基于AT89C52單片機的溫度控制系統(tǒng)設計

內容摘要隨著控制理論和電子技術的發(fā)展，工業(yè)控制器的適應能力增強和高度智能化正逐步成為現(xiàn)實。其中以單片機為核心實現(xiàn)的數(shù)字控制器因其體積小、成本低、功能強、簡便易行而得到廣泛應用。PID溫度控制器作為一種重要的控制設備，在化工、食品等諸多工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用。本文主要討論在過程控制中得到廣泛應用的數(shù)字PID控制在單片機溫度控制系統(tǒng)中的應用和設計。本文詳細闡述了基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的硬件組成、軟件設計及相關的接口電路設計。并且充分考慮了系統(tǒng)的可靠性，采取了相應的措施予以保證。從中發(fā)現(xiàn)問題，并根據(jù)實際，提出硬件及軟件的設計方案，為優(yōu)化當前單片機之溫度探制系統(tǒng)問題提供一定的參考及借鑒。關鍵詞：單片機，溫度控制，數(shù)據(jù)處理目錄內容摘要 I引言 21溫度測控技術的發(fā)展與現(xiàn)狀 31.1定值開關控溫法 31.2PID線性控溫法 41.3智能溫度控制法 42系統(tǒng)總體設計方案 52.1系統(tǒng)性能要求及特點 52.2系統(tǒng)硬件方案分析 62.3系統(tǒng)軟件方案分析 73硬件設計 73.1系統(tǒng)硬件總體結構 73.2主控模塊器件選型及設計 83.2.1單片機的選用 83.2.2單片機介紹 93.2.3主控模塊設計 93.3輸入通道設計 103.3.1Ptl00溫度傳感器 103.3.2A／D轉換 123.4輸出通道設計 143.4.1溫控箱的功率調節(jié)方式 143.4.2可控硅輸出電路 153.5串行通信接口電路 153.6電源電路 163.7硬件抗干擾措施 164軟件設計 174.1軟件設計思想 174.2軟件組成 184.3主程序模塊 184.4數(shù)據(jù)采集模塊 194.5數(shù)據(jù)處理模塊 204.5.1數(shù)字濾波 204.5.2顯示處理 214.6軟件抗干擾措施 215結論 22參考文獻 23引言在實際的生產(chǎn)實驗環(huán)境下，由于系統(tǒng)內部與外界的熱交換是難以控制的，其他熱源的干擾也是無法精確計算的，因此溫度量的變化往往受到不可預測的外界環(huán)境擾動的影響。為了使系統(tǒng)與外界的能量交換盡可能的符合人們的要求，就需要采取其他手段來達到這樣一個絕熱的目的，例如可以讓目標系統(tǒng)外部環(huán)境的溫度與其內部溫度同步變化。根據(jù)熱力學第二定律，兩個溫度相同的系統(tǒng)之間是達到熱平衡的，這樣利用一個與目標系統(tǒng)溫度同步的隔離層，就可以把目標系統(tǒng)與外界進行熱隔離。另外，在大部分實際的環(huán)境中，增溫要比降溫方便得多。因此，對溫度的控制精度要求比較高的情況下，是不允許出現(xiàn)過沖現(xiàn)象的，即不允許實際溫度超過控制的目標溫度。特別是隔熱效果很好的環(huán)境，溫度一旦出現(xiàn)過沖，將難以很快把溫度降下來。這是因為很多應用中只有加熱環(huán)節(jié)，而沒有冷卻的裝置。同樣道理，對于只有冷卻沒有加熱環(huán)節(jié)的應用中，實際溫度低于控制的目標溫度，對控制效果的影響也是很大的。鑒于上述這些特點，高精度溫度控制的難度比較大，而且不同的應用環(huán)境也需要不同的控制策略。所以本文據(jù)此問題，通過查閱大量文獻資料并結合當前溫度測探技術的實際應用情況進行分析，從中發(fā)現(xiàn)問題，并根據(jù)實際，提出硬件及軟件的設計方案，為優(yōu)化當前單片機之溫度探制系統(tǒng)問題提供一定的參考及借鑒。1溫度測控技術的發(fā)展與現(xiàn)狀近年來，溫度的檢測在理論上發(fā)展比較成熟，但在實際測量和控制中，如何保證快速實時地對溫度進行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對所測溫度場進行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問題。溫度測控技術包括溫度測量技術和溫度控制技術兩個方面。在溫度的測量技術中，接觸式測溫發(fā)展較早，這種測量方法的優(yōu)點是：簡單、可靠、低廉、測量精度較高，一般能夠測得真實溫度；但由于檢測元件熱慣性的影響，響應時間較長，對熱容量小的物體難以實現(xiàn)精確的測量，并且該方法不適宜于對腐蝕性介質測溫，不能用于超高溫測量，難于測量運動物體的溫度。另外的非接觸式測溫方法是通過對輻射能量的檢測來實現(xiàn)溫度測量的方法，其優(yōu)點是：不破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測量運動物體的溫度，還可以測量區(qū)域的溫度分布，響應速度較快。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測溫裝置結構復雜，價格昂貴等缺點。因此，在實際的溫度測量中，要根據(jù)具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測量精度要求的前提下盡量減少投入。溫度控制技術按照控制目標的不同可分為兩類：動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動態(tài)溫度跟蹤實現(xiàn)的控制目標是使被控對象的溫度值按預先設定好的曲線進行變化。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場合需要實現(xiàn)這一控制目標，如在發(fā)酵過程控制，化工生產(chǎn)中的化學反應溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等；恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動幅度(即穩(wěn)態(tài)誤差)不能超過某允許值。