記為 （2-9）2.3灰色控制結(jié)合灰色預(yù)測(cè)控制的pid控制器的系統(tǒng)原理框圖2-2 圖2-22.3.1灰色控制的理論基礎(chǔ)灰色系統(tǒng)理論是處理不確定量的有效途徑。它需要信息少，通用性好，計(jì)算方便。采用灰色系統(tǒng)的方法，對(duì)于不確定部分建立灰色模型，利用它來(lái)使控制系統(tǒng)中的灰量得到一定程度的白化，以提高控制質(zhì)量及其魯棒性。設(shè)系統(tǒng)不確定部分符合匹配條件，即為包括兩部分：一部分與狀態(tài)成比例，一部分與狀態(tài)無(wú)關(guān)，具體可描述為 (2-10)式中 (2-11) (2-12)設(shè)及均為慢時(shí)間變量，可視及為常數(shù)。顯然，如果能辨識(shí)出及，則

37、可得出與，的關(guān)系，從而可估計(jì)出對(duì)應(yīng)各狀態(tài)的不確定量。灰色系統(tǒng)的研究方法之一，就是將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，稱為數(shù)的“生成”,其中累加生成由于它能弱化隨機(jī)性，增強(qiáng)規(guī)律性，因而它在灰色系統(tǒng)建模中，具有特殊的地位。 令為原始的離散時(shí)間函數(shù) (2-13)若 (2-14)則稱為的累加生成，記為 (2-15)按灰色系統(tǒng)理論，采用累加生成方法，可建立類似模型的灰色模型。令離散時(shí)間函數(shù)為 (2-16) (2-17) (2-18)式中，。設(shè),為,的累加生成數(shù)列。將下述關(guān)系 (2-19)稱為不確定部分的灰色模型。 對(duì)于慢時(shí)變干擾部分，可認(rèn)為 (2-20)記參數(shù)列為 (2-21)記數(shù)據(jù)矩陣為 (2-22) 采用最小二乘法

38、，若可逆，則有 (2-23)其中， (2-24) 將累加值還原,可得（5）式得估計(jì)模型 (2-25) 2.3.2 連續(xù)系統(tǒng)灰色控制 考慮由下列個(gè)非線性不確定子系統(tǒng)組成的復(fù)合非線性不確定系統(tǒng)： (2-26) (2-27)式中，為維矩陣，為維列向量。代表系統(tǒng)滿足匹配條件的不確定部分，包括參數(shù)不確定（與狀態(tài)成比例）和外干擾（與狀態(tài)無(wú)關(guān)）。 (2-28)不確定部分的無(wú)法直接測(cè)量，可由測(cè)量數(shù)據(jù)間接計(jì)算估出。離散化為 (2-29)式中，為采樣時(shí)間。 灰色控制算法的步驟為：第一步：采用控制，在控制器啟動(dòng)過(guò)程中，首先采用灰色估計(jì)器對(duì)不確定部分的模型參數(shù)建立模型進(jìn)行估計(jì)，其中控制算法為： (2-30)用灰色估計(jì)

39、器對(duì)不確定部分的模型參數(shù)建立模型的具體算法為：建立原始離散數(shù)列，其中； 計(jì)算一次累加生成數(shù)列，其中：； 計(jì)算數(shù)據(jù)矩陣，其必須可逆（即）；若不可逆，則應(yīng)適應(yīng)增加，直到可逆。 計(jì)算離散數(shù)列，。 計(jì)算離散數(shù)列，。 估計(jì)不確定部分的灰色模型的參數(shù)向量。 ， 第二步：按估計(jì)參數(shù)加上補(bǔ)償控制，估計(jì)器停止工作，灰色控制算法為： 。其中：第三章 灰色pid溫度控制系統(tǒng)的仿真仿真對(duì)象為： 將該傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程的形式：式中，。對(duì)象為二階傳遞函數(shù)，迭代次數(shù)可選，故可取。外加干擾取，取干擾參數(shù)，。采用灰色控制，經(jīng)過(guò)3個(gè)采樣時(shí)間，得到干擾參數(shù)估計(jì)值，圖1，圖2，圖3分別為不采用灰色預(yù)估補(bǔ)償?shù)目刂坪突疑刂频母櫿`

40、差、跟蹤誤差、跟蹤誤差變化率及。圖1 跟蹤誤差比較曲線圖2 跟蹤誤差變化率比較曲線圖3 比較曲線3.1灰色的位置跟蹤連續(xù)系統(tǒng)灰色位置跟蹤 考慮單輸入連續(xù)系統(tǒng)： 其中, ,式中，為維矩陣，為維矩陣，代表系統(tǒng)滿足匹配條件的不確定部分，它包括參數(shù)不確定與外干擾等。 取輸入信號(hào)為，令 控制律分為以下兩個(gè)階段。采用控制進(jìn)行灰色預(yù)測(cè) 計(jì)算離散數(shù)列向量 在步后，即可估計(jì)出灰色模型的參數(shù)向量。 其中， 且有： 采用灰色控制加入補(bǔ)償控制，此時(shí)， 在第二階段，估計(jì)器停止工作?？刂葡到y(tǒng)狀態(tài)方程為： 采用帶有灰色估計(jì)器的補(bǔ)償控制： 不加灰色估計(jì)器，只用控制： 仿真程序及實(shí)現(xiàn) 仿真對(duì)象為： 將該傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程的

