「脉冲热压电源控制系统设计（优选版）」.doc

2010 届毕业设计说明书 脉冲热压电源控制系统 系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 电子信息工程技术 班 级： 电信0703班 完成时间： 2010-5-18 摘 要 随着电子技术的发展，电子产品已广泛应用工农业生产和日常生活的各个角落。微连接技术是决定电子产品质量的关键环节，脉冲热压焊是微连接技术之一。本文针对脉冲热压焊机非线性、滞后和不对称的特点，讨论了经典PID、Fuzzy-PID控制策略在温度控制中的应用，设计了模糊PID控制器。论文完成了以下工作：1.研制了脉冲热压焊机温度控制电路板，建立控制系统的硬件平台。该平台以热电偶作为感温元件，32的STM32F103RB高性能单片机作为系统核心，构成温度控制系统；外围电路包括温度信号放大电路，控制信号输出电路，串行通讯接口电路，键盘及大尺寸液晶显示电路；用VisualC+编制上位机通讯管理软件，实现与下位机控制器实时通讯、数据存储、绘制数据曲线等功能。关键词 脉冲热压焊机；高精度控温系统；信号放大电路；单片机；线性化处理；ABSTRACTAlong with the electronics technical development, electronics product already the extensively applied work agriculture produce and each corner of daily life.The tiny conjunction technique is the key link that decides electronics product quality, pulse heats pressing Han is one of the tiny conjunction techniques.This text aims at pulse heat and presses Han machine line and Zhi not empress and dissymmetry of characteristics, discuss the classic PID and Fuzzy-PID control strategy controls a medium application in the temperature and designs misty PID controller.The thesis completed a following work:1.Develop the pulse heat presses Han machine, the temperature controls circuit board and builds up the hardware terrace that controls system.That terrace uses thermocouple as feeling component, STM32F103RB the high performances single slice of machines are system cores, the composing temperature controls system;The outer circle electric circuit includes temperature signal to enlarge electric circuit, the control signal outputs electric circuit, the string line communication connects a peoples electric circuit, and keyboard and big size LCD show electric circuit;Use VisualC+ draw up the place of honor machine a communication management software, while carrying out with next machine controller actually communication, data saving, draw data curve etc. function.Key words Hot press Han of machine;The temperature controls system;The high accuracy controls system;The signal enlarges electric circuit;The temperature signal collects;The communication connects a peoples electric circuit;The calculate way of PID;Controller;Not line;Single