反應(yīng)釜溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-硬件部分

反應(yīng)釜溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)——硬件部分學(xué)專2020年2月中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書反應(yīng)釜溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)——硬件部分摘要：溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍存在的物理參數(shù)，化學(xué)反應(yīng)釜的溫度控制精度、系統(tǒng)響應(yīng)速度及穩(wěn)定度是衡量溫控系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素，準(zhǔn)確控制釜內(nèi)溫度對在不同溫度下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)具有重要的意義。通常的反應(yīng)釜容量大，其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，反應(yīng)系統(tǒng)具有較大的時(shí)變性、非線性和時(shí)滯性，被控對象繁多，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的最優(yōu)控制難以應(yīng)用在反應(yīng)釜的控制上。數(shù)，設(shè)計(jì)了對反應(yīng)釜冷熱劑控制來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜溫度智能控制系統(tǒng)具體電路。在控制方法關(guān)鍵詞：反應(yīng)釜單片機(jī)溫度控制模糊控制中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書Thereactionketteltemperatureintelligentcontrolsystemdesign-hardwarepartsAbstract:Thetemperatureistheproductionprocessandscientificexperimentsarecommoninthephysicalparameters,chemicalreactionkettletemperaturecontrolprecision,systemresponsespeedandstabilityoftemperaturecontrolsystemisthemeasureoftheperformanceindexesofkeyfactors,theaccuratecontrolofthetemperatureindifferentkettleforchemicalreactiontemperatureisofgreatsignificance.Usuallythereactionkettlecapacity,itsinternalchemicalreactionmechanismcomplex,reactionsystemhasalargertime-varying,nonlinearandtimelag,thecontrolledobjectisvarious,classicalcontroltheoryandmoderncontroltheory,theoptimalcontrolcannotbeusedinthereactionkettlecontrol.Inthispaper,thereactionkettletemperaturecontrolareanalyzed,thecoldagentforthereactionkettleflowwithinthetransferfunctionoftemperature,thedesignofcoldandheatreactionkettleagentcontroltoachievethereactionkettletemperatureconcretecircuitintelligentcontrolsystem.Inthecontrolmethod,throughthesingle-chipmicrocomputer,thefuzzycontrolmethod,andgivesadetailedanalysisofthestepsandcontrolalgorithm.Keywords:ReactorSingle—ChipComputerTemperatureControlFuzzy-Control中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書目錄1緒論........................................................................................................................................11.1反應(yīng)釜溫度智能控制器研究與開發(fā)的背景和意義....................................................11.2反應(yīng)釜溫度控制技術(shù)的現(xiàn)狀........................................................................................12反應(yīng)釜的過程分析................................................................................................................32.1反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)........................................................................................................32.2反應(yīng)釜的工作原理........................................................................................................42.3反應(yīng)釜的控制方案........................................................................................................42.4反應(yīng)釜的動(dòng)態(tài)特性........................................................................................................62.4.1基本方程...............................................................................................................62.4.2基本方程的線性化...............................................................................................72.5論文的研究內(nèi)容............................................................................................................83控制方案的確定....................................................................................................................93.1總體控制方案的確定....................................................................................................93.2模糊控制器設(shè)計(jì)..........................................................................................................103.2.1模糊控制器簡述.................................................................................................103.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì).............................................................................................114硬件電路設(shè)計(jì)......................................................................................................................174.