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1、毕业设计（论文）1 引言 1.1课题的背景及意义温度是工业生产中需要控制的最常见最基本的工艺参数之一，例如：冶金、机械、电子、石油、化工、制造等行业中广泛使用的各种加热炉、热处理反映炉等，对工件的处理温度要求严格控制。PID温度控制是最早发展起来的控制策略之一，PID控制结构简单、容易实现，并且具有较强的鲁棒性，因而被广泛应用于各种工业过程控制中，是最广泛的一种控制策略。从发展初期至今，PID控制器的各种参数整定方法层出不穷。但是由于PID控制器简单的结构使它在品质控制上有着局限性，并且使得PID控制器对大时滞、不稳对象等被控对象的控制性能不是很好，同时PID控制器无法同时满足对设定值跟踪和抑
2、制外扰的不同性能要求1。因此在实际应用中，这些先进的整定方法并没有像预期的那样产生完美的控制效果。随着被控对象越来越复杂，如具有非线性、参数时变、数学模型无法精确获得等特点的对象，传统PID设计方法已经很难取得良好的控制效果了。此时，用一些先进的智能算法来改进PID控制器已经成为一种必然的趋势了。发展至今, 温度控制技术发展经历了三个阶段：1、定值开关控制；2、PID控制；3、智能控制。定值开关控制方法的原理是通过将所测温度与设定温度相比较,如果低于设定温度，则启动控制开关加热，反之则关断控制开关。其控温方法比较简单，没有考虑温度变化的滞后性，导致系统控制精度低、超调量大、震荡明显。PID控制
3、温度的效果主要取决于P、I、D三个参数。PID控制对于确定的温度系统，常用于一些线性定常系统的控制，控制效果良好，但对于非线性系统，例如控制大滞后、大惯性、时变性温度系统，控制品质难以保证。智能控制为解决这问题提供了新的思路，因此成为目前工业控制质量的重要途经。模糊控制是智能控制研究中最为活跃而富有成果的领域，对于温度控制这种复杂对象更具有良好的控制效果2。本文的研究对象为试验箱，实现其对温度的控制，由于其结构相对简单，故本文采用了改进型PID控制的方法，即分阶段切换控制的思想，以下将对该研究对象做一个详细的介绍。 1.2国内外研究现状当今国内外的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素
4、包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统，PID控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，由于PID具有简单、直观、鲁棒性好的特点，成为工业过程控制中最为常用的控制方式。 目前，不管是国外还是国内的温度控制也主要采用PID控制。PID控制效果与控制参数的选择有很大关系，而PID参数的整定是一项十分繁琐的工作。虽然PID参数的整定和优化的方法很多，但传统的非智能整定方法如Zieger-Nichols法显然是一种经验法且并非最优解，不能获得理想的控制效果3
5、。目前智能型整定方法如模糊PID、神经网络PID虽然能较好地实现PID控制参数的优化，但需要在线整定，计算量大，使得控制器的负担很重。温控的控制受到被控对象、环境等诸多因素的影响，难以建立精确的数学模型，采用传统的控制方式控制器参数选择将是件很困难的事。 1.3 一些先进理论1.3.1神经网络与的结合神经网络是一种利用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。神经网络以其高度的线性映射、自组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的线性系统建模4。该方法响应速度快，抗干扰能力强、算法简单，且易于用硬件和软件实现。在温度控制系统中，将温度的影响因素作为网络的输入，将
6、其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，自我完善与修止，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的。 1.3.2模糊控制与PID的结合 模糊控制与PID的具体结合形式有多种，主要是FuzzyPID复合控制和模糊自整定PID参数的方法。FuzzyPID复合控制是指当系统偏差较大时采用模糊控制5，这样响应速度快，动态性能好：当系统偏差较小时采用PID控制，使其具有好的静态性能，保证控制精度，是一种模糊控制和PID控制分阶段切换控制的方法。模糊自整定PID参数的方法是根据系统偏差和偏差变化率，由模糊推理来调整PID参数，也就是一种以模糊规则来调节PID参
7、数的自适应控制方法6。1.3.3模糊控制与神经网络的结合 模糊控制所依赖的专家经验一般不容易获得，一成不变的控制规则也很难适应不同被控对象的要求，所以应该使模糊控制向着自适应的方向发展。基于这样的要求，可以利用神经网络的学习能力来修正系统偏差和偏差变化率的比例系数、修正模糊控制的隶属函数，从而达到优化模糊控制器的作用，进一步改进实时控制的效果7。 综上所述，模糊控制、神经网络以及它们与传统PID控制的结合，都属于智能控制方法，都能够适应像温控箱这样具有非线性、大惯性、纯滞后、时变等特点的系统，尤其是模糊控制，无需知道系统的精确信息。 1.4本文的主要工作 本设计任务是要设计一个实验箱，控制对象
