螺桿擠壓機(jī)的溫度控制系統(tǒng)定稿

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章緒論 3\o"CurrentDocument"研究的目的與意義 3\o"CurrentDocument"國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì) 4\o"CurrentDocument"本文的主要工作 5\o"CurrentDocument"第二章系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 7\o"CurrentDocument"系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 7\o"CurrentDocument"系統(tǒng)方案的論證 8\o"CurrentDocument"第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10\o"CurrentDocument"單片機(jī)的選型 10\o"CurrentDocument"溫度采集系統(tǒng)的電路構(gòu)成及工作原理 11\o"CurrentDocument"溫度采集放大電路 12隔離放大器的設(shè)計(jì) 13保護(hù)電路 14\o"CurrentDocument"A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 15\o"CurrentDocument"顯示電路設(shè)計(jì) 16\o"CurrentDocument"通信模塊 16\o"CurrentDocument"可控硅調(diào)功控溫 17\o"CurrentDocument"過(guò)零觸發(fā)調(diào)功器的組成 18\o"CurrentDocument"可控硅調(diào)功主要電路介紹 19\o"CurrentDocument"開(kāi)關(guān)量控制電路 20\o"CurrentDocument"看門(mén)狗電路的設(shè)計(jì) 20\o"CurrentDocument"第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 23\o"CurrentDocument"系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 23\o"CurrentDocument"數(shù)據(jù)采集子程序 24\o"CurrentDocument"主程序模塊 25\o"CurrentDocument"溫度控制模塊 25\o"CurrentDocument"串行口中斷服務(wù)程序模塊 27\o"CurrentDocument"采樣頻率 29\o"CurrentDocument"第六章結(jié)論 30\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)： 31致謝 32第一章緒論研究的目的與意義螺桿擠壓機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)設(shè)備，主要用于將固態(tài)的合成纖維切片加熱融化并壓縮成具有一定壓力的熔體。螺桿擠壓機(jī)由橫臥式的機(jī)筒和其內(nèi)部的螺桿組成，紡絲切片靠自重從進(jìn)料口進(jìn)入螺桿擠壓機(jī)，由于螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，切片沿著螺槽向前運(yùn)動(dòng)，螺桿套筒外側(cè)安裝有加熱元件，通過(guò)套筒將熱量傳給切片，同時(shí)螺桿擠壓機(jī)內(nèi)切片因摩擦和被擠壓會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，最終使切片受熱熔化并被擠壓機(jī)壓縮成具有一定壓力的熔體。本來(lái)螺桿擠壓機(jī)最適宜擠出量為最大擠出量的65%-80%，而目前設(shè)備的擠出量卻是其最大值，且因螺桿和套筒的制造沒(méi)有達(dá)到很高的光潔度，從而造成螺桿的剪切熱過(guò)大。由于以上綜合因素導(dǎo)致了擠壓機(jī)內(nèi)熔體溫度過(guò)高，熔體降解程度過(guò)大，使絲的熱拉伸應(yīng)力下降。本課題的核心任務(wù)是保證螺桿擠壓機(jī)熔融區(qū)的溫度保持在適當(dāng)值。因?yàn)槿垠w的溫度作為一項(xiàng)重要的紡絲工藝指標(biāo)，直接影響到紡絲質(zhì)量和生產(chǎn)操作。若熔體溫度過(guò)高，會(huì)使切片熱降解過(guò)大，造成注頭絲;溫度過(guò)低，則易使熔體剪切應(yīng)力上升，造成硬絲，給紡絲生產(chǎn)造成困難，并影響初生纖維的質(zhì)量。所以，本課題在企業(yè)原有設(shè)備上進(jìn)行改進(jìn)，盡可能使原來(lái)不易穩(wěn)定的熔融區(qū)溫度受控，從而使熔體溫度得到恒溫控制，使切片較好地熔融，降解大大減小，最終解決原有設(shè)備加熱裝置慣性大影響溫度不恒定的問(wèn)題，提高纖維的質(zhì)量，為后續(xù)紡絲操作排除困難。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)化水平的不斷提高，各種應(yīng)用領(lǐng)域都大量采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工藝實(shí)踐的效率大大提高，同時(shí)也大幅度提高了產(chǎn)品和成果的品質(zhì)。由于大量的控制系統(tǒng)的任務(wù)較專(zhuān)業(yè)化，并且執(zhí)行的是直接數(shù)字控制任務(wù)，故基本上采用單片機(jī)進(jìn)行控制。單片機(jī)是目前控制系統(tǒng)采用最多的器件和芯片，它在軍事、航空、航天、交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有人量的應(yīng)用。單片機(jī)的一個(gè)廣泛應(yīng)用領(lǐng)域就是過(guò)程控制。例如化工過(guò)程、冶金過(guò)程、軋鋼過(guò)程、機(jī)械加工過(guò)程、塑料成型過(guò)程等。單片機(jī)在過(guò)程控制中應(yīng)用的特點(diǎn)是以控制理論為基礎(chǔ)的系統(tǒng)自動(dòng)化控制。所以要有明確的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，有較嚴(yán)密的數(shù)學(xué)算法和較復(fù)雜的響應(yīng)過(guò)程，這主要是因?yàn)樵谶^(guò)程控制中對(duì)速度、時(shí)間、精度有嚴(yán)格的要求，特別是對(duì)過(guò)渡過(guò)程要求是十分嚴(yán)格的。單片機(jī)在過(guò)程控制中，通常是對(duì)一個(gè)過(guò)程的直接數(shù)字控制，即DDC(DirectDigitalcontrol)控制。單片機(jī)在DDC控制中有著顯著的優(yōu)點(diǎn):它體積小，可以做成體積極小的控制器用于一些體積不大的設(shè)備和空間有限的生產(chǎn)過(guò)程、控制過(guò)程;單片機(jī)還有溫度范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，故在強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)的工作環(huán)境中有良好的工作性能，在溫度變化范圍大的惡劣條件下仍能可靠工作;過(guò)程控制應(yīng)用單片機(jī)己成了不可抗拒的趨勢(shì)。食品加工業(yè)的高速發(fā)展及人們生活水平的提高，暗示了將來(lái)食品的發(fā)展趨勢(shì)。即當(dāng)今食品市場(chǎng)大量需求的是低熱量、低脂肪、低膽固醇、低鹽、高纖維的嶄新食品。據(jù)調(diào)杏，食品中市場(chǎng)上最有前景的小吃和谷類(lèi)早餐是通過(guò)擠壓機(jī)制造的。J.M.H即er先生（1981）明確了雙螺桿擠壓機(jī)的加工特點(diǎn)，深入分析了雙螺桿擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，指出它在食品加工中具有廣闊的應(yīng)用前景。擠壓機(jī)在工作時(shí)，主要的控制變量是各區(qū)的溫度和機(jī)頭壓力。?？谔幬锪系臏囟龋ê?jiǎn)稱(chēng)料溫）對(duì)食品結(jié)構(gòu)如蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化、脂肪的揮發(fā)起著重要作用，控制料溫是保證膨化產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵（文東輝、徐克非、郝文杰等，1999）。?？趬毫?duì)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性有著重要的影響。