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成..............................................................................................................174.2電源電路......................................................................................................................184.3過零檢測電路..............................................................................................................194.4基于DS的多傳感器測溫電路...........................................................................19L4.4.1DSl8820的性能特點(diǎn)...........................................................................................194.4.2DSl8820內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡介.......................................................................................194.5D/A轉(zhuǎn)換及輸出電路...................................................................................................214.5.1MAX518與I總線............................................................................................2124.5.2電壓放大電路.................................................................................................21[13]4.5.3V/I轉(zhuǎn)換電路........................................................................................................224.6單片機(jī)人機(jī)交互..........................................................................................................244.6.1鍵盤接口電路.....................................................................................................244.6.2顯示接口電路.....................................................................................................265控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)..........................................................................................................28第I頁共II頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書5.1主程序設(shè)計(jì)..................................................................................................................285.2鍵盤中斷服務(wù)子程序..................................................................................................295.3定時(shí)器中斷服務(wù)子程序............................................................................................305.4溫度采集子程序..........................................................................................................305.4.1DSl8820溫度轉(zhuǎn)換子程序...................................................................................305.4.2讀DSl8820溫度子程序.......................................................................................315.5控制量輸出子程序......................................................................................................325.6模糊控制算法子程序..............................................................................................32[21]6結(jié)論......................................................................................................................................35參考文獻(xiàn)..................................................................................................................................36附錄A反應(yīng)釜溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總電路圖.................................................................38致謝..................................................................................................................................39第II頁共II頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1緒論1.1反應(yīng)釜溫度智能控制器研究與開發(fā)的背景和意義反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，同時(shí)也是主要的能耗設(shè)備，它具有非線性、時(shí)變、大滯后等特性，是一個(gè)涉及多種因素的復(fù)雜系統(tǒng)。產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上取決于工藝參數(shù)主要是溫度、壓力的控制。因此，設(shè)計(jì)在線控制手段，保證物料在加工過程中的溫度和壓力變化符合理想的工藝曲線，將大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定、可靠和節(jié)能降耗的目的。從而提高生產(chǎn)率，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在我國，由于大中城市科學(xué)技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展步伐較快，近年來一些生產(chǎn)規(guī)模不大，技術(shù)相對落后，而具有一定危險(xiǎn)性的化工生產(chǎn)項(xiàng)目轉(zhuǎn)移到農(nóng)村和小城市，并常有反應(yīng)釜爆炸、起火等安全事故發(fā)生，因此對反應(yīng)釜智能化檢測和控制裝置的呼聲日益增高。從長遠(yuǎn)來說，由于許多化學(xué)工業(yè)、生物制藥工業(yè)又有規(guī)模小、產(chǎn)品更新?lián)Q代快的對現(xiàn)在的多數(shù)的反應(yīng)釜而言，缺少成熟、通用、制式化的智能控制設(shè)備。因此有必要研制適合于小規(guī)模反應(yīng)釜的低成本、控制簡便的溫度智能控制器。1.2反應(yīng)釜溫度控制技術(shù)的現(xiàn)狀自上世紀(jì)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(jì)算機(jī)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，以美國、德國、瑞典等國技術(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[1]。它們主要具有如下的特點(diǎn)：適應(yīng)十大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。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。能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛。控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)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(yàn)及第1頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書控制對象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前國內(nèi)外較先進(jìn)的化工過程監(jiān)控裝置基本上是應(yīng)用各類傳感器為檢測敏感元件，以單片微處理器為控制器件，通過控制攪拌器、電磁閥等執(zhí)行器件實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)的溫度、壓強(qiáng)調(diào)節(jié)等目的[2]。