基于单片机的电加热炉温度控制毕业设计论文.doc

基于单片机的电加热炉温度控制摘要电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数字模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。本设计为基于单片机的电加热炉温度控制系统，通过采用硬件与软件的结合实现对电加热炉温度的自动控制。硬件电路主要包括：加热及控制电路部分，数据采集和模/数（A/D）转换处理部分，键盘和显示器部分，单片机与各部分的接口处理部分。软件设计主要由温度控制的算法和温度控制程序组成，其原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，而后对偏差值的处理而获得控制信号去调节加热炉的加热功率，以实现对炉温的控制。其中控制电路部分利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电该系统具有硬件成本低，控温精度高，可靠性好，抗干扰能力强等特点。关键词：电加热炉；单片机；温度控制；双向可控硅。目录摘要1第1章 绪论41.1课题的提出41.2系统设计目的及要求41.3课题的分析与设计思路5第2章 温度控制系统的概述72.1微机控制系统简介72.2电加热炉温度控制系统的特性72.3电加热自动控制原理8第3章 系统电路分析硬件93.1温度检测电路93.2电源设计电路93.3 RS232/485转换电路103.4 PWM式键盘接口电路123.5可控硅调功电路13第4章 芯片介绍154.1单片机AT89C51介绍154.2 MC14499芯片介绍154.3 MAX197芯片164.4 74HC4060芯片17第5章 系统控制算法仿真185.1飞升曲线185.2 PID算法仿真19第6章 MCGS组态236.1MCGS 的整体结构236.2 MCGS软件的功能和特点236.3 MCGS组态过程24第7章 系统的程序设计267.1系统主程序267.2系统中断服务程序367.3系统PID子程序37第8章 附录418.1参考资料418.2大林仿真程序418.3系统程序428.4硬件设计总图44第9章 总结45第1章 绪论1.1课题的提出近年来随着计算机在社会各领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时也带动了传统控制检测的更新与发展。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。单片机控制系统由微机和工业生产对象两大部分组成。随着新技术的不断开发与应用，近来单片机发展十分迅速，其应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。尤其在工业控制、自动化仪器仪表、计算机系统接口、智能化外设等领域发展很快。它的应用对于产品升级换代、机电一体化都具有重要意义。在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。1.2系统设计目的及要求本设计的目的是通过本课题设计，懂得综合运用单片机及接口技术、微机原理、微电子技术和锻炼动手操作能力，掌握运用能力，学习论文的写作方法和步骤。掌握电加热炉温度控制系统的组成及原理，掌握各部分的功能及作用，了解单片机的发展前景。本设计的温度系统有以下要求：1. 测温范围 ：0-1002 测温分辨力<=0.23. 测温准确度：<±14. 测温点数：可以扩展到8点5. 温度显示：采用4个7段段数码管6. 温限则进行灵活设定1.3课题的分析与设计思路 分析硬件电路主要包括：加热及控制电路部分，数据采集和模/数（A/D）转换处理部分，键盘和显示器部分，单片机与各部分的接口处理部分。软件设计主要由温度控制的算法和温度控制程序组成。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。本设计是以AT89C51单片机为系统的控制核心，实现对温度的采集、检测和控制。被控制对象为一电加热炉，输入为加在电炉两端的电压，输出为电加热炉内的温度。本系统是对在0100范围内的电炉温度进行精密测量。整个系统也可划分为控制电路部分、加热电路部分和测量电路三部分。控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号，发出相应的指令来控制可控硅，是系统的核心。AT89C51对温度的控制是通过可控硅调功能电路实现的。在给定的周期T内，AT89C51只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率，从而达到调节温度的目的。而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上触发脉冲控制。该触发脉冲由AT89C51用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。