内容发布更新时间 : 2024/11/20 21:32:38星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数(比例值、积分值、微分值)。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。
1.3 智能温度控制法
为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，jtflPID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。
目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。
2 系统总体设计方案
本论文所讨论的基于单片机的温度控制系统是某型号气相色谱仪的温度控制子系统，其目的是对两个温控箱的温度进行恒值温度控制。温控箱的温度控制范围在室温到摄氏600℃之间，温度控制的精度要求为±0.1℃。下面讨论系统的总体设计方案，包括：系统的性能要求及特点以及系统的软、硬件方案分析。
2.1 系统性能要求及特点
(1)系统性能要求：
(a)可以人为方便地通过控制面板或PC机设定控制期望的温度值，系统应能自动将温控箱加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能实现温度的自动控制；
(b)能够实现对温控箱温度的测量并且通过控制面板上的液晶显示实时的显示出来；
(c)具有加热保护功能的安全性要求。如果实际测得的温控箱温度值超过了系统规定的安全温度，保护电路就会做出反应，从而对温控箱实现超温保护；
(d)模块化设计，安装拆卸简单，维修方便； (e)系统可靠性高，不易出故障；
(f)尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。 (2)系统特点：
鉴于上述系统功能要求以及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点：控制主板采用AT89C52作为核心芯片。作为与MCS-51系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统的性能要求。根据温控箱测温范围的要求，本系统适合采用Ptl00铂电阻作为温度传感器，而Ptl00铂电阻在大温度范围内测温时表现出的不可忽视的非线性不容忽视，因此在温度测量的过程中必须对铂电阻温度传感器的非线性进行优化，从而提高系统温度测量的精确度。本文采用最小二乘法拟合的方法对铂电阻的非线性进行优化。为了简化系统硬件，控制量采用双向可控硅输出，这样就省去了D／A转换环节。
整个系统遵循了冗余原则及以软代硬的原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。系统扩展和配置在满足功能要求的基础上留有适当裕量，以利于扩充和修改。
2.2 系统硬件方案分析
目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路(Analog Circuit)和单片机(Microcontroller)两种形式。
模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。
单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU(Central Processing Unit)、随机存取存储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器ROM(Read only Memory)、定时／计数器以及I／O(Input／Output)输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是：功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不
仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。
另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，片上系统SOC(System On Chip)得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种SOC芯片应用到先进的控制仪表中。SOC芯片通常含有一个微处理器核(CPU)，同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器(RAM和ROM)，并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。
从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，SOC是实现温度控制系统的最佳选择，但目前市场上SOC的价格还比较昂贵，并且SOC的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。
目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。AT89C52单片机是ATMEL公司出品的与MCS51系列兼容的低电压、高性能CMOS 8位单片机。本系统选择AT89C52为核心器件组成的控制系统。此外，在选取外围扩展芯片时，本着节约成本的原则，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片及器件。
2.3 系统软件方案分析
目前，MCS-51单片机的开发主要用到两种语言：汇编语言和C语言。与汇编语言相比，C语言具有以下的特点：
(1)具有结构化控制语句
结构化控制语言的显著特点是代码和数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护及调试；
(2)适用范围广和可移植性好
同其他高级语言一样，C语言不依赖于特定的CPU，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的CPU和常见的MCU都有C编译器。加之集成开发环境KEIL编译生成的代码效率很高(仅比汇编语言生成的代码效率低10％一15％)。所以，本系统的软件选择使用C语言开发。
由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，故要求整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软件结构。
温度控制算法方面，在对温控箱数学模型辨识的基础之上，结合本温控系统的要求采用
了经典的PID控制算法，这主要是由于PID控制相对来说算法简单、鲁棒性好和可靠性高。此外，在设计PID控制器时，依靠经验和实验的方法在系统调试时确定PID控制器的参数KP、KI、KD，然后用代码实现了算法。
3 硬件设计
3.1 系统硬件总体结构
本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几个部分：单片机主控模块、输入通道、输出通道、保护电路等。硬件总体结构框图如图1所示。由结构框图可见，温度控制系统以AT89C52单片机为核心，并扩展外部存储器构成主控模块。温控箱的温度由Ptl00铂电阻温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，再通过16位的A／D转换器AD7705转换成数字量。此数字量经过数字滤波之后，一方面将温控箱的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来；另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比(即控制温控箱加热平均功率的大小)，进而达到对温控箱温度进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过了系统给定的极限安全温度，保护电路会做出反应，从而保护温控箱。
温度传感器 AD转换 温控箱
加热部件 可控硅 图1 硬件总体结构框图
保护电路 MCU 设定温度值 时钟电路 温度显示 3.2 主控模块器件选型及设计
3.2.1 单片机的选用
针对一定的用途，恰当的选择所使用的单片机是十分重要的。对于明确的应用对象，选择功能过少的单片机，无法完成控制任务；选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费，使产品的性能价格比下降。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不同。在实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机时要注意下几点：
(1)单片机的基本性能参数，例如指令执行速度，程序存储器容量，中断能力及I／O口引脚数量等；
(2)单片机的增强功能，例如看门狗，双串口，RTC(实时时钟)，EEPROM，CAN接口
串行通信 等；
(3)单片机的存储介质，对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP(一次性可编程)存储器相比较，最好是选择Flash存储器：
(4)芯片的封装形式，如DIP封装，PLCC封装及表面贴附封装等。选择DIP封装在搭建实验电路时会更加方便一些；
(5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级，如果设计户外产品，必须选用工业级芯片；
(6)单片机的工作电压范围，例如设计电视机遥控器时，使用2节干电池供电，至少选择的单片机能够在1.8V~3.6V电压范围内工作；
(7)单片机的抗干扰性能好；
(8)编程器以及仿真器的价格，单片机开发是否支持高级语言以及编程环境要好用易学； (9)供货渠道是否畅通，价格是否低廉，是否具有良好的技术服务支持。根据上面所述的原则，结合本系统实际情况综合考虑，本文讨论的温度控制系统选用ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为主控模块的核心芯片。
3.2.2 单片机介绍
本系统选用ATMEL公司生产的AT89系列单片机中的AT89C52，AT89C52单片机是一种新型的低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，与工业标准MCS-51指令系列和引脚完全兼容。具有超强的三级加密功能，其片内闪电存储器(Flash Memory)的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程／擦除速度快。
3.2.3 主控模块设计
主控模块电路由AT89C52单片机、外部时钟电路、复位电路、存储器扩展电路组成。 由于AT89C52内部存储器容量不能满足本系统的需求，所以需要对其存储器进行扩展。这里选择用紫外线擦写的64K×8的EPROM 27512和静态数据存储器8K×8的SRAM 6264扩展单片机的存储器。存储器扩展时，AT89C52的P0口作为数据总线和低8位地址线，P2口作为高8位地址线。由于P0口的分时复用所以需要使用地址锁存器74HC373对低8位地址进行锁存。
单片机的复位是由外部复位电路来实现的。在单片机的复位引脚RST(9脚)上保持两个机器周期的高电平就能使AT89C52完全复位。复位电路的接法很多，本系统中采用上电复位和手动复位键复位相结合的方式。
系统时钟电路设计采用内部方式。AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTALl(19脚)和XTAL2(18脚)分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容构成并联