slice of machine;The line turns a processing;Double to can control Huo;Place of honor machine communication目 录1 绪 论11.1引言11.2模糊PID控制技术11.2.1 自适应控制11.2.2 PID控制器的发展现状21.2.3 模糊PID控制31.2.4 模糊自适应PID控制41.3 脉冲热压机采用模糊PID控制技术的可行性42设计方案和论证62.1 总体方案介绍及框图62.2 温度传感器选用方案的论证62.3 温度信号放大调理电路的论证62.4 微控制器选用方案的论证72.5 键盘方案的论证72.6 显示方案论证82.7继电器的选用83 硬件电路设计93.1 单片机最小系统电路的设计93.1.1 STM32F103RB单片机功能简介93.1.2单片机电源电路设计103.1.3 复位电路设计。113.1.4 振荡电路设计113.1.5 下载接口的设计123.2 温度传感信号的放大电路设计123.3 输出控制电路143.4 串口通信电路153.5行列式键盘电路164 软件设计174.1主程序设计174.1.1 主程序框图174.1.2 键扫描程序184.1.3 键处理程序184.2 冲压生产程序设计194.3 温度测量程序设计204.4模糊PID控制加热程序214.4.1 自适应模糊PID控制器设计224.4.2 模糊控制规则表的建立244.4.3 逆模糊化处理及输出量的计算264.4.4 模糊PID流程框图274.5抗干扰措施274.6结论28致 谢30参考文献31附 录32参考用#1 绪 论1.1 引言随着电子技术的发展，电子工艺有了很大的改进，集成度越来越高。使得原来的生产工业无法满足现在产品生产要求。像LCD、PDP、触摸屏等的扁平电缆热压接合及ACF接合，传统的波峰焊等不能够用于对这些器件的焊接。而手工焊则质量差、效率低，不能用于工业批量生产要求。所以急需开发新的生产工具，脉冲热压机随即应运而生。脉冲热压机原理:通过在热压头上加载一定的电压,热压头发热,将与此相连接的物体升温,当温度升到焊锡熔点后,将与此相连的物体间锡熔融并将其连接在一起.脉冲热压机的优点：脉冲热压机主要应用在不能使用正常SMT回流炉进行焊接的器件进行焊接操作，而使用烙铁进行焊接时容易出现焊接外观不一致、不平整，容易出现虚焊以及容易焊坏产品。而脉冲热压机则不同于恒温烙铁，脉冲热压机在通电瞬间即可达到所要温度，而一旦焊头两端不加电压，瞬间即可达到室温；而且焊头平整，所以焊接出来的外观平整一致，极少出现虚焊不良。脉冲热压机主要应用在如下方面的焊接：a) LCD、PDP、触摸屏等的扁平电缆热压接合及ACF接合 0bMoUy*q b) 继电器、打印机、眼镜等的树脂热压接合 c) 手机、数码相机使用的CCD、CMOS的焊锡接合d) 电脑、摄像机内的FPC等扁平电缆的焊锡接合e) 硬盘(HDD)等漆包线的焊锡焊接及DVD、AV机器等家用电器的制造f) 继电器、打印机、眼镜等的树脂热压接合g) 手机、数码相机使用的CCD、CMOS的焊锡接合h) 电脑、摄像机内的FPC等扁平电缆的焊锡接合i) 电脑等通信机器内的线缆并行口的焊锡焊接j) 硬盘(HDD)等漆包线的焊锡焊接及DVD、AV机器等家用电器的制造k) 微波元件内部的金线热压结合 1.2 模糊PID控制技术1.2.1 自适应控制自适应控制系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识环境条件的变化，并自动校正控制动作，使系统达到最优或次优的控制效果。自适应控制系统的原理框图如图1.1所示。图1.1 自适应控制系统的原理框图这一系统在运行过程中，根据参考输入r(t)、控制输入u(t)、对象输出c(t)和已知外部干扰n(t)来测量对象性能指标，并与给定的性能指标进行比较，做出决策，然后通过适应机构来改变系统参数，或者产生一个辅助的控制输入量，累加到系统上，以保证系统跟上给定的最优性能指标。自适应控制系统具有如下功能：a) 在线进行系统结构和参数的辨识或系统性能指标的度量，以便得到系统当前状态的改变情况；b) 按一定的规律确定当前的控制策略；c) 在线修改控制器的参数或可调系统的输入信号。在工业生产过程中，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性参数或结构发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围内。系统辨识就是通过测量被研究的系统在人为作用输入下的输出响应，或正常运行时的输入、输出数据，加以必要的数据处理和数学运算，估计出系统的数学模型，但自适应控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的，因此在工业生产中，大量采用的仍然是以PID控制算法为基础的控制策略，PID参数的整定方法很多，但大多数都以对象特性为基础。