在擠壓食品過(guò)程中這些變量是否被控制在給定值附近，將直接影響擠壓食品的質(zhì)量。其控制精度越高，食品的質(zhì)量就越有保障。所以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和壓力實(shí)時(shí)采集與控制，對(duì)擠壓食品的質(zhì)量有著重要的意義。擠壓膨化過(guò)程的復(fù)雜性體現(xiàn)在各輸出量之間關(guān)系的非線性及相關(guān)性。要得到理想的控制參數(shù)，只有通過(guò)無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，取得大量的數(shù)據(jù)，然后分析處理最后得出結(jié)論。如果建立計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集系統(tǒng)，就可以在擠壓機(jī)工作的同時(shí)，將各種數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集與控制。由于數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上，也給以后使用數(shù)據(jù)帶來(lái)方便。要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集與控制，有許多途徑。本課題采用AT89C51單片機(jī)為主控單元，構(gòu)成雙螺干擠壓機(jī)控制系統(tǒng)中的前置控制單元對(duì)雙螺桿擠壓機(jī)的溫度進(jìn)行控制，該控制系統(tǒng)由三部分組成一PC機(jī)、控制器、測(cè)量元件和執(zhí)行部件。該系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，不僅溫度、壓力能夠維持在規(guī)定范圍內(nèi)，還可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)高速、高效、節(jié)能一直是近年來(lái)國(guó)際塑料機(jī)械不斷改進(jìn)的主旋律。高速和高產(chǎn)量可使投資者以較低的投入獲得高額的回報(bào)。但是，螺桿轉(zhuǎn)速高速化帶來(lái)一系列極待解決的問(wèn)題：如物料在螺桿內(nèi)停留時(shí)間短，容易引起物料混煉塑化不均；過(guò)高剪切可能造成物料急驟升溫和熱分解；可能出現(xiàn)擠出穩(wěn)定性問(wèn)題；需要高性能輔機(jī)和精密控制系統(tǒng)與之配套；螺桿與機(jī)筒的磨損問(wèn)題以及減速傳動(dòng)箱設(shè)計(jì)問(wèn)題等。因此，針對(duì)高速化可能帶來(lái)的問(wèn)題提供解決方案，便是雙螺桿供應(yīng)商技術(shù)創(chuàng)新的重要方向之一。德國(guó)貝爾斯托夫(Berstorff)公司推出的新型雙螺桿擠出機(jī)-ZEUTX系列，性能與眾不同之處在于擁有優(yōu)異的螺桿直徑/生產(chǎn)率比。螺桿設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速達(dá)1200rpm，扭矩大，擠出產(chǎn)能在100?3500kg/h之間?？赏瑫r(shí)進(jìn)行物料的混煉、反應(yīng)、排氣等工序。機(jī)筒和螺桿采用了模塊式設(shè)計(jì)，能滿(mǎn)足各種特殊工藝要求具備優(yōu)異的加工工藝靈活性，還配有ZSEF型側(cè)邊喂料器，可實(shí)現(xiàn)高的固體顆粒輸送率，切粒機(jī)可匹配不同的產(chǎn)率和材料加工。為了適應(yīng)高速、高產(chǎn)的需要，該擠出機(jī)擁有多處改進(jìn)。裝備了筒式加熱器可在極短時(shí)間內(nèi)完成擠出機(jī)的升溫工作，最高加熱溫度可達(dá)450°C；冷卻流道設(shè)計(jì)真正實(shí)現(xiàn)了逆向流冷卻，優(yōu)化了冷卻系統(tǒng)；配置了“弓形夾緊裝置”，更換機(jī)筒的時(shí)間可比傳統(tǒng)螺栓連接型更快；機(jī)筒采用了帶有專(zhuān)利的高頻淬火硬化工藝，賦予極佳的耐磨性能，從而省去了昂貴的耐磨襯套；另外，還配備有該公司的高級(jí)工藝控制系統(tǒng)。多功能化在功能方面，雙螺桿擠出機(jī)已不再局限于高分子材料的成型和混煉，其用途已拓展到食品、飼料、炸藥、建材、包裝、紙漿和陶瓷等領(lǐng)域。此外，將混煉造粒與擠出成型工序合二為一的“一步法直接擠出工藝”也非常具有吸引力。WPC(木塑復(fù)合材料)用于戶(hù)外應(yīng)用，如作甲板鋪板和柵欄已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，特別是在美國(guó)。辛辛那提公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了Fiberex系列，并不斷使它最佳化以用于WPC成型。第四代Fiberex，具有一個(gè)加長(zhǎng)的、耐磨加工單元，能充分滿(mǎn)足顧客的不同要求，并達(dá)到高的產(chǎn)量。在去年的NPE展覽會(huì)上，辛辛那提公司演示了整條Fiberex中試生產(chǎn)線，生產(chǎn)線配有一臺(tái)生產(chǎn)量為200kg/h(440lb/h)的FiberexT58擠出成型機(jī)，用于成型加工75%木粉填充量的PP配混物。生產(chǎn)線制造一種用于家具工業(yè)的異型材，壁厚2.5mm，擠出定型速度2m/min。大型化和精密化實(shí)現(xiàn)擠出成型設(shè)備的大型化可以降低生產(chǎn)成本，對(duì)于大型雙螺桿造粒機(jī)組、吹膜機(jī)組、管材組更是如此。在中國(guó)，大型化設(shè)備長(zhǎng)期依賴(lài)于進(jìn)口，現(xiàn)正在進(jìn)行大型雙螺桿造粒機(jī)組國(guó)產(chǎn)化研究。精密化可以提高產(chǎn)品的含金量，如多層復(fù)合共擠薄膜。熔體齒輪泵作為實(shí)現(xiàn)精密擠出的重要手段應(yīng)加大力度進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。1.3本文的主要工作對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃、設(shè)計(jì)，確定要實(shí)現(xiàn)的功能和要達(dá)到的性能指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)鍵的部件在滿(mǎn)足要求、保證可靠性、降低成本的原則上做出較合適的選擇。學(xué)會(huì)各電氣元件的使用。完成軟件編程和硬件制作，形成一個(gè)達(dá)到實(shí)際要求的完整系統(tǒng)。在溫度控制系統(tǒng)中，采用帶有鄰區(qū)溫度補(bǔ)償?shù)哪：刂婆cPID控制相結(jié)合的算法對(duì)溫度進(jìn)行控制，以提高控制精度。電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，電機(jī)起動(dòng)程序中的增量PID控制算法采用MATLAB中的simulink仿真工具，對(duì)二階系統(tǒng)進(jìn)行的階躍跟蹤仿真的結(jié)果表明，電機(jī)能夠在合理的時(shí)間內(nèi)安全起動(dòng)。第二章系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖2-1總體框圖本課題的下位機(jī)為自行開(kāi)發(fā)的通用智能控制器。此智能控制器可作為一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)控制系統(tǒng)，又可以與微機(jī)配合構(gòu)成控制系統(tǒng)，具有較高的靈活性和可靠性。單片機(jī)是控制器的主體，它與一些擴(kuò)展電路（程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、地址鎖存器、地址譯碼器等）構(gòu)成處理器模塊。電阻爐溫度控制系統(tǒng)主要有溫度信號(hào)的檢測(cè)與傳送部分；AT89C51為核心的單片機(jī)系統(tǒng)及接口電路；掉電檢測(cè)與保護(hù)電路。在這個(gè)系統(tǒng)中，反映爐溫的熱電偶電勢(shì)經(jīng)冷端補(bǔ)償放大成1~10V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路之后進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令進(jìn)行智能算法得到控制量輸出脈沖觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)過(guò)零觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)雙向可控硅，單片機(jī)通過(guò)I/O口改變控制脈沖寬度，也即改變了可控硅在一個(gè)固定控制周期Tc內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，這樣電阻爐的溫度就隨著電阻爐的平均輸入功率改變而變化，也即達(dá)到了控溫目的。