本文所討論的基于單片機的溫度控制系統(tǒng)就是要實現(xiàn)對溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對恒值溫度控制進行討論。從工業(yè)控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術大致可分以下幾種：1.1定值開關控溫法所謂定值開關控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當前溫度值與設定目標溫度值之間的關系，進而對系統(tǒng)加熱裝置(或冷卻裝置)進行通斷控制。若當前溫度值比設定溫度值高，則關斷加熱器，或者開動制冷裝置；若當前溫度值比設定溫度值低，則開啟加熱器并同時關斷制冷器。這種開關控溫方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠實現(xiàn)。目前，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。由于這種控制方式是當系統(tǒng)溫度上升至設定點時關斷電源，當系統(tǒng)溫度下降至設定點時開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使被控對象溫度波動較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。1.2PID線性控溫法這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的PID調節(jié)器控制原理，PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點被廣泛應用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。由于PID調節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現(xiàn)PID調節(jié)功能。前者稱為模擬PID控制器，后者稱為數(shù)字PID控制器。其中數(shù)字PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質的好壞主要取決于三個PID參數(shù)(比例值、積分值、微分值)。只要PID參數(shù)選取的正確，對于一個確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當對象特性一旦發(fā)生改變，三個控制參數(shù)也必須相應地跟著改變，否則其控制品質就難以得到保證。1.3智能溫度控制法為了克服PID線性控溫法的弱點，人們相繼提出了一系列自動調整PID參數(shù)的方法，jtflPID參數(shù)的自學習，自整定等等。并通過將智能控制與PID控制相結合，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊數(shù)學為理論基礎，并適當加以專家系統(tǒng)來實現(xiàn)智能化。其中應用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實際工程技術中得到了極為廣泛的應用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗來改善控制能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術而研制的具有自適應PID算法的溫度控制儀表。目前國內溫控儀表的發(fā)展，相對國外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國內溫控儀在全量程范圍內溫度控制精度比較低，自適應性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的被控對象，由于控制算法的不足而導致控制精度不穩(wěn)定。2系統(tǒng)總體設計方案本論文所討論的基于單片機的溫度控制系統(tǒng)是某型號氣相色譜儀的溫度控制子系統(tǒng)，其目的是對兩個溫控箱的溫度進行恒值溫度控制。溫控箱的溫度控制范圍在室溫到攝氏600℃之間，溫度控制的精度要求為±02.1系統(tǒng)性能要求及特點(1)系統(tǒng)性能要求：(a)可以人為方便地通過控制面板或PC機設定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應能自動將溫控箱加熱至此設定溫度值并能保持，直至重新設定為另一溫度值，即能實現(xiàn)溫度的自動控制；(b)能夠實現(xiàn)對溫控箱溫度的測量并且通過控制面板上的液晶顯示實時的顯示出來；(c)具有加熱保護功能的安全性要求。如果實際測得的溫控箱溫度值超過了系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護電路就會做出反應，從而對溫控箱實現(xiàn)超溫保護；(d)模塊化設計，安裝拆卸簡單，維修方便；(e)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障；(f)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場上買到同樣零部件進行替換。(2)系統(tǒng)特點：鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應具有的體積小、成本低、功能強、抗干擾并盡可能達到更高精度的要求。本系統(tǒng)在硬件設計方面具有如下特點：控制主板采用AT89C52作為核心芯片。作為與MCS-51系列兼容的單片機，無論在運算速度，還是在內部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。