PID調(diào)節(jié)溫度自動控制系統(tǒng)(共48頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上編號本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目：PID調(diào)節(jié)溫度自動控制系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng)工程 學(xué)院 電子信息工程 專業(yè) 學(xué) 號 學(xué)生姓名 朱華敏 指導(dǎo)教師 陳文馳 講 師 二一二年六月專心-專注-專業(yè)設(shè)計總說明本設(shè)計主要任務(wù)是完成電阻爐的溫度測控，利用C8051單片機(jī)套件模塊作為核心器件配以適當(dāng)?shù)耐鈬娐穼?shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，實(shí)施溫度監(jiān)控。這個系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分，其中硬件部分包括溫度檢測.轉(zhuǎn)換部分的K型鎳鉻-鎳鋁熱電偶，變送器，控制部分的C8051F060單片機(jī)套件模塊，以及執(zhí)行部分的固態(tài)繼電器等。軟件部分主要包括主程序，T0中斷程序以及嵌套在T0中斷程序中的幾個程序等幾個部分。該系統(tǒng)主

2、要采用軟件來實(shí)現(xiàn)對溫度的控制。本設(shè)計中，采用PID控制來實(shí)現(xiàn)對溫度的控制。當(dāng)溫度發(fā)生變化進(jìn)而產(chǎn)生一個偏差量時，通過PID算法從單片機(jī)口上輸出一個脈沖，偏差量的大小不同其輸出脈沖的寬度也相應(yīng)的改變，從而改變了固態(tài)繼電器的接通時間，最終改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。我們將熱電偶、輸入輸出通道、單片機(jī)模塊等環(huán)節(jié)構(gòu)成一個溫度單回路數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用單片機(jī)來對溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。根據(jù)具體的工藝要求，通過PID控制器的參數(shù)整定，從而提供調(diào)節(jié)作用?？刂破鞯捻憫?yīng)可以被認(rèn)為是對系統(tǒng)偏差的響應(yīng)

3、。注意一點(diǎn)的是，PID算法不一定就是系統(tǒng)或系統(tǒng)穩(wěn)定性的最佳控制。一些應(yīng)用可能只需要運(yùn)用一到兩種方法來提供適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)控制。這是通過把不想要的控制輸出置零取得。PID控制的物理實(shí)現(xiàn)在早期自動化過程控制的的歷史上，PID控制器被用作一個機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)。這些機(jī)械控制器經(jīng)常使用一根杠桿, 曲軸和活塞由壓縮空氣提供能量。這些氣動控制器曾經(jīng)是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。電子模擬控制器可以一固態(tài)或者成管狀放大器構(gòu)成，例如一個電容器和一個電感。電子模擬PID控制環(huán)經(jīng)常在更復(fù)雜的電子系統(tǒng)內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，例如，頭一個磁盤驅(qū)動器位置的確定，動力電源的限制或者甚至一臺現(xiàn)代地震儀的運(yùn)動?，F(xiàn)在，用 microcontrollers 或者 FPGAs

4、 實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器已經(jīng)基本上替換電子控制器。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)；溫度控制；PID；硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)DESIGN SUMMARYDesign of the main tasks is to complete the resistance furnace temperature monitoring, Boards using C8051 MCU module as a core device temperature regulation, the implementation of temperature control. The system is divided into two parts

5、-hardware and software. Which also includes hardware detection of nickel chromium / nickel and aluminum two thermocouple transmitter, control part C8051F060 Boards module, operative and other solid-state relay. Some major software also includes main program and procedures T0 interrupted several part

6、s. This system mainly use software control temperature. I use PID control the temperature in this design. When the temperature changes result in a deviation of, through the PID algorithm to change its output pulse width, thus changing the solid state relays on-time and eventually change the heating

7、wire power, to achieve the purpose of regulating temperature.We will thermocouple, the input and output channels; the MCU module links constitute a single loop digital temperature closed-loop control system. SCM right to control the temperature, control is not only convenient, simple configuration f

8、lexibility and the advantages of large, but can substantially increase the temperature was charged with the technical indicators, which can greatly enhance the quality and quantity. By "tuning" the three constants in the PID controller algorithm the PID can provide control action designed

9、for specific process requirements. The response of the controller can be described in terms of the responsiveness of the controller to an error, the degree to which the controller overshoots the setpoint and the degree of system oscillation. Note that the use of the PID algorithm for control does no

10、t guarantee optimal control of the system or system stability. Some applications may require using only one or two modes to provide the appropriate system control. This is achieved by setting the gain of undesired control outputs to zero. Physical implementation of PID control In the early history o

11、f automatic process control the PID controller was implemented as a mechanical device. These mechanical controllers used a lever, spring and a mass and were often energized by compressed air. These pneumatic controllers were once the industry standard.Electronic analog controllers can be made from a

12、 solid-state or tube amplifier, a capacitor and a resistance. Electronic analog PID control loops were often found within more complex electronic systems, for example, the head positioning of a disk drive, the power conditioning of a power supply, or even the movement-detection circuit of a modern s

13、eismometer. Nowadays, electronic controllers have largely been replaced by digital controllers implemented with microcontrollers or FPGAs. Key words: MCU；PID；temperature control；system hardware；system software目 錄第一章 1第一章 緒論問題的提出，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力，流量和液位是四種最常見的過程變量。其中溫度是一個非常重要的過程變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵?、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、