8、为实验箱的气体，实现的功能是温度测量和控温：在测量部分，要求测量室温80的温度范围，测量的精度不高于0.5C，测温的结果要求显示。 在控制部分，要求提高温度控制系统性能，缩短调节时间，提高控制精度，并在液晶显示屏显示温度随时间的实时变化。主要性能指标有： (1)测量精度：0.5； (2)控制精度：1；(3)温度设定范围：室温80。(4)显示：液晶显示当前温度和设定温度，并绘制出温度的实时曲线。2 方案论证 2.1硬件设计方案 对题目进行深入的分析和思考，可将整个系统分为以下几个部分：控制器电路、温度测量电路、键盘与液晶显示电路、功率驱动电路，PC上位机系统。 2.1.1控制器电路 方案一：采用
9、运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对于纯粹的温度控制，这是足够的。但是附加显示、温度设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。同样，使用逻辑电路也可实现控制功能，但总体的电路设计和制作比较烦琐。 方案二：采用FPGA实现控制功能。使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易地实现控制和显示、键盘等功能，是一种可选的方案。但与单片机相比，价格较高，显然大材小用8。 方案三：采用单片机最小系统同时完成控制、显示、键盘等功能，电路设计和制作比较简单，成本也低，是一种非常好的方案。 综上所述本设计采用方案三作为控制电路。 对于单片机的型号有如下两个方案： 方案一
10、：采用凌阳公司的SPCE061A 单片机作为控制器的方案。该单片机I/O资源丰富，并集成了语音功能。芯片内置JTAG电路，但价格较高，相对性价比较低，且需要一定基础。 方案二： 采用STC89C52单片机实现系统中数据采集及处理，它是MCS-52系列单片机的派生产品，使用时容易掌握。STC89C52运行高速(最高时钟频率90 MHz)、低功耗、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强，在系统/在应用可编程(ISP，IAP)，不占用户资源。本系统利用了STC89C52单片机，采用外部11.059 2 MHz晶振9。 将两个方案比较便可得出一个结论，采用STC89C52单片机来实现本题目，电路简单，成
11、本较低，经实验运行证明工作可靠，故选用STC89C52为该控制系统的核心。 2.1.2温度测量电路 温控箱控制系统是一个过程控制系统，在设计的过程中，必须明确它的组成部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元。如图所示。图21 控制系统结构框图由图可知，在这个系统的设计中，主要设计如图几个部分。除此之外，根据题目要求，还要选取合适的控制算法来达到系统参数的要求。对于执行器件、测量变送元件将在部分电路设计中有说明。在这个部分主要是对控制器的确定和控制算法的选择作一个详细的介绍。因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣，所
12、以这是一项不容忽视的工作。方案一：采用pt100或pt1000，但使用时往往有可能因为某些原因导致整体系统不能达到pt100或pt1000自身所能实现的精度，且需配套使用AD7705 A/D转换器，大大增加了复杂性和成本。况且在应用时，调理过程相当的复杂，价格比较贵。方案二：采用DS18B20，该传感器测温范围为-55- +125，12位可编程测量分辨率为0.0625,在1070的绝对精度也大多满足0.5。最重要的是，18B20传输方式为数字式，采用单总线专用技术，非常节约I/O口10。既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，
13、含符号位），适配各种单片机或系统机，内含寄生电源，这大大降低了操作和编程的难度。相对于Pt00或Pt000，DS18B20的价格低廉。将此两个方案作比较，最终选择DS18B20作为温度传感器。 2.1.3 键盘与液晶显示电路键盘功能：选择被标定和分析的传感器，设置温度范围，选择要查看的对象，综合这些要求，本系统采用四个独立小按键，分别为启动模式、设置模式、赋值模式、换位模式。液晶显示部分 方案一：采用液晶1602显示温度，1602可以显示温度数值和ASCII码，但无法显示汉字且其两行中间有间断，不适合显示温度随时间变化的曲线显示测量温度值。方案二：采用12864液晶显示器。12864是一种内置
14、8192个1616点汉字库和128个字符（816）及64256点阵显示RAM(GDRAM)的图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器、列驱动器及12864全点阵液晶显示屏组成,含有2MB ROM提供的8192个汉字和16 KB ROM提供的128个字符,可完成图形显示,也可以显示汉字11。12864液晶显示器能识别18条指令，分别实现光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等多种功能。与微处理器的连接方式有并口和串口两种。并口相对于串口虽然用了较多的I/O口，但是数据传输速度快得多。综合比较而言，我们最终选择了12864液晶显示器作为液晶显示模块。 2.1.4 功率驱动电路本设计采用电热丝发热，交
