（机械电子工程专业论文）玻璃雾化性能检测仪.pdf

摘要 随着对产品质量要求的日益提高，对汽车内饰产品雾化性能的要 求也更加严格，针对此问题本文设计了雾化性能测试检测仪，该检测 仪遵循d i n 7 5 2 0 1 和p v 3 0 1 5 标准的相关规定，完成雾度特性的测试。 在本设计中，针对系统的总体结构、软件及硬件设计等关键问题 进行了探讨。根据实际需要，采用8 位单片机与1 4 位a d 转换器相结 合构成温度采样系统，提高了系统的性价比。在对系统的p i d 实现中， 采用了模糊自整定p i d 控制系统，结合了常规p i d 和模糊控制的优点， 实现了对p i d 控制参数的在线调整。通过在m a t l a b 环境下进行仿真， 说明模糊自整定p i d 控制器控制精度高，对受控对象模型的适应能力 更强，计算量小，易于工程实现。 关键词：雾化性能p i d 温度控制仿真自整定 a b s t r a c t 霄i t hi m p r o v eg r a d u a l l yo fp r o d u c tq u a l i t yr e q u i r e m e n t ，t h e r e q u e s to ff o g g i n gc h a r a c t e r i s t i ct oa u t oi n t e r i o ro r n a m e n t s p a r t s i sa l s os t r i c t a i m st ot h i sp r o b l e m ，at e s t i n gi n s t r u m e n t o fg l a s s f o g g i n gc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e nd e s i g n e di nt h i s t h e s i s ，t h et e s t e rt h a ta b i d e sb yt h ed i n 7 5 2 0 1a n dt h ep v 3 0 1 5 s t a n d a r da c c o m p l i s h sf o g g i n gc h a r a c t e r i s t i c c h e c k i n g i nt h i sd e s i g n ，s o m ek e yt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m sa r ed e e p l y d i s c u s s e d ，s u c ha st h ew h o l es t r u c t u r e s ，s o f ta n dh a r d w a r et ot h e s y s t e m t h et e m p e r a t u r e c o l l e c t i n gs y s t e mi sc o m p o s e do f8b i t s i n g l e c h i pa n d 1 6b i ta dc o n v e r t e rb a s e do na c t u a l r e q u i r e m e n t i tc a ns t i l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c ep r i c er a t eo f t h es y s t e m i nt h ep r o c e s so fm a k i n gp i dc o n t r o lr e a l i z e d ，t h e f u z z ys e l f t u n n i n gp i dc o n t r o ls y s t e mi su s e d ，i tc o m b i n e s g e n e r a lp i nc o n t r o lw i t hf u z z yc o n t r o lt h e b r ya n dr e a l i z e so n 1 i n ea di u s t m e n to fp i dc o n t r o lp a r a m e t e r s s i m u l a t i o ni nm a t l a b e n v i r o n m e n ts h o w st h a tt h ef u z z ys e l f t u n i n gp i dc o n t r o