另外，此智能控制器還包括與上位機(jī)的通訊接口，故障檢測(cè)電路，數(shù)據(jù)顯示電路等。2.2系統(tǒng)方案的論證無(wú)論是工業(yè)生產(chǎn)中，還是日常生活中，對(duì)溫度的檢測(cè)和控制都是必不可少的，對(duì)于溫度的檢測(cè)通常是采用熱敏電阻在通A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào),但由于信號(hào)的采集對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響很大，如果采樣精度不高，會(huì)使這個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性下降。而對(duì)于螺桿擠壓機(jī)的溫度控制的方法也有很多：如單片機(jī)控制、PLC控制、PID控制等等。綜合各方面的意見(jiàn)，本設(shè)計(jì)采用基于積分分離PID算法控制的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)螺桿擠壓機(jī)的溫度的控制。方案一：利用基于積分分離PID的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)螺桿擠壓機(jī)的溫度控制系統(tǒng)利用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)螺桿擠壓機(jī)的溫度恒定的控制，系統(tǒng)主要有AT89C51單片機(jī)，溫度檢測(cè)放大電路，A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)及顯示電路、晶閘管觸發(fā)電路等組成的控制器和被控對(duì)象電阻爐構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度采集電路以數(shù)字量形式將現(xiàn)場(chǎng)溫度傳至單片機(jī)。單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度與用戶(hù)設(shè)定的目標(biāo)溫度，按照已經(jīng)編程固化的控制算法計(jì)算出實(shí)時(shí)控制量，而此控制算法在傳統(tǒng)的PID基礎(chǔ)上有了改進(jìn)，改進(jìn)的PID算法-積分分離PID。其主要用途是當(dāng)被控制量與系統(tǒng)設(shè)定值偏差較大時(shí),能取消積分作用,避免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,超調(diào)量增加;當(dāng)被控量接近設(shè)定值時(shí),引入積分控制,以消除系統(tǒng)靜差,提高系統(tǒng)控制精度。以此控制量控制固態(tài)繼電器開(kāi)通和關(guān)斷，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使溫度逐步穩(wěn)定于用戶(hù)設(shè)定的目標(biāo)值。在溫度到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時(shí)，單片機(jī)通過(guò)采樣回的溫度與設(shè)置的目標(biāo)溫度比較，作出相應(yīng)的控制，開(kāi)啟加熱器。當(dāng)用戶(hù)需要比實(shí)時(shí)溫度低的溫度時(shí)，此電路可以利用風(fēng)扇降溫。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種狀態(tài)參量均可由數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。方案二：利用PLC實(shí)現(xiàn)螺桿擠壓機(jī)的溫度控制系統(tǒng)利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿擠壓機(jī)的溫度的控制是采用PLC控制實(shí)現(xiàn)螺桿擠壓機(jī)的全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自動(dòng)控制方式，來(lái)達(dá)到溫度的穩(wěn)定。智能型電偶溫度表將置于被測(cè)對(duì)象中，熱電偶的傳感器信號(hào)與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，生成溫差電壓Vt,PLC自適應(yīng)恒溫控制電路，根據(jù)Vt的大小計(jì)算出全通、間接導(dǎo)通和全斷的自適應(yīng)溫度控制電路，并將占空比可調(diào)的控制電平經(jīng)輸出隔離電路去控制可控硅門(mén)極的通斷，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的螺桿擠壓機(jī)的控制。若溫度升的過(guò)快，PLC也將輸出關(guān)斷電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為可控硅電路相匹配的輸入信號(hào)。綜上所述,我采用方案一用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿擠壓機(jī)的溫度控制，采用本方案成本低，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)但對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合是不合適的；而我們?cè)诨赑ID控制原理給出了積分分離PID控制器的具體實(shí)現(xiàn)方法。其基本設(shè)計(jì)思想是將積分分離和PID控制結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)的選型隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)發(fā)展很快，單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)的一個(gè)獨(dú)特的分支，以其體積小、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。在單片機(jī)的選型上，考慮單片機(jī)本身的性能以及本設(shè)計(jì)的需要，選用MCS-51系列單片機(jī)AT89C51。AT89C51是一個(gè)低功耗、高性能CMOS8位單片機(jī)，可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。圖210P2.P2.P2.P1.6P1.7RSTATDE5XD/P3.0TXDT3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/3.4TI/3.5畫(huà)圖210P2.P2.P2.P1.6P1.7RSTATDE5XD/P3.0TXDT3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/3.4TI/3.5畫(huà)3百RD3.7.?■.6.5M32-pppPAT89C51主要功能特性EA/VPPALE/PROGPSEN40393837363534哲TV302928互262524亙221）兼容MCS—51指令系統(tǒng)；2）且有布爾代數(shù)的運(yùn)算能力；32條雙向且可被獨(dú)立尋址的I/O口；芯片內(nèi)有128字節(jié)可供儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的RAM；(5)內(nèi)部有兩組16位定時(shí)器；具有全雙工傳輸信號(hào)UART；5個(gè)中斷源，且具有兩級(jí)(高/低)優(yōu)先權(quán)順序的中斷結(jié)構(gòu)；芯片內(nèi)有4KB的程序存儲(chǔ)器(ROM)；芯片內(nèi)有時(shí)鐘(CLOCK)振蕩器電路；(10)程序存儲(chǔ)器可擴(kuò)展至64KB(ROM)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可擴(kuò)展至64KB(RAM)。AT89C51單片機(jī)的接口電路有MCM2814和AD574、DAC7521等芯片。MCM2814作為AT89C51的掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能，AD574作為溫度檢測(cè)電路的輸入接口，DAC7521是模數(shù)轉(zhuǎn)化接口。