过零同步脉冲是一种50HZ交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中，另一方面还作为计数脉冲加到AT89C51的T0和T1端。加热电路用来实现对系统的升温加热达到预定的温度。当温度没有达到要求，控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理。主要由温度检测和变送器组成。温度检测元件和变送器的类型选择和被控温度及精度等级有关。除上述电路，AT89C51还要有MC1449974HC4060RS232-RS485和MAX197等芯片接口电路。其中MC14499用于LED显示器接口，74HC4060用于键盘接口，RS232-RS485作为串行通信口，MAX197为温度测量电路的输入接口，用于把连续变化的信号进行离散化。最终再通过控制电路中的键盘显示器电路实现人机对话功能。系统结构框图如图1.1所示： 图1.1 系统结构框图软件设计主要为控制器部分，即温度控制系统，采用PID算法，其原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，而后对偏差值进行处理而获得控制信号去调节加热炉的加热功率，以实现对炉温的控制。PID基本可满足系统要求。程序设计是本次设计的核心部分。整个程序包括管理程序和控制程序两部分。管理程序是对显示LED进行动态刷新，控制指示灯，处理键盘的扫描和响应，进行掉电保护，执行中断服务程序等。控制程序是用来对被控进行采样，数据处理，根据控制算法进行计算和输出等。第2章 温度控制系统的概述2.1微机控制系统简介微机是微型处理机、微型计算机、微型计算机系统的统称。微处理机，简称CPU，是一个大规模集成电路（LSI）器件或超大规模集成电路（VLSI）器件，包括数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件等，是完成计算机对信息的处理与控制等功能的中央处理器件。微型计算机，简称MC,是以微处理机（CPU）为中心，加上只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入/输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。微机控制系统是将采集到的各工作设备的工作状况显示要素转换成计算机能接受的数据信息，通过预置的程序处理对其状态的性质与变化程度作出分析与判断，并对相关工作设备发出指令，维持或调整工作状态。在这一系统中，微机是工作核心，是大脑，对工作设备的有效控制起着至关重要的作用。就微机控制系统而言，一般可按如下步骤进行设计：确定系统整体控制方案、确定控制算法、选用微型计算机、系统总体设计和软件设计等。2.2电加热炉温度控制系统的特性单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成，如图1所示。被控制对象具有典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器。其特性为，电加热炉的温度调节是通过调节剂(供电能源)的断续作用，改变电炉丝闭合时间Tb与断开时间Tk的比值,=Tb/Tk。调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期Tc内导通的电压周波。假设周期Tc内导通的周期的波数为n，每个周波的周期为T，则调功器的输出功率为P=n×T×Pn/Tc，Pn为设定周期Tc内电压全通过时装置的输出功率。炉温信号则通过温度检测及变送，变成电信号，与温度设定值进行比较，计算温度偏差和温度的变化率e，再由智能控制算法进行推理，最终得控制量u，可控硅输出部分根据调节电加热炉的输出功率，即改变可控硅管的接通时间，使电加热炉输出温度达到理想的设定值。uT可控硅输出部分e设定值电加热炉de/dttt控制器温度变送器温度检测部件 2.3电加热自动控制原理以AT89C51单片机为系统的控制核心，实现对温度的采集、检测和控制。被控制对象为一电加热炉，输入为加在电炉两端的电压，输出为电加热炉内的温度。本系统是对在0100范围内的电炉温度进行精密测量。AT89C51通过可控硅调功能电路实现对温度的控制。在给定的周期T内，AT89C51只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率，从而达到调节温度的目的。而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上触发脉冲控制。该触发脉冲由AT89C51用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。过零同步脉冲是一种50HZ交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中，另一方面还作为计数脉冲加到AT89C51的T0和T1端。