1.2.2 PID控制器的发展现状在过去的50年，调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利用开环阶跃响应信息，如Coon-Cohen响应曲线法；还有使用Nyquist曲线法的，如Ziegler-Nichols连续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整PID参数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定PID控制技术的发展。自整定技术可追溯到50年代自适应控制处于萌芽时期，60年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。80年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，PID控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。随着微处理技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，在控制领域出现的一系列新的技术课题之一的被控对象动、静态参数、控制系统结构、参数发生较大范围变化的情况下，控制系统仍能满足给定的品质指标，这是自适应控制的最基本特征，自适应PID控制可以在线不断整定参数，克服干扰，跟踪系统的时变特性，使控制对象达到一定的目标。同时随着现代控制理论(诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等)研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径，逐步弱化或取消了对受控对象数学模型结构不变的限制。近年来，出现了许多新型PID控制器，对于复杂对象，其控制效果远远超过常规PID控制。电阻炉温度控制技术发展日新月异，从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中，PID控制和模糊控制应用最多，也最具代表性。1.2.3 模糊PID控制模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zaden首先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而PID控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。Fuzzy-PID混合控制这种控制器的思想是在大偏差范围内采用Fuzzy控制，在小偏差范围内用PID控制，两者的转换由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。由于两种控制作用均包含有积分作用，故稳态精度相同，但Fuzzy-PID控制比PID控制有更快的动态响应，更小的超调，比模糊控制具有更高的稳态精度。引入积分因子的模糊PID控制器这种控制器或是积分环节加在误差输入量的模糊化之前和模糊控制器输出量的解模糊之后，在一定程度上可减少系统余差，但消除系统极限环振荡的能力较弱，尤其模糊量化因子取的较大时，系统可能出现不稳定；或是对误差的模糊值进行积分，消除了系统余差，但只有使umin缩小才能消除零点附近的极限环振荡，而要达到这一要求，必须增加控制规则数，也就增加了模糊控制器的设计复杂性，因此这种结构设计目前应用较少。1.2.4 模糊自适应PID控制模糊自适应PID控制器有多种控制形式，但工作原理基本一致。在线实时模糊自整定PID控制模糊自整定PID控制是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差e和误差变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。结构如图1.2所示。结构中的辨识机构用来解决PID控制参数的初值。在控制的初始阶段，采用bang-bang控制作为引导控制，辨识机构根据在该阶段得到的信息对对象进行辨识。在该阶段结束时，利用辨识出的模型参数整定出PID控制参数的初值，并切换控制开关，投入模糊自整定PID控制。图1.2 模糊自整定PID控制基于模糊推理的自调整PID控制器它由PID控制和一个模糊自调整机构组成。利用自调整因子模糊控制器设计思想，根据输入信号的大小、方向以及变化趋势等特征，通过模糊推理做出相应决策，在线整定PID参数KP、KI、KD以期获得满意的控制效果。单参数模糊自适应PID控制器单参数模糊自适应PID控制器是通过对控制目标分类，考虑用户最关心的系统特性，来决定调整KP、KI、KD三个参数中对系统影响最大的那一个；或是控制器根据系统的误差及误差变化率，利用模糊逻辑推理规则，产生一个对应于e和ec的控制量h(t)，再由h(t)计算出与KP、KI、KD三个参数都有一定关系的(t)，从而得到KP、KI、KD三个参数，然后由常规控制算式确定控制u(t)。