15、流220V电压供电。由于采用的STC89C52单片机可以直接产生PWM波，所以不需要再另行设计产生PWM波的模拟电路。为了将控制电路与驱动电路进行有效的电气隔离，将STC89C52单片机的I/O口输出之间接到光电耦合器上。但是光电耦合芯片输出的电流功率太小，不足以驱动加热体。在实际应用中发现，加热系统需要较大功率，使用开关电源供电，大功率开关电源较难找，所以改用市电220V作为加热体电源。其驱动电路改为过零触发型固态继电器。 2.1.5 硬件设计最终方案 最终方案的选择经过上述各个模块电路的分别讨论，本着简单、实用的原则，综合考虑硬件构成件编程的复杂程度以及价格和题目所要求的精确度等因素，最后
16、决定选用了一个比较典型的硬件方案： (1)采用STC89C52芯片(2)温度传感器选用DS18B20集成数组测温电路(3)液晶显示采用12864液晶(4)键盘采用4个独立按键(5)驱动电路由固态继电器，碳纤维加热丝等组成(6)上位机串口通讯使用MAX232芯片 2.2软件设计方案 如前文所述，温度控制经历了三个阶段。第一是定值开关控制，第二是基本PID控制，第三是智能控制。由于定值开关控制原理上比较简单，所以此处我们暂且不介绍。关于基本PID控制与文中采用的改进型PID控制算法，我们将在下文予以详细介绍。 2.2.1 PID控制技术简介 PID控制是在连续生产过程控制中，将偏差的比例(Prop
17、ortional)、积分(Integral)、微分(Derivative)通过线形组合构成控制量，对控制对象进行控制。在常规PID的应用中P、I、D三个参数往往根据现场设备情况或调试经验人工设定的，通过调试实验改变参以改变控制性能。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、易于实和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控系统。对于PID这样简单的控制器，能够适用于如此广泛的工业与民用对象，并仍以很高的性能/价格比在市场中占据着重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品质。概括地讲，PID控制的优点主要体现在以下两个方面： (1)实现方便，控制原理
18、简单，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器。 (2)控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性。确切的说，在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数变化不敏感。 但从另一方面来讲，控制算法的普遍适应性也反映了PID控制器在控制品质上的局限性。具体分析，其局限性主要来自以下几方面： (1)算法结构的简单性决定了PID控制比较适用于SISO最小相位系统，在处理大时滞、开环不稳定过程等难控对象时，需要通过多个PID控制器或与其它控制器的组合，才能得到较好的控制效果。 (2)结构的简单性同时决定了PID控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性从根本上是基于动态特性的低阶近
19、似假定的。 (3)出于同样原因，决定了常规PID控制器无法同时满足跟踪设定值和抑制扰动的不同性能要求。 2.2.2 PID控制原理 在模拟控制系统中，最常见的控制规律就是PID控制。模拟PID控制系统的原理框图如图2-1所示，系统由PID控制器和被控对象组成。图2-2 PID控制结构框图 1、PID调节器的微分方程 式中 2、PID调节器的传输函数 (1)比例作用对控制性能的影响 比例增益KP引入是为了及时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。当比例增益KP大的时候，PID控制器可以加快调节，但是过大的比例增益会使调节过程出
20、现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成系统不稳定。 (2)积分作用对控制性能的影响 积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无静差跟踪。假设系统己经处于闭环稳定状态，此时的系统输出和误差量保持为常值Uo和Eo，则由式(2-5)可知，只有当且仅当动态误差e(t)=o时，控制器的输出才是常数。因此，从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就产生作用，直至无PID控制器参数自整定方法的研究与实现差，积分作用就停止，此时积分调节输出为一个常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI的大小，TI越小，积分作用越强，反之则积分作用弱