ls y s t e m h a sh i g ha c c u r a c y t h eb e t t e ra b i l i t yo fa d a p t i o nt ot h e c o n t r o l l e do b j e c t sm o d e l ，s m a l lc a l c u l a t i o n ，a n dr e a l i z a t i o n e a s il yc o m p a r et ot h eg e n e r a lp i dc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：f o g g i n g c h a r a c t e r i s t i c sp i d t e m p e r a t u r e c o n t r o l s i m u l a t i n ga d a p t i v ec o n t r o l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，玻璃雾化性能 检测仪是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 驴 作者签名：；害凋荔爱舛名月丝日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕 士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理： 大学保留并 向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子舨，允许 论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签名： 占目工日 月丝目 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 随着科技的不断发展进步，人们对生活水平的要求不断提高，对 产品的质量要求也日益提高。在汽车行业，随着非金属材料的性能及 加工工艺的日新月异，非金属材料正以前所未有的速度被应用在汽车 上。平均每辆轿车非金属材料的用量已由1 9 8 1 年的6 8 。4 公斤提高到 目前的1 5 0 1 8 0 公斤。伴随非金属材料在汽车领域应用范围的日益扩 大，也给此类材料相应性能的检测提出了要求，对汽车内饰件产品材 料的要求更加严格化。例如汽车内饰材料有毒有害物质的挥发对人体 的影响，内饰材料挥发物质在挡风玻璃上的冷凝对司机驾驶安全的影 响，塑料燃油箱的透气性，内胎、安全气囊的阻隔性，座垫、靠背等 和人体接触材料的透气透湿性对乘驾人员舒适度的影响等等，尤其是 各种以液态、膏状、粉末状以及固态为原料的汽车装饰材料( 如工程 塑料、纺织品、皮革、无纺布等) 以及安装这些材料所用的各种粘合 剂中的易挥发成分会蒸发出来，这些物质和汽化出的物质在玻璃板上 形成冷凝现象，特别是在车窗及挡风玻璃上，影响司机视线，严重影 响行车安全。 针对这些问题，相应的检测方法、检测标准、检测仪器也相继推 出和不断完善，国内部分汽车及内饰件生产企业为了提高产品品质， 开拓海外市场，也对此予以了足够重视。因此，市质量检验院研发雾 化性能检测仪以完成汽车内饰产品的雾度特性测试，为汽车行业的发 展起到推进作用。 1 2 国内外研究现状 目前，国外已有这方面的检测要求，遵循的标准为d i n7 5 2 0 1 、i s o 6 4 5 2 、s a ej 1 7 5 5 等。目前对于雾化度常用的三种测量方法如下： 光泽度法：试样在起雾杯中被加热所蒸发出的气体冷凝在低温玻 璃板上，通过对玻璃板冷凝前后的光泽度值进行对比并计算，可得出 试样的成雾值。 雾度法：试样在起雾杯中被加热所蒸发出的气体冷凝在低温玻璃 板上，通过对玻璃板冷凝前后的雾度值进行对比并计算，可得出试样 的成雾值。 重量法：试样在起雾杯中被加热所蒸发出的气体冷凝在低温铝箔 上，通过称量铝箔冷凝前后的重量变化，可得出试样雾化一凝结物的 重量。 另外，通过试验得出的“成雾值”或“雾化”凝结物的质量还能 定量得出该试样有毒、有害物质的挥发量；通过对车前灯雾化值的测 试，能够评价雾化现象对车前灯照明度的影响程度。对于目前汽车非 金材料的检测己有所发展，如汽车塑料油箱透气性能的检测；汽车座 椅材料透气度及透湿性的检铡；汽车内胎及安全气囊的气体阻隔性检 测等等。 1 3 本文的主要工作内容 根据课题背景要求，在此测试仪设计中，需要从控制理论、硬件 电路实现、计算机控制等几个方面进行考虑。