14、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學(xué)過程。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。盡管溫度控制很重要，但是要控制好溫度常常會遇到意想不到的困難。研究的現(xiàn)狀，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的智能設(shè)備日益增多，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快，對設(shè)計開發(fā)提出了更高的要求。對于溫度控制系統(tǒng)，較為傳統(tǒng)的是實(shí)驗(yàn)室人員根據(jù)材料的燒成制度來調(diào)節(jié)電爐的輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對電爐的溫度控制。一般的有兩種方法:第一種就是手動調(diào)壓法,第二種控制方法在主回

15、路中采取雙向可控硅裝置,并結(jié)合一些簡單的儀表,使得保溫階段能夠自動,但這兩種方法的升溫過程都是依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié),并不能精確的按照給定的升降溫速度來調(diào)節(jié)。而采用以參數(shù)自整定PID控制為基礎(chǔ)的溫控系統(tǒng)具有自動檢測、數(shù)據(jù)實(shí)時采集、處理及控制結(jié)果顯示等功能，簡單、可靠, 具有真正的智能化和靈活性，大大提高了控制質(zhì)量及自動化水平,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，對提高電爐溫度的控制精度具有較好的意義。在單片機(jī)領(lǐng)域，C51系列單片微機(jī)具有很強(qiáng)的功能，處理能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高，特別是其集成了A/D與D/A轉(zhuǎn)換器，無須外加，使用范圍廣，既可構(gòu)成功能

16、很強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)，也可組成較簡單的應(yīng)用系統(tǒng)。利用單片機(jī)通過PID的控制對電阻爐的溫度控制進(jìn)行改造后的系統(tǒng)具有控溫精度高、功能強(qiáng)、體積小、價格低，簡單靈活等優(yōu)點(diǎn)。研究的主要內(nèi)容、目標(biāo)與方法。主要內(nèi)容：該設(shè)計利用單片機(jī)來控制爐溫，使其達(dá)到預(yù)期值溫度，需要多次采樣爐溫值，利用PID算法來對固態(tài)繼電器進(jìn)行通斷控制，加熱電阻絲，使其溫度與預(yù)期值相當(dāng)。設(shè)計結(jié)果應(yīng)是實(shí)際值與設(shè)定值誤差甚少，結(jié)果良好。溫度控制范圍：室溫500oC; 控制精度為±1ºC。目標(biāo)與方法：本設(shè)計采用經(jīng)典算法PID控制，通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計需求，通過采樣，A/D轉(zhuǎn)換,濾波等一系列步驟，與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)用PID來

17、使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定值的范圍內(nèi)，PID計算值來控制可控硅的導(dǎo)通時間，對電阻絲進(jìn)行加熱處理，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，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、電等。本設(shè)計的控制對象為一箱型電阻爐，輸入為加在電阻絲兩斷的電壓，輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度。控溫范圍：室溫500，控制精度：±1。系統(tǒng)是一個由C8051F060單片機(jī)控制的電阻爐溫度閉環(huán)控制

18、系統(tǒng)。其目的在于對電阻爐的溫度進(jìn)行精確控制，從而得到需要的溫度。為了達(dá)到較為理想的結(jié)果，本設(shè)計采用的設(shè)計思路是：首先利用熱電偶對電阻爐的溫度進(jìn)行采集，通過數(shù)字濾波，并將此檢測值與給定值比較，然后將其差值進(jìn)行PID控制運(yùn)算，其控制輸出量通過C51引腳和放大電路，使其輸入的高電平（固態(tài)繼電器的接通時間是通過觸發(fā)脈沖加以控制的）直接去控制可控硅接通時間來對電阻爐進(jìn)行控制，以達(dá)到接近設(shè)定溫度值。溫度控制系統(tǒng)組成框圖如下 圖1-1 溫度控制系統(tǒng)圖上圖是整個系統(tǒng)設(shè)計的一個大致框圖，其包括了整個設(shè)計思路。第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 C8051F060單片機(jī)簡介2.1.1 C8051F060單片機(jī)的基本特點(diǎn)

19、圖21 C8051F060原理圖（1）內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu),速度可達(dá)25MIPS（25MHZ晶振）,比普通的51單片機(jī)快10倍;其指令與標(biāo)準(zhǔn)系列51單片機(jī)兼容。因而掌握開發(fā)過程非常容易;該芯片的JTAG調(diào)試方式支持在系統(tǒng)、全速、非插入調(diào)試和編程,且不占用片內(nèi)資源。（2）片上集成有64KB FLASH4352B內(nèi)部RAM（256+4KB,可外擴(kuò)至64KB）、59個I/O口、2通道16位1MSPS的可編程增益ADC、8通道10位200KSPS可編程增益ADC、2路12位DAC、3路模擬比較器、內(nèi)部電壓基準(zhǔn)以及片內(nèi)電源監(jiān)視、降壓檢測和看門狗等功能。由于C8051F060的高集成度,因而無需外擴(kuò)ROM、