第2頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2反應(yīng)釜的過程分析所謂過程系統(tǒng)是指研究一類以物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)即過程工業(yè)的生產(chǎn)過程，研究這類過程的描述、模擬、仿真、設(shè)計(jì)、控制和管理，旨在進(jìn)一步改善工藝操作，提高自動(dòng)化水平，優(yōu)化生產(chǎn)過程，加強(qiáng)生產(chǎn)管理，最終顯著地增加經(jīng)濟(jì)效益。過程控制的任務(wù)是在了解掌握工藝流程和生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)對控制提出的要求，應(yīng)用控制制理論，設(shè)計(jì)出包括被控對象、調(diào)節(jié)器、檢測裝置和執(zhí)行器在內(nèi)的過程控制系統(tǒng)，并對它進(jìn)行分析和綜合，最后采用合適的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)。也就是說，過程控制的任務(wù)是由控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)來完成的[5]。2.1反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)反應(yīng)釜有間歇式和連續(xù)式之分。間歇反應(yīng)釜通常用于液相反應(yīng)，如多品種、小批量的制藥、燃料等反應(yīng)。連續(xù)反應(yīng)釜用于均相和非均相的液相反應(yīng)，如聚合反應(yīng)等。本文使用的是間歇式反應(yīng)釜。圖2.1反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。反應(yīng)釜由攪拌容器和攪拌機(jī)兩人部分組成。攪拌容器包括簡體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動(dòng)裝置等統(tǒng)稱為攪拌機(jī)。簡體為一個(gè)鋼罐形容器，可以在罐內(nèi)裝入物料，使物料在其內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。為了維持反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)溫度，需要設(shè)置換熱元件。常用的換熱元件為夾套，它包圍在筒第3頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書體的外部，用焊接或法蘭連接的方式裝設(shè)各種形狀的鋼結(jié)構(gòu)，使其與容器外壁形成密閉的空間。在此空間通入冷卻或加熱介質(zhì)，通過夾套內(nèi)壁傳熱，可冷卻或加熱容器內(nèi)的物料，介質(zhì)的每秒流量受電磁閥的控制。由于化學(xué)反應(yīng)對反應(yīng)物的純度有一定的要求，并且反應(yīng)過程有可能產(chǎn)生劇毒、易燃、易爆的氣體和物料，所以密封裝置是反應(yīng)釜必不可少的一部分。傳動(dòng)裝置包括電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、連軸器及機(jī)架。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌軸，帶動(dòng)攪拌器旋轉(zhuǎn)，為物料的循環(huán)提供動(dòng)力。罐頂和罐底分別裝有加料口和出料口，分別用于往罐中加入物料和從罐中取走物料。為了測量釜內(nèi)的溫度，在罐內(nèi)裝有鋼制的溫度計(jì)套管，可將溫度計(jì)或溫度傳感器放入其中。為了滿足工藝的需要，還可以外接附件裝置[3]。2.2反應(yīng)釜的工作原理在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)之前，先將反應(yīng)物按照一定的比例進(jìn)行混合，然后與催化劑一同投入反應(yīng)釜內(nèi)，在反應(yīng)釜的夾套中通以一定的高壓蒸汽，高壓蒸汽通過反應(yīng)釜的夾套提高釜內(nèi)物料的溫度，通過攪拌器的攪拌使物料均勻并提高導(dǎo)熱速度，使其溫度均勻。當(dāng)釜內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí)，保持一定時(shí)間的恒溫以使化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行冷卻。有時(shí)在恒溫后還要進(jìn)行二次升溫和恒溫。恒溫段是整個(gè)工藝的關(guān)鍵，如果溫度偏高或偏低，會影響反應(yīng)進(jìn)行的深度和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，從而影響了產(chǎn)品的質(zhì)量?；瘜W(xué)饋?zhàn)约さ年P(guān)系。也就是說，若某種擾動(dòng)使反應(yīng)溫度有所增加，反應(yīng)的速率就會增加，放熱速率也會增加，會使反應(yīng)溫度進(jìn)一步上升，甚至?xí)稹熬郾爆F(xiàn)象使釜內(nèi)的產(chǎn)品變成廢品，并且會影響安全生產(chǎn)。為了使釜溫穩(wěn)定，在夾套中通以一定的冷卻介質(zhì)，來移走反應(yīng)放出的多余熱量。通過調(diào)節(jié)流入反應(yīng)釜夾套中冷卻介質(zhì)的流量，來控制反應(yīng)釜內(nèi)物料的溫度使之符合工藝要求。[4]2.3反應(yīng)釜的控制方案在設(shè)計(jì)反應(yīng)釜智能控制器時(shí)有必要弄清反應(yīng)釜的控制目標(biāo)和可能的控制手段。關(guān)于控制指標(biāo)可以從下列幾個(gè)方面考慮。（1）控制指標(biāo)根據(jù)反應(yīng)釜及其內(nèi)在進(jìn)行的反應(yīng)的不同，其控制指標(biāo)可以選擇反心轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量等直接指標(biāo)，或與它們有關(guān)的間接工藝指標(biāo)，如溫度、壓力、粘度等。（2）物料平衡第4頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書對于反應(yīng)釜來說，從穩(wěn)定角度出發(fā)，流入量等于流出量，如屬可能需常常對主要物料進(jìn)行流量控制。另外，在有一部分物料循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)定時(shí)排放或放空系統(tǒng)中的惰性材料。（3）能量平衡相互平衡。能量平衡控制對反應(yīng)釜來說至關(guān)重要，他決定了反應(yīng)釜的安全生產(chǎn)，也間接保證反應(yīng)釜的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到工藝要求。（4）約束條件與其它化工操作設(shè)備相比，反應(yīng)釜操作的安全性具有更重要的意義，這樣就構(gòu)成了反應(yīng)釜控制中的一系列約束條件。例如，不少具有催化劑的反應(yīng)中，一旦溫度過高或反應(yīng)物中含有雜質(zhì)，將會導(dǎo)致催化劑的破損和中毒：在有些氧化反應(yīng)中，反應(yīng)物的配比不當(dāng)會引起爆炸等等。因此，在設(shè)計(jì)中經(jīng)常配置報(bào)警或自動(dòng)選擇性控制系統(tǒng)。（5）質(zhì)量控制通過上述控制，保證反應(yīng)過程平穩(wěn)安全進(jìn)行的同時(shí)，還應(yīng)使反應(yīng)達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)化率，或使產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的成分，因此必須對反應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量控制。質(zhì)量指標(biāo)的選取，即被控變量的選擇可分為兩類：取出料的成分或反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)作為被控變量；取反應(yīng)過程的工藝狀態(tài)參數(shù)（間接質(zhì)量指標(biāo)）作為被控產(chǎn)量[6]。標(biāo)主要是反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)量、收率、主要產(chǎn)品的含量和產(chǎn)物分布等。如果直接把這些指標(biāo)作為被控對象，反應(yīng)要求就得到了保證。但是，這些指標(biāo)人多是綜合性指標(biāo)，無法測量，有些是成分指標(biāo)，但也缺少測量手段，或者測量滯后大，精度差，不宜作為被控變量。在反應(yīng)過程中，溫度和上述指標(biāo)密切相關(guān)，又便于測量。所以，本文將溫度作為被控量。冷卻劑的變化影響熱量移走的大小，因此，常需穩(wěn)定其流量或壓力。由于冷卻劑往往作為溫度控制的操縱變量，因此，一般對它們的流量進(jìn)行控制。本文就是采用這樣的控制方案。前面已提到了，在恒溫過程中，通過在夾套中通以冷卻介質(zhì)來吸收多余的反應(yīng)熱，冷卻介質(zhì)的流量是通過調(diào)節(jié)閥的開度來控制的，方案如圖2.1所示。由于冷卻介質(zhì)的流量相對較少，釜溫與冷劑溫差較大，當(dāng)內(nèi)部溫度不均勻時(shí)，易造第5頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書成局部過熱或過冷。為了解決這個(gè)問題，本文在反應(yīng)釜內(nèi)部不同位置放置多個(gè)數(shù)字溫度計(jì)來測量反應(yīng)釜內(nèi)部的溫度，通過釜內(nèi)各點(diǎn)溫差來調(diào)節(jié)攪拌速度。在局部溫差較大時(shí)，通過提高攪拌速度來加快傳熱，以保證釜內(nèi)溫度的均勻。