在进行温度控制方面的 设计中，考虑到p i d 控制在工程领域的普遍适用性，无须知道被控制 对象精确的数学模型，其控制鲁棒性强等特点，本文在对系统的设计 过程中，首先进行了此系统的p i d 实现，得出实验数据和曲线，针对 调度中所使用的被控对象缩比模型与实际的被控对象相比还需要有进 一步完善之处，并根据系统的时滞特性和系统参数的时变特性，考虑 采用更现代的控制方法( 模糊自整定控制) ，通过仿真验证其控制效果 与p i d 比较可得到进一步改善，实现后有一定的应用价值。 2 第二章系统设计 2 1 玻璃雾化性能检测仪总体设计 2 1 1 系统结构说明 该测试仪用于测试汽车内饰产品的雾度特性，要求功能齐全、操 作简单、自动化程度高、安全性好。满足以下要求： ( 1 ) 雾化测试仪完成汽车内饰产品的雾度特性测试； ( z ) 制冷循环器完成玻璃样品的冷却： ( 3 ) 智能光泽度仪及光电雾度仪完成玻璃样品反射率和雾度测 试； ( 4 ) 电子天平完成雾度特性称重法测试； ( 5 ) 电子防潮箱玻璃器具的保存： ( 6 ) 齐全的雾度特性测试用工装工具。 该测试系统主要包括雾化测试仪、匍冷循环器、反射率测试仪、 光电雾度仪及测试用配套工装。雾化性能检测仪按p v 3 0 1 5 和d i n 7 5 2 0 1 标准相关规定完成以上内容。 图2 1 雾化性能检测仪系统结构简图 2 1 2 雾化测试仪总体设计方案 雾化测试仪主要由恒温槽、温控系统、加热器、搅拌器、雾化用 烧杯、冷却板( 水循环) 、玻璃板、烧杯升降机构等组成。玻璃雾化性 能检测仪是按d i n 7 5 2 0 1 标准将试样放到起雾杯内，将起雾杯放到试验 温度为( 1 0 0 0 5 ) 的槽液恒温箱中3 个小时或1 6 小时( 铝铂上产 生冷凝情况下) 加热。试样开始挥发，挥发气体在已经被冷却降温的 玻璃板或铝铂上冷凝。冷凝过程结束后，取下玻璃板或铝铂，通过光 电雾度仪和天平等仪器对玻璃板或铝铂的冷凝成分的雾化值或重量测 量，并和未冷凝前的数据相对比，从而得出试样的雾化挥发特性。 图2 2 雾化测试仪及恒温槽结构图 雾化测试用恒温槽系统采用法国进口的丹佛斯压缩机，制冷效率 高、噪声低；温控系统采用p i d 自整定控制，进口铂电阻( p t l 0 0 ) 测 温，控温精度高，波动度小；采用内循环方式；用s v s 3 0 4 不锈钢制造； 冷却板采用水冷式，用l y l 2 硬铝制造，表面研磨并硬化处理；玻璃板 采用k 9 光学玻璃制造，根据不同测试需要分别镀多层反射膜和增透膜。 其表面采用超精磨加工表面。消除多点测量时由于玻璃平面度误差对 反射率测量精度的影响：设置烧杯整体升降机构提高操作的自动化程 度，减少劳动量，增强安全操作性能。在此玻璃雾化性能检测仪中有 两个恒温槽，一个是用于冷却板制冷循环系统的低温恒温槽，一个是 用于雾化测试仪上的高温恒温槽。低温恒温槽为冷却循环系统中的冷 却板进行水冷式冷却保持恒定低温，采用外循环方式，高温恒温槽用 于对雾化测试仪上的起雾杯进行3 个小时或1 6 d , 时( 铝铂上产生冷凝情 况下) 的恒温加热，采用内循环方式。当雾化性能检测仪中的起雾杯 在高温恒温槽中的加热完成后，通过循环系统的低温恒温槽中的冷却 液对玻璃板进行水冷却，取下试样进行干燥。两个恒温槽都由微机控 4 温，其温度变化由微机显示并及时反馈。 2 2 雾化测试仪的温度控制方案 p i d 控制器结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作，是迄今 为止最通用的控制方法，p i d 控制器及其改进型是在工业过程控制中最 常见的控制器。尽管自1 9 4 0 年以来，许多先进控制方法不断推出，但 p i d 控制器仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程 控制中。目前，在工程控制中p i d 仍然是主要的控制方法。 传统的p i d 控制器有许多不完善的地方。其中，最主要的问题就 是p i d 控制器参数的整定问题。p i d 控制器参数整定，就是指在控制器 的形式己经确定的情况下，通过调整控制器参数，达到要求的控制目 标。 到目前为止，国内外对p i i ) 控制器参数整定方法的研究已有几十 年的历史，提出的方法多种多样，归纳起来大致有以下几类：基于被控 过程对象参数辨识的整定方法；基于抽取对象输出响应特征参数的整 定方法以及基于模式识别的专家系统整定方法以及目前发展很快的基 于控制器自身控制行为( 以偏差、偏差变化率表征) 的控制器参数在 线整定方法等等。 