溫度采集系統(tǒng)的電路構(gòu)成及工作原理在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度調(diào)節(jié)采用兩種方法:一是調(diào)節(jié)雙向晶閘管(SCR)的導(dǎo)通角大小來(lái)調(diào)節(jié)，或者是調(diào)節(jié)單位時(shí)間內(nèi)周波次數(shù)。前者負(fù)載電壓是非正弦波，會(huì)造成電網(wǎng)污染，產(chǎn)生高頻輻射干擾周?chē)秒娫O(shè)備移相觸發(fā)方式還會(huì)縮短晶閘管的使用壽命后者為完整的正弦波，是一種穩(wěn)定、可靠、較先進(jìn)的控制方法。本系統(tǒng)采用后者。單路溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示.該系統(tǒng)的核心是ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)，其中除有CPU外，還集中了SK字節(jié)的閃速存儲(chǔ)字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM,三個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和一個(gè)串行雙工通訊口，一個(gè)雙工串行口。圖3-2單路溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的輸入量為各段機(jī)筒的溫度，共5個(gè)值。溫度傳感器為兩路，一路為E分度熱電偶，用來(lái)測(cè)量各段機(jī)筒的溫度。另一路為各熱電偶所共用的冷端補(bǔ)償電路。采用溫度傳感器AD590來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度，對(duì)E分度熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償。輸出采用電熱調(diào)功方式，執(zhí)行器件Z型交流固態(tài)繼電器是帶有光電隔離和過(guò)零觸發(fā)電路的雙向可控硅，輸入TTL電平信號(hào)可控制其導(dǎo)通和截止。在規(guī)定周期內(nèi)，控制加入加熱器的導(dǎo)通的交流周波來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功率目的。調(diào)功控制方式不僅減少了對(duì)供電電網(wǎng)的非正弦干擾，提高了電網(wǎng)功率因數(shù)，而且，由于該控制方式實(shí)質(zhì)是時(shí)間量的離散輸出，易于實(shí)現(xiàn)模糊控制方法(劉美霞、劉春生、王鳳如，2003)。E分度熱電偶測(cè)量范圍為一200T~+900°C，其熱電動(dòng)勢(shì)較其它常用熱電偶大。本系統(tǒng)中E分度熱電偶測(cè)量的溫度范圍為OC~3OOC，對(duì)應(yīng)的毫伏級(jí)電壓信號(hào)經(jīng)放大后送至A/D(TLC2543)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入單片機(jī)。同時(shí)AD590采集的電壓信號(hào)經(jīng)放大、A心轉(zhuǎn)換也送入單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)這兩個(gè)數(shù)字量按一定算法計(jì)算溫度，通過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219在數(shù)碼管上顯示測(cè)量溫度。單片機(jī)根據(jù)設(shè)定溫度與測(cè)量溫度的差值以及該差值隨時(shí)間的變化率實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。最后的輸出，是通過(guò)調(diào)節(jié)固態(tài)繼電器的通斷比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器電功率的控制、從而達(dá)到控溫目的。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值的一定范圍時(shí)，啟動(dòng)冷卻設(shè)施進(jìn)行快速降溫，冷卻方式采用風(fēng)冷，以開(kāi)關(guān)量控制其工作狀態(tài)。3.2.1溫度采集放大電路溫度采集放大電路如圖3-3所示。本系統(tǒng)中被測(cè)對(duì)象的溫度范圍為0C~300C，對(duì)應(yīng)輸出是微弱的電壓信號(hào)(0mV~21.033mV),放大容易引起電壓和電流的失調(diào)，以及東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文零點(diǎn)漂移，故選用自動(dòng)穩(wěn)零斬波運(yùn)算放大器ICL7650。該器件具有較高的工作穩(wěn)定性和優(yōu)良的高精度放大性能，它是一種動(dòng)態(tài)校零放大器，能自動(dòng)穩(wěn)零，是一種儀用lc。公共補(bǔ)償電路采用的溫度傳感器一AD590是美國(guó)AnalogDevices公司生產(chǎn)的兩端式集成溫度一電流型傳感器，在被測(cè)溫度一定時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)恒流源。具有體積小、重量輕、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，它的測(cè)溫范圍為一50C~150°C,完全滿(mǎn)足本系統(tǒng)的(0C一50C)的測(cè)溫要求°AD590測(cè)量的是開(kāi)氏溫度，需補(bǔ)償為攝氏溫度，且由于傳感器輸出的電壓信號(hào)較弱，須放大后送入A心轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再送給單片機(jī)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)中AD590輸出的電壓信號(hào)為273mV一323mV，故只需放大10倍即可滿(mǎn)足A心轉(zhuǎn)換要求，考慮成本，采用價(jià)位較低的0P07即可。

電子電路抗干擾設(shè)計(jì)的有效方法是利用光電隔離。但是，由于光電隔離器件的電流傳輸系數(shù)是非線性的，直接用來(lái)傳輸模擬量時(shí)，非線性失真較大、精度差，我們利用光電耦合器件與運(yùn)算放大器結(jié)合設(shè)計(jì)一個(gè)線性度較好的模擬量光隔離圖3-4光隔離放大器

其中，Gl、G2是兩個(gè)性能、規(guī)格相同（同一封裝）的光電耦合器，Gl、G2的初級(jí)串連，并用同一偏置電流II激勵(lì)，設(shè)G1和G2的電流傳輸系數(shù)分別為a和a，貝U2I=aI2113-l)I=aII=aI321則集成運(yùn)放A4具有理想性能，則U=U=U=IRi + - 2 6而輸出電壓uo為U=IR（A5為跟隨器）O 3 7因此，電路的電壓增益A可由下式確定VA=U,U=IRIR0'I3 7 2 6將式（3-10）和（3-11）代入上式，則A=Ra/Ra7 2 613-2)3-3)3-4)3-5)由于Gl、G2是同性能、同型號(hào)、同封裝的光電耦合器（MOC8111）,因此G1、G2的電流傳輸系數(shù)a和a可看作是相等的，所以光耦合放大器的電壓增益為12A=R/R （3-6）V7 6由此可知，如圖所示的光耦放大器增益與Gl、G2的電流傳輸系數(shù)a和a無(wú)12關(guān)。實(shí)際上是利用Gl、G2電流傳輸系數(shù)的對(duì)稱(chēng)性補(bǔ)償了它們之間的非線性。運(yùn)放A5（“A74l）接成跟隨器形式，以提高電路的負(fù)載能力。運(yùn)放Al連接反饋電容C，用來(lái)消除電路的自激振蕩。由于光電耦合器初級(jí)、次級(jí)之間存在著延遲，使Gl和G2組成的負(fù)反饋電路之間顯得遲緩，容易引起電路C自激振蕩，連接電容之后，保證了電路對(duì)瞬變信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，提高了電路的穩(wěn)定性。電容C的容量可根據(jù)電路的頻率特性要求來(lái)確定，經(jīng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，電路的非線性誤差小于0.2%，較好地解決了模擬信號(hào)不共地傳輸?shù)膯?wèn)題。3.2.3保護(hù)電路為防止熱電偶由于溫度超出范圍產(chǎn)生過(guò)大的電勢(shì)對(duì)后繼電路的破壞，在熱電偶接入第一級(jí)運(yùn)放前要接入一緩沖電路，輸入端電容CiC2是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，鉗位二極管起保護(hù)作用，避免輸入線路故障時(shí)瞬態(tài)尖峰干擾損壞運(yùn)放和后級(jí)