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)相對獨(dú)立的控制回路?；芈芬愿獌?nèi)平均溫度為輸入量．以冷卻介質(zhì)閥門的開度為輸出量。2.4反應(yīng)釜的動(dòng)態(tài)特性2.4.1基本方程對間歇式反應(yīng)釜，化學(xué)反應(yīng)中熱量平衡關(guān)系為：(反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)累積熱量)=(反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)反應(yīng)放出熱量)+(通過間壁傳入反應(yīng)系統(tǒng)熱量)。假設(shè)反應(yīng)釜和夾套的容積和密度都保持不變，忽略熱交換過程中的熱量損失，可得下列方程反應(yīng)釜內(nèi)溫度與熱量平衡方程為[6]MCPVHrC,T)TTRARC．2)式中，C——反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)物比熱；p——反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)物濃度；CAM——反應(yīng)物總質(zhì)量；V——反應(yīng)器容積；R——反應(yīng)釜間壁的總傳熱系數(shù)；A——反應(yīng)釜間壁的傳熱面積；RT——反應(yīng)釜內(nèi)溫度；T——冷卻介質(zhì)出口溫度；CH——摩爾反應(yīng)熱吸熱為正，放熱為負(fù)。(夾套內(nèi)溫度與熱量平衡方程為[8]()VCCWCTTTCCCHCR．3)式中，V——夾套內(nèi)冷卻介質(zhì)的容積；CC——夾套內(nèi)冷卻介質(zhì)的密度；C——夾套內(nèi)冷卻介質(zhì)的比熱；PC第6頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書W——冷卻介質(zhì)的流量；TH——冷卻介質(zhì)的入口溫度?；瘜W(xué)反應(yīng)速度r(C，T)為AECArC,TkAA0（1.4）．5)將式．代入(1．，可得(HVEkCTTRR0ACPP由式．得WTTTTCCHCVCCV．6)CPC2.4.2基本方程的線性化式(1．8)和式(1．9)是表示反應(yīng)釜溫度動(dòng)態(tài)特性的基本方程，均為非線性方程。為了便于應(yīng)用線性控制理論來分析小擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，對式(1．7)和式(1．8)進(jìn)行線性化在寫增量方程時(shí)，為簡化寫法,一律從簡，各變量上方的“”表示穩(wěn)態(tài)值，可得以下矩陣形式的線性方程xAxBu．7)式中，TxATCaa11a2112a2200Bub21b(2.1)22THW其中，HAaR11VCP2R第7頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書UAa21RMCPaR12VCCCPCWUAaR22VVCCCCPCWb21VCTTb22HCVC2.5論文的研究內(nèi)容定的質(zhì)量和控制要求，并確保反應(yīng)的安全進(jìn)行。反應(yīng)器的工藝指標(biāo)多為轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量等，其值主要取決于產(chǎn)品混合物中各組成部分的量的濃度，所以最直接的控制系統(tǒng)是以產(chǎn)物濃度為被控變量。但由于無實(shí)用的在線分析儀和采樣問題不易解決，所以選用溫度為間接參數(shù)是最有效的辦法[19]應(yīng)釜溫度的智能控制。DSl8820數(shù)字溫度計(jì)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度采集，其測溫精度可達(dá)到0.0625℃。控制方法上采用模糊控制。反應(yīng)釜內(nèi)的溫度有一定的限制，在開始階段，由于溫度低于設(shè)定的反應(yīng)溫度，需要通過電磁閥給反應(yīng)釜的夾套通以蒸汽，當(dāng)溫度接近給定值時(shí)，釜內(nèi)的原料進(jìn)行反應(yīng)，并釜內(nèi)的溫度急劇上升，此時(shí)，需要通過閥對反應(yīng)釜的夾套通以冷卻介質(zhì)，對反應(yīng)釜進(jìn)行降溫，從而使釜內(nèi)溫度穩(wěn)定存給定值，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。作為智能控制器，人機(jī)交互即人機(jī)界面是必不可少的。本控制器通過LED顯示屏來實(shí)現(xiàn)顯示功能，同時(shí)可以通過鍵盤來實(shí)現(xiàn)工況、反應(yīng)釜內(nèi)要達(dá)到的溫度和定時(shí)時(shí)間的設(shè)定。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，主要有主程序模塊、溫度采集模塊、鍵盤中斷處理模塊、定時(shí)器中斷處理模塊、輸出控制模塊、控制算法模塊以及相應(yīng)的顯示模塊，同時(shí)還運(yùn)用了一些軟件抗干擾措施。第8頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書3控制方案的確定3.1總體控制方案的確定根據(jù)對反應(yīng)釜的特性分析可知，反應(yīng)釜的溫度對化學(xué)反應(yīng)有很大的影響。我們在分析對象特性時(shí)，做了很多的假設(shè)，對方程進(jìn)行了近似處理。事實(shí)上，反應(yīng)釜反應(yīng)過程復(fù)雜，控制難度大，系統(tǒng)中存在著隨機(jī)性和時(shí)變性，求取其數(shù)學(xué)模型十分困難。本文采用反應(yīng)釜的溫度作為被控對象，反應(yīng)釜的溫度控制與一般的過程工業(yè)相比，主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：釜的夾套進(jìn)行傳熱，釜內(nèi)物料與夾套內(nèi)的冷卻介質(zhì)的熱交換也需要時(shí)問，導(dǎo)致系統(tǒng)表現(xiàn)出很大的時(shí)滯性和慣性。從起始升溫、中間恒溫到最后的降溫，對象具有明顯的時(shí)變性。并且，就某一個(gè)具體的階段而苦，由于化學(xué)反應(yīng)的速度不穩(wěn)定，導(dǎo)致過程的增益、慣性時(shí)間和滯后也會發(fā)生相應(yīng)的變化。過程不穩(wěn)定。本反應(yīng)釜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高反應(yīng)越劇烈，放熱也越多，存在正反饋，是不穩(wěn)定過程。干擾因素很多，主要有：．總管蒸汽壓力和冷卻水壓力不穩(wěn)定，而不同壓力時(shí)的加熱或冷卻效果相差很大，給溫度控制帶來很大的擾動(dòng)。b．每批物料的成分和質(zhì)量不可能完全一樣，在反應(yīng)過程中表現(xiàn)出的特性也就有所區(qū)別，有時(shí)甚至差別很大。針對被控對象的上述特點(diǎn)，應(yīng)選擇合理的控制方案，針對被控對象的時(shí)變性和大時(shí)滯性，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的魯棒性和快速性的要求，提高測量精度和測量穩(wěn)定性，最終設(shè)計(jì)和開發(fā)出可靠性、穩(wěn)定性好、系統(tǒng)性價(jià)比高的控制器。我們知道，無論是以傳遞函數(shù)為核心的經(jīng)典控制理論，還是以最優(yōu)控制理論為核心的現(xiàn)代控制理論，應(yīng)用它們解決自動(dòng)控制的實(shí)際問題時(shí)，都先假設(shè)被控對象的特性是線性的或近似線性的，并且己知描述被控對象特性的某種形式的數(shù)學(xué)模型，如微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程等[9]。由前述可知，本系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是由反應(yīng)釜內(nèi)的物料、狀態(tài)第9頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書以及反應(yīng)釜的各個(gè)參數(shù)決定的，隨著物料或者反應(yīng)釜參數(shù)的變化，傳遞函數(shù)也會發(fā)生變化，即其傳遞函數(shù)是多變的。所以經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的最優(yōu)控制難以應(yīng)用在反應(yīng)釜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)上，而模糊控制的優(yōu)點(diǎn)是不需要掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，并且規(guī)則可以通過學(xué)習(xí)不斷更新，對被控對象參數(shù)的變化和干擾具有較強(qiáng)的魯棒性，對噪聲干擾具有較強(qiáng)的抑制能力，正適合于這種模型未知或多變的控制系統(tǒng)。本文采用了模糊控制方法，使系統(tǒng)具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，使被控變量具有良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。3.2模糊控制器設(shè)計(jì)3.2.1模糊控制器簡述數(shù)字控制。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實(shí)現(xiàn)智能控制的一種Ee+rUuyecEC-檢測裝置圖3．1模糊控制原理框圖模糊控制原理框圖如圖3.1模糊控制器的控制規(guī)則由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，微機(jī)通過采樣獲取被控量的精確值，然后將此值與給定值比較得到偏差e和偏差變化ec。然后把偏差e和偏差變化ec進(jìn)行模糊化變成模糊量E和，E和EC可用相應(yīng)的模糊語言變量表示。