模糊控制是七十年代发展起来的，它是模仿人的思维方式，对难 以建立精确数学模型的对象实施控制。它是模糊数学同控制理论相结 合的产物，模糊控制的突出特点在于：控制系统的设计不要求知道被控 对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数 据。适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统，目前 在温度控制系统中应用较多。但是，模糊控制容易发生出现振荡现象。 专家控制方法利用过程工程师的经验制定规则，根据规则来对被控对 象进行控制，在专家控制系统中规则的制定最重要，直接影响控制效 果。 综上所述，即使是整定很好的p i d 参数值，系统响应的快速性与 超调量之间也存在矛盾，两者不可能同时达到最优，且系统在跟踪设 定值与抑制扰动方面对控制参数的要求也是矛盾的。因此，雾化性能 检测仪的温控系统采取对传统p i d 控制器的改进基础上，获得p i d 控 制参数的初整定值。用模糊控制理论对p i d 进行自整定，从而获得良 好的控制效果，以适应控制系统的要求。 第三章控制系统设计 3 1 控制系统硬件结构设计 目前控制系统普遍采用单片微处理器来实现设备的智能化。单片 微机的体积小、运算速度侠、具有一定的运算精度等优点，适合作为 现场控制器使用。 在工业过程控制中，目前应用较广的单片微处理器8 位机有i n t e l m c s 一5 1 系列、p l c 系列等，1 6 位机有m c s c 1 9 6 系列等。在本系统中， 8 位单片微处理器就能满足系统的需求，目前的8 位单片枫中，以i n t e l m c s 一5 1 单片机的品种最多，接口芯片以及应用软件都非常丰富。 在选择m c s 一5 1 芯片时，尽可能地选用集成度高的微处理器。a t m e l 公司推出的a t 8 9 系列的单片机以8 0 c 5 1 5 2 为内核，将f l a s h 与单片 微处理器集成在- 二起，这样在使用时可以省去外接的程序存储器，减 少了元器件的数量，提高了整机的可靠性，指令与i n t e l8 0 5 1 5 2 完 全兼容。内部集成的f l a s h 程序存储器可以反复擦除1 0 0 0 次之多，使 用非常方便。这里选用a t 8 9 系列的a t 8 9 c 5 5 ，内置2 0 k 字节的f l a s h ， 基本能够满足系统的需要。 a t 8 9 c 5 5 单片机是美国a t m e l 公司近年推出的一种电可擦写8 位单 片机，它内部有8 k b 可反复编程的闪烁存储器，三级程序加密，并有 2 5 6 个字节8 位r a m ，3 2 位可编程i o 口，3 个1 6 位定时器计数器， 8 个中断源，1 个全双工串行i o 口，片内晶振和时钟电路。 以a t 8 9 c 5 5 单片机为核心的测量控制系统基本组成包括： ( 1 ) 单片微处理器( a t 8 9 c 5 5 ) ； ( 2 ) 程序和数据存储器( f l a s h ，e p r o m 和r a m ) ； ( 3 ) 并行i o 口： ( 4 ) 数据转换接口和相应的外围电路； ( 5 ) 人机接口( 键盘、显示器) ； ( 6 ) 通讯接口。 由以上部分构成的单片机控制系统如图3 1 所示： 6 1 止引竺型j 竺：r 睦竺! 卜 单片机 叫竺h 竺! h 憾喜篙卜 - 嗣 l 数据存储器i r i 图3 1 单片机控制器系统原理图 3 2 温度测量电路 3 2 1 温度传感器的选择 国标实用温标i p i s 一6 8 规定，在一2 5 9 3 4 一6 3 0 7 4 温域内， 以铂电阻温度计作为标准仪器。铂电阻易于提纯，在氧化性介质中， 在高温下其物理和化学性质都很稳定。 铂电阻温度计( p r t ) 为金属热电阻的一种，一般为正电阻系数， o 时典型阻抗数值为2 0 n 一2 0 0 0 q ，典型灵敏度数值为0 1 一 0 6 6 c ，有很好的重现性，在较宽范围内具有良好的线性。铂热电 阻由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成。 铂电阻是用很细的铂丝绕在云母支架做成的，常用的w 2 b 型铂电 阻是由直径为0 0 3 o 0 7 咖的铂丝绕在云母片上制成的平板形支架 上，铂丝绕阻的线端与银丝引出线相焊，并穿以瓷套管加以绝缘保护。 在o 一6 3 0 。7 4 。c 范围内铂电阻与温度的关系可以精确的用下式表 示： r ，t = r 。