電路。兩路輸入電壓送入采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。熱電偶的電勢(shì)溫度特性是非線性的，需要進(jìn)行非線性校正，其線性化可通過(guò)硬件、軟件來(lái)完成。在微機(jī)化智能儀器和控制系統(tǒng)中，常采用軟件代替硬件進(jìn)行非線性校正。A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用具有11路輸入通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543,它是美國(guó)德州儀器公司于近年推出的一種性能價(jià)格比較優(yōu)的12位A心轉(zhuǎn)換芯片，使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。它具有三個(gè)控制端輸入:片選(CS)、輸入/輸出時(shí)鐘(CLK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端(DIN)，可以通過(guò)一個(gè)串行的3態(tài)輸出口與主處理器或其它外圍串口通信，能節(jié)省89C51單片機(jī)的I/O資源。如圖所示為T(mén)LC2543與AT89C51單片機(jī)接口電路，89C52的P0.0，PO.l，P0.2，P0.5經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大與光電隔離后作為T(mén)LC2543的四條控制線，并與其它芯片復(fù)用。二一1SL4U10斗3 .口INIVCCIN2OUT1二一1SL4U10斗3 .口INIVCCIN2OUT1M3OUT2田4GNDTLC2543S9106圖3-5A/D轉(zhuǎn)換電路考慮到采樣精度的要求，E分度熱電偶輸出的電壓信號(hào)經(jīng)放大后直接與A/D轉(zhuǎn)換的輸入端相連。環(huán)境溫度測(cè)量電路中的傳感器一AD590輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)放大后進(jìn)入各溫度控制系統(tǒng)的A心芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)光電隔

離后進(jìn)入單片機(jī)，進(jìn)行溫度換算，再與各E分度熱電偶測(cè)量信號(hào)的轉(zhuǎn)換溫度值進(jìn)行相加，即得該節(jié)機(jī)筒的溫度。該采樣電路精度高，光禍簡(jiǎn)單，并實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的完全隔離。目前使用的51系列單片機(jī)沒(méi)有sPI(51即alProeessinglnterrace)接口能力,為T(mén)與TLC2543接口，可利用軟件合成SPI操作，完成A心數(shù)據(jù)的采集。顯示電路設(shè)計(jì)由于AT89C51沒(méi)有LED數(shù)碼顯示，由于需要，因而必須擴(kuò)展這一功能。選擇直接接8段LED數(shù)碼管的方法來(lái)擴(kuò)展這一個(gè)功能，又由于AT89C51的輸出電流較小，不能驅(qū)動(dòng)LED正常顯示，故用4支NPN三極管對(duì)單片機(jī)輸出電流進(jìn)行放大后輸入LED，用以驅(qū)動(dòng)LED并保證LED的亮度。動(dòng)態(tài)掃描顯示由單片機(jī)控制。如圖3-7所示。P10P00P11P01P12P02P13P03P14P04P15P05P10P00P11P01P12P02P13P03P14P04P15P05P16P06P17P07INT1P20int0AT89C51p21T1P23T0P24P25EA/VPP26P27X1X2RESETRXDtxDRDALE/P圖3-6顯示電路8-1-2-3-4-5-6-7-4.7K 4.7KT T4.7KT通信模塊因?yàn)镽S-232標(biāo)準(zhǔn)的電纜最長(zhǎng)為巧米，這里現(xiàn)場(chǎng)擠壓機(jī)和PC機(jī)的距離在20米以上，因而通信控制器與單片機(jī)機(jī)之間采用RS-422標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。RS-22主要用于主從通信方式，軟件簡(jiǎn)單，不會(huì)發(fā)生通信線沖突，用得比較普遍。從PC機(jī)的RS-232串行口到RS-422口轉(zhuǎn)換采用武漢波士電子有限公司的帶有隔離功能的轉(zhuǎn)換器。RS-422標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了差分平衡的電氣接口，它采用了平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收的方法。這相當(dāng)于兩個(gè)單端驅(qū)動(dòng)器，輸入同一個(gè)信號(hào)時(shí)，其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸入永遠(yuǎn)是另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸入的反信號(hào)，于是兩條線上傳輸?shù)男盘?hào)電平，當(dāng)一個(gè)表示邏輯“1”時(shí)，另一條一定為邏輯“0”。當(dāng)干擾信號(hào)作為共模信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，接收器接收差分輸入電壓，只要接收器有足夠的抗共模電壓工作范圍，就能識(shí)別兩個(gè)信號(hào)并正確接收傳輸?shù)男畔?。因此，RS-422能在長(zhǎng)距離、高速率下傳輸數(shù)據(jù)。它的最大傳輸速率為lOMbPs，最大距離可達(dá)1200m。RS-422電路由發(fā)送器、平衡連接電纜、電纜終端負(fù)載、接收器四部分組成。在電路中規(guī)定只許有一個(gè)發(fā)送器，可有多個(gè)接收器，因此通常采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。該標(biāo)準(zhǔn)允許驅(qū)動(dòng)器輸出為士ZV一土6V的平衡式差分信號(hào)，接收器可以檢測(cè)到的輸入信號(hào)電平可低到200mV.圖3-7通信電路3.6可控硅調(diào)功控溫可控硅調(diào)功控溫具有不沖擊電網(wǎng)，對(duì)用電設(shè)備不產(chǎn)生干擾等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用廣泛的控溫方式。所謂調(diào)功控溫就是在給定周期內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變加熱功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。設(shè)采取(控制)周期為T(mén)，在T周期內(nèi)工頻交流電的半周波數(shù)為N,如全導(dǎo)通時(shí)額定加熱功率為PH，則實(shí)際的平均加熱功率P與T周期內(nèi)實(shí)際導(dǎo)通的半周波數(shù)n成正比，即PnP/N (3-17)H3.6.1過(guò)零觸發(fā)調(diào)功器的組成目前,采用可控硅進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的觸發(fā)方式有兩種:過(guò)零觸發(fā)、移相觸發(fā)。移相觸發(fā)方式調(diào)功實(shí)際上是控制可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，此方式易造成電磁干擾且電路復(fù)雜。據(jù)文獻(xiàn)專(zhuān)門(mén)介紹：采用移相觸發(fā)的可控硅交流調(diào)功裝置，往往在可控硅導(dǎo)通的瞬間使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變，當(dāng)控制角為90°時(shí)，產(chǎn)生的三次諧波電流為基波電流的50%，五次諧波也可達(dá)基波的1/6。這些諧波分量引起電網(wǎng)電壓波形畸變，功率因數(shù)下降，給其它用電設(shè)備和通訊系統(tǒng)的工作帶來(lái)不良影響。為此，人們研究了各種避免電壓瞬時(shí)大幅度下降和抑制高次諧波的方法，過(guò)零觸發(fā)方式很好地解決了此類(lèi)問(wèn)題，它可把可控硅導(dǎo)通的起始點(diǎn)限制在電源電壓過(guò)零點(diǎn)，從而大大降低了諧波分量。然而，傳統(tǒng)的可控硅過(guò)零觸發(fā)調(diào)功器由同步脈沖產(chǎn)生電路、檢零電路、隔離電路組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件的離散性和溫漂嚴(yán)重影響調(diào)功器控制精度及使用壽命。