20、RAM、AD、DA、WATCHDOG(看門狗定時器)、可編程I/O口和EEPROM（用片內(nèi)FLASH實(shí)現(xiàn)）,從而大大簡化了硬件電路,并為構(gòu)成以C8051F060為核心的單片機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件,同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。 (3）片內(nèi)集成有2個UART、1個SM（兼容I2C）和1個SPI （4）可編程的16位計數(shù)器陣列PAC有6個捕捉/比較模塊和5個通用16位計數(shù)器/定時器,這一為要求定時器/計數(shù)器具有較多的測控節(jié)點(diǎn)提供了方便。 （5）C8051F060能滿足絕大多數(shù)工業(yè)測控節(jié)點(diǎn)的要求,能夠形成以C8051F060為核心的單片機(jī)系統(tǒng),如果配以外圍測量單元,還可形成完整的測控節(jié)點(diǎn)。2.1.2 存儲器結(jié)

21、構(gòu)單片機(jī)采用了標(biāo)準(zhǔn)8051的程序和數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)立編址的結(jié)構(gòu)，程序存儲器為64KB的Flash結(jié)構(gòu)，外加128字節(jié)Flash；數(shù)據(jù)RAM除包含標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)256字節(jié)，還有4KB片上XRAM和可外擴(kuò)64KB數(shù)據(jù)存儲器的接口。（1）數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器。內(nèi)部RAM包含256字節(jié)，其高端128字節(jié)為雙映射結(jié)構(gòu)，即間接尋址訪問128字節(jié)通用RAM，直接尋址訪問128字節(jié)的特殊功能寄存器SFR地址空間，這個空間又分為256個SFR頁，由特殊功能寄存器SFRPAGE來切換。這樣，單片機(jī)就有足夠的SFR來設(shè)定和配制各種接口資源，并為以后擴(kuò)展預(yù)留了足夠的空間，低端的128字節(jié)RAM可

22、通過直接或間接尋址來訪問，這和8051單片機(jī)的RAM完全一樣。其中前32個字節(jié)是4個通用工作寄存器區(qū)，接下來的16字節(jié)可以按字節(jié)尋址，也可以按位尋址。C8051F060單片機(jī)還有一個4KB的片內(nèi)XRAM，其尋址范圍以4KB為邊界覆蓋整個64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間。另外，該單片機(jī)還有一個外部存儲器接口EMIF，用于訪問片外數(shù)據(jù)存儲器。外部數(shù)據(jù)存儲器尋址范圍可以只映射為片內(nèi)存儲器、片外存儲器或二者的組合，即4KB以內(nèi)指向片內(nèi)，4KB以上指向外部存儲器接口EMIF，該EMIF可以配置為復(fù)用和非復(fù)用地址線/數(shù)據(jù)線兩種方式。編程步驟是：EMIF端口的選擇和配置；確定地址形成非復(fù)用/復(fù)用和地址/數(shù)據(jù)

23、復(fù)用方式；存儲器方式為片內(nèi)方式，不帶地址選擇的分片方式，有地址選擇的分片方式，片外工作方式；確定接口定時參數(shù)。（2）程序存儲器C8051F060單片機(jī)的程序存儲器為64KB的Flash存儲器，它能以512字節(jié)為扇區(qū)實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程，無需提供片外專用編程電壓，其中從0xFC000xFFFF的1024字節(jié)為保留區(qū)。另外，從0x100000x1007F的128字節(jié)Flash存儲器，可以作為非易失存儲器，由軟件來訪問,它最適合用于存放系統(tǒng)參數(shù)等。64KB的Flash存儲器區(qū)除了可以存放程序代碼外，也可以用來存放非易失數(shù)據(jù)。既可以在開發(fā)系統(tǒng)中，通過JTAG接口編程，也可以用MOV指令來實(shí)現(xiàn)軟件編程。注意，

24、在對Flash存儲器操作時，讀操作用MOVC指令，寫操作用MOVX指令，若用MOVX讀操作時，只能讀到XRAM區(qū)。另外，要特別搞清楚程序存儲讀/寫控制寄存器PSCTL和Flash存儲器控制寄存器FLSCL的各個位的確切含義。圖22 C8051F060接線圖2.1.3 AD/DA轉(zhuǎn)換器C8051F060系列內(nèi)部都有一個ADC子系統(tǒng)，由逐次逼近型ADC、多通道模擬輸入選擇器和可編程增益放大器組成。ADC工作在100ksps的最大采樣速率時可提供真正的8位、10位或12位精度.除了12位的ADC子系統(tǒng)ADC0之外，C8051F系列還有一個8位ADC子系統(tǒng)，即ADC1，它有一個8通道輸入多路選擇器和可

25、編程增益放大器。該ADC工作在500ksps的最大采樣速率時可提供真正的8位精度。ADC1的可編程增益放大器的增益可以設(shè)置為0.5、1、2或4。ADC1也有靈活的轉(zhuǎn)換控制機(jī)制，允許用軟件命令、定時器溢出或外部信號輸入啟動ADC1轉(zhuǎn)換；用軟件可以使ADC1與ADC0同步轉(zhuǎn)換。C8051F060系列內(nèi)有兩路12位DAC，2個電壓比較器。CPU通過SFRS控制數(shù)模轉(zhuǎn)換和比較器。CPU可以將任何一個DAC置于低功耗關(guān)斷方式。DAC為電壓輸出模式，與ADC共用參考電平。允許用軟件命令和定時器2、定時器3及定時器4的溢出信號更新DAC輸出。（1）多路模擬開關(guān)切換電路因?yàn)镃8051F060只有2路高速A/D