21、。积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。实际中，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI控制器或者PD控制器。 (3)微分作用对控制性能的影响 微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用能反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。直观而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就己经消除偏差。因此，微分作用可以改善系统的动态性能。微分作用的强弱取决于微分时间TD的大小，TD越大，微分作用越强，反之则越弱。在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。从滤波器的角度看，微分作用相当于一个高通滤波器，因此它对噪声干扰有放大作
22、用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。所以我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰产生不利的影响。此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。 2.2.3 PID控制器参数整定的基本方法 PID参数的整定方法可以分为时域整定和频域整定两大类。时域方法中最基本的是Ziegler和Nichol提出的Z-N阶跃响应法12。在实际的应用中传统的Z-N定方法有着多种变型，最常见的有Cohen-Coon法与CHR法。其中CHR方法就是通过改变阶跃响应以得出较好的闭环特性的一种方法13。 CHR方法有两种控制策略，即“无超调的最快响应”控制策略和“具有20%超调的最快
23、响应”控制策略。 相对于时域方法，在工业实践中频域响应方法的应用更为广泛。基本的原理就是在一个就是或更多频率点设法获得被控过程的某些特征从而实现PD控制器的参数整定。这种方法是非参数估计方法。与之对应的基于被控过程模型参数估计的参数整定方法按控制器参数设计原理可分为:基于极点配置、基于相消原理、基于经验规则和基于二次型性能指标等几类。 基于频域的参数整定方法主要有如下几种: 1) Z-N:应用最广的方法就是Z-N频域响应法又称Z-N第二方法。通过增加比例控制器的增益使控制回路达到临界稳定状态的试验方法来确定临界点。在频域上就是Nyquist曲线和负实轴的交点，得到临界增Ku，临界周期Tu。 2
24、) 一些超调规则(SO-OV):目的是为了使设定值变化响应的超调量减少。 3) 无超调规则(NO-OV):使设定值变化的响应没有超调。 4) Mantz-Tacconiz-N (MT-ZN):可获得Z-N规则调节性能的两自由度控制器7。 5) 改进Ziegler-Nichols法(RZN):该规则在Z-N整定规则中增加了标准化增益k和准化滞后时间，整定方法因此又叫做KT法8。 6) 平方时间加权偏差的积分(ISTE):基于传递函数模型的PID控制器优化设计整定式。基于参数估计的PD参数整定方法有Cohen和Coon提出的针对FOPDT模型用于抗负载干扰的基于极点配置的时域参数整定方法14。该方
25、法通过配置主导极点产生一个25%的衰减比。 以上几个就是比较常用的PID控制器参数整定的基本方法。之后产生的改进算法也是基于此基础上行程的。 2.2.4 PID控制器的优缺点 对于PID这样简单的控制器，能够适用于如此广泛的工业与民用对象，并仍以很高的性能/价格比在市场中占据着重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品质。概括地讲，PID控制的优点主要体现在以下两个方面： 1）原理简单、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器。 2）控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性。确切的说，在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数变化不敏感。 但从另一方面来讲，控制
26、算法的普遍适应性也反映了PID控制器在控制品质上的局限性。具体分析，其局限性主要来自以下几方面： 3）算法结构的简单性决定了PID控制比较适用于SISO最小相位系统，在处理大时滞、开环不稳定过程等难控对象时，需要通过多个PID控制器或与其它控制器的组合，才能得到较好的控制效果15。 4）结构的简单性同时决定了PID控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性从根本上是基于动态特性的低阶近似假定的。 5）出于同样原因，决定了常规PID控制器无法同时满足跟踪设定值和抑制扰动的不同性能要求。 2.2.5 软件最终设计方案 本文的研究对象为温控试验箱，由于控制对象空气具有大滞后、大惯性、时变性等特征