1.3 脉冲热压机采用模糊PID控制技术的可行性在工业生产过程中，脉冲热压机随着环境变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。脉冲热压机温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。另外对于PID控制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息(如评价指标、初始PID参数等)作为知识存入单片机知识库中，然后单片机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对PID参数的最佳调整。从以上的分析可知模糊自整定PID控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于脉冲热压这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定PID控制脉冲热压焊接温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用PID参数模糊自整定复合控制，实现PID参数的在线自调整功能，可以进一步完善PID控制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。而今，单片机技术又有了新的发展。基于ARM核的单片机有着非常高的性能，极低的功耗和极快的处理速度使得它成为单片机领域的主流。使用ARM单片机和较少的外围电路来实现对脉冲热压机的控制是非常不错的选择。其一，ARM单片机处理速度快，提高了生产效率，也保证了产品质量。其二，其独特的核结构，提高了抗干扰能力，使得机器能长久有效的投入生产运行。其三，其独特的性能，使得能够实现更友好的界面和庞大的功能。2 设计方案和论证2.1 总体方案介绍及框图脉冲热压电源控制系统主要由温度传感采样系统，单片机微控制系统，显示器，键盘，电源系统组成。其系统框图如图2.1 所示。图2.1 总体方案框图用温度传感器测量热压脉冲头的温度反馈给单片机进行控制，单片机根据实际情况控制继电器来控制脉冲热压头的焊接。位了系统测试和升级以及其他功能增加了与上位机通信接口。键盘和显示器用作人机交互通道。2.2 温度传感器选用方案的论证温度传感采样系统是脉冲热压电源控制系统的“眼睛”。它的工作性能直接影响整个系统的正常工作，甚至影响机器所完成产品的质量。温度传感采样系统须满足：温度传感器能工作在0500摄氏度范围内，并且能保持一定的精度；温度传感器灵敏度高，转换值要能基本与环境温度同步；温度传感信号抗干扰能力强，失真小；具有温度传感特性的器件有一般热敏电阻，铂电阻，热电偶，半导体传感器，热红外传感器等。而基本能够满足要求的有铂电阻和热电偶，但铂电阻价格较贵。工业中一般使用热电偶。这里使用热电偶作为温度传感器不仅能满足性能的要求，还具有安装灵活等特点2.3 温度信号放大调理电路的论证根据热电偶的特性，温度信号要放大、滤除噪声、温度补偿、非线性补偿等工作才能得到有用的温度信号。方案一：采用专用的热电偶Maxim公司新近推出的MAX6675即是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。将在有关章节系统的介绍该芯片。使用该芯片时只需要将热电偶和与单片机通信的SPI 接口连接到芯片上，不需任何外围器件，单片机就可读出相应的温度值来。方案二：由于涉及到放大，滤波。可以运用有关的知识使用分立元件和集成运放搭建一个有效的电路。对于温度补偿可以使用其他温度传感器测量冷端温度的办法。非线性补偿用基于单片机查表得方法解决。 对于方案一，既简单又高效，但该芯片较贵，可运用于中高端温度采集领域。方案二考验了一个人的专业设计能力，具有一定的挑战性，但降低了成本，也锻炼自己的动手设计能力。经过分析，最终挑战使用方案二。2.4 微控制器选用方案的论证而今单片机市场是百家争鸣，各个公司又都推出了各种各样的型号系列。尽管单片机型号非常的多，但可以分为几类，从处理核位数上分8位、16位、32位，其中有衍生出了8位与16位并存的核和16位与32位并存的核。目前8位核市场最流行的核是51核。现在又开始流行了ARM的核。方案一：使用ARM核的单片机，ARM具有低功耗、速度快、处理性能好等等特点。由于本人正在学习一款意法半导体公司的STM32F103RB的芯片。该芯片时钟速度可达72MHz，而且高达90DMIPS。还具有高性能的丰富的片上外设。主要应用领域有无线通信、汽车电子和工业控制等。在后面的有关章节将会介绍这款单片机。方案二：使用51核的单片机，51核的单片机既是应用领域非常广泛的单片机，又是单片机爱好者入门的单片机。资料齐全，容易开发。使用C8051F020单片机来开发是非常合适的。该单片机处理速度达25DMIPS，并且具有AD、DA、比较器、温度传感器等模拟外设还具有其他丰富的数字外设接口。方案一是使用一款极具发展前景的单片机，如果学会了使用这款单片机对将来都是有好处的，它在同性能的单片机里面也是极具性价比优势的。