實(shí)現(xiàn)可控硅調(diào)功控溫需解決3個(gè)技術(shù)關(guān)鍵：獲取工頻交流電源的過(guò)零觸發(fā)脈沖，作為觸發(fā)雙向可控硅的同步脈沖；將控制算法得到的控制量變?yōu)榭煽毓柙谥芷趦?nèi)的導(dǎo)通時(shí)間；隔離工頻交流電源強(qiáng)電對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)和控制電路弱電的干擾。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)的可控硅調(diào)功控溫電路如圖3-8所示。該調(diào)功器主要由射隨器、圖3-8可控硅調(diào)功原理圖3.6.2可控硅調(diào)功主要電路介紹（1） PWM脈沖形成及脈寬調(diào)制電路TL494是德克薩斯儀器公司研制的雙端脈寬調(diào)制器。TL494在開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用較多，在此，利用其脈寬調(diào)制功能構(gòu)成脈沖形成及脈寬調(diào)制電路。將芯片的5、6腳分別接振蕩器的電阻、電容，通過(guò)改變電阻、電容的大小，即可調(diào)節(jié)振蕩器頻率（為了保證振蕩器的穩(wěn)定性應(yīng)采用金屬膜電阻和漏電流的電容）。振蕩器產(chǎn)生的鋸齒形振蕩波被送到PWM比較器的反相輸入端，脈沖調(diào)寬電壓送到PWM比較器的同相輸入端，通過(guò)PWM比較器進(jìn)行比較，輸出一定寬度的脈沖波。當(dāng)調(diào)寬電壓變化時(shí)，TL494輸出的脈沖寬度也隨之改變，從而改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，達(dá)到調(diào)節(jié)，穩(wěn)定輸出電壓的目的。脈寬調(diào)寬電壓可由3腳直接送入的電壓來(lái)控制，也可分別從兩個(gè)誤差放大器輸入端送入，通過(guò)比較、放大經(jīng)隔離二極管輸出到PWM比較器的正相輸入端，此時(shí)3腳應(yīng)接RC網(wǎng)絡(luò)，提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)將兩個(gè)誤差放大器的輸入端和反饋接地，將3腳直接接控制電壓，這時(shí)比較器A7輸出為一定額率的脈沖信號(hào)，將13腳接地，則觸發(fā)器不起作用，所以改變控制電壓大小，即可改變10腳輸出脈沖的寬度。（2） 光隔離/光耦合過(guò)零雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3041新型器件MOC3041的使用使調(diào)功器電路變得非常簡(jiǎn)練，它集光電隔離、過(guò)零檢測(cè)功能于一身，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，圖3-9為其構(gòu)成的可控硅基本驅(qū)圖3-9可控硅基本驅(qū)動(dòng)電路RS、CS為吸收電路，并接在功率可控硅的陽(yáng)極和陰極之間，起保護(hù)作用。因?yàn)樨?fù)載若為感性，可控硅通、斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的反電動(dòng)勢(shì)，可能引起可控硅的損壞，在相關(guān)電路上并聯(lián)吸收電路后，就能削弱高的瞬時(shí)電壓，從而保護(hù)可控硅。一般CS、RS取值靠經(jīng)驗(yàn)確定，暫無(wú)一套完整的計(jì)算方法。經(jīng)驗(yàn)公式如下C=(2?4)IX10-3(卩F)STR=10-50Q (3—18)SR11是觸發(fā)器輸出限流電阻，其電阻由交流電網(wǎng)電壓峰值及觸發(fā)器輸出允許值重復(fù)沖擊電流峰值(1A)決定，這里取51W。R是晶閘管的門(mén)極電阻，防止誤觸發(fā)，提高抗干擾能力，一般取值300-500W。G(3)射隨器電路、電源供給射隨器電路能使前后級(jí)實(shí)現(xiàn)良好的匹配。本調(diào)功裝置設(shè)計(jì)時(shí)選擇的模擬信號(hào)控制電壓范圍為0?10V，所以來(lái)自D/A的輸出信(0?10V)正好滿(mǎn)足了電路的需要，射隨器可以省略。但有的溫控器輸出的控制信號(hào)為0?8V,也有的輸出的控制信號(hào)為0.5V、4?20mA、0?20mA、為了方便地和各種輸出信號(hào)設(shè)備實(shí)現(xiàn)良好的接口，這里特別加了射隨器電路?！?2V電壓的供給來(lái)自整個(gè)系統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源電路。3.7開(kāi)關(guān)量控制電路開(kāi)關(guān)量控制電路即為邏輯控制電路，它是用來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯狀態(tài)的控制，這些邏輯狀態(tài)可綜合表達(dá)為邏輯“與”與邏輯“非”兩種基本邏輯狀態(tài)。通常燈光的“亮”與“暗”、電動(dòng)機(jī)的“轉(zhuǎn)”與“?！?、閥門(mén)的“開(kāi)”與“關(guān)”等情況，均屬于邏輯“是”與“非”兩種基本邏輯狀態(tài)的控制。溫度控制系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)量有5個(gè)，用于控制冷卻裝置的啟停。開(kāi)關(guān)量控制電路如圖3-10所示。選用晶體管T9013作為驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)，其為電流控制型器件。繼電器線圈工作電壓為十SV。圖中01是續(xù)流二極管，對(duì)晶體管起保護(hù)作用。當(dāng)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，在晶體管關(guān)斷瞬間，感性負(fù)載所存儲(chǔ)的能量可通過(guò)Dl的續(xù)流作用而泄放，從而使晶體管避免被反向擊穿。LED為固態(tài)繼電器的狀態(tài)顯示燈，當(dāng)固態(tài)繼電器吸合時(shí)，該燈亮。3.8看門(mén)狗電路的設(shè)計(jì)看門(mén)狗(Watchdog)電路是嵌入式系統(tǒng)需要的抗干擾措施之一。用X25045芯片設(shè)計(jì)了一種看門(mén)狗電路。它具有體積小、占用I/O口線少和編程方便的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于儀器儀表和各種工控系統(tǒng)中。工控系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，通常都會(huì)遇到各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)?？撮T(mén)狗(Watchdog)電路是自行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的

圖3-10開(kāi)關(guān)量控制電路

重要保證，幾乎所有的工控系統(tǒng)都包含看門(mén)狗電路。在8096系列單片機(jī)和增強(qiáng)

型8051系列單片機(jī)中，該系統(tǒng)已經(jīng)做在芯片內(nèi)部，用戶(hù)只要用軟件開(kāi)放它就可

以，使用很方便。但目前工控系統(tǒng)仍在使用廉價(jià)的普通型8051系列單片機(jī)，則看門(mén)狗電路一般有軟件看門(mén)狗和硬件看門(mén)狗兩種。軟件看門(mén)狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個(gè)定時(shí)器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，可能導(dǎo)致看門(mén)狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門(mén)狗是真正意義上的“程序運(yùn)行監(jiān)視器”，如計(jì)數(shù)型的看門(mén)狗電路通常由555多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運(yùn)行不夠可靠。X25045看門(mén)狗電路設(shè)計(jì)X25045芯片內(nèi)包含有一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，可通過(guò)軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間。在看門(mén)狗定時(shí)器預(yù)置的時(shí)間內(nèi)若沒(méi)有總線活動(dòng)，則X25045將從RESET輸出一個(gè)高電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)微分電路C2、R3輸出一個(gè)正脈沖，使CPU復(fù)位。