至此，得到了偏差e和偏差變化ec的模糊語言集合的子集E和EC。再由E、EC、和模糊控制規(guī)則R(模糊關(guān)系根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行決策，得到輸出量的模糊控制量。第10頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書U為解模糊亦稱為去模糊化或清晰化，得到精確的數(shù)字量。得到精確的數(shù)字量后，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換上圖中未畫出，變?yōu)榫_的模擬量后送給執(zhí)行器，對被控對象進(jìn)行控制。綜上所述，模糊控制器的設(shè)計(jì)包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量即控制量。設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則。進(jìn)行模糊化和去模糊化（又稱清晰化的方法）。選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)（量化因子，比例因子）。編制模糊控制算法的應(yīng)用程序。合理選擇模糊控制算法的采樣時(shí)間。下面將詳細(xì)介紹一下本論文模糊控制器的設(shè)計(jì)[10]。3.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)3．2．2．1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入和輸出變量的選擇在很大程度上受手動(dòng)控制的影響。根據(jù)輸入變量的個(gè)數(shù)，模糊控制器有一維、二維和多維之分。一維模糊控制器的輸入變量只選一個(gè)誤差，它的動(dòng)態(tài)控制性能不佳。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。但是維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。因此，人們廣泛設(shè)計(jì)和應(yīng)用一維模糊控制器。本文也采用二維模糊控制器，將設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的偏差e和偏差的變化ec作為輸入變量，e和ec可按F式求得Pnrn-yH．1)ec(n)e(n)e(n．2)式中——設(shè)定溫度;——實(shí)際溫度;——第n次采樣時(shí)刻溫度偏差的精確值；——第n次采樣時(shí)刻偏差變化的精確值。第11頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書e和ec經(jīng)過模糊化后分別為模糊變量E和EC。經(jīng)模糊推理后的輸出量為u，解模糊后對應(yīng)的精確量為冷卻介質(zhì)閥門開度的變化量△u。由此，本論文中的模糊控制器設(shè)計(jì)可分為三個(gè)步驟：精確量的模糊化、模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)和輸出量的模糊判決。[11]3．2．2．2精確量的模糊化在確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)之后，就需要對輸入量進(jìn)行采樣、量化并模糊化。將精確量轉(zhuǎn)化為模糊量的過程稱為模糊化(Fuzzification)[14]控制量均為精確量，需經(jīng)過模糊化處理，變?yōu)槟：?，以便?shí)現(xiàn)模糊控制。模糊控制器的輸入變量、ec的實(shí)際變化范圍以及被控對象實(shí)際所要求的控制量u的變化范圍稱為這些變量的基本論域。而模糊控制器的輸入變量、ec以及輸出控制u所取模糊子集的范圍稱為這些變量的論域。設(shè)偏差e的基本論域?yàn)閇-x+x]，偏差變化ec的基本論域?yàn)閇-x，+x]。設(shè)偏差變e,eecec量所取的模糊了集的論域?yàn)閧-n，，…，0，…，n-l，n}，偏差變化所取的模糊了集論域?yàn)閧-m，-m+1，…，0，…，m-l，m}。為了進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集的論域，這Ke別由下面兩個(gè)公式來確定Knx．3)eeKmx．4)量化因予K及KK增大，eece相當(dāng)于縮小了偏差的基本論域，增大了偏差變量的控制作用，雖然能使上升時(shí)間變短，K對超調(diào)的遏制作用十分明顯，K選擇越ecec大系統(tǒng)超調(diào)越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。n和m的取值與控制精度有關(guān)，它們的值取得越大，意味著控制精度越高，但如果取得過大，會增加控制器的復(fù)雜程度。經(jīng)綜合考慮后，本文取n=6，m=6。偏差變化e的變化范圍為[-15+15]15的按照15|=15ec的變化范圍為[-3+3]x和式(24)eec可得K=0.4，K。eec對于第n次采樣時(shí)刻溫度偏差的精確值和第n次采樣時(shí)刻偏差變化的精確值ec(n)第12頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書數(shù)，采用四舍五入的辦法就近取整[12]。3．2．2．3模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)控制規(guī)則的設(shè)計(jì)一般包括三部分內(nèi)容：選擇描述輸入輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集及建立模糊控制器的控制規(guī)則。3．2．2．3．1輸入輸出變量的詞集狀態(tài)的一些詞匯如“正大”、“負(fù)小”等也稱變量的模糊狀態(tài)。實(shí)際應(yīng)用中，一般都選用“大、中、小”三個(gè)詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)。選擇的較多的詞匯描述輸入.輸出變量，可以是制定的控制規(guī)則方便，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜。相反，如果詞匯選的過少，使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器性能變壞。本文把偏差E、偏差變化量EC和輸出量U的模糊狀態(tài)選為以下七個(gè)詞匯，即{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}｛，NM，NS，，PS，PM｝其中N=Negative，B=Big，M=Middle，S=Small，0=0，P=Positive。描述輸入、輸出的詞匯都具有模糊性，可用模糊集合來表示，因此，模糊概念的確定問題就直接轉(zhuǎn)化為求取模糊集合隸屬函數(shù)的問題。3．2．2．2輸出量的模糊判決模糊控制器的輸出是一個(gè)模糊集，他包含控制量的各種信息，但被控對象僅能接受判決，把模糊兩轉(zhuǎn)化為精確量。把模糊量轉(zhuǎn)化為精確量的過程稱為清晰化，又稱為去模糊化，或稱為模糊判決。以及中位數(shù)法等。最大隸屬度法簡單易行，使用方便，算法實(shí)時(shí)性好，具體做法是在推理結(jié)論的模糊集合中選取隸屬度最大的元素作為精確控制量。由前述己知，模糊關(guān)系R是一個(gè)龐大的矩陣。對于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，要求實(shí)時(shí)性好，不允許過長的計(jì)算時(shí)間。如果對于每一次輸入，部按照U=(E-EC)oR計(jì)算輸出量的模糊子集，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中是不可行的。為了解決上述問題，可以采用查表的方法，即事先把模糊關(guān)系矩陣R離線計(jì)算好，寫成模糊控制表3.1。在實(shí)際使用時(shí)，只要根據(jù)輸入第13頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書量查表就可以得到精確的輸出量。表3.1模糊控制表U6666444344322230000000000444443210044000012110030000456000000000對于上述的模糊控制器的模糊控制表由輸入輸出變量及其論域和模糊變量的賦值表決定,制。3．2．2．3基于規(guī)則修改的自適應(yīng)模糊控制器環(huán)境的變化而自動(dòng)地修改。基于規(guī)則修改的自適應(yīng)模糊控制器由多種類型，本文采用的是帶自調(diào)整函數(shù)的模糊控制器[14]。首先引入一個(gè)算子<a，<a表示取一個(gè)與n同號且最接近于n的整數(shù)，即：int(a)1aaint(a)1(2.5)第14頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書基于規(guī)則修改的自適應(yīng)模糊控制器是通過在控制中給偏差E和偏差變化EC加上一定的權(quán)系數(shù)來對模糊控制規(guī)則進(jìn)行修改的。但是，模糊控制系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下，對控制規(guī)則中偏差E和偏差變化EC的加權(quán)程度有小同的要求。因此，如果想要取得較理想的控制特性，就要在不同的控制階段對偏差E和偏差變化EC加不同的權(quán)系數(shù)，但這樣調(diào)試確定。如果將調(diào)整因子變?yōu)槎喾N形式的調(diào)整函數(shù)，就可以進(jìn)一步改善模糊控制的功能。帶自調(diào)整函數(shù)的模糊控制器就是基于這種想法而產(chǎn)生的。常用的帶自調(diào)整函數(shù)的模糊控制器的調(diào)整方法有修正函數(shù)法、a(t)調(diào)整函數(shù)法和智能權(quán)函數(shù)法。本文采用的是智能權(quán)函數(shù)的方法，它的突出特點(diǎn)是權(quán)函數(shù)僅是輸入變量的函數(shù)，具有仿人智能的控制策略。