但是真正要学会用它还需要点时间学习它；方案二是51的核，比较容易上手。只要懂相关原理，使用它是不难的。短期内就可完成设计的开发。由于还有点时间，先学习方案一。如果能成功的话，对这个设计和将来的设计都是有好处的。2.5 键盘方案的论证键盘方案一：使用触摸屏。现在的触摸技术较为成熟，使用较广泛的有电阻式的有电容式的。电阻式的是以点接触方式，即使用时触摸点不能太大，否则会超出感应界限而感应不到。这在手机等手持设备上应用较多，使用时需用触摸笔。所以这种不适合生产时使用。在工业生产时，由于机器震动较大或者其它原因容易使触摸损坏而导致不能使用，同时更换起来也比较困难，所以也不适合使用触摸屏。键盘方案二：使用机械按键组成行列式键盘。之所以要使用行列式键盘是因为控制时需要十个数字键和几个功能键，行列式键盘可以减少占用单片机的口线。2.6 显示方案论证显示器必须要直观友好地进行人机交互。传统的12864LCD不能够满足这些要求。可有如下方案选择。方案一：使用大尺寸320240单色液晶。较大的尺寸有5.7寸的，能够直观地反映很多交互信息。方案二：使用大尺寸TFT真彩液晶。现在TFT屏技术较为成熟。价格也越来越低。真彩显示技术已经越来越融入了我们的生活。大尺寸TFT真彩液晶有3.5寸的240*320的分辨率和4.3寸的480*272的分辨率。在此使用3.5寸的TFT真彩液晶较为合适。2.7 继电器的选用继电器有机械式的继电器固态继电器。机械式的继电器只能使用在开关频率很低的场合，而且导通时容易损坏触点而容易损坏。脉冲热压机的继电器开关频率较高通电电流大不适合使用这种继电器。使用固态继电器较为方便。固态继电器无触点，通电电流大，导通时冲击电流小。3 硬件电路设计3.1 单片机最小系统电路的设计单片机最小系统电路是单片机运行时所必须的电路。本系统以STM32F103RBT6为微控制处理单片机，其最小系统包括电源电路，复位电路，振荡电路、下载电路等。3.1.1 STM32F103RB单片机功能简介a) 核心ARM 32位的 Cortex-M3 CPU72MHz，高达90DMips，1.25DMips/MHz单周期硬件乘法和除法加快计算b) 存储器 128K字节闪存程序存储器20K字节SRAM 多重自举功能c) 时钟、复位和供电管理2.0至3.6伏供电和I/O管脚上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监 测器(PVD)、掉电监测器内嵌4至16MHz高速晶体振荡器内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器内嵌40kHz的RC振荡器内嵌PLL供应CPU时钟内嵌使用外部32kHz晶体的RTC振荡器d) 低功耗3种省电模式：睡眠、停机和待机模式VBAT为RTC和后备寄存器供电e) 2个12位模数转换器，1us转换时间(16通道)转换范围是0至3.6V双采样和保持功能温度传感器f) 调试模式串行线调试(SWD)和JTAG接口g) DMA7通道DMA控制器支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C和USARTh) 多达51个快速I/O口i) 多达7个定时器多达3个同步的16位定时器，每个定时器有 多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉 冲计数的通道j) 16位6通道高级控制定时器多达 6 路 PWM 输出死区控制、边缘/中间对齐波形和紧急制动2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)系统时间定时器：24位的、带自动加载功 能的k) 多达9个通信接口多达2个I2C接口(SMBus/PMBus)多达3个USART接口，支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制多达2个SPI同步串行接口(18兆位/秒)CAN 接口(2.0B 主动)USB 2.0 全速接口3.1.2 单片机电源电路设计STM32F103RBT6是一款功耗超低的单片机，根据芯片生产公司提供的数据手册，供电方案要求如下：a) VDD = 2.0至3.6V：VDD管脚提供I/O管脚和内部调压器的供电。b) VSSA，VDDA = 2.0至3.6V：为ADC、复位模块、RC振荡器和PLL的模拟部分提供供电。使用c) ADC时，VDD不得小于2.4V。d) VBAT = 1.8至3.6V：当(通过电源开关)关闭VDD时，为RTC、外部32kHz振荡器和后备寄存器供电。 由于5V电源为其它外围芯片所常需要的电源，以及为了方便调试时用电脑USB电源供电，本系统由5V电压供电，再经专用的电源稳压芯片AMS1117-3.3V将5V电压转为3.3V为单片机供电。AMS1117-3.3V是一款低压差稳压芯片。其输入电压范围为4.75V12V，输出电压为3.3V0.033V，输出电流可达800 mA。