27、，单纯的PID 控制难以达到控制的目的，控制品质难以保证。本文在研究了PID算法的优缺点之后结合，提出了改进型PID控制算法的思想，即分阶段控制的思想16。该控制算法具有较强的自适应能力和鲁棒性，因此，能够满足多干扰，变参数和非线性控制的要求。其核心是大偏差采用全功率加热的控制思想，小偏差采用经典PID控制算法的思想，这样既提高了响应速度，又增加了控制精度，从而使两者的优点得以充分发挥，更重要的是P，I，D的三个参数可以上位机上进行实时调整。3 系统硬件设计部分图3-1系统总体框图 本系统是基于单片机的应用开发，集环境温度的信号采集、数据的处理及温度的保持控制等等为一体的数字控制系统。 系统的
28、设计思想：本系统STC89C52单片机为核心，采用温度传感器DS18B20，MAX232芯片及PID算法实现了对温度的精确控制。实现对范围、温度值的设定，执行、显示实时温度。 3.1 温度试验箱的结构设计只有性能良好，结构设计合理的试验箱与控制电路精密配合，才能获得高的温度稳定度，从而保证达到系统要求。对试验箱的结构和工艺主要要求是：密封性能好；保温层导热系数小，以保证保温性能好；加热体有足够的热容量。只有满足这些要求，才能减小起始加热功率、平衡状态下加热功率、稳定加热时间和箱内控制温度的波动。 本温度试验箱用厚度为15mm木板制作，加工方便，满足实验所要求的温度20110C，其热导系数低，保
29、温效果好。 3.2 PC上位机串口通讯单片机有一个全双工的串行通信口，所以单片机和PC机之间可以方便地进行串口通信，用以下载程序或者在线调试。进行串行通信时要满足一定的条件PC机的串口是RS-232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，一般采用专用芯片MAX232进行转换17。MAX232的引脚图如图2-9所示。图3-2 MAX232引脚图MAX232 内部有电荷汞电压转换器，可将+5V 电源变换成RS232 所需的10V 电压，以实现电压的转换，既符合RS-232 的要求，又可实现+5V 单电源供电；所以MAX232收发器电路给短距离串行通信带来极大的方便。其
30、内部结构如图3-3所示。图3-3 MAX232的内部结构从图3-3中可以看出，其结构基本可分为三个部分，即：1电荷泵电路由 1、2、3、4、5、6 脚和4 只电容构成。功能是产生+12V 和-12V 两个电源，提供给RS-232 串口电平的需要。2.数据转换通道由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。其中13 脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11 脚（T1IN）、14 脚（T1OUT）为第一数据通道。8 脚（R2IN）、9 脚（R2OUT）、10 脚（T2IN）、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS 数据从T1IN、T2IN 输入转换成RS-23
31、2 数据从T1OUT、T2OUT 送到PC 机的串行接口；串行口RS-232 数据从R1IN、R2IN 输入转换成TTL/CMOS 数据后从R1OUT、R2OUT 输出。3.供电15 脚DNG、16 脚VCC（+5V）。 3.3 12864液晶显示模块图3-4 12864液晶框图 12864A-1汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）18。主要技术参数和显示特性: 电源：VDD 3.3V+5V(内置升压电路，无需负压)； 显示内容：128列 64行 显示颜色：黄绿 显示角度：6
32、：00钟直视 LCD类型：STN 与MCU接口：8位或4位并行/3位串行 配置LED背光多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等3.4 DS18B20温度传感器 DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 （1）
33、独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 （2）在使用中不需要任何外围元件。 （3）可用数据线供电，电压范围：+3.0 +5.5 V。 （4）测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率为0.5 。 （5）通过编程可实现912位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 （7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 图3-5 DS18B20测温原理图DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，
34、只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理如图3-5所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器