加热电路用来实现对系统的升温加热达到预定的温度。当温度没有达到要求，控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。首先使T0计数器产生定时中断，作为本系统的采样周期。在中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波、上下限报警处理，PID计算，然后输出控制脉冲信号。脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定。在等待T1中断时，将本次采样值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序并且、继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。1)二位式调节-它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开；当炉温高于给定值时执行器全闭。（执行器一般选用接触器）。 2）三位式调节-它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时招待器全开；当炉温在上、下限给定值之间时执行器部分开启；当炉温超过上限给定值时执行器全闭。（如管状加热器为加热元件时，可采用三位式调节实现加热与保温功率的不同）。3）比例调节（P调节）-调节器的输出信号（M）和偏差输入（e）成比例。即：M=ke 式中：K-比例系数 。比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在-对应的比例关系，因此炉温变化经比例调节达到平衡时，炉温不能加复到给定值时的偏差-称“静差”。 4）比例积分（PI）调节-为了“静差”，在比例调节中添加积分（I）调节积分，调节是指调节器的输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，直到偏差消除才无输出信号，故能消除“静差”比例调节和积分调节的组合称为比例积分调节。5) 比例积分微分（PID）调节-比例积分调节会使调节过程增长，温度的波动幅值增大，为此再引入微分（D）调节。微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在温度有变化“苗头”时就有调节信号输出，变化速度越快、输出信号越强，故能加快调节速度，降低温度波动幅度，比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。（一般采用晶闸管调节器为执行器）。 根据生产现场的运行情况，这种控温方法，精度比较高，系统性能稳定，满足生产的实际需要。主要设备:热电偶或热电阻，智能PID温控仪，可控硅触发调功器等。第3章 系统电路分析硬件3.1温度检测电路本设计采用铂电阻作为温度测量元件。这类材料具有性能稳定、抗氧化能力强和测量精度高等特点。有测温元件Rt和电阻元件组成桥式电路，将有温度变化所引起的铂电阻变化转换成电压信号送入放大器，由于铂电阻安装在测量现场，通过长线接入控制台，为了减小引线电阻的影响，采用三线式法。显然，外界温度变化对连接导线电阻的影响在桥路中相互抵消了。电路刚开始运行时，可以通过调节电位器进行调零，使电路从零开始工作，即在检测温度为零度时，检测电路输出零。温度检测元件Pt100的电阻值与温度的关系为Rt=R0+（1+at+bt2），式中a=3.9685x10-3/，b=-5.847x10-7/2。式中二次项系数为负，当温度升高时，Rt电阻值随着增加稍而有下垂，呈现出非线性关系，必须进行非线性补偿，如图3.1温度检测电路以及Pt100的非线性校正。 图3.1 非线性校正电路其中非线性校正由运放和两个100K、两个500K电阻组成，这是温度检测变换电路的第一级，经过3号通道的100K.，500K两个电阻构成负反馈回路，2号通道的100K，500K两个电阻构成正反馈回路，为了维持电路的平衡，运放的正负反馈回路皆会产生电流，负反馈回路产生对地的电流。选取合适的电阻值可以将Pt100的非线性误差降到0.5%，（0500），由于电阻炉为定温控制，在控温点进行精心地电路调整和测量校正，可以使温度达到很高的精度。3.2电源设计电路本设计所采用的电源如图3.2所示，此电源共有四个电源，两个正电源+12V，+5V和两个负电源-12V，-5V。分别由W7800正压单片稳压器，W7900负压稳压器，100uH的电感，滤波电桥，整流电解电容，发光二极管（作用是降低集成稳压电路的输入电压和防止总线断电时，电容所储存的电荷向总线释放）及发光二极管的限流电阻组成电源电路。W7800、W7900系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。W7800系列三端式稳压器输出正极性电压，一般有5V、6V、9V、12V、5V、18V 、24V 七个档次，输出电流最大可达1.5A（加散热片）。