而且基本不需要其它外围器件，就能得到稳定的输出。设计电路如图3.1所示。图3.1 单片机电源供电电路电容C1、C2、C3是为保证AMS1117-3.3V有较好的直流输出而设置的滤波电容。C4C9是安装在芯片电源引脚旁的滤波电容以增强抗干扰性能。3.1.3 复位电路设计。小巧稳定的复位电路既能保证单片机的正常运行，又能方便调试。STM32F103RBT6单片机的复位为低电平有效，复位电路如图3.2所示。图3.2 复位电路设计3.1.4 振荡电路设计 STM32F103RBT6单片机可以通过设置时钟源为内部时钟振荡器和外部振荡器，并且可以通过内部倍频电路得到各种时钟，最高可倍频到72MHz。在一般使用时不需要外部晶振提供时钟，但在本系统中为了提供更精确地时钟，使用8M的晶振提供精确地时钟信号。晶振Y1为单片机提供系统时钟。晶振Y2为单片机RTC（实时时钟）模块提供时钟。在外部供电不足的情况下，该模块由电池供电并继续时间的更新。图3.3 振荡电路设计3.1.5 下载接口的设计单片机运行时通过需要下载接口下载程序和调试命令图3.4 下载接口3.2 温度传感信号的放大电路设计本系统温度传感器选用镍铬镍硅热电偶，其测温范围适中，线性度较好，价格便宜，有较强的抗氧化性和抗腐蚀性，输出热电势较大，便于测量放大器选配。热电偶是由两种不同金属焊接在一起组成的，当热端与冷端存在温差时，两金属的自由端间产生电动势，其大小决定于组成热电偶的材料和冷热两端的温差。所以要用热电偶首先要使冷端温度固定不变，也即进行冷端温度补偿。同时，热电偶是由贵重金属制作的，而一般热端和冷端有相当的距离，为了降低成本，实际使用时热电偶自身很短，而选用与热电偶性能相近，价格低廉的导线来延伸中间距离。测量放大电路实际电路中，从热电偶输出的热电势信号最多不过几十毫伏(一般为056 mV)，信号需经运放放大100倍左右；且其中包含工频、静电和磁耦合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。测量放大器的输入阻抗高，易与各种信号源匹配，并且输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，温漂也较小，因而其稳定性好。电路如图3.5所示。图3.5 热电偶信号放大电路由两个运放组成测量放大器，热电偶差动输入端分别接到A1和A2的同相端。输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加到输入端，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。在此电路中，只要运放A1和A2性能对称(主要指输入阻抗和电压增益)，其漂移将大大减小，具有高输入阻抗和共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，适宜于测量远距离传输过来的信号，因而十分易于与微小输出的传感器配合使用。RW2是用来调整放大倍数的外接电阻，在此用多圈电位器，参数应满足AV大于100。V1-V2 = 2R6(V+ - V-) / (300+RW2) 3-1Av = 2*R6 / (300+RW2) 3-2本文电路中A1、A2采用低漂移高精度运放OP-07芯片，其输入失调电压温漂和输入失调电流温漂都很小，广泛应用于稳定积分、精密加法、比校检波和微弱信号的精密放大等。OP-07要求双电源供电，使用温度范围070，一般不需调零，如果需要调零可用RW1进行调整。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。特点：a) 超低偏移： 150V最大 。b) 低输入偏置电流： 1.8nA 。c) 低失调电压漂移： 0.5V/ 。d) 超稳定，时间： 2V/month最大e) 高电源电压范围： 3V至22V3.3 输出控制电路固态继电器由三部分组成：输入电路、隔离（耦合）和输出电路组成，在输入电路控制端加入信号后，IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态，R1串接电阻对输入信号进行限流，以保证光耦合器不致损坏。LED发光二极管指示输入端控制信号，VD1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦IC1。图3.6 交流固态继电器原理图 V1 在线路中起到交流电压检测作用，使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。当IC1光敏三极管截止时(控制端无信号输入时)，V1通过R2获得基极电流使之饱和导通,从而使 SCR可控硅门极触发电压UGT被箝在低电位而处于关断状态，最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。当IC1光敏三极管导通时( 控制端有信号输入时) ，SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定其工作状态 。