根據(jù)溫控箱測溫范圍的要求，本系統(tǒng)適合采用Ptl00鉑電阻作為溫度傳感器，而Ptl00鉑電阻在大溫度范圍內測溫時表現(xiàn)出的不可忽視的非線性不容忽視，因此在溫度測量的過程中必須對鉑電阻溫度傳感器的非線性進行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)溫度測量的精確度。本文采用最小二乘法擬合的方法對鉑電阻的非線性進行優(yōu)化。為了簡化系統(tǒng)硬件，控制量采用雙向可控硅輸出，這樣就省去了D／A轉換環(huán)節(jié)。整個系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易于替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標準化和模塊化打下良好基礎。系統(tǒng)擴展和配置在滿足功能要求的基礎上留有適當裕量，以利于擴充和修改。2.2系統(tǒng)硬件方案分析目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路(AnalogCircuit)和單片機(Microcontroller)兩種形式。模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。它的最大優(yōu)點是系統(tǒng)響應速度快，能實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制。根據(jù)計算機控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的響應特性。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個相對緩慢的過程，對溫控系統(tǒng)的實時性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢得不到體現(xiàn)。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關系來實現(xiàn)控制算法，很難實現(xiàn)復雜的控制算法。單片機是大規(guī)模集成電路技術發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計算機。它是把中央處理單元CPU(CentralProcessingUnit)、隨機存取存儲器RAM(RandomAccessMemory)、只讀存儲器ROM(ReadonlyMemory)、定時／計數(shù)器以及I／O(Input／Output)輸入輸出接口電路等主要計算機部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，它的特點是：功能強大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應用廣泛。由此可見，采用單片機設計控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結構，而且控制算法由軟件實現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。另外，隨著微電子技術和半導體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng)SOC(SystemOnChip)得到了十足的發(fā)展。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復雜程度，將這種SOC芯片應用到先進的控制儀表中。SOC芯片通常含有一個微處理器核(CPU)，同時，它還含有多個外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲器(RAM和ROM)，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強大，適用領域也非常廣。它不僅能滿足復雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結構簡化。從實現(xiàn)復雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結構的角度出發(fā)，SOC是實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場上SOC的價格還比較昂貴，并且SOC的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實驗電路板的搭建。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應用單片機實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟實用的。目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長。AT89C52單片機是ATMEL公司出品的與MCS51系列兼容的低電壓、高性能CMOS8位單片機。本系統(tǒng)選擇AT89C52為核心器件組成的控制系統(tǒng)。此外，在選取外圍擴展芯片時，本著節(jié)約成本的原則，盡量選取典型的、易于擴展和替換的芯片及器件。2.3系統(tǒng)軟件方案分析目前，MCS-51單片機的開發(fā)主要用到兩種語言：匯編語言和C語言。與匯編語言相比，C語言具有以下的特點：(1)具有結構化控制語句結構化控制語言的顯著特點是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結構化方式可使程序層次清晰，便于使用、維護及調試；(2)適用范圍廣和可移植性好同其他高級語言一樣，C語言不依賴于特定的CPU，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的CPU和常見的MCU都有C編譯器。