而W7900系列则输出负极性电压，其输出电压及电流则与W7800一样。在整流部分则采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品（又称桥堆） 。其中滤波电容一般选取几百几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器（数值为 0.33F ） ，以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容(0.1F)用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。图3.2电源设计3.3 RS232/485转换电路1.RS232/485的介绍RS-232目前是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。其被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+515V，负电平在-5-15V电平。正无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电压在+3+12V与-3-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约为15米，最高速率为20Kbps。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3K7K。因此RS-232很适合于本地设备之间的连接。而RS485则采用差分信号负逻辑。它采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。RS485串行总线通信距离能够达到几千米再加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，因此传输信号即使在千米以外也能够得到恢复。其采用的是半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。再次应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器，用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。2.RS232/RS485转换电路 由于PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路：（1）通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品。（2）通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。目前，大部分PC机的通信端口为9芯D型插头，在实际使用PC机进行串行通信时，通常只使用其中的RTS、RXD、TXD与GND四个端口，以构成简易的四线通信线路。笔者采用这种方案巧妙地利用光电耦合器的隔离特性和RS232工作时RTS线与TXD线之间的电平关系，给出了简单、可靠的电路设计。具体转换电路如图3.3所示。该电路使用了三片光电耦合器TLP521-1进行隔离，这使PC机与SN75LBC184之间完全没有了电的联系，从而提高了工作的可靠性。当RS232的RTS端为逻辑电平1(-12V)时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出端为TTL逻辑电平1（+5V），此时选中RS485的DE端允许RS485接收，这样，RS232的TXD端就可以发送数据（工作逻辑与RTS端相似）。当RS232的RTS端为逻辑电平0（+12V）时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出端为TTL逻辑电平0(0V)，此时选中RS485的RE端允许RS485发送。当RS485的R端的输出为逻辑电平1时，光电耦合器发光二极管不发光，光敏三极管不导通，这样，在RS232输出停止时，其TXD电平为-12V，电容被充电到-12V以使其输出也变成-12V，即逻辑电平1；当其输出为逻辑电平0时，光电耦合器发光二极管发光，光敏三极管导通，这时，其输出为+5V，也在RS232逻辑电平0的范围之内，即为逻辑电平0。将上述转换器应用于分布式温度采集和控制系统中时，可获得较为满意的转换效果（已有应用实例）。因此，在对下位机的实时性要求较高、通信的数据量不太大的分布式控制场合，这种低成本、高可靠性的RS232/RS485转换器具有较大应用价值。RS232/RS485转换电路如3.3所示。3.3 RS232/RS485转换电路图3.4 PWM式键盘接口电路以往电路设计中，为实现单片机系统的键盘、LED显示，常采用两种方法：一是用8155、8255并行扩展接口构成显示、键盘电路。