電路中，CPU的復(fù)位信號(hào)共有3個(gè)：上電復(fù)位（Cl、R2）,人工復(fù)位（S、Rl、R2）和Watchdog復(fù)位（C2、R3），通過(guò)或門(mén)綜合后加到RESET端。C2、R3的時(shí)間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因?yàn)檫@時(shí)CPU的振蕩器已經(jīng)在工作。門(mén)狗定時(shí)器的預(yù)置時(shí)間是通過(guò)X25045的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來(lái)設(shè)定的。X25045狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中WD1、WD0和看門(mén)狗電路有關(guān)，其余位和EEPROM的工作設(shè)置有關(guān)。X25045狀態(tài)寄存器表3-1X25045狀態(tài)寄存器Table3-1X25045statusregisterD7D6D5D4D3D2D1D0XXWD1WD0BL1BL0WELWIP其狀態(tài)位WD1,WD0設(shè)置的意義為:WD1=0,WD0=0，預(yù)置時(shí)間為1.4s。WD1=0,WD0=1，預(yù)置時(shí)間為0.6s。WD1=1,WD0=0，預(yù)置時(shí)間為0.2s。WD1=1,WD0=1，禁止看門(mén)狗工作?？撮T(mén)狗電路的定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短可由具體應(yīng)用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時(shí)最大循環(huán)周期的時(shí)間略長(zhǎng)即可。編程時(shí)，可在軟件的合適地方加一條喂狗指令，使看門(mén)狗的定時(shí)時(shí)間永遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)置時(shí)間，系統(tǒng)就不會(huì)復(fù)位而正常工作。當(dāng)系統(tǒng)跑飛，用軟件陷阱等別的方法無(wú)法捕捉回程序時(shí)，則看門(mén)狗定時(shí)時(shí)間很快增長(zhǎng)到預(yù)置時(shí)間，迫使系統(tǒng)復(fù)位。X25045的看門(mén)狗電路使用十分方便。X25045內(nèi)部還集成了512BEEPROM和電壓運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)，只需這樣一塊芯片，外加晶振和復(fù)位電路就可以組成單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)，非常適合于便攜式儀器和嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)MCs—51單片機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)采用C語(yǔ)言。C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能，已成為軟件開(kāi)發(fā)的主流。用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，但編程復(fù)雜，可讀性差;而用C語(yǔ)言編寫(xiě)軟件，可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期，提高效率，并且增加程序的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。單片機(jī)軟件要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、開(kāi)關(guān)量及模擬量輸出、串行口通信、看門(mén)狗復(fù)位等功能。采集溫度中需要采用數(shù)字濾波、查E分度溫度表、冷端補(bǔ)償，然后得出溫度值。對(duì)于TLC56xs（D廠）的輸出、看門(mén)狗X25045、TLC2543（A/D）、MAX7219的使用都有標(biāo)準(zhǔn)程序模塊。軟件的結(jié)構(gòu)與硬件條件及控制思想有密切的聯(lián)系。即使硬件條件相同，軟件不同，實(shí)現(xiàn)的功能也大相徑庭，為了有較好的可移植性，采用了模塊化編程。整個(gè)系統(tǒng)的程序主要包括主程序和兩個(gè)中斷服務(wù)子程序，主程序主要完成了系統(tǒng)的初始化功能（包括定時(shí)器的設(shè)置，清顯示緩沖區(qū)及暫存單元），并調(diào)用鍵入子程序、顯示子程序、對(duì)采樣來(lái)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)等待T0中斷的產(chǎn)生。系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)開(kāi)始」啟動(dòng)」啟動(dòng)」停機(jī)」判斷啟動(dòng)、停機(jī)命令"判斷啟動(dòng)、停機(jī)命獰"判斷啟動(dòng)、停機(jī)命獰"4-1主程序流程圖I亍機(jī)控制算法模塊■開(kāi)始」啟動(dòng)」啟動(dòng)」停機(jī)」判斷啟動(dòng)、停機(jī)命令"判斷啟動(dòng)、停機(jī)命獰"判斷啟動(dòng)、停機(jī)命獰"4-1主程序流程圖I亍機(jī)控制算法模塊■數(shù)據(jù)顯示模塊■停機(jī)」停機(jī)狀態(tài)"初始優(yōu)11）開(kāi)始；2）進(jìn)行初始化設(shè)置；3）判斷啟動(dòng)和停機(jī)的命令；（4）a啟動(dòng)部分：控制算法模塊一一數(shù)據(jù)顯式模塊——判斷啟動(dòng)停機(jī)的命令;B停機(jī)部分：判斷啟動(dòng)停機(jī)的命令；4.2數(shù)據(jù)采集子程序圖4-2為數(shù)據(jù)采集子程序流程圖。硬件濾波只是提高實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的措施之一，很難抑制各種干擾，有必要進(jìn)行數(shù)字濾波。本系統(tǒng)A/D為逐次比較式針對(duì)其轉(zhuǎn)換速度快，但對(duì)尖脈沖抑制能力相對(duì)較弱的特點(diǎn)，采用競(jìng)賽平分濾波法，該濾波方法既能消除脈沖干擾，又能濾除低頻波紋，是工程上常用的一種數(shù)字濾波方法。因本系統(tǒng)在工作時(shí)所受干擾噪聲很大，故采用改進(jìn)型競(jìng)賽評(píng)分濾波法:加大某一點(diǎn)的采樣次數(shù)，然后對(duì)該點(diǎn)的多次采樣值進(jìn)行排序，舍棄最大、最小段（而非最大、最小值），把余下的中間段4（8）個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)累加，再取算術(shù)平均值作為該點(diǎn)的最終有效采樣值。該

方法計(jì)算量大，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，故只應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)。4.3主程序模塊溫度控制系統(tǒng)的主程序流程圖、如圖4-3所示。初始化程序包含一系列變量、寄存器的賦值:為了采集由傳感器傳來(lái)的溫度設(shè)定等信號(hào)，采樣部分調(diào)用2543程序模塊及數(shù)字濾波程序;控制量輸出包含電機(jī)控制量、加熱器控制量的輸出;延時(shí)程序由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，用來(lái)控制采集數(shù)據(jù)的頻率。4.4溫度控制模塊PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制中。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來(lái)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可以利用計(jì)算機(jī)的邏輯功能，使PID控制更加靈活。數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種最普遍采用的控制方法，在機(jī)電、冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中，PID很容易通過(guò)編制計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID算法可以得到修正和完善，從而使數(shù)字PID具有很大的靈活性和適用性。數(shù)字PID控制器是由軟件編程在計(jì)算機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的。