35、中的数值即 为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。 3.5 继电器模块 固态继电器(Solid State Relays,缩写SSR)是一种无触点电子开关，由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片，采用混合工艺组装来实现控制回路(输入电路)与负载回路(输出电路)的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能，内部无任何可动部件19。尽管市场上的固态继电器型号规格繁多，但它们的工作原理基本上是相似的。主要由输入(控制)电路，驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路，使之成为固态继电器的触发信号
36、源。固态继电器的输入电路多为直流输入，个别的为交流输入。直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。恒流输入电路，在输入电压达到一定值时，电流不再随电压的升高而明显增大，这种继电器可适用于相当宽的输入电压范围。固态继电器的驱动电路可以包括隔离耦合电路、功能电路和触发电路三部分。隔离耦合电路，目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。常用的光电耦合器有光三极管、光双向可控硅、光二极管阵列(光伏)等。高频变压器耦合，是在一定的输入电压下，形成约10MHz的自激振荡，通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。功能电路可包括检波整流、过零、加速、保护
37、、显示等各种功能电路。触发电路的作用是给输出器件提供触发信号。固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下，实现固态继电器的通断切换。输出电路主要由输出器件(芯片)和起瞬态抑制作用的吸收回路组成，有时还包括反馈电路。目前，各种固态继电器使用的输出器件主要有晶体三极管(Transistor)、单向可控硅(Thyristor或SCR)、双向可控硅(Triac)、MOS场效应管(MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等。固态继电器原理 固态继电器(Solidstate Relay, SSR)是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关，利用电子组件（如开关三极管、双向可控硅等半导体组件）的开关特性，
38、达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。相对于以往的“线圈簧片触点式”继电器(Electromechanical Relay, EMR)，SSR没有任何可动的机械零件，工作中也没有任何机械动作，具有超越EMR的优势，如反应快、可靠度高、寿命长（SSR的开关次数可达108109次，比一般EMR的106高出百倍）、无动作噪声、耐震、耐机械冲击、具有良好的防潮防霉防腐特性。这些特点使SSR在军事、化工、和各种工业民用电控设备中均有广泛应用。固态继电器的控制信号所需的功率极低，因此可以用弱信号控制强电流。同时交流型的SSR采用过零触发技术，使SSR可以安全地用在计算机
39、输出接口，不会像EMR那样产生一系列对计算机的干扰，甚至会导致严重当机。比较常用的是DIP封装的型式。控制电压和负载电压按使用场合可以分成交流和直流两大类，因此会有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四种型式，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用.按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固态继电器(ACSSR)和直流固态继电器(DCSSR)。ACSSR是以双向晶闸管作为开关器件，用来接通或断开交流负载电源的固态继电器。ACSSR的控制触发方式不同，又可分为过零触发型和随机导通型两种。过零触发型ACSSR是当控制信号输入后，在交流电源经过零电压附近时导通，故干扰很小。随机导通
40、型ACSSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断，因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。工作原理 过零触发型ACSSR为四端器件，其内部电路如图1所示。1、2为输入端，3、4为输出端。R0为限流电阻，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开，V1构成反相器，R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路，UR为双向整流桥，由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲，R3、R7为分流电阻，分别用来保护V3和V4，R8和C组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。图3-6 固态继电器典型应用图要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处，而