對二維模糊控制系統(tǒng)而言，當(dāng)系統(tǒng)偏差大時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)足消除偏差，應(yīng)此時(shí)系統(tǒng)已接近穩(wěn)定，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，需要對偏差變化加權(quán)大些。根據(jù)上述，利用偏差及偏差變化本身的絕對值作為自身的加權(quán)是可取的，同時(shí)在滿足二者加權(quán)之和應(yīng)等于l的條件下，偏差的權(quán)函數(shù)及偏差變化的權(quán)函數(shù)分別設(shè)計(jì)為：EaeEEC(2.6)ECaecEEC(2.7)aa1式中，E及EC分別是偏差及偏差變化的模糊量，顯然滿足的條件。e根據(jù)上述設(shè)計(jì)智能權(quán)函數(shù)分別對兩個(gè)輸入量加權(quán)，可得到如下模糊控制規(guī)則：UUU(2.8)0EUEEE(2.9)控制量的精確量可通過式和式9)在線確定，可以減少存儲器空間的占用。并且對于不同的控制對象和控制系統(tǒng)，亦可應(yīng)用本控制器的控制規(guī)則，即本控制器實(shí)現(xiàn)了通用化。每次采樣模糊控制器給出的控制量模糊集)經(jīng)模糊判決，可得到控制量的精確量，但還不能直接控制被控對象，必須將其轉(zhuǎn)換到被控對象所能接受的基本論域中，一般的第15頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書做法是：經(jīng)模糊判決后得到的控制量u乘以一個(gè)適當(dāng)?shù)南禂?shù)，轉(zhuǎn)換到被控對象的基本論域中去，這個(gè)系數(shù)就稱為比例因子。y,y設(shè)控制量的的基本論域?yàn)閧-p…,0,…,p-1，uuP}，則比例因子K為：uyKuup．10)255)對應(yīng)著冷卻介質(zhì)[-24，即y=24，又已知u，由式．10)可得K。若某一時(shí)刻模糊判決得到的輸出量為x，則對應(yīng)的控un制量變化△為：u(n)Kx(n)．11)．12)uu因此，采樣時(shí)刻的輸出控制量u為：1u(n)u(n1)u(n)1式12)為增量式輸出，在實(shí)際使用時(shí)，需將轉(zhuǎn)化到0～255范圍內(nèi)，因此輸出：256u(n)u(n)241148(2.13)同時(shí)，需要對作必要的限幅。本文模糊控制器的最終輸出為：u(n)0u(n)255u(n)255u(n)0u(n)2250．14)模糊控制器的控制算法是由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)的，具體流程圖見本文的“控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)”部分。第16頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書4硬件電路設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件電路由主控制器、數(shù)字溫度計(jì)、過零檢測電路、輸出控制電路、鍵盤、LED顯示電路及電源等組成，系統(tǒng)的硬件組成如圖4.1所示。單圖4.1系統(tǒng)硬件電路圖主控制器采用AT89C2051單片機(jī)，它是ATMEL公司生產(chǎn)的與MCS一51系列完全兼容的CMOS型8位單片機(jī)，是ATMEL公司AT89系列中經(jīng)濟(jì)低價(jià)產(chǎn)品。它有2KBFlash程序存儲器和128字節(jié)的內(nèi)部RAM15條可編程/O線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)可設(shè)定為兩級優(yōu)先級的中斷源和一個(gè)全雙工串行UART接口。CMOS型單片機(jī)比一般的單片機(jī)功耗更低，特別適合需要節(jié)能的工業(yè)測控領(lǐng)域。溫度采集采用DSl8B20單線集成溫度傳感器，不需/D轉(zhuǎn)換電路，內(nèi)含溫度傳感器，并以9～12比特的分辨率數(shù)字化，測溫速度快，精度高，互換性好，與單片機(jī)的1位/O線相連，在一條/O線上同時(shí)掛接4片DSl8B20以完成多點(diǎn)溫度采集，極大的節(jié)省了單片機(jī)的/O口線，并且通信方便，傳輸距離遠(yuǎn)且抗干擾性好，很適合于遠(yuǎn)距離的/O口線,得以簡化，系統(tǒng)擴(kuò)充維護(hù)十分方便。模擬量的輸出使用一片8位串行輸入DA轉(zhuǎn)換器MAX518將控制信號送入電動(dòng)執(zhí)行器。MAX518可完成2路/A轉(zhuǎn)換，分別控制加熱閥門和冷卻閥門的開度，且只占用兩個(gè)/O線。/A轉(zhuǎn)換后的電壓信號經(jīng)/I變換為電流信號，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。第17頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書開關(guān)量輸出通道采用雙向可控硅控制交流電機(jī)，通過過零檢測和軟件延時(shí)來挖制雙向可控硅的導(dǎo)通角，從而控制電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了8個(gè)薄膜開關(guān)、4個(gè)8位LED數(shù)碼管和5個(gè)發(fā)光二極管以設(shè)定和顯示工作狀況。4.2電源電路220V圍電路的電源要求為+5V或+15V的直流電壓，本文所設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源如圖4.2所示。圖4.2電源電路T1將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為24V低壓交流電壓。4個(gè)二極管構(gòu)成的整流電路用于將低壓交流D5C5相連，形成較平滑的直流電壓。由于放大器LM358和vI轉(zhuǎn)換器AD694需要+15V電壓，故在整流之后使用一片MC7815T和MC7805T串接得到兩種不同的直流電壓。穩(wěn)壓器使效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩。輸出端的電容是為了瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí)不致引起輸出電壓有較大的波動(dòng)。二極管D5的作用是隔離全波直流脈動(dòng)電壓和濾波后的直流電壓。但是MC7815T與MC7805T串連相接，MC7815T功耗比較大，易發(fā)熱，故采用了大功率的MC7815T與MC7805T，以提高電源的可靠性。同時(shí)，由整流電路輸出的全波脈動(dòng)直流電壓，也經(jīng)電阻Rl送到過零檢測電路，用于產(chǎn)生過零脈沖信號。第18頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書4.3過零檢測電路過零檢測電路由NPN晶體管Q1和電阻R1和R3組成，用于檢測電源電壓波形的過零點(diǎn)。電路如4.2所示。由整流電路輸出的全波脈動(dòng)直流電壓經(jīng)電阻R1和R3分壓后，送入晶體管的基極。只要R3上的分壓值大于0.7V，就會使NPN晶體管飽和導(dǎo)通。因此當(dāng)交流電壓處于過零點(diǎn)時(shí)，NPN晶體管截止，輸出正脈沖信號，經(jīng)過一個(gè)非門變?yōu)樨?fù)脈沖，這個(gè)脈沖信號就是過零脈沖信號，作為中斷請求信號，它被送到單片機(jī)的中斷請求引腳。4.4基于DSl8820的多傳感器測溫電路4.4.1DSl8820的性能特點(diǎn)DSl8820是美國DallasSemiconductor公司繼DSl820之后推出的一種改進(jìn)型單線芯片數(shù)字溫度計(jì)，能夠直接讀取被測物體的溫度。它具有如下的特性：+3V到+5.5V，測溫范圍從一55℃到+125℃，最高分辨率達(dá)0.0625℃，測量精度高；RAM中的配置寄存器的可編程溫度分辨力位R0、R1進(jìn)行編程，可設(shè)計(jì)不同的分辨率：(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，9位分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)間僅需93．75ms，12位的轉(zhuǎn)換時(shí)間最大也只需750ms；(4)每一個(gè)DSl8820都有唯一的64位序列號，并且體積很?。籇Sl8820不會因發(fā)熱而燒毀，但此時(shí)DSl8820無法正常工作。[15]4.4.2DSl8820內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡介DSl8820只有3個(gè)引腳，DQ腳為數(shù)據(jù)輸入輸出端，即為單線總線連接端，它屬于U是可供選用的外部+5V電源端，DD若采用寄生電源供電，則該腳接地。每個(gè)DSl8820在出廠時(shí)都己具有唯一的64位序列號，因此一條總線上可以同時(shí)掛接多個(gè)DSl8820。本文中多片DSl8820與AT89C2051的連接如圖4.3所示。第19頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書圖4.3多片DSl8820與AT89C2051的連接DS18820溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為9字節(jié)的存儲器。前兩個(gè)字節(jié)存放溫度測量值，第3和第4字節(jié)是設(shè)定的溫度上限TH和溫度下限TL，第5個(gè)字節(jié)為配置寄存器，第678字節(jié)保留而未使用，第9個(gè)字節(jié)用于存放前面8個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)值。配置寄存器各位的定義如圖34235位一直為1TM是測試模式位，用于設(shè)置DSl8820在工作模式還是在測試模式，出廠時(shí)已經(jīng)該位己設(shè)置為0。