將偏差比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng)為PID控制器。在螺桿擠壓機(jī)的溫度控制系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)分析可將其近似認(rèn)為是一帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié),對(duì)其控制采用的是一PID控制。在使用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)工、停工或大幅度升降給定值時(shí),短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大偏差,螺桿擠壓機(jī)的溫度控制的PID控制方法在積分控制器的作用下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的控制信號(hào)，受系統(tǒng)純滯后的影響,使過(guò)渡過(guò)程出現(xiàn)大的超調(diào)和振蕩。這對(duì)要求恒定溫度烘焙的物件將產(chǎn)生不良影響。針對(duì)這一問(wèn)題提出了一種積分分離PID控制方法，用于螺桿擠壓機(jī)的溫度的控制,實(shí)現(xiàn)了無(wú)超調(diào)控制。在普通PID控制中引入積分環(huán)節(jié)的目的,主要是為了消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差,提高控制精度。但在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí),短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出會(huì)產(chǎn)生很大的偏差,造成PID運(yùn)算的積分累積,致使控制量超過(guò)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍,造成系統(tǒng)短時(shí)控制失效,引起系統(tǒng)較大的超調(diào),甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩,這是在生產(chǎn)過(guò)程中絕對(duì)不允許的。積分分離控制算法的基本思路是:當(dāng)被控制量與系統(tǒng)設(shè)定值偏差較大時(shí),取消積分作用,避免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,超調(diào)量增加;當(dāng)被控量接近設(shè)定值時(shí),引入積分控制,以消除系統(tǒng)靜差,提高系統(tǒng)控制精度。如圖4-4具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，設(shè)定閾值￡>0。當(dāng)系統(tǒng)丨e(k)丨>￡時(shí)，也即偏差值丨e(k)丨比較大時(shí)，采用PD控制，可避免系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)，又時(shí)系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)丨e(k)丨三￡時(shí)，也即偏差值丨e(k)丨比較小時(shí)，采用PID以保證系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)丨e(k)時(shí)，在第k個(gè)采樣周期增量式PID的計(jì)算公式如下所示：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"Au(k)=kAe(k)+ke(k)+k[Ae(k)-Ae(k-1)] (4—7)pid當(dāng)|e(k)|>￡時(shí)，在第k個(gè)采樣周期積分分離增量式PID的計(jì)算公式如下所示：\o"CurrentDocument"Au(k)=kAe(k)+khe(k)-Ae(k-1)] (4—8)pd式(4-7)、式(4—8)中：K-比例系數(shù)；T-積分時(shí)間；T-微分時(shí)間；K=K(T/T)P i d ip 1為積分系數(shù)；K=K(T/T)為微分系。PID本質(zhì)是線性控制，PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、dPD明確，能滿(mǎn)足大量工業(yè)過(guò)程的控制要求，特別是魯棒性能較好，適應(yīng)過(guò)程的大范圍變動(dòng)。PID本質(zhì)是線性控制4.5串行口中斷服務(wù)程序模塊中斷屬于一種對(duì)事件的實(shí)施處理過(guò)程。中斷源可能隨時(shí)迫使CPU停止當(dāng)前正執(zhí)行的工作，轉(zhuǎn)而去處理中斷源指示的另一項(xiàng)工作，該項(xiàng)工作完成后，再返回原來(lái)工作的斷點(diǎn)處，繼續(xù)原來(lái)的工作。中斷服務(wù)程序是進(jìn)行中斷處理的具體內(nèi)容，以子程序的形式出現(xiàn)。串行中斷是為串行數(shù)據(jù)傳送的需要而設(shè)置的，每當(dāng)串行口接收或發(fā)送完一組串行數(shù)據(jù)時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求。因此串行口中圖4-4積分分離PID控制算法流程圖斷也是在單片機(jī)芯片內(nèi)部自動(dòng)發(fā)生的，同時(shí)不需要設(shè)置引入端。為便于調(diào)試，本文規(guī)定最簡(jiǎn)單的協(xié)議。采用RS一422標(biāo)準(zhǔn)，全雙工通信PC機(jī)為主機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)。1、先使所有從機(jī)的SMZ位置1，處于只接收地址幀的狀態(tài)。2、土機(jī)先發(fā)送一幀地址信息，主機(jī)發(fā)送地址格式為:波特率為2400b/s，8位數(shù)據(jù)位，第9位為1，以表示發(fā)送的是地址。3、每塊單片機(jī)數(shù)據(jù)采集器有兩個(gè)地址，一為奇數(shù)一為偶數(shù)。奇數(shù)為接收PC機(jī)下傳參數(shù)的地址，所有從機(jī)接收到地址幀后，進(jìn)行中斷服務(wù)程序，各自將接收到的地址與其本身地址相比較。被尋址的地址與自己地址相同的從機(jī)，將使SMZ=O,然后回送本機(jī)地址信號(hào)，主機(jī)收到從機(jī)的回答信號(hào)后，檢測(cè)是否是要尋址的從機(jī)，如果是主機(jī)要尋址的從機(jī)，主機(jī)即開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)或控制信息（第9位為0）。對(duì)于已被尋址的從機(jī)，因SMZ=O,故可以接收主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信息。從機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，要檢查接收到的參數(shù)，如正確則發(fā)回地址號(hào)，否則發(fā)255。主機(jī)向主電機(jī)控制器發(fā)送工作參數(shù)的順序?yàn)?控制方式（0為手動(dòng)控制，1為計(jì)算機(jī)控制）、主電機(jī)轉(zhuǎn)速、總和校驗(yàn)。主機(jī)向溫度采集器發(fā)送工作參數(shù)的順序?yàn)?控制方式（0為手動(dòng)控制，1為計(jì)算機(jī)控制）、設(shè)定溫度、總和校驗(yàn)。每個(gè)參數(shù)各占一個(gè)字節(jié)。而對(duì)于其它從機(jī)，因SMZ維持為1，對(duì)主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀將不予理睬，直至發(fā)來(lái)新的地址幀。偶數(shù)為向PC機(jī)上傳數(shù)據(jù)地址，單片機(jī)收到這個(gè)地址后，向PC機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。4、PC機(jī)定時(shí)循環(huán)發(fā)送為偶數(shù)的地址，每發(fā)送完一個(gè)地址后開(kāi)始接收相應(yīng)單片機(jī)送回的數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)采集器收到與自身地址相符的偶數(shù)后，發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。電機(jī)控制系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)格式為:工作控