26、轉(zhuǎn)換器，而實(shí)際上有4路模擬量需要采集，故需要一個多路模擬切換開關(guān)。NLAS4684是兩路單刀雙執(zhí)CMOS模擬切換開關(guān)，具有很低的導(dǎo)通電阻。當(dāng)ADO_CON、ADlCON為高電平時，運(yùn)放的輸出OUT2進(jìn)入ADO進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，運(yùn)放的輸出OUT4進(jìn)入ADl進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；當(dāng)ADO_CON、ADlCON為低電平時，運(yùn)放的輸出OUTl進(jìn)入ADO進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，運(yùn)放的輸出OUT3進(jìn)入AD1進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，如圖2-3所示。圖23 多路模擬開關(guān)切換電路（2）模擬運(yùn)算放大電路LM134、R1、R2、D1構(gòu)成恒流源電路，對橋式電路傳感器提供恒流源。橋式電路傳感器輸出信號INl+、INl一經(jīng)INA326EA放大后

27、送入多路模擬切換開關(guān)，然后由C805lF060的A/D電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。INA326EA是一款單電壓供電、高性能、低功耗、滿幅度輸入輸出的儀表運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器電路放大倍數(shù)G=2K1/R3?？偣灿?路模擬運(yùn)算放大電路。圖2-4為其中一路模擬運(yùn)算放大電路。圖24 模擬運(yùn)算放大電路2.1.4 定時器/計數(shù)器CIP-51有3個與標(biāo)準(zhǔn)8051MCU兼容的16位計數(shù)器/定時器，它們可用來測量時間間隔，對外部事件計數(shù)和產(chǎn)生周期性的中斷請求。定時器0和1幾乎完全相同，并且有4種工作方式。定時器2提供定時器1和0沒有的附加功能例如捕捉和產(chǎn)生波特率。當(dāng)作為定時器時計數(shù)器/定時器寄存器在每一個定時時鐘脈沖下

28、都加1個時鐘脈沖為系統(tǒng)時鐘被1或12除。由CKCON 中的定時器時鐘選擇位T2M-T0M 指定。定時時鐘脈沖為12個系統(tǒng)鐘周期選項(xiàng)提供了與標(biāo)準(zhǔn)8051系列的兼容性。如果需要更快的定時器可以使用1個時鐘選項(xiàng)。當(dāng)作為計數(shù)器時計數(shù)器/定時器寄存器在選擇的輸入引腳P04/T0,P05/T1,P06/T2每1次從高到低跳變都加1對事件計數(shù)的最大頻率為系統(tǒng)時鐘頻率的1/4輸入信號不必是階段性的但是它應(yīng)該被保持在給定的電平至少2個完整的系統(tǒng)時鐘周期來確保該電偏高取樣。定時器0和定時器1通過SFR進(jìn)行訪問和控制，每個計數(shù)器/定時器都是16位寄存器。在被訪問時以兩個字節(jié)的形式出現(xiàn)：一個低字節(jié)TL0或TL1和一個

29、高字節(jié)TH0或TH1。計數(shù)器/定時器控制寄存器TCON用來使能定時器0和定時器1以及指示其狀態(tài)。這兩個定時器/計數(shù)器都有四種工作方式，通過設(shè)置定時器/計數(shù)器方式寄存器TMOD中的方式選擇位M1-M0 來選擇工作方式每個定時器都可被獨(dú)立配置。（1） 定時/計數(shù)器控制寄存器圖25 TCON控制寄存器7位：TF1： 定時器1溢出標(biāo)志當(dāng)定時器1 溢出時由硬件置位這個標(biāo)志能被軟件清除當(dāng)CPU進(jìn)入定時器1中斷服務(wù)程序時它被自動清除。0定時器1未溢出。1定時器1已溢出。6位：TR1：定時器1控制0定時器1禁止。1定時器1允許。5位：TF0： 定時器0 溢出標(biāo)志當(dāng)定時器0 溢出時由硬件置位該標(biāo)志能被軟件清除當(dāng)

30、CPU 進(jìn)入定時器0 中斷服務(wù)程序時它被自動清除。0定時器0未溢出。1定時器0已溢出。4位：TR1：定時器0 控制0 定時器0禁止。1 定時器0允許。3位：IE1 外部中斷1當(dāng)檢測到一個IT1 定義的邊沿/電平時該標(biāo)志由硬件置位它能被軟件清除但是當(dāng)IT1=1 時如果CPU進(jìn)入外部中斷1 服務(wù)程序則自動清除當(dāng)IT 1=0 時該標(biāo)志是/INT1 輸入信號的邏輯電平取反。2位：IT1：中斷1 類型選擇此位選擇/INT1 信號檢測到下降沿中斷還是檢測到低電平有效中斷。0 /INT1是電平觸發(fā)。1 /INT1是邊沿觸發(fā)。1位：IE0：外部中斷0當(dāng)檢測到一個IT0定義的邊沿/電平時該標(biāo)志由硬件置位它能被軟