41、形式：式中，。對(duì)象為二階傳遞函數(shù)，迭代次數(shù)可選，故可取。外加干擾取，取干擾參數(shù)，。采用灰色控制，經(jīng)過(guò)200個(gè)采樣時(shí)間，得到干擾參數(shù)估計(jì)值。輸入信號(hào)為，圖4，圖5，圖6分別為不采用灰色預(yù)估補(bǔ)償?shù)目刂坪突疑刂频奈恢酶櫛容^效果。圖 4 位置跟蹤效果比較曲線 圖 5 位置跟蹤誤差比較曲線 圖6 比較曲線 灰色控制算法，對(duì)系統(tǒng)不確定部分建立灰色模型進(jìn)行灰色預(yù)估補(bǔ)償，使灰色系統(tǒng)的灰量得到一定程度的白化。經(jīng)過(guò)仿真分析表明，灰色控制算法可以提高傳統(tǒng)的質(zhì)量及魯棒性，改善系統(tǒng)性能，獲得較好的控制跟蹤效果。第四章 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)由單片機(jī)at89c52、溫度檢測(cè)電路、鍵盤(pán)顯示及報(bào)

42、警電路、時(shí)鐘電路、溫度控制電路等部分組成。系統(tǒng)中采用了新型元件，功能強(qiáng)、精度高、硬件電路簡(jiǎn)單。其硬件原理圖如圖4-1所示圖4-1在系統(tǒng)中，利用熱電偶測(cè)得電阻爐實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)液晶顯示器顯示溫度并判斷是否報(bào)警，同時(shí)將溫度與設(shè)定溫度比較，根據(jù)設(shè)定的pid算法計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量通過(guò)控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路可以根據(jù)要求進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時(shí)4.2 89c52本系統(tǒng)選用atmel公司生產(chǎn)的at89系列單片機(jī)中的at89c52，at89c

43、52單片機(jī)是一種新型的低功耗、高性能的8位cm0s微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)mcs一51指令系列和引腳完全兼容。具有超強(qiáng)的三級(jí)加密功能，其片內(nèi)閃電存儲(chǔ)器(flashmemory)的編程與擦除完全用電實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程/擦除速度快。at89c52單片機(jī)dip封裝的引腳如圖4-2所示。at89c52的主要特點(diǎn)有:(l)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器為電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器eeprom，容量skb，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量256字節(jié)，最大尋址空間64kb;(2)三個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;(3)可利用兩根fo口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過(guò)編程設(shè)定;(4)內(nèi)部rom中開(kāi)辟了四個(gè)通用工作寄存器區(qū)，共32個(gè)通用寄存

44、器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的情況;(5)6個(gè)中斷源，分為兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源優(yōu)先級(jí)都是可編程的;(6)內(nèi)部有一個(gè)由直接可位尋址組成的布爾處理機(jī)，在指令系統(tǒng)中包含了一個(gè)指令子集，專門(mén)用于對(duì)布爾處理機(jī)的各位進(jìn)行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問(wèn)題;(7)at89c52的狀態(tài)周期由晶體振蕩器2分頻后獲得，作為芯片工作的基本時(shí)間單位，在采用12mhz晶振時(shí)，atsge52的狀態(tài)周期為（2/12）*10-64-24.3 硬件電路設(shè)計(jì)4.3.1 系統(tǒng)電源 如圖4-34-34.3.2 溫度檢測(cè)電路 本系統(tǒng)采用的型（鎳鉻鎳硅）熱電偶，其可測(cè)量1312以內(nèi)的溫度，其線性度較好，而且價(jià)格便宜。

45、型熱電偶的輸出是毫伏級(jí)電壓信號(hào)，最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)與cpu通信。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路采用“傳感器濾波器放大器冷端補(bǔ)償線性化處理/d轉(zhuǎn)換”模式，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復(fù)雜、精度低。在本系統(tǒng)中，采用的是高精度的集成芯片max6675來(lái)完成“熱電偶電勢(shì)溫度”的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路、i/o接線簡(jiǎn)單、精度高、成本低。 max6675是maxim公司開(kāi)發(fā)的k型熱電偶轉(zhuǎn)換器，集成了濾波器、放大器等，并帶有熱電偶斷線檢測(cè)電路，自帶冷端補(bǔ)償，能將k型熱電偶輸出的電勢(shì)直接轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，分辨率0.25。溫度數(shù)據(jù)通過(guò)spi端口輸出給單片機(jī),其冷端補(bǔ)償?shù)姆秶?2080,測(cè)量范圍是01023.75。表為max6675