这时应采用含有P0、P2总线口的单片机，以便扩展并行口。这种电路选用的器件大，引脚多，对小型系统资源有些浪费。二是用串行口配上移位寄存器74HC4060构成硬件译码静态显示、键盘接口电路。这种电路大大减少IO口线，但使用芯片较多，一块74HC4060芯片对应一位LED数码管，电路较复杂，耗电较大。为了充分利用资源，使设计出的系统最小、最优，我们在设计智能化测控仪表时，选用AT89C51单片机与MCl4499译码驱动器构成串行口硬件译码显示、键盘接口，既简化电路又使单片机引脚得到充分利用。1.接口电路及工作原理接口电路如下图所示。在本接口电路中，只使用三块芯片构成硬件译码锁存的动态显示及键盘电路，动态扫描由硬件管理。工作原理AT89C51的数据输入端P1口，然后由传感器、运算放大器、A巾转换器(如5G14433等)组成的前置通道，由P1口采集的数据是4位BCD码。在单片机中对其进行数字滤波后，从串行口输出。键盘部分使用串行输入、并行输出移位寄存器74HC4060经串行口扩展并行Io口(设定串行口工作在移位寄存器、方式0状态下)。本接口只扩展了8个键，如不够，还可串接。显示部分采用MCl4499译码、驱动。AT89C51的RXD提供串行输出的BCD码来显示数据，TXD提供串行移位脉冲。P34控制使能端EN。MCl4499的输出端A、B、C、D、E、F、G、DP 8个脚分别接在4位一体LED的断码输入端(a、b、c、d、e、f、g)上。字位选择端I、经反向器驱动后，分别接在4个数码管的公共端。由内部时序分时选通4个数码管，进行动态显示扫描。如所用LED显示器不止4个，可再用一片MCl4499级联来扩展。为了使串行口的数据输出速率与MCl4499接收速率相匹配，单片机的工作频率应为3MHz。3.4键盘接口电路3.5可控硅调功电路电路工作原理电路原理图如图3.5所示。调节波段开关SA的挡位，可以改变电容C1的充放电速率。利用C1两端交流电压通过双向触发二极管VD3去触发双向晶闸管VS导通、并改变了VS的导通角，使负载RL两端交流电压随之发生变化。发光二极管VD2、VD5作为信号指示，由于导通角不同，发光亮度各异。SA置于“1”挡，VD5显示；SA置于“4”挡，则VD2显示；R5是限流电阻，用来保护VS。电阻R7、电容C2为吸收回路，用来吸收SA在选挡时所产生的干扰脉冲，否则在SA选挡过程中将对电视机、音响及其他电声器件产生一定的干扰。元器件选择电容C1选用0.1uF/160V，C2选0.022uF/400V(涤纶电容器)。电阻R1为56k、1/2W，R2为39k、1/4W，R3为27k、1/4W，R4为2k、1/4W，R5为47、1/2W，R6为100k、1/2W(可变)，R7为300、1/4W，R8为43k、1/2W。二极管VD1、VD4用1N4004。发光二极管VD2用BT104(黄色)，VD5用BT103(绿色)。触发二极管VD3为DB3或VR60。双向晶闸管V5用TLC226B(3A/400V)或TLC336A(3A/600V)。波段开关SA用KZX-1-2D-11W。负载RL为交流220V/300W(电炉丝)。 制作方法与使用说明本电路的核心器件是双向晶闸管，因此一定要对其质量进行检测。由于电路简单可自行设计印制电路板。只要按图连接无误，不用调试便可工作图3.5 调功电路图52第4章 芯片介绍4.1单片机AT89C51介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压,高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。其片内4kbytes可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128kbytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个IO口线。两个16位定时，计数器，一个5向量两级中断机构，一个全双工串行通信121，片内振荡器及时钟电路，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。空闲方式停止CPU的工作但允许RAM、定时计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚电路图如图4.1所示：图4.1 AT89C51引脚电路图4.2 MC14499芯片介绍MCl4499是一个CMOS LED译码驱动器，片内主要包括一个20位移位寄存器、一个锁存器、一个多路输出器，由多路输出器输出的BCD码经译码器译码后，换成点七段码送至片驱动器输出(a、b、d、e、f、g)和小数点DP。另外，由片内振荡器经过四分频的信号，经位译码后提供4个位控信号，经位驱动器至四位控制线(I、)。由于MCl4499片内具有BCD译码器和串行接口，所以它几乎可以与任何单片机接口相连。