31、件清除但是當(dāng)IT0=1時如果CPU進(jìn)入外部中斷1 服務(wù)程序則自動清除當(dāng)IT0=0 時該標(biāo)志是/INT0 輸入信號的邏輯電平取反。0位：IT0：中斷0 類型選擇此位選擇/INT0 信號否檢測到下降沿中斷還是檢測到低電平有效中斷。0 /INT0 是電平觸發(fā)。1 /INT0 是邊沿觸發(fā)。（2） 定時/計數(shù)器方式寄存器圖26 TMOD方式寄存器7位：GATE1：定時器1門控位。0：當(dāng)TR1=1 時無論/INT1 如何定時器1允許。1：只有在TR1=1并且/INT1=邏輯1時定時器1允許。6位：C/T1：計數(shù)器/定時器1選擇。0：定時器功能T1M 位CKCON.4 定義的時鐘使定時器1加1.1：計數(shù)器功

32、能在外部輸入引腳P0.5/T1 上的從高到低的跳變使定時器1加1.5-4位：T1M1-T1M0： 定時器1方式選擇。這些位選擇定時器1 操作方式 表2-1 定時器1選擇一覽表T1M1T1M0模式00模式0：3位計數(shù)器/定時器01模式1：位計數(shù)器/定時器10模式2：帶自動裝載的8位計數(shù)器/定時器11模式3：定時器1停止運(yùn)行3位：GATE0：定時器0 門控位0：當(dāng)TR0=1 時無論/INT0 如何定時器0 允許1：只有在TR0=1 并且/INT0=邏輯1 時定時器0 允許2位：C/T0： 計數(shù)器/定時器選擇0：定時器功能T0M 位CKCON.3 定義的時鐘使定時器0 加1：計數(shù)器功能在外部輸入引腳

33、P0.4/T0上的從高到低的跳變使定時器0 加0-1位：T0M1-T0M0：定時器0方式選擇這些位選擇定時器0操作方式表2-2 定時器0選擇一覽表T1M1T1M0模式00模式0：3位計數(shù)器/定位器01模式1：6位計數(shù)器/定位器10模式2：帶自動裝載的8位計數(shù)器/定時器11模式3：雙8位計數(shù)器/定時器（3）時鐘控制寄存器 圖27 CKCON時鐘控制寄存器7-6位：未用讀=00b，寫=無關(guān)5位：T2M：定時器2時鐘選擇此位控制定時器2 的系統(tǒng)時鐘的分頻當(dāng)定時器為波特率發(fā)生方式或計數(shù)器方式即（C/T2=1）此位被忽略。0：定時器2使用系統(tǒng)時鐘的12分頻。1：定時器2使用系統(tǒng)時鐘。4位：T1M：定時器

34、1時鐘選擇此位控制定時器1的系統(tǒng)時鐘的分頻。0：定時器1使用系統(tǒng)時鐘的12分頻。1：定時器1使用系統(tǒng)時鐘。3位: T0M 定時器0 時鐘選擇此位控制計數(shù)器/定時器0 的系統(tǒng)時鐘的分頻。0：計數(shù)器/定時器使用系統(tǒng)時鐘的12分頻。1：計數(shù)器/定時器使用系統(tǒng)時鐘。0-2位：未用讀=00b，寫=無關(guān)。2.1.5 中斷系統(tǒng)兩個外部中斷源（/INT0 和/INT1）可被配置為低電平觸發(fā)或下降沿觸發(fā)輸入，由IT0（TCON.0）和IT1（TCON.2）的設(shè)置決定。IE0（TCON.1）和IE1（TCON.3）分別為外部中斷/INT0 和/INT1 的中斷標(biāo)志。如果一個/INT0 或/INT1 外部中斷被配置

35、為邊沿觸發(fā)，CPU 在轉(zhuǎn)向ISR 時將自動清除相應(yīng)的中斷標(biāo)志。當(dāng)被配置為電平觸發(fā)時，中斷標(biāo)志將跟隨外部中斷輸入引腳的狀態(tài)，外部中斷源必須一直保持輸入有效直到中斷請求被響應(yīng)。在ISR 返回前必須使該中斷請求無效，否則將產(chǎn)生另一個中斷請求。其余的2個外部中斷（外部中斷6-7）為邊沿觸發(fā)輸入，可以被配置為下降沿觸發(fā)或上升沿觸發(fā)。這些中斷的中斷標(biāo)志和配置位在端口3 中斷標(biāo)志寄存器中。2.2 熱電偶2.2.1 熱電偶的工作原理熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，準(zhǔn)確度高，熱慣性小，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好，溫度測量范圍寬，適用于信號的遠(yuǎn)傳自動記錄和集中控制的優(yōu)點(diǎn)，在溫度測量中占有重要