46、的引腳功能圖。引腳號(hào)名稱功能1gnd接地端2t-熱電偶負(fù)極（接地使用）3t+熱電偶正極4vcc電源端5sck串行時(shí)鐘輸入端6cs片選信號(hào)7sc數(shù)據(jù)串行輸出端8nc懸空表1圖4-4為本系統(tǒng)中溫度檢測(cè)電路。4-4 當(dāng)p2.5為低電平且p2.口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，max6675的so腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，16個(gè)脈沖信號(hào)完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位d15，最后輸出的是低電位d0，d14-d3為相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)p2.5為高電平時(shí)，max6675開(kāi)始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用max6675時(shí)，應(yīng)該注意將其布置在遠(yuǎn)離其它i/o芯片的地方，以降低電源噪聲的影響；max6

47、675的t-端必須接地，而且和該芯片的電源地都是模擬地，不要和數(shù)字地混淆而影響芯片讀數(shù)的準(zhǔn)確性。4.3.2時(shí)鐘電路 在系統(tǒng)中需要準(zhǔn)確顯示升溫時(shí)間、恒溫時(shí)間等，因而選用了時(shí)鐘芯片ds12887構(gòu)成定時(shí)電路來(lái)完成對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。ds12887具有時(shí)鐘、鬧鐘、12/24小時(shí)選擇和閏年自動(dòng)補(bǔ)償功能；包含有10的時(shí)鐘控制寄存器、4的狀態(tài)寄存器和114的通用ram；具有可編程方波輸出功能；報(bào)警中斷、周期性中斷、時(shí)鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測(cè)試。使用時(shí)不需任何外圍電路，并具有良好的外圍接口。在本系統(tǒng)中，ds12887的地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線與單片機(jī)的p0口相連。通過(guò)定時(shí)器中斷，cpu每隔0.4秒讀一次ds1288

48、7的內(nèi)部時(shí)標(biāo)寄存器，得到當(dāng)前的時(shí)間，并送到液晶顯示器進(jìn)行顯示。每當(dāng)電阻爐從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一個(gè)狀態(tài)，cpu通過(guò)ds12887把時(shí)間清零，重新開(kāi)始計(jì)時(shí)。此外，通過(guò)ds12887，還可以設(shè)定電阻爐的加熱時(shí)間和恒溫時(shí)間。電路如圖4-5中4-54.3.3鍵盤(pán)顯示和報(bào)警電路本系統(tǒng)采用3*3鍵盤(pán)，由單片機(jī)i/o口控制，可通過(guò)按鍵設(shè)定溫度和時(shí)間，有的按鍵在不同情況下可以實(shí)現(xiàn)不同功能。顯示器選用點(diǎn)陣字符型液晶顯示器tc1602，系統(tǒng)中將擴(kuò)展芯片8155的p0 口、pc.0pc.2口與tc1602接口相連，tc1602的顯示形式是16*2行,可顯示爐溫、設(shè)定時(shí)間、實(shí)際時(shí)間等。如圖4-64-6報(bào)警電路是將單片機(jī)的i

49、/o口與驅(qū)動(dòng)芯片mc1413相連，通過(guò)mc1413驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。如圖4-74-74.3.4控溫電路 控溫電路包括驅(qū)動(dòng)芯片mc1413、過(guò)零型交流固態(tài)繼電器（z型ssr）。報(bào)警和控溫電路如圖4-7中所示。 z型ssr內(nèi)部含有過(guò)零檢測(cè)電路，當(dāng)加入控制信號(hào)，且負(fù)載電源電壓過(guò)零時(shí)，ssr才能導(dǎo)通；而控制信號(hào)斷開(kāi)后，ssr在交流電正負(fù)半周交界點(diǎn)處斷開(kāi)。也就是說(shuō)，當(dāng)z型ssr在1秒內(nèi)為全導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其被觸發(fā)頻率為100hz；當(dāng)z型ssr在1秒內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間為0.5秒時(shí)，其被觸發(fā)頻率為50hz。在本系統(tǒng)中，采用灰色pid控制算法，通過(guò)改變z型ssr在單位時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到改變電阻爐的加熱功率、調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度的目的。4.3.5 總圖4-74.4 軟件設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷；爐溫測(cè)定、鍵盤(pán)輸入、時(shí)間確定和顯示、控制算法等都由子程序來(lái)完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)測(cè)溫和讀取時(shí)間。流程圖如圖4-8所示。4-82.溫度采集流程圖 4-93灰色pid控制工作流程圖4-10總結(jié)溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)之一，準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。目前我國(guó)的溫度控制主要以傳統(tǒng)控制方式為主，精度不高，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，易產(chǎn)生振蕩。本文針對(duì)