R和Rl0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，即用來設(shè)置溫度測量的分辨率。TMR1R011111圖4.4配置寄存器當(dāng)DS18820接受到溫度轉(zhuǎn)換命令之后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度就以16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第l2單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后。溫度格式如圖4.5所示。SSSSS262524232221202-12-22-32-4圖4.5溫度數(shù)據(jù)格式當(dāng)符號位S=0S=1為負(fù)值。為了在AT89C2051與DSl8820之間建立正確的數(shù)據(jù)通訊，AT89C2051單總線的接口必須嚴(yán)格遵守DSl8820脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1等。除了應(yīng)答脈沖以外，都由主機(jī)發(fā)送同步DSl8820的初始第20頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書化時(shí)序和讀寫時(shí)序都做了詳細(xì)的介紹，本文在這就不贅述了。[16]4.5D/A轉(zhuǎn)換及輸出電路單片機(jī)輸出的信號為數(shù)字信號，而執(zhí)行器需要的控制信號為模擬信號，因而需要將//A轉(zhuǎn)換有串行/A和并行/，串行/A雖然速度較并行/A/OMAXIM公司生產(chǎn)的MAX518DAC模擬電壓輸出經(jīng)過一個(gè)精密的跟隨器起內(nèi)部緩沖作用)，跟隨器的擺率為1V/us，即從0V～V，這是MAX518的一大優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用了MAX518串行DD/A轉(zhuǎn)換器。4.5.1MAX518與IC總線2MAX518是兼容12C總線標(biāo)準(zhǔn)的2線串行接口8位DAC電壓擺幅可達(dá)滿幅(Rail-to-Rail)。它由單一5V電源供電，有兩個(gè)D/A輸出通到OUT0和OUT1。圖4.6MAX518與單片機(jī)的接口電路4.5.2電壓放大電路[13]/A變換后的信號為模擬電壓信號，而執(zhí)行器控制信號為4～20mA的電流信號，AD694芯片做/I輸入電壓為0～10V/I0～5V的電壓信號等比放大為0～10V的電壓信號。把電壓信號放大的另一個(gè)好處是可提高輸出各控制量之間的分檔間距，從而提高輸出精度。為此我們選用兩路集成運(yùn)算放大器LM358來放大0～5V的模擬電壓信號。LM358的單電源供電電壓為3～30V-0.3～32VLM358放大器實(shí)現(xiàn)第21頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書0～5V到0～l0V變換的電路如圖4.7所示。圖4.7電壓放大電路圖中為同相輸入的運(yùn)算放大器比例電路，輸入與輸出的關(guān)系為RR1V98Ui（3.2）其中，Vout為MAX518的輸出電壓，U為放大器的輸出電壓。i由式可看出，輸入電壓V和輸出電壓U間的比例關(guān)系與運(yùn)算放大器本身的outi參數(shù)無關(guān)，而只與外接電阻R和R的大小有關(guān)，這樣其精度和穩(wěn)，定性都很高。如果98使R=R，則輸出電壓正好為為輸入電壓的2倍，即實(shí)現(xiàn)了0～5V到0～10V的變換。98為了確保電路的精度，R使用可調(diào)電阻，這樣可使R與R的差值盡可能的小。[17]998同相比例運(yùn)算電路是一個(gè)深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋電路，電路的輸入電阻很高，輸出電阻很低，可以減小儀器接入時(shí)對被測電路的影響，并且?guī)ж?fù)載的能力較強(qiáng)。4.5.3VI轉(zhuǎn)換電路在工業(yè)控制系統(tǒng)中，常常以電流方式傳輸信號，因?yàn)殡娏鬟m合于長距離傳輸，傳輸信號衰減少，抗干擾能力強(qiáng)。因此，大量的常規(guī)工業(yè)儀表是以電流方式瓦相接配的。而一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)模擬信號輸出只是電壓信號，它能處理的一般也只足電壓信號，因此在某些需要電流輸出或只是提供電流信號的場合，需要進(jìn)行電壓/電流轉(zhuǎn)換。本論文采用AD公司生產(chǎn)的AD694芯片實(shí)現(xiàn)/I4～第22頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書20mA的電流信號。其主要性能特點(diǎn)如下：(1)0～20V和0--10V收0～2V的輸入信號；輸出電流范圍為4～20mA或0～20mA；可以單電壓供電，也可以雙電壓供電。單電壓電源電壓范圍是45V～36V，雙電源電壓為±15V；精度高。非線性誤差為±0.0022V10V量程的轉(zhuǎn)換精度為±0.005％，轉(zhuǎn)換靈敏度分別為8.0mA/V、1.6mA／；當(dāng)電流環(huán)發(fā)生開路或環(huán)路電壓過高時(shí)能立即發(fā)出報(bào)警信號，可直接驅(qū)動(dòng)LED指示燈或報(bào)警裝置；壓及最低電源電壓。[18]由AD694構(gòu)成的0～10V到4～20mA的I變換電路如圖4.8所示。圖4.8V/I轉(zhuǎn)換電路AD694共有16個(gè)引腳，對于不同的工作電壓電源，不同的輸入、輸出范圍，其引腳接線方法也各不相同。圖所示的為輸入0～10V，輸出4～20mV時(shí)的接法。1腳和2腳相連，使AD694的輸入緩沖放大器構(gòu)成電壓跟隨器。3腳為輸入端，5腳為COMMON端。11ZXQR為執(zhí)行器的負(fù)載電阻，L則R一般按下式計(jì)算LRV2)/20．3)Ls第23頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書由式(3．3)得，當(dāng)電源電壓為15V時(shí)，R的最大值為650。AD694的9腳為L4mAONOFF端，將9腳連接到低，則輸出最小電流為4mVC13為去耦電容，其容值可取0.1u。由于本文的電磁閥為感性負(fù)載，因此，在OUT端和COMMON端并接C16(0.1uF)，以提高AD694的穩(wěn)定性。二極管D7、D8對尖蜂電壓起鉗位作用。AD694的另一個(gè)特點(diǎn)是具有開路或超限報(bào)警功能。如圖3531所示，AD694的1D腳(ALARM腳)為集電極開路輸出，通過R10(20kQ)的電阻上拉到V，當(dāng)電路工S作正常時(shí)，ALARM腳為高電平，串聯(lián)在ALARM腳上的LED中無電流流過：當(dāng)OUT回路斷開或出現(xiàn)高于(Vs-2V)的電壓時(shí)，ALARM端輸出低電平，LED中有電流流過而發(fā)亮，從而起到報(bào)警的功能。4.6單片機(jī)人機(jī)交互人機(jī)交互即人機(jī)界面．它是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的重要組成部分，也就是人與計(jì)算機(jī)系進(jìn)行信息交互的接口，主要包括信息的輸入和輸出。控制信息和原始數(shù)據(jù)要通過輸入設(shè)備輸入到計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果需要通過輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)顯示。這里的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備構(gòu)成了人機(jī)界面。本文人機(jī)界面的輸入設(shè)備是鍵盤，主要有8個(gè)按鍵，用戶可以通過鍵盤對所要求的控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。輸出設(shè)備是發(fā)光二極管和8位LED數(shù)碼LED轉(zhuǎn)速和定時(shí)時(shí)間。4.6.1鍵盤接口電路薄膜開關(guān)是集功能按鍵、指示元件、儀器面板為一體的一個(gè)操作系統(tǒng)的總成。它的它結(jié)構(gòu)簡單，裝聯(lián)方便，外觀新穎，同時(shí)又具有體積小、重量輕、防塵、防水、防爆、防有害氣體侵蝕、壽命長等一系列特點(diǎn)，目前在多功能、密集型、智能化的電子產(chǎn)品已得到廣泛的應(yīng)用。因此，本控制器的按鍵也采用了薄膜殲關(guān)。鍵的大小雖然目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但應(yīng)符合實(shí)用、勻稱、美觀的原則。本控制器鍵的尺寸選用10×10(mm)，兩鍵中心距為10mm。另外，本控制器有8位LED數(shù)碼管和發(fā)光二極管，因此，顯示窗和指示窗都是必不可少的。本控制器共使用了8RST7個(gè)按鍵通過74HCl64連接到單片機(jī)的RXDTXD0輸出。開始時(shí)，把單片機(jī)的P1．7口寫入0，使74HCl64的輸出全為0。沒有鍵按下的時(shí)候，第24頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書單片機(jī)的P32為1P32為0P32由1變?yōu)?INT0中斷，執(zhí)行中斷程序和鍵掃描程序，這樣大大單片機(jī)節(jié)省了單片機(jī)的口線。8個(gè)按鍵排列形式及各個(gè)按鍵的功能如圖4.10所示，其接口電路如圖4.11所示。溫度定時(shí)復(fù)位+-開/關(guān)圖4.10鍵盤功能說明圖4.11鍵盤接口電路MCS一51系列單片機(jī)的P3口是一個(gè)雙功能口，具有特殊性。當(dāng)作為/輸出口使用[20]。這里，P32既用作外部中斷口，又用作通用/O口，作通用輸入口時(shí)，用于判斷哪個(gè)按鍵被按下。S1通默認(rèn)工況為自動(dòng)。S21～9級轉(zhuǎn)速和自動(dòng)十種轉(zhuǎn)速?！辨I可以在十種轉(zhuǎn)速之間循環(huán)切換。