36、的地位。此外，通過熱輻射來測溫，不會破壞被測介質(zhì)的溫度場。熱電偶的測溫原理的以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的，將任意兩種不同的導(dǎo)體A/ B組成一閉合回路，只要其連接點(diǎn)1、2溫度不同，在回路就產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱效應(yīng)，我們就是利用熱電偶的熱效應(yīng)來測量溫度的。從物理上看，熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動勢主要是由接觸電動勢組成的。當(dāng)兩種不同導(dǎo)體A，B接觸是時，由于導(dǎo)體兩邊的自由電子密度不同，在交界上邊產(chǎn)生電子的互相擴(kuò)散。在開始接觸的瞬間若導(dǎo)體中自由電子密度大于導(dǎo)體中自由電子密度，則導(dǎo)體向?qū)w擴(kuò)散的電子數(shù)將比導(dǎo)體向?qū)w擴(kuò)散的電子數(shù)多，因而使導(dǎo)體失去較多的電子而帶正電荷，導(dǎo)體得到較多的電子而帶負(fù)電荷，致使在導(dǎo)體、接觸

37、外產(chǎn)生電場，以阻礙電子在導(dǎo)體中的進(jìn)一步積累，最后達(dá)到平衡。平衡時，在、兩個導(dǎo)體間的電位差稱為接觸電動勢。其值決定于兩個導(dǎo)體的材料種類和接觸點(diǎn)的溫度。在圖2-8所示的熱電偶回路中，當(dāng)接觸1、2的溫度不同時，則產(chǎn)生兩個不同的接觸電動勢eAB(t)和eAB(0)。這時回路中的總電勢。 (2-1)式中：e下標(biāo)字母表示電勢的方向。在實(shí)際使用熱電偶時，在熱電偶回路中總要接入測量儀表及導(dǎo)線，如圖2-9所示：1為熱電偶ABC；2為測量儀表；3為連接熱電偶和測量儀表的導(dǎo)線。 圖28 熱電偶回路 圖29 熱電偶測量熱電偶是由兩種不同導(dǎo)線或半導(dǎo)體材料焊接而成。焊接的一端稱為熱端（或工作端）與導(dǎo)線連接的一端稱為冷端。

38、熱端插入需要測量的設(shè)備之中，冷端置于設(shè)備之外。 (2-2)如果回路中各接點(diǎn)溫度相同，即，則回路總電勢必為零，即 (2-3) (2-3)代入(2-2)可得： (2-4)式2-2同式2-3完全一樣，由此可見，在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體的兩個接點(diǎn)溫度相等，回路中總電勢值不變。但是，如果導(dǎo)體B、C和導(dǎo)體A、A接點(diǎn)處溫度不同時，回路中總電勢會發(fā)生變化。所以，在使用熱電偶測溫時，冷端溫度應(yīng)該使之相等。一般熱電偶很短(幾百mm幾千mm)，熱電偶冷端溫度會隨設(shè)備和環(huán)境溫度不斷變化。為了保證測量精度，必須采取措施，使熱電偶冷端溫度保持恒定，可以把熱電偶做得很長，使冷端遠(yuǎn)離被測物體，并連同測量儀表一起放到恒溫或

39、溫度波動較小的儀表控制室。但是，這種方法是不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)閺默F(xiàn)場到儀表室一般較遠(yuǎn)，這將要耗費(fèi)許多貴重的熱電板材料。所以一般要冷端補(bǔ)償。2.2.2 熱電偶的溫度補(bǔ)償熱電偶測溫的誤差，在低溫大約為2.5-5度，高溫相對誤差大約為0.4-1%，例如，鉑銠10鉑熱電偶在0-600度間的允許誤差為±2.4，溫度高于600度時為±0.4%，適用熱電偶時必須十分注意其適用條件，在有些氣氛環(huán)境下，熱電偶性會急劇變化，產(chǎn)生很大的測量誤差。熱電偶的熱電勢大小不僅與測量溫度有關(guān)，還決定于自由端的溫度，所以適用熱電偶時常需保持冷端溫度恒定，例如冷端置于冰瓶中，由冰水混合物保持零度的冷端溫度，在工業(yè)測

40、量儀表中，通常在電路中引入一個隨冷端溫度變化的附加電勢，自動補(bǔ)償冷端溫度的變化，以保證測量精度，考慮到冷端恒溫器或電勢補(bǔ)償裝置離測量點(diǎn)較遠(yuǎn)，在使用較貴的熱電偶時，如果全用熱電偶絲從測量點(diǎn)引至恒溫器，代價將太高，為了節(jié)約，工業(yè)上選用較低溫度下，與所用熱電偶的熱電特性相近的廉價金屬，作為熱偶絲在低溫區(qū)的代替品，稱為補(bǔ)償導(dǎo)線，這樣熱偶絲只要引致溫度為100度以下的地方就行了，其他的長度可用廉價的補(bǔ)償導(dǎo)線來延伸。2.3 DDZ-型溫度變送器本次采用的是DDZ型溫度變送器，它的工作原理如下：圖2-10變送器原理直流信號通過輸入引線輸送到儀表，此電壓信號與零點(diǎn)調(diào)整橋路上的一臂上電勢相疊加后輸入到主放大器同