如电源电压经R2与R3分压，A处电压大于过零电压时(VAVBE1)，V1处饱和导通状态，SCR、BTA可控硅都处于关断状态；如电源电压经R2与R3分压，A处电压小于过零电压时（VAVBE1）V1处截止状态，SCR可控硅通过R4获得触发信号而导通 ,从而使 BTA在R6上也获得触发信号也呈导通状态,对负载电源进行关断控制。如此时控制端信号关断后,负载电流也随之减小至BTA双向可控硅的维持电流IH时可自行关断,切断负载电源。交流过零型固态继电器，因有其电压过零时开启，负载电流过零时关断的特性。它的最大接通、关断时间是半个电源周期，在负载上可得到一个完整的正弦波形。也相应的减少了对负载的冲击。而在相应的控制回路中产生的射频干扰也大大减少。图3.7 输出控制电路其它控制输入输出口如图3.8所示。图3.8 其它输入输出口3.4 串口通信电路单片机的串口通信接口电平为0-3V左右，而计算机标准的串行通信接口的电平为-15V-+15V。所以需要进行电平转换才能使二者正常通信，使用专用的串行通信接口电平转换芯片MAX3232设计电路，MAX3232由二个线性驱动，二个接收器，带15kV ESD保护的双速电荷泵电路组成。该器件可以满足TIA/EIA-232要求，提供异步通信控制器和串口连接器之间的接口。电荷泵和四个小型外部电容可以在3V到5.5V电压下工作。数据信号速度可达120kbps。图3.8 串口通信电路3.5 行列式键盘电路键盘主要由数字键0、确认、设置键、返回键、冲压键、+（或左移）键、-（或右移）键等组成。按键识别时需进行行扫描和列扫描才能得到键值。行扫描时将PC0PC3置0，PC4PC7设为上拉输入。列扫描时则相反。图3.9 行列式键盘电路4 软件设计4.1 主程序设计4.1.1 主程序框图图4.1 主程序流程图本系统程序相对较为复杂，所以采用模块化设计程序。各模块可能又由很多子模块组成，每个模块都设计成一个函数，并设计一个有意义的函数名，通过函数的调用实现整个程序的功能。这样，只要阅读函数名即可知道函数的功能，阅读各个函数即可知道程序设计思路。不仅方便他人阅读，也方便程序的移植和调试。本系统主程序包括系统配置程序化SysConfigInit，液晶初始化LcdInit、应用程序初始化AppInit、键扫描KeyScan、键处理KeyDispose、显示更新LcdUpdate等几个模块程序组成。所以主程序只有几条语句。部分主程序源码如下： /文件包含等内容Int main(void)SysConfigInit();LcdInit();AppInit();while(1)KeyDispose(KeyScan();LcdUpdate();4.1.2 键扫描程序图4.2 键扫流程图本系统使用的是4*4的行列式键盘，占用8根口线得到16个键。这里注意的是行扫描和列扫描时口线工作方式的变化。4.1.3 键处理程序图4.3 键功能处理流程图应用程序初始化包括欢迎界面显示2秒、进入默认的工作界面、配置默认的参数等此时按下确认键即可开始生产，或者按下设置键可进入设置界面进行相关参数设置。设置时可按一次设置键将光标移到下一个要设置参数处，按下数字键设置数值。所有设置项设置完毕后按下确认键将修改相关参数并进入工作界面；若按下返回键则不修改参数并进入工作界面。在按下冲压键开始冲压后，如有紧急情况需停止，可按下返回键结束本次工作回复为上次正常完成后的状态。4.2 冲压生产程序设计图4.4 冲压主流程图4.5 加热流程图4.3 温度测量程序设计图4.6 温度测量主流程图图4.7 热电偶温度测量流程图考虑到生产车间里主要干扰来自50Hz的强电的正弦波干扰较大，单次采样会引入不小干扰误差。而采取50*4=200Hz采样取平均值时可有效消除这种干扰。热电偶测量温度的电压是非线性的，根据热电偶温度电压转换特性，在进行冷端补偿时要先将环境温度转换成对应于热电偶温度-电压特性表中的电压值。键测量的热电偶电压值减去该值，在通过热电偶温度-电压特性表求得热电偶测量的温度值。测量温度采用中断方式可方便描画温度曲线等技术。4.4 模糊PID控制加热程序 脉冲热压机工作是一次次进行的，一次从冷却温度加热到指定的稳定度，这个过程的温度变化较大，而且需要迅速达到，并且能恒定一段时间。由于受环境和机器性能的差异影响，加热时很难建立精确地模型，一套固定PID参数在这种情况下无法满足设计要求。所以本系统采用模糊自适应整定PID控制算法进行控制。应用模糊控制的最大的优势是不依赖被控对象的精确模型，并且能克服非线性凶素的影响，达到很好的控制效果。4.4.1 自适应模糊PID控制器设计 本设计的模糊推理思想是：根据不同时刻的误差值e和误差变化率值e，对PI控制器的参数KP、 KI和KD进行在线整定。其原理结构由两个部分组成即常规PID控制器部分和模糊控制的参数校正部分。原理框图如图4.8 所示。 