加之集成開發(fā)環(huán)境KEIL編譯生成的代碼效率很高(僅比匯編語言生成的代碼效率低10％一15％)。所以，本系統(tǒng)的軟件選擇使用C語言開發(fā)。由于整個系統(tǒng)軟件比較復雜，為了便于編寫、調試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結構，故要求整個控制系統(tǒng)軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內數(shù)據(jù)關系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結構。溫度控制算法方面，在對溫控箱數(shù)學模型辨識的基礎之上，結合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經(jīng)典的PID控制算法，這主要是由于PID控制相對來說算法簡單、魯棒性好和可靠性高。此外，在設計PID控制器時，依靠經(jīng)驗和試驗的方法在系統(tǒng)調試時確定PID控制器的參數(shù)KP、KI、KD，然后用代碼實現(xiàn)了算法。3硬件設計3.1系統(tǒng)硬件總體結構本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個部分：單片機主控模塊、輸入通道、輸出通道、保護電路等。硬件總體結構框圖如圖1所示。由結構框圖可見，溫度控制系統(tǒng)以AT89C52單片機為核心，并擴展外部存儲器構成主控模塊。溫控箱的溫度由Ptl00鉑電阻溫度傳感器檢測并轉換成微弱的電壓信號，再通過16位的A／D轉換器AD7705轉換成數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)過數(shù)字濾波之后，一方面將溫控箱的溫度通過控制面板上的液晶顯示器顯示出來；另一方面將該溫度值與設定的溫度值進行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用PID控制算法進行運算，最后通過控制雙向可控硅控制周期內的通斷占空比(即控制溫控箱加熱平均功率的大小)，進而達到對溫控箱溫度進行控制的目的。如果實際測得的溫度值超過了系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護電路會做出反應，從而保護溫控箱。保護電路保護電路設定溫度值溫控箱加熱部件AD轉換時鐘電路可控硅溫度顯示串行通信溫度傳感器MCU圖1硬件總體結構框圖3.2主控模塊器件選型及設計3.2.1單片機的選用針對一定的用途，恰當?shù)倪x擇所使用的單片機是十分重要的。對于明確的應用對象，選擇功能過少的單片機，無法完成控制任務；選擇功能過強的單片機，則會造成資源浪費，使產(chǎn)品的性能價格比下降。目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。在實際應用中，針對不同的需求要選擇合適的單片機，選擇單片機時要注意下幾點：(1)單片機的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲器容量，中斷能力及I／O口引腳數(shù)量等；(2)單片機的增強功能，例如看門狗，雙串口，RTC(實時時鐘)，EEPROM，CAN接口等；(3)單片機的存儲介質，對于程序存儲器來說，F(xiàn)lash存儲器和OTP(一次性可編程)存儲器相比較，最好是選擇Flash存儲器：(4)芯片的封裝形式，如DIP封裝，PLCC封裝及表面貼附封裝等。選擇DIP封裝在搭建實驗電路時會更加方便一些；(5)芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級、軍品級還是商業(yè)級，如果設計戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級芯片；(6)單片機的工作電壓范圍，例如設計電視機遙控器時，使用2節(jié)干電池供電，至少選擇的單片機能夠在1.8V~3.6V電壓范圍內工作；(7)單片機的抗干擾性能好；(8)編程器以及仿真器的價格，單片機開發(fā)是否支持高級語言以及編程環(huán)境要好用易學；(9)供貨渠道是否暢通，價格是否低廉，是否具有良好的技術服務支持。根據(jù)上面所述的原則，結合本系統(tǒng)實際情況綜合考慮，本文討論的溫度控制系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機作為主控模塊的核心芯片。3.2.2單片機介紹本系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列單片機中的AT89C52，AT89C52單片機是一種新型的低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，與工業(yè)標準MCS-51指令系列和引腳完全兼容。具有超強的三級加密功能，其片內閃電存儲器(FlashMemory)的編程與擦除完全用電實現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程／擦除速度快。3.2.3主控模塊設計主控模塊電路由AT89C52單片機、外部時鐘電路、復位電路、存儲器擴展電路組成。由于AT89C52內部存儲器容量不能滿足本系統(tǒng)的需求，所以需要對其存儲器進行擴展。這里選擇用紫外線擦寫的64K×8的EPROM27512和靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器8K×8的SRAM6264擴展單片機的存儲器。存儲器擴展時，AT89C52的P0口作為數(shù)據(jù)總線和低8位地址線，P2口作為高8位地址線。由于P0口的分時復用所以需要使用地址鎖存器74HC373對低8位地址進行鎖存。單片機的復位是由外部復位電路來實現(xiàn)的。在單片機的復位引腳RST(9腳)上保持兩個機器周期的高電平就能使AT89C52完全復位。復位電路的接法很多，本系統(tǒng)中采用上電復位和手動復位鍵復位相結合的方式。