41、一般是指在1025V或-(1025)V区域内进行触发，如图2所示。图中交流电压分三个区域，区为-10V+10V范围，称为死区，在此区域中加入输入信号时不能使SSR导通。区为1025V和-(1025)V范围，称为响应区，在此区域内只要加入输入信号，SSR立即导通。区为幅值大于25V的范围，称为抑制区在此区域内加入输入信号，SSR的导通被抑制。图3-7 SSR导通特性图当输入端未加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止，V1饱和，V3和V4因无触发电压而截止，此时SSR关闭。当加入输入信号时，光耦合器中的发光二极管发光，光敏晶体管饱和，使V1截止。此时若V3两端电压在-(1025)V或1
42、025V范围内时，只要适当选择分压电阻R4和R5，就可使V2截止，这样使V3触发导通，从而使V 4的控制极上得到从R6URV 3URR7或反方向的触发脉冲，而使V4导通，使负载接通交流电源。而若交流电压波形在图2中的区内时，则因V2饱和而抑制V3和V4的导通，而使SSR被抑制，从而实现了过零触发控制。由于1025V幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就将过零电压粗略地定义为025V，即认为在此区域内，只要加入输入信号，过零触发型ACSSR都能导通。当输入端电压信号撤除后，光耦合器中的光敏晶体管截止，V1饱和，V3截止，但此时V4仍保持导通，直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸
43、管的维持电流时，SSR才转为截止。SSR的输出端器件可分为双向晶闸管和两只单向晶闸管反并联形式。若负载为电动机一类的感性负载，则其静态电压上升率dv/dt是一个重要参数。由于单向晶闸管静态电压上升率(200V/s)大大高于双向晶闸管的换向指标(10V/s)，因此若采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管，一方面可提高输出功率；另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力，这种SSR称为增强型SSR。 3.6 碳纤维加热丝使用大功率水泥电阻充当发热体，在水泥电阻外加装散热片提高散热速率。强制试验箱箱内空气流动，减小整个温度控制系统滞后系数。经过论证，选择电热丝充当发热体，采用220v安全电压供电，P
44、WM控制，由于电热丝热容量小，通电后升温快，加热丝本身热容量小，温度控制精度高。 3.7 键盘输入电路本系统中，键盘输入电路采用独立式的键盘，本键盘完成的功能为输入控制系统的设定值。通过设定值和系统的采样值进行比较，求出系统的误差及误差变化率，供PID控制子程序使用。系统中的4个键均选用按钮开关。为此，采用4个键来搭配键盘电路，4位键盘输入分别连接到单片机的P1.0到P1.3。键盘电路如图3-8所示：图3-8 键盘电路第1个键用来判断是否转入键盘处理子程序运行。若未按下，则在系统程序中运行，若按下则转入键盘处理子程序运行，并且在设置完成后，通过按该键确认设定值，返回主程序中。若设置键按下，则后
45、面2个键开始起作用。设置键是让程序进入设置状态，设置升温温度上限。换位键改变当前设置位，百位、十位、个位依次循环。当换到哪个位时，按下赋值键，当前位数字从0到9循环改变。设置完按启动键，系统确认输入值并启动系统。系统中编写的键盘处理子程序，主要注重以下3个问题：l、如何减少开关的使用次数，提高开关的使用寿命。2、如何更快捷、更方便的给出设定值。3、如何更有利于程序的整体调度。本设计尽量减少了键盘数，减少了对单片机I/O占用。4 系统软件设计部分图4-1 主程序流程图温度控制系统的程序设计有着丰富的先例，本设计主程序调用了5个子程序，分别是LCD显示程序，按键扫描及处理程序，温度采集程序，温度判
46、决程序，驱动程序。LCD显示程序，用于温度等数据的实时显示；按键扫描及处理程序，实现按键识别、按键输入及相关处理；温度采集程序负责把DS18B20所采集的现场温度读入到指定的数组中；温度判决程序，对现场温度与设定的温度上下限进行比较，并得出需要输出的控制量。主程序流程图如图4-1所示。 4.1数字PID控制的实现 在连续-时间控制系统（模拟PID控制系统）中，PID控制器应用得非常广泛。其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。随着计算机的快速发展，人们将计算机引入到PID控制领域，也就出现了数字式PID控制20。 由于计算机基于采样控制理论，计算方法也不能沿袭传统的模拟PID控制算法，所以必须将控制模型离散化，离散化的方法：以T为采样周期，k为采样序号，用求和的形式代替积分，用增量的形式（求差）代替微分，这