芯片主要控制信号为D：串行数据输入端；a、b、d、e、f、g：七段显示输出；工、：字位选择端，用来产生LED选通信号；OSC：振荡器外接电容端，外接电容使片内振荡器产生200800Hz扫描信号以防LED显示器闪烁；CLK：时钟输入端，用以提供串行接收的控制时钟，标准时钟频率为50kHz；丽：使能端，为0时，MCl4499允许接收串行数据输入，为1时，片内的移位寄存器将数据送入锁存器中锁存。MC14499管脚配置如下图4.2所示：图4.2 MC14499引脚电路图4.3 MAX197芯片在数据采集系统中，A/D转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。MAX197是Maxim公司推出的具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供电,且转换时间很短(6ms)，具有8路输入通道,还提供了标准的并行接口8位三态数据I/O口，可以和大部分单片机直接接口，使用十分方便。MAX197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。它可分为内部采样模式和外部采样模式，采样模式由控制寄存器的D5位决定。在内部采样控制模式(控制位置0)中，由写脉冲启动采样间隔,经过瞬间的采样间隔(芯片时钟为2MHz时，频率为3ms)，即开始A/D转换。在外部采样模式(D5=1)中，由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。在第一个写脉冲出现时，写入ACQMOD为1，开始采样间隔。在第二个写脉冲出现时，写入控制字ACQMOD为0，MAX197停止采样，开始/转换。这两个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间。当一次转换结束后，MAX197相应的INT引脚置低电平，通知处理器可以读取转换结果及内部采样模式的数据转换时序。对于模拟到数字量的转换，时序要求非常严格，由于MAX197的数字信号输出引脚是复用的,要正确读出转换结果，时序要求尤其重要。在一次采样开始前，可以通过单片机的8位数据线把这些控制字写入MAX197来初始化相应的参数。然后按照一定的时序进行采样和转换。图中HBEN为12位数据高4位或低8位有效控制位,当此位为高时，高4位数据有效，为低时低8位数据有效。可以通过控制这个引脚来读取12位的转换结果。其管脚排列图如图4.3所示：图4.3 MAX197的引脚电路图4.4 74HC4060芯片74HC4060是一款高速CMOS器件，74HC4060引脚兼容HEF4060。74HC4060是14阶脉动进位计数器/振荡器，带有3个振荡器端口（RS， RTC和CTC），10个缓冲输出（Q3至Q9，Q11至Q13）和1个最高优先级异步主复位（MR）。振荡器配置可以是RC振荡设计，也可以是晶振电路设计。通过RS输入端，振荡器可由外部时钟信号代替。这种情况下，需保持其他振荡器引脚（RTC和CTC）悬空。74HC4060的计数器在RS的下降沿增长，MR端输入高电平则会清零计数器（Q3至Q9，Q11至Q13为低），且不依赖于其他输入条件。其管脚排列图如下图4.4所示：图4.4 74HC4060的引脚电路图第5章 系统控制算法仿真5.1飞升曲线实验中为了得到飞升曲线，选去了以被控制对象为1L净水，采用1KW电炉进行加热。飞升曲线法实测电加热炉参数。电加热炉是一阶惯性加纯滞后环节，传递函数为： 式中：K 放大系数； T 对象时间常数； 对象滞后时间输出从起始值到达0.632倍稳定值的时间，即为时间常数T，而滞后时间可直接从图中测量。有时实测的飞升曲线（见图3）有弯曲，这时可采用一阶加纯滞后的虚拟曲线来逼近，而起始部分则可定出一个等效的滞后时间，可在曲线斜率的折点处作一切线，与时间轴的交点认为是一阶的起点，坐标原点到一阶的起点即纯滞后时间，一阶的起点到切线与稳定值的交点的时间为时间常数T。通过计算，得到其传递函数近似为并通过改变实验板上的PID控制参数进行水温度的恒温控制。实验中得到以下飞升曲线。图5.1.1 飞升曲线1 图5.1.2 飞升曲线25.2 PID算法仿真（1） PID算法的基本原理PID工作基本原理：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断的进行。若扰动出现使得现场控制对象值(以下简称被控参数)发生变化，现场检测元件就会将这种变化记录并传送给PID控制器，改变过程变量值(以下简称PV值)，经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值(以下简称SP值)进行比较得到偏差值(以下简称e值)，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律(将在第三节PID算法中详细推导与分析)发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值(SP值)，以达到控制目的。