系統(tǒng)時鐘電路設計采用內部方式。AT89C52內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTALl(19腳)和XTAL2(18腳)分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻率為11.0592MHz。采用這種頻率的晶體振蕩器的原因是可以方便的獲得標準的波特率。復位電路和時鐘電路如圖2所示。圖2復位電路和時鐘電路3.3輸入通道設計系統(tǒng)輸入通道的作用是將溫控箱的溫度(非電量)通過傳感器電路轉化為電量(電壓或電流)輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉化為電壓的輸出。由于此時的電量(電壓)還是單片機所不能識別的模擬量，所以還需要進行A／D轉換，即將模擬的電量轉化成與之對應的數(shù)字量，提供給單片機判斷和控制。輸入通道由傳感器、A／D轉換等電路組成。3.3.1Ptl00溫度傳感器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成材料、構成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度也各不相同。因此，在不同的應用場合，應選擇不同的溫度傳感器。Ptl00型鉑電阻，在-200℃~850℃范圍內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、化學性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。這些特點使得鉑電阻溫度傳感器具有信號強、精度高、穩(wěn)定性和復現(xiàn)性好的特點。由于在本系統(tǒng)中，測溫范圍較大(在室溫到600℃之間鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型：標準鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。在測量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測量穩(wěn)定性和復現(xiàn)性一般不如標準鉑電阻，這主要有兩個方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴散使其純度受到污染，從而降低了鉑電阻測溫的復現(xiàn)性能，其二是因為高溫條件下的應力退火影響了其復現(xiàn)性能。但是標準鉑電阻溫度傳感器也存在價格昂貴，維護起來較為困難等缺點?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級Ptl00鉑電阻作為溫度傳感器。鉑電阻測溫電路的工作方式一般分為恒壓方式和恒流方式兩種。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Ptl00鉑電阻進行采樣。鉑電阻溫度傳感器采樣電路如圖3所示。該電路將溫控箱的溫度轉化為電壓輸出。采用恒流四線制接法的測溫電路中需要用到一個穩(wěn)定的基準電壓源。本系統(tǒng)采用精密基準電壓源LM399H產(chǎn)生基準電壓，圖中參考電壓％EP即來自LM399H。基準電壓源電路如圖4所示。LM399H是內置恒溫槽高精度基準電壓源，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，內部有恒溫電路，保證了器件的長期穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中基準電壓源產(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轉換電路使用。圖3溫度傳感器電路圖4基準電壓源電路鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一特性進行溫度測量的，根據(jù)IEC(InternationalElectricianCommittee)標準751-1983：(-200℃<t<0℃)(0℃<t<850℃)其中，Rt為t℃時的電阻值，Ro為0℃圖5鉑電阻溫度／電阻曲線由于本系統(tǒng)中溫控箱的溫度范圍在室溫至600℃之間，故只針對(2)由(2)式可知，鉑電阻溫度傳感器在其測量范圍內具有非線性，即阻值變化具有飽和特性。為了減少鉑電阻的飽和特性給溫度測量帶來的誤差，這里采用最小二乘法對鉑電阻的非線性進行優(yōu)化。在0-800℃之間均勻的抽取100個溫度點，對應的鉑電阻阻值利用(2)式計算出來，然后將此電阻值代入圖3所示采樣電路求得電壓值，這樣就有100組數(shù)據(jù)點。對這(3)求解出測溫多項式后，在0-800℃之間隨機抽取1O個點，對此多項式進行檢驗，其結果如表表1實際溫度、測得溫度對照表實際溫度(℃)計算溫度(℃)誤差(℃)39.0038.993-0.007117.00117.0190.019195.00195.0130.013291.00282.995-0.005351.00350.982-0.018429.00428.982-0.018507.00506.996-0.004624.00624.0230.023702.00702.0190.019780.00779.961-0.039由上表可以看到經(jīng)過最小二乘法優(yōu)化之后，(2-3)式誤差絕對值的最大值僅為0.039℃3.3.2A／D轉換在單片機控制系統(tǒng)中，控制或測量對象的有關變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。但是大多數(shù)單片機本身只能識別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉換(A／D轉換)，才能夠實現(xiàn)單片機對被控對象的識別和處理。完成A／D轉換的器件即為A／D轉換器。