每按下一次“+”(或“一”)鍵一次，向高(或低)一級轉(zhuǎn)速切換一次，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)。當(dāng)速度設(shè)定為自動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)，按照偏差的大小自動(dòng)決定實(shí)際的轉(zhuǎn)速，設(shè)定為其他轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)維持設(shè)定的速度不變。剛上電時(shí)，默認(rèn)轉(zhuǎn)速為自動(dòng)。S3鍵為“溫度”鍵，用于在加熱或冷卻工況時(shí)設(shè)定反應(yīng)釜所要達(dá)到的溫度值。按下此鍵后，即顯示當(dāng)前設(shè)定溫度值，然后可通過“+”或“一”鍵改變設(shè)定溫度。每按下一次“”或“”)鍵，設(shè)定溫度加或減)1℃。剛上電時(shí)，默認(rèn)溫度為25℃。S4鍵為“定時(shí)”鍵，用于設(shè)定系統(tǒng)的工作時(shí)間。按下此按鍵后，即顯示當(dāng)“的設(shè)定時(shí)問，然后可通過“”或“”鍵改變設(shè)定時(shí)間。每按下1次“+”或“”鍵，設(shè)第25頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書定值加或減)30分鐘。最大設(shè)定時(shí)問為12小時(shí)，剛上電時(shí)無定時(shí)。連著按兩下“定時(shí)”鍵，則定時(shí)取消，再按一下“定時(shí)”鍵，則為定制。定制時(shí)間為8個(gè)小時(shí)。在定時(shí)1小時(shí)到后，設(shè)定溫度減1℃。接著定時(shí)2小時(shí)，2小時(shí)到后，設(shè)定溫度再減1℃，然后定時(shí)5個(gè)小時(shí)，定時(shí)時(shí)間到后關(guān)機(jī)。S5鍵為“”鍵，S6鍵為“”鍵，只有在按下“速度”、“溫度”和“定時(shí)”鍵三個(gè)鍵之一時(shí)才有效。為了使用方便，本控制器不設(shè)“回車”鍵，所有設(shè)定內(nèi)容在最后一次按鍵按下2秒后被系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn)生效，并退出設(shè)定狀態(tài)。S7鍵為“開關(guān)機(jī)”鍵，用于決定控制器是否按照當(dāng)前所設(shè)定狀態(tài)啟動(dòng)執(zhí)行器。若為關(guān)機(jī)狀態(tài)，則閥門不開，電機(jī)不轉(zhuǎn)，只是顯示當(dāng)前的溫度值。按此鍵可在兩種狀態(tài)之問切換，不影響單片機(jī)及測溫電路的工作。剛上電時(shí)默認(rèn)狀態(tài)為關(guān)機(jī)?！皬?fù)位”鍵直接接在單片機(jī)的RST腳，用來使系統(tǒng)手動(dòng)復(fù)位。4.6.2顯示接口電路LED顯示同樣采用單片機(jī)的串行口方式0輸出，在串行口外接74HCl64移位寄存器。本論文只用了一片74HCl64來控制4個(gè)共陽極的8段LED顯示器和5個(gè)發(fā)光二極P1.0～P1.4口輸出位選信號，位驅(qū)動(dòng)采用4個(gè)PNP三極管，其接口電路如圖4.12所示。圖4.12顯示器接口電路第26頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書發(fā)光二極管D9～D13分別代表工況為冷卻，加熱，攪拌，自動(dòng)以及開機(jī)。工況，轉(zhuǎn)速，設(shè)定溫度和定時(shí)時(shí)間只在操作人員通過鍵盤進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)定時(shí)才顯示，在其它狀態(tài)只顯示當(dāng)前測量到的溫度值。工況顯示通過發(fā)光二極管顯示。轉(zhuǎn)速顯示分別顯示1～9，如圖顯示為，則表示轉(zhuǎn)速為自動(dòng)。溫度用前三位LED顯示器顯示，其中第一位LED顯示器和第二位LED顯示器顯示溫度的整數(shù)部分，第三位LED顯示器顯示溫度的小數(shù)部分，溫度顯示精確到0.1℃。制作電路時(shí)，將第三位LED數(shù)碼管倒置，使其dp段在上方，與第二位LED數(shù)碼管的dp段形成時(shí)間顯示的分隔符，如8：30表示定時(shí)時(shí)間為8個(gè)小時(shí)30分鐘。第27頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書5控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用模塊式設(shè)計(jì)，由主程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序、過零檢測中斷服務(wù)子程序、定時(shí)器l中斷服務(wù)子程序、溫度采集子程序、控制量輸出子程序、模糊控制算法子程序等模塊組成。5.1主程序設(shè)計(jì)主程序主要完成初始化和顯示功能。其中初始化包括設(shè)置參數(shù)的初值、程序狀態(tài)字PSW、堆棧SP、中斷0和中斷1的觸發(fā)方式、定時(shí)器T1以及串行口的工作方式。開機(jī)后，數(shù)字溫度計(jì)DSl8820定時(shí)對反應(yīng)釜溫度進(jìn)行溫度采集、控制量計(jì)算和輸出，定時(shí)時(shí)15ms，故完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。主程序流程圖如圖5.1所示.YN1N圖5.1主程序流程圖當(dāng)有按鍵按下或者過零中斷或者定時(shí)器T1溢出中斷發(fā)生時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，沒有中斷發(fā)生時(shí)，程序只完成LED數(shù)碼管和發(fā)光二極管的動(dòng)態(tài)顯示功能。本文使用3AH～3EH存放要顯示的字段碼，通過74HCl64完成串行輸入一并行輸出，74HCl64輸出要顯示的字段碼。沒有中斷發(fā)生時(shí)，通過單片機(jī)的串行口串行發(fā)送方式一第28頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書位一位地送往74HCl64以供LED數(shù)碼管顯示。如果單片機(jī)的串行口沒有發(fā)送完畢LED數(shù)碼管就顯示的話，字形會發(fā)生顯示不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此LED數(shù)碼管的顯示要等串行口發(fā)送完畢，即TI=1后，再通過LED數(shù)碼管的位選信號來驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管的顯示。當(dāng)有按鍵按下時(shí)．LED中改變3AH～3EH的內(nèi)容即可。5.2鍵盤中斷服務(wù)子程序鍵盤中斷服務(wù)子程序流程圖如圖5．2所示YNYYNNNYNYNYYN圖5.2鍵盤中斷服務(wù)子程序流程圖第29頁共39頁中北大學(xué)2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書七個(gè)按鍵也足通過74HCl64連接在74HCl64的MR端置074HCl64的輸出全為0，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，P3．2為0，外部中斷INT0產(chǎn)生中斷請求信號，這時(shí)令，CPU禁止所有中斷，依次向74HCl64輸入FEH、…，并讀P3．2門的狀態(tài)，如果P3．2為0．則0狀態(tài)的對應(yīng)的鍵就是被按下的鍵。在確定了某個(gè)按鍵被按下后，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序，并將相關(guān)參數(shù)設(shè)置單元中的品示內(nèi)容送往3AH～3EH，這樣在LED數(shù)碼管和發(fā)光二極管上即可顯示用戶設(shè)定的信息。在判斷完按鍵后令蜂嗚器響一聲，以便告訴用戶按鍵有效。在“速度”、“溫度”、“定時(shí)”按下后，調(diào)用相應(yīng)的顯示程序，并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位，以便隨后的加、減號鍵按下后能判斷出需要改變那個(gè)鍵的設(shè)定值。通過連續(xù)地按“工況”鍵，可以在各個(gè)工況之間切換?！伴_／關(guān)機(jī)”鍵按下后，執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)置。工況和開關(guān)機(jī)的狀態(tài)通過發(fā)光二極管的亮與滅顯示相應(yīng)的設(shè)置。每次鍵按F后的顯示內(nèi)容只在22設(shè)定內(nèi)容，同時(shí)由過零中斷子程序清除最后一次的按鍵標(biāo)志，并調(diào)用實(shí)際溫度顯示子程序。5.3定時(shí)器1中斷服務(wù)子程序定時(shí)器l設(shè)定為16控制雙姓可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。定時(shí)時(shí)間到后，觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。定時(shí)器l的中斷服務(wù)子程序比較簡單，這里就不畫其流程圖了。5.4溫度采集子程序由于數(shù)字溫度計(jì)DSl8820溫度采集有所不同，它省略了多路開關(guān)、采樣／保持器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路，DSl8820直接與單片機(jī)相接。溫度采集是夾在過零檢測中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行的，包括DSl8820溫度轉(zhuǎn)換子程序和讀DSl8820溫度了程序兩部分內(nèi)容。因?yàn)樵趩慰偩€上掛接了多片DSl8820，因此，要嚴(yán)格按照其初始化和讀