41、相端，經(jīng)過放大器放大后成為電流信號疊加后輸入到主放大器同相端，經(jīng)過放大器放大后成為420mA電流信號，流入輸出電流互感器初級，直流信號被10Hz頻率的方波調(diào)制后耦合到互感器初級，再被整流濾波成為420mA DC信號輸出。此輸出電流經(jīng)過250歐姆電阻成為15 V DC的電壓信號輸出。直流毫伏變送器電源為24V DC集中供電，實(shí)現(xiàn)了二線制接線方式。輸入電壓為010 mV DC，其具有安全防爆等級是(H)e型，可用于易燃易爆場合。采用低漂移，高增益的運(yùn)算放大器作為主要放大器，具有線路簡單和良好的可靠性，穩(wěn)定性及各項(xiàng)技術(shù)性能。在配熱電偶和熱電阻的變送器中采用線性化電路，使其輸出電流I與被測溫度呈線性關(guān)

42、系，測量精度高。該儀表的輸入回路與輸出回路，電源回路之間只有磁的聯(lián)系，無電的直接聯(lián)系，因此它們之間是安全隔離的，調(diào)整校驗(yàn)步驟如下：(1)準(zhǔn)備工作：按要求準(zhǔn)備好設(shè)備，檢察供電電壓是否24VDC，極性是否正確，檢查接線無誤后接通電源，待通電半小時后，按照技術(shù)條件逐次檢查，首先根據(jù)該臺儀表的型號按表列出檢查點(diǎn)的輸入信號值，一般檢查點(diǎn)的量程范圍0，10，30，50，70，90， 100，調(diào)整電阻箱，用V測量輸入信號，記下電阻箱的數(shù)據(jù)。 （2)加入零點(diǎn)及滿量程信號，反復(fù)調(diào)節(jié)零電位器及量程電位器，零點(diǎn)、輸入時使儀表輸出為1V 或 (4mA)滿量程后，開始測量各檢查點(diǎn)，輸出實(shí)測值與理論值相比較，差值對于0.

43、5，的表應(yīng)20mvdc或±0.03ma ，對于10%精度的儀表應(yīng)±4mv(或0.16mA)滿足此項(xiàng)要求即合格。420mA線性化變送器，它可與鎳絡(luò)-鎳硅測溫傳感器構(gòu)成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測溫范圍，在-40+85的工作溫度內(nèi)，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調(diào)電壓<±2.5mV，輸入失調(diào)電流<20nA。XTR101外形采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳DIP封裝。 2.4 固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器簡稱SSR，它是晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點(diǎn)開關(guān)，而在前級把光電隔離器融為一體，因此，固態(tài)繼電器實(shí)際上是一種帶光電隔離器

44、的觸點(diǎn)開關(guān)。由于固態(tài)繼電器輸入控制電流小，輸出無觸點(diǎn)，所以與電磁式繼電器相比，具有體積小，重量輕，無機(jī)械噪聲，無抖動和回跳，開關(guān)速度快，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，固態(tài)繼電器有直流固態(tài)繼電器和交流固態(tài)繼電器之分。交流型固態(tài)繼電器交流型固態(tài)繼電器又可分為過零型和移相型兩類，它采用雙向可控硅作為開關(guān)器件，用于交流大功率場合，如交流電動機(jī)控制，交流電閥控制等。其原理圖如下。對于非過零型SSR在輸入信號時，不管負(fù)載電流相位如何，負(fù)載端立即導(dǎo)通，而對于過零型必須在電源電壓接近零而且輸入控制信號有效時，輸出端負(fù)載電源立才導(dǎo)通。而當(dāng)輸入的控制信號撤銷后，無論哪一種類型，它們都是流過雙向控制硅負(fù)載電流為零時

45、才關(guān)斷。過零觸發(fā)型ACSSR為四端器件，光耦合器將輸入與輸出電路在電氣上隔離開，R8和C組成浪涌吸收網(wǎng)絡(luò)，以吸收電源中帶有的尖峰電壓或浪涌電流，防止對開關(guān)電路產(chǎn)生沖擊或干擾。要指出的是所謂“過零”并非真的必須是電源電壓波形的零處，而一般是指在1025V或-(1025)V區(qū)域內(nèi)進(jìn)行觸發(fā)，即導(dǎo)通，幅值大于25V的范圍，稱為抑制區(qū)在此區(qū)域內(nèi)加入輸入信號，SSR的導(dǎo)通被抑制。當(dāng)輸入端電壓信號撤除后，光耦合器中的光敏晶體管截止,但晶閘管仍保持導(dǎo)通，直到負(fù)載電流隨電源電壓減小到小于雙向晶閘管的維持電流時，SSR才轉(zhuǎn)為截止。第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 PID算法根據(jù)對偏差的比例（P），積分（I）,和微分（D

46、）運(yùn)算而進(jìn)行控制（簡稱PID控制），是對過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，此控制規(guī)律對許多工業(yè)過程控制時，都能得到比較滿意結(jié)果。3.1.1 PID控制的原理和特點(diǎn)所謂PID控制器：將偏差的比例（P）,積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對控制對象進(jìn)行控制，這樣的控制器就是PID控制器。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或是不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或是不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)，實(shí)際

47、中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例，積分和微分計算出控制量進(jìn)行控制的。(1) 比例控制比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。除了系統(tǒng)控制輸入為0和系統(tǒng)過程值等于期望值這兩種情況，比例控制都能給出穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)期望值有一個變化時，系統(tǒng)過程值將產(chǎn)生一個穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。（2）積分控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中加入積分項(xiàng)，積分項(xiàng)對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即使誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸

48、出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減少，直到等于零。積分(I)和比例(P)通常一起使用，稱為比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。如果單獨(dú)用積分(I)的話，由于積分輸出隨時間積累而逐漸增大，故調(diào)節(jié)動作緩慢，這樣會造成調(diào)節(jié)不及時，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。（3）微分控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。由于自動控制系統(tǒng)有較大的慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，在調(diào)節(jié)過程中可能出現(xiàn)過沖甚至振蕩。解決辦法是引入微分(D)控制，即在誤差很大的時候，抑制誤差的作用也很大；在誤差接近零時，抑制誤差的作用應(yīng)該是零。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可

49、能會出現(xiàn)振蕩甚至是失真。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或是有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分”項(xiàng)，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或是滯后的被控對象，比例+微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。3.1.2 數(shù)字PID控制算法PID控制器最先出現(xiàn)在模擬控制

50、系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬PID控制器是通過硬件（電子元件，氣動和液壓元件）來實(shí)現(xiàn)它的功能。隨著計算機(jī)的出現(xiàn)，把它移植到計算機(jī)控制系統(tǒng)中來，將原來的硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟件來代替，因此稱作PID控制器，所形成的一整套算法則稱為數(shù)字PID算法。數(shù)字PID控制器與模擬PID控制器相比，具有非常強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到更好的控制性能。數(shù)字PID控制算法可以分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。增量式控制算法相較于位置式來說有許多優(yōu)點(diǎn)，因此采用增量式PID算法來實(shí)現(xiàn)。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 。以T作為采樣周期，K作為采樣序號，則離散采樣時間t

51、,用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，在此，先對采樣周期的幾點(diǎn)要求有必要在此說明：采樣一數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)中，設(shè)采樣周期為T，采樣速率為1/T。采樣周期T是設(shè)計者要精心選擇的重要參數(shù)，系統(tǒng)的性能與采樣周期的選擇有密切關(guān)系。（1）香農(nóng)（Shannon）采樣定理 （-被采樣信號的上限角頻率） （3-1）給出了采樣周期的上限。滿足這一定理，采樣信號方可恢復(fù)或近似地恢復(fù)為原模擬信號，而不丟失主要信息。在這個范圍內(nèi)，采樣周期越小，采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的性能越接近于連續(xù)-時間控制系統(tǒng)（2）閉環(huán)系統(tǒng)對給定信號的跟蹤，要求采樣周期要小。（3）從抑制擾動的要求來說，采樣周期應(yīng)該選擇得小些。（4）從執(zhí)行元件的要求

52、來看，有時要求輸入控制信號要保持一定的寬度。（5）從計算機(jī)精度考慮，采樣周期不宜過短。（6）從系統(tǒng)成本上考慮，希望采樣周期越長越好。綜合上述各因素，選擇采樣周期，應(yīng)在滿足控制系統(tǒng)的性能要求的條件下， 盡可能地選擇低的采樣速率。 （3-2） （3-3） （3-4）則可得離散的PID表達(dá)式為： （3-5） （3-6）上式中 k-采樣序號，k=0,1,2,3.；-第k次采樣時刻的計算機(jī)的輸出值；-第k次采樣時刻輸入偏差值；-第k-1次采樣時刻輸入偏差值；-積分系數(shù)，;-微分系數(shù)，;-開始進(jìn)行PID控制時的原始初值。由式（3-1）可得孔子其在K-1個采樣值為： （3-7）將式（3-1）與式（3-3）相

53、減，并整理，可得增量式PID控制算法公式為： (3-8)上式可以寫成： (3-9)3.1.3 PID控制算法子程序設(shè)計由于電阻爐一般都屬于一階對象，為了求出幾個系數(shù)，我們用到擴(kuò)充響應(yīng)曲線整定PID參數(shù)。式3-5可以改寫成： (3-10) PID控制算法子程序是根據(jù)式3-6設(shè)計的。圖3-1為存儲器內(nèi)部字節(jié)分布 表3-1 存儲器內(nèi)部字節(jié)分布46H最低字節(jié)47H次低字節(jié)48H次高字節(jié)49H最高字節(jié)4AH最低字節(jié)4BH次低字節(jié)4CH次高字節(jié)4DH最高字節(jié)3.1.4 PID參數(shù)的整定和求取PID控制器的參數(shù)自整定原理是基于被控對象的繼電特性，啟動整定程序時，系統(tǒng)將切斷PID控制器，在閉環(huán)中接入帶滯環(huán)的繼電特性，系統(tǒng)將產(chǎn)生受控振蕩。 系統(tǒng)對象的參數(shù)可用下式求得： （3-11） 式中：Ra為振蕩波形的平均值；a為滯環(huán)寬度；h=h0-h1;其余符號的意義。（1）控制度的選擇控制度就是以模擬控制器為基準(zhǔn)，將DDC的控制效果與模擬控制器的效果相比較?？刂菩Ч脑u價函數(shù)通常采用（誤差平方積分）表示。 （3-12）顯然由于采樣周期不是無限小的，所以必定會影響系統(tǒng)的質(zhì)量，在上式中，分子必然大于分母，控制度必然大于