A／D轉換器的主要性能參數(shù)有：(1)分辨率表示A／D轉換器對輸入信號的分辨能力。A／D轉換器的分辨率以輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示；(2)轉換時間指A／D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠：(3)轉換誤差表示A／D轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示；(4)線性度指實際轉換器的轉移函數(shù)與理想直線的最大偏移。目前有很多類型的A／D轉換芯片，它們在轉換速度、轉換精度、分辨率以及使用價值上都各具特色，其中大多數(shù)積分型或逐次比較型的A／D轉換器對于高精度測量，其轉換效果不夠理想。溫度控制中A／D轉換是非常重要的一個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的電路設計方法是在A／D轉換前增加一級高精度的測量放大器，這樣就增加了成本，電路也較為復雜。綜合考慮，本系統(tǒng)選用AD(ANALOGDEVICES)公司生產(chǎn)的16位AD轉換芯片AD7705作為本溫控系統(tǒng)的A／D轉換器。AD7705是AD公司生產(chǎn)的16位Σ-Δ型A／D轉換器。它包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調節(jié)電路、調制器、可編程數(shù)字濾波器等部件組成。能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行A／D轉換。AD7705采用三線串行接口，具有兩個全差分輸入通道，能達0.003％非線性的16位無誤碼輸出，其增益和輸出更新率均可編程設定，還可以選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準和系統(tǒng)校準方式。工作電壓3V或5V，在3VI作電壓時，器件的最大功耗僅為lmW。AD7705弓|腳如圖6所示。圖6AD7705引腳圖AD7705引腳功能描述如下：(1)SCLK串行時鐘，將一個外部的串行時鐘加于這一輸入端口，以訪問AD7705的串行數(shù)據(jù)。該串行時鐘可以是連續(xù)時鐘以連續(xù)的脈沖串傳送所有數(shù)據(jù)，反之，它也可以是非連續(xù)時鐘，將信息發(fā)送給AD7705；(2)MCLKIN為轉換器提供主時鐘信號，能以晶體／諧振器或外部時鐘的形式提供。晶體／諧振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT兩弓|腳之間，時鐘頻率的范圍為500kHz-5MHz；(3)MCLKOUT，當主時鐘為晶體／諧振器時，晶體／諧振器被接在MCLKIN和MCLKOUT之間，如果在MCLKIN引腳處接上一個外部時鐘，MCLKOUT將提供一個反向時鐘；(4)片選信號，低電平有效；(5)復位輸入，低電平有效；(6)AIN2(+)差分模擬輸入逶道2的正輸入端{(7)AINl(+)差分模擬輸入通道1的正輸入端；(8)AINl(-)差分模擬輸入遙道l的負輸入端；(9)AIN2(-)差分模擬輸入通道2的負輸入端；(10)REFIN(+)差分基準輸入的正輸入端，基準輸入是差分的，并規(guī)定REFIN(+)必須大于REFIN(-)，REFIN(+)可以取VDD和GND之間的任何值；(11)(-)差分基準輸入的負輸入端，REFIN(-)可以取VDD和GND之間的任何值，且必須滿足REFIN(+)大于REFIN(-)；(12)DRDY邏輯輸出，這個輸出端上的邏輯低電平表示可以從AD7705的數(shù)據(jù)寄存器獲取新的輸出字。完成對一個完全的輸出字的讀操作后，該引腳立即回到高電平。當該引腳處于高電平時，不能進行讀操作，當數(shù)據(jù)更新后，該引腳又返回低電平：(13)DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端，從片內的輸出移位寄存器讀出的串行數(shù)據(jù)由此端輸出。根據(jù)通信寄存器中的寄存器選擇位，移位寄存器可以容納來自通信寄存器、時鐘寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的信息；(14)DIN串行數(shù)據(jù)輸入端，向片內的輸入移位寄存器寫入的串行數(shù)據(jù)由此輸入。3.4輸出通道設計3.4.1溫控箱的功率調節(jié)方式溫控系統(tǒng)均采用可控硅來實現(xiàn)功率調節(jié)?？煽毓璧目刂颇Ｊ接袃煞N：控制和零位控制(分配式零位控制、時間比例零位控制)。(1)相位控制：作用于每一個交流正弦波，改變正弦波每個正半波和負半波的導通角來控制電壓的大小，進而可以調節(jié)輸出電壓和功率的大小。采用相位控制模式的可控硅控制器可以叫做調壓器，它可以方便的調節(jié)電壓有效值，可用于電爐溫度控制、燈光調節(jié)、異步電機降壓軟啟動和調壓調速等。(2)零位控制：在設定的周期Tc內，觸發(fā)信號使主回路接通幾個周波(幾個完整的正弦波)，再斷開幾個周波，改變可控硅在設定周期內的通斷時間比例，以調節(jié)負載上的交流電的平均功率，即可達到調節(jié)負載功率的目的。根據(jù)輸出電壓分布的不同，零位控制又分為分配式零位控制(在Tc周期內根據(jù)輸出百分比平均分布周波)和時間比例零位控制(在Tc周期內根據(jù)輸出百分比連續(xù)接通幾個周波，然后在Tc周期剩余的時間內連續(xù)關斷幾個周波)。它多用于大慣性的加熱器負載，采用這種控制，既實現(xiàn)了溫度控制，又消除了相位控制時帶來的高次諧波污染電網(wǎng)。本系統(tǒng)采用分配式零位控制的模式，控制溫控箱的加熱電阻的平均加熱功率，進而控制溫控箱的溫度。3.4.2可控硅輸出電路可控硅是一種功率半導體器件，簡稱SCR，也稱晶閘管。它分為單向可控硅和雙向可控硅，在微機控制系統(tǒng)中，可作為功率驅動器件?？煽毓杈哂锌刂乒β市　o觸點、長壽命等優(yōu)點，在交流電機調速、調功、隨動等系統(tǒng)有著廣泛的應用。