PID控制原理基于下面的算式：Mn = MPn +MIn + MDn（输出=比例项+积分项+微分项）。Mn ：第n次采样时刻，PID回路输出的计算值(OUT值) ，MPn ：第n次采样时刻的比例项 ，MIn ：第n次采样时刻的积分项 ，MDn ：第n次采样时刻的微分项比例项(MPn)： 1. 比例项MP是增益(Kc)和偏差(e)的乘积。因为偏差(e)是给定值(SP)与过程变量值(PV)之差(en=SPn-PVn)。求比例项算式为：MPn=Kc* (SPn-PVn) 其中MPn ：第n次采样时刻比例项的值，Kc ：PID回路增益 ，SPn ：第n次采样时刻的给定值 ，PVn ：第n次采样时刻的过程变量值。2. 积分项MIn与偏差和成正比。因为偏差(e)是给定值(SP)与过程变量值(PV)之差(en=SPn-PVn)。求积分项算式为：MIn=Kc* (SPn-PVn)+MX 其中MIn ：第n次采样时刻积分项的值，Kc ：PID回路增益，T ：采样周期(或控制周期)，TI：积分时间常数，SPn ：第n次采样时刻的给定值，PVn ：第n次采样时刻的过程变量值，MX：第n-1采样时刻的积分项(积分前项)。 3. 微分项MDn与偏差的变化成正比。因为偏差(e)是给定值(SP)与过程变量值(PV)之差(en=SPn-PVn)。求微分项算式为，MDn= KC* * (PVn-PVn-1)，其中MDn ：第n次采样时刻微分项的值，Kc ：PID回路增益，PVn ：第n次采样时刻的过程变量值，PVn-1：第n-1次采样时刻的过程变量值。4. PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。5. PID手、自动控制方式，在现场控制回路中，我们有时会出现扰动的强变引起现场过程值的跳变，如果这时采用了I控制规律，要消除这个扰动，会使得调节时间过长、过慢，这时就需要人为的进行干预。PID控制器在这方面设置了一个使能位0或1，0指手动控制，1为PID参与调节，也就是“自动”与“手动”的说法。当PID运算不被执行的时，我们称之为“手动”方式，PID运算参与控制称为“自动”方式。当这个使能位发生从0到1的正跳变时，PID会按照预先设置的控制规律进行一系列的动作，使PID从手动方式无扰动地切换到自动方式，为了能使手动方式无扰动切换到自动方式，PID会执行以下操作： （1）置过程变量值PV=给定值SP，在未人为改变SP值之前，SP持恒定。 （2）置过程变量前值PVn-1=过程变量现值PVn 。6. PID的最佳整定参数的选定，PID的最佳整定参数一般包括Kc、TI、TD等三个常用的控制参数。在具体整定中，我们通常先关闭积分项和微分项，将TI设置为无穷大、TD设置为零，使其成为纯比例调节。初期比例度按经验数据设定，根据PV曲线，再慢慢的整定比例控制比例度，使系统达到4：1衰减振荡的PV曲线，然后，再加积分作用。在加积分作用之前，应将比例度加大为原来的1.2倍左右。将积分时间TI由大到小的调整，真到系统再次得到4：1的衰减振荡的PV曲线为止。若需引入微分作用，微分时间按TD=(1/31/4) TI计算，这时可将比例度调到原来数值或更小一些，再将微分时间由小到大调整，直到PV曲线达到满意为止。有一点需要注意的是：在凑试过程中，若要改变TI、TD时，应保持 的比值不变。7.值得注意的是：PID最佳整定参数确定后，并不能说明它永远都是最佳的，当由外界扰动的发生根本性的改变时，我们就必须重新根据需要再进行最佳参数的整定。它也是保证PID控制有效的重要环节。（2） PID算法仿真实验实验中我们选择的对象传递函数模型为： （K=20, T= 60s,=10s ）控制示波器输出范围为-55V等同于实际控制中的控制器输出电压值；同时为了防止积分饱和，对有积分的控制器均采用了积分分离措施,以提高控制效果。PID控制器的参数在通过Ziegler-Nichols法整定，减小了积分控制系统的稳态误差精度，由于不断累计误差，能使误差迅速消除，但能使系统产生超调；而在系统中增加微分控制，能够增加系统的阻尼，提高动态响应速度，由于控制器能够补偿绝大多数的控制系统，整定方法简单，鲁棒性好，通过PID最佳整定参数后再微调得传递函数：Kp=0.07，Ki=3，Kd=0.018并建立PID调节器控制模型如下： 图5.2.1 PID调节器控制模型MATLAB中运行并点击SCOPE，得出阶跃响应曲线图5.2.2其中超调量5%，响应时间按5%要求，约为210秒。稳态误差约为0.2%。图5.2.2 阶跃响应 图5.2.3 阶跃响应 下面观察一下在一个相对较小的随机扰动下系统的表现，当给定80度，增益的幅值上调10%后,即其阶跃响应图如图5.2.3。为了观察一下系统的鲁棒性，把其它模型参数也加以改变,改为，和，其控制器控制参数不变,得到的阶跃响应结果图5.2.4和图5.2.5。 图5.2.4阶跃响应 图5.2.5 阶跃响应 （3） PID仿真分析从以上仿真曲线可以看到，PID控制算法的仿真曲线出现了等幅振荡。分析得到：PID控制算法仅仅在模型匹配时能够进行稳定的控制，其动态性能不理想。