图4.8 自整定模糊PID控制器原理框图由原理框图可知，给定量是k时刻应达到的温度值，即设定的该段温度值，c(k)是k时刻实际测量温度值，e(k)是k时刻输入误差信号，其PID控制器离散表现形式： 4-1针对电阻炉温度控制，将采样得到的温度信号与系统的温度设定值进行比较，得到温度误差e、温度误差变化ec，根据电阻炉温度变化实际情况参考上一章的模糊自整定PID控制器设计方法，将它们变化到模糊论域。温度误差e、温度误差变化ec和KP、 KI、KD的修正系数的模糊子集为e=ec负大、负中、负小、零、正小、正中、正大NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PBKP=KI =KD = 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB并将温度误差e、温度误差变化ec的大小量化为13个等级，分别表示为-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，则论域E和EC为E=EC=-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6将KP、KI、KD的大小量化为11个等级，KP的论域为-1.5，-1.25，-1.0，-0.75，-0.5，0.25，0，0.25，0.5，0.75，1.0，1.25，1.5。KI、KD的论域为-0.3，0.25，0.2，0.15，0.10，0.05，0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.3。上述变量的隶属函数曲线图如图4.9如示，隶属度函数按三角分布，三角函数解析式如4-2公式。图4.9 隶属函数曲线 4-2模糊变量E、EC的赋值表如下表所示。表4.1 模糊变量E、EC的赋值表图4.10 模糊变量KP的赋值图4.11 模糊变量KI、KD的赋值PID参数的整定需要考虑在不同时刻3个参数的作用以及相互之间的关系。对于脉冲热压加热温度的控制，由PID控制器3个参数的控制特点，被控过程对参数的自整定要求建立模糊控制规则表。4.4.2 模糊控制规则表的建立 (1) Kp控制规则设计在PID控制器中，Kp值的选取决定于系统的响应速度。增大Kp能提高响应速度，减小稳态误差；但是，Kp值过大会产生较大的超调，甚至使系统不稳定减小Kp可以减小超调，提高稳定性，但Kp过小会减慢响应速度，延长调节时间。因此，调节初期应适当取较大的Kp值以提高响应速度，而在调节中期，Kp则取较小值，以使系统具有较小的超调并保证一定的响应速度；而在调节过程后期再将Kp值调到较大值来减小静差，提高控制精度。Kp的控制规则如表4.2所列。表4.2 Kp的控制规则（2） Ki控制规则设计在系统控制中，积分控制主要是用来消除系统的稳态误差。由于某些原因(如饱和非线性等)，积分过程有可能在调节过程的初期产生积分饱和，从而引起调节过程的较大超调。因此，在调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一些，甚至可以取零；而在调节中期，为了避免影响稳定性，其积分作用应该比较适中；最后在过程的后期，则应增强积分作用，以减小调节静差。依据以上分析，制定的Ki控制规则表如表4.3所列。表4.3 Ki的模糊规则表(3) Kd控制规则设计微分环节的调整主要是针对大惯性过程引入的，微分环节系数的作用在于改变系统的动态特性。系统的微分环节系数能反映信号变化的趋势，并能在偏差信号变化太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快响应速度，减少调整时间，消除振荡最终改变系统的动态性能。因此，Kd值的选取对调节动态特性影响很大。Kd值过大，调节过程制动就会超前，致使调节时间过长；Kd值过小，调节过程制动就会落后，从而导致超调增加。根据实际过程经验，在调节初期，应加大微分作用，这样可得到较小甚至避免超调；而在中期，由于调节特性对Kd值的变化比较敏感，因此，Kd值应适当小一些并应保持固定不变；然后在调节后期，Kd值应减小，以减小被控过程的制动作用，进而补偿在调节过程初期由于Kd值较大所造成的调节过程的时间延长。依据以上分析，制定的Kd控制规则表如表4.4所列。表4.4 Kd的模糊规则表4.4.3 逆模糊化处理及输出量的计算对经过模糊控制规则表求得的Kp、Ki、Kd采用重心法进行逆模糊化处理(重心法在此就不做详细介绍)的公式如下： 4-3式中，u(k)为k采样周期时的输出，e(k)为k采样周期时的偏差，T为采样周期，通过输出u(k)乘以相应的比例因子Ku就可得出精确的输出量u。其公式如下： 4-44.4.4 模糊PID流程框图图4.12 模糊PID控制加热流程图4.5 抗干扰措施在实际的生产中，由于系统运行的外界环境条件和系统内部自身产生的故障，如环境温度的异常、电磁干扰、机械的冲击和振动、元器件的失效、短路等等，微机控制系统能否在工业现场稳定可靠运行，关键在于抗干扰能力强弱。本系统为了提高系统的可靠性采用了一系列的抗干扰措施：(1)接地技术计算机控制系统恰当的接地是抑制干扰的有效措施之一，接地既可以抑制干扰，使计算机稳定可靠，又可以保护计算机机器设备和操作人员的安