雙向可控硅相當于兩個單向可控硅反向并聯(lián)。雙向可控硅與單向可控硅的區(qū)別是：(1)它在觸發(fā)之后是雙向導通：(2)在控制極上不管是加正的還是負的觸發(fā)信號，一般都可以使雙向可控硅導通。因此雙向可控硅特別適合用作交流無觸點開關。本系統(tǒng)中與可控硅配套使用的是MOC3041光電耦合雙向可控硅驅動器，與一般的光耦器件不同之處是MOC3041輸出部分是硅光敏雙向可控硅，還帶有過零觸發(fā)檢測器，以保證電壓接近零時觸發(fā)可控硅。3.5串行通信接口電路目前，廣泛使用的串行數(shù)據(jù)接口標準有RS-232，RS-422與RS-485三種。其中RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會正式公布的串口總線標準，也是目前最為常用的串行接口標準，用來實現(xiàn)計算機與計算機之間，計算機與外設之間的數(shù)據(jù)通訊。串行通信接口的基本任務是實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化。來自CPU的是普通的并行數(shù)據(jù)，接口電路應具有實現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化的任務。具體任務是：(1)進行串一并轉換；(2)控制數(shù)據(jù)傳輸速率；(3)進行錯誤檢測；(4)進行TTL與EIA電平轉換；(5)提供EIA—RS．232接口標準所要求的信號線。由于CMOS電平和RS-232電平不匹配，因此要實現(xiàn)單片機和PC機之間的通信，必須在它們之間加接電平轉換器。系統(tǒng)設計采用MAXIM公司的RS-232接口芯MAX232，這是一種標準的RS-232接口芯片。MAX232只需+5V電源供電，其內部的電源變化成±10V電源用于RS232通信。該芯片集成有兩路收發(fā)器，可將單片機輸入的TTL／CMOS電平轉換為RS232電平發(fā)送給PC機，或將從PC機接收的RS232電平轉換為TTL／CMOS電平發(fā)送給單片機。MAX232為雙列直插16腳封裝。系統(tǒng)串口通信電路如圖9所示。圖9串口通信電路其中T20UT連接上位機串口的RX端，R2IN連接上位機串口的TX端，R20UT和T2IN是TTL／CMOS發(fā)送器的輸出和輸入端，分別連接單片機的RX(P3.0)和TX(P3.1)端。3.6電源電路系統(tǒng)所用直流電源由三端集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源提供。設計中選用LM7805，LM7815和LM7915三個三端集成穩(wěn)壓器，分別提供+5V、+15V和一15V直流電壓，輸出電流均為1A。LM7805、LM7815和LM7915的連接方法一樣。變壓器將220V的市電降壓后再通過整流橋整流之后采用了大容量的電解電容進行濾波，以減小輸出電壓紋波。由于電解電容器在高頻下工作存在電感特性，對于來自電源側的高頻干擾不能抑制，因此在整流電路后加入高頻電容改善紋波。3.7硬件抗干擾措施硬件抗干擾是應用系統(tǒng)最基本和最主要的抗干擾手段，一般從防和抗兩方面入手來抑制干擾。其總的原則是：抑制或消除干擾源，切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道，降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。對于本系統(tǒng)，硬件抗干擾設計具體措施有：隔離、接地、濾波等常用方法。(1)隔離主要用于過程通道的隔離。光電耦合器能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，提高信噪比。在輸入、輸出通道采用光電耦合器將控制系統(tǒng)與外圍接口隔離；(2)接地接地應遵循的基本原則是：數(shù)字地、模擬地、屏蔽地應該合理接地，不能混用。要盡可能地使接地電路各自形成回路，減少電路與地線之間的電流耦合。合理布置地線使電流局限在盡可能小的范圍內，并根據(jù)地電流的大小和頻率設計相應寬度的印刷電路和接地方式。模擬電源和數(shù)字電源各自并接0.1uF的陶瓷電容(去耦電容)：(3)濾波電源系統(tǒng)干擾源主要是高次諧波。無源濾波器是一個簡單的、有效的低通濾波器，它只讓電網(wǎng)中基波通過，而對高次諧波有急劇的衰減作用，對串模干擾和共模干擾信號具有很強的雙向抑制作用。4軟件設計在微機測控系統(tǒng)中，軟件與硬件同樣重要。硬件是系統(tǒng)的軀體，軟件則是靈魂，當系統(tǒng)的硬件電路設計好之后，系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來實現(xiàn)，而且軟件的設計在很大程度上決定了測控系統(tǒng)的性能。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時一般要符合以下基本要求：(1)易理解性、易維護性要達到易理解和易維護等指標，在軟件的設計方法中，結構化設計是最好的一種設計方法，這種設計方法是由整體到局部，然后再由局部到細節(jié)，先考慮整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，確定整體目標，然后把這個目標分成一個個的任務，任務中可以分成若干個子任務，這樣逐層細分，逐個實現(xiàn)；(2)實時性是電子測量系統(tǒng)的普遍要求，即要求系統(tǒng)及時響應外部事件的發(fā)生，并及時給出處理結果。近年來，由于硬件的集成度與運算速度的提高，配合相應的軟件，實時性比較容易滿足設計要求；(3)準確性對整個系統(tǒng)具有重要意義，尤其是測量系統(tǒng)，系統(tǒng)要進行一定量的運算，算法的正確性和準確性對結果有著直接的影響，因此在算法的選擇、計算的精度等方面都要符合設計的要求；(4)可靠性是系統(tǒng)軟件最重要的指標之一，作為能夠穩(wěn)定運行的系統(tǒng)，抗干擾技術的應用是必不可少的，最起碼的要求是在軟件受到干擾出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)還能恢復正常工作。結合上述編制系統(tǒng)軟件的基本要求，首先討論軟件的設計思想。4.1軟件設計思想很多的單片機軟件系統(tǒng)都是采用如圖12所示的前、后臺系統(tǒng)(也稱超循環(huán)系統(tǒng))。其中，應用程序是一個無限的循環(huán)，循環(huán)中調用相應的函數(shù)完成相應的操作，這部分可以看成是后臺行為(background)。中斷服務程序處理異步事件，這部分可以看成是前臺行為(foreground)。后臺也可以叫做任務級。前臺也可以叫做中斷級。時間相關性很強的關鍵操作(criticaloperation)一定是靠中斷服務來保證的。本系統(tǒng)軟件正是基于這種軟件思想編制的。圖10前后臺系統(tǒng)4.2軟件組成由于整個系統(tǒng)軟件相對比較龐大，為了便于編寫、調試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設計。即整個控制軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內部數(shù)據(jù)關系緊湊，模塊之間數(shù)據(jù)關系松散的原則，按功能形成模塊化結構。系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制算法模塊等組成。主模塊的功能是為其余幾個模塊構建整體框架及初始化工作；數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將A／D轉換的數(shù)字量采集并儲存到存儲器中；數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進行一系列的處理，其中最重要的是數(shù)字濾波程序：控制算法模塊完成控制系統(tǒng)的PID運算并且輸出控制量。下面就介紹本系統(tǒng)幾個主要的程序模塊。4.3主程序模塊主程序模塊要做的主要工作是上電后對系統(tǒng)初始化和構建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對單片機的初始化、A／D芯片初始化和串口初始化等。然后等待溫度設定，若溫度已經(jīng)設定好了，判斷系統(tǒng)運行鍵是否按下，若系統(tǒng)運行，則依次調用各個相關模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運行。主程序模塊的程序流程圖如圖11所示。在附錄中給出了系統(tǒng)初始化源程序。圖11主程序流程圖4.4數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的任務是負責溫度信號的采集以及將采集到的模擬量通過A／D轉換器轉化為相應的數(shù)字量提供給單片機。數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程圖如圖12和圖13所示。圖12數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖圖13A／D4.5數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊負責處理A／D轉換后的數(shù)字量。其中最重要的環(huán)節(jié)是數(shù)字濾波，所以這里主要討論系統(tǒng)采用的數(shù)字濾波程序。4.5.1數(shù)字濾波模擬信號都必須經(jīng)過A／D轉換后才能為單片機接受，如果模擬信號受到擾動影響，將使A／D轉換結果偏離真實值。因此僅僅對模擬量采樣一次，我們是無法確定該結果是否可信的，必須經(jīng)過多次采樣，得到一個A／D轉換的數(shù)據(jù)序列，通過某種處理后，才能得到一個可信度較高的結果。這種從數(shù)據(jù)序列中提取逼近真值數(shù)據(jù)的軟件算法，通常稱為數(shù)字濾波算法。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比具有以下幾個方面的優(yōu)點：(1)由于數(shù)字濾波是用程序實現(xiàn)的，因而不需要增加硬件設備，而且可以多個輸入通道共用一個濾波程序；(2)由于數(shù)字濾波不需要硬件設備，因而可靠性高、穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題；(3)數(shù)字濾波可以對頻率很低(如O．01HZ)的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷，而且通過改變數(shù)字濾波程序，可以實現(xiàn)不同的濾波方法或改變?yōu)V波參數(shù)，這比改變模擬濾波器的硬件要更靈活方便。常用的數(shù)字濾波方法有程序判斷濾波法、中值濾波法、算術平均濾波法、一階滯后濾波法、去極值平均濾波法等等，下面簡要介紹這幾種數(shù)字濾波方法。(1)程序判斷濾波法首先要從經(jīng)驗出發(fā)，定出一個目標參數(shù)最大可能的變化范圍。每次采樣后都和上次的有效采樣值進行比較，如果變化幅度不超過經(jīng)驗值，本次采樣有效，否則，本次采樣值應視為干擾而放棄，以上次采樣值為準。該算法適用于變化緩慢的物理參數(shù)的采樣過程，如濕度、液位等。(2)中值濾波法對目標參數(shù)連續(xù)進行若干次采樣，然后將這些采樣進行排序，選取中間位置的采樣值為有效值。對于變化較為劇烈的參數(shù)，此濾波方法不宜采用。(3)算術平均濾波法是對目標參數(shù)進行連續(xù)采樣，然后求其算術平均值作為有效采樣值。該算法適用于抑制隨機干擾。采樣次數(shù)越大，平滑效果越好，但系統(tǒng)的靈敏度要下降。算術平均濾波不能將明顯的脈沖干擾消除，只是將其影響削弱。(4)一階滯后濾波法是一種動態(tài)濾波方法，其表達式為：(4)式中