0 ( 1 + a t + b t 2 + c t 3 )( 3 1 ) 式中a 为常数，a = 3 9 6 8 4 7x1 0 3 ( 1 ) ；b 为常数， b = 一5 8 4 7 x 1 0 7 ( 1 ) ；c 为常数，c 一4 2 2x1 0 1 2 ( 1 ) 。 3 2 2 温度检测电路 温度测量电路如图3 2 所示。温度传感器用铂电阻r t ( 温度系数 约为+ o 4 q ) ，器件u 5 a ( 运算放大器) 为恒流电路，使流过铂电 阻电流为2 o o m a 。u 5 a 的输出通过器件u 5 b ( 运算放大器) 而进一步放 大，经适当偏置后，使o 时u 5 b 的输出v t 能直接通过模数转换器而 测量，若要求温控精度为0 2 ，则温度测量的分辨率当在o 0 2 ， 7 对于o - 3 0 0 。c 的温度范围，要求模数转换器的分辨率应达到1 1 6 3 8 4 以 上。采用1 4 位a d 转换器，可以确保对测量精度的要求。 图3 2 温度测量电路 3 3 转换器接口电路 3 3 1 积分式a d c 的工作原理 双积分a d c 是一种间接转换式的a d 转换器。它的基本原理是把 待转换的模拟电压v 变换成与之成比例的时间间隔a t ，并在t 时间 内，以恒定频率的脉冲去记数，这样就把a t 转换成了数字n ，n 与v 也成正比，有时也称为模拟电压一时间间隔一数字量转换原理。双积分 a d c 的工作过程分为三个阶段： 第一阶段：回零阶段，这时a d c 的输出为零，时间从o - t 。 第二阶段：从t 。时刻开始，积分器对输入电压v i 进行积分，积分 时间固定为t1 ，在t ：时刻结束采样，积分器输出电压为 比= 一去卜研= 一嘉巧 ( 3 2 ) 式中可= 彳1 愀为被测电压在t ，时间内的平均值。 1 lt l 第三阶段：积分器进行反向积分阶段。当积分器的输出回到0 时， 比较器的输出发生跳变，此时有 疋：拿巧 。厨。 e r 一基准电压 由于t ，和e r 都是恒定值，故比较周期正比于被测模拟电压得平均 值。从而可在比较周期内对时钟脉冲进行记数，其记数值就等于被测 模拟电压值，实现了n o 转换。 双积分a d c 对固有周期t n 的干扰抑制比n m r r 为 n m r r = 2 0 1 9 三娑一2 0 1 9 ( s i n 乏等) ( 3 3 ) vv 该式第一项是一阶滤波器特性( 2 0 d b 十倍频程) ：第二项若取 t i t n 为整数倍就表示抑制比为无穷大。所以双积分a d c 对固有周期的 干扰抑制能力很强。对非固有周期干扰也会因积分的平均作用而减小。 3 3 2a d 转换器接口 a d 转换器按其工作原理，有比较式a d c 、积分式a d c ，一a d c 等形式。在选择a d c 时需要根据要求的测温分辨率、现场情况、要求 的转换速度、价格等因素选择合适的a d c 。 对于目前的温度测量来说，由于温度的变化是一个缓慢变化的过 程，所以不需要很高的转换速度。控制精度决定a d c 的分辨率。同时， 由于使用现场的工频干扰较为严重而热电偶的电信号是很微弱的直流 信号，所以选取一个能抑制工频干扰又具有较高分辨率的a d c 很重要。 根据以上原则，考虑选择分辨率达到1 4 位以上的双积分式a d c ， 这时不仅a d c 的分辨率能达到要求，而且能够抑制工频干扰。 目前有多种单片集成电路双积分a d 转换器，其中m c l 4 4 3 3 和 i c l 7 1 3 5 较为常见，m c l 4 4 3 3 为3 位半，其分辨率相当于l l 位二进制 数，所以m c l 4 4 3 3 的分辨率较低。i c l 7 1 3 5 为4 位半，其分辨率相当于 1 4 位二进制数。它的转换精度高，但是转换速度慢，每秒只有几次( 根 据时钟频率而定) ，这对于温度采样来说己经满足使用要求。所以，a d 转换器选择i c l 7 1 3 5 。 i c l 7 1 3 5 是姒x i m 公司生产的高精度4 k 位c m o s 双积分型a d 转换 器，提供2 0 0 0 0 的计数分辨率。具有双极性高阻抗差动输入、自动调 零、自动极性和超量程判别等功能，其输出是动态分时的b c d 码，不 仅很容易与i c m 7 2 1 l ，i c m 7 2 1 2 等l c d ，l e d 驱动芯片连接，而且提供 控制转换端和状态输出端，方便与微处理器的接口。i c l 7 1 3 5 是2 8 引 9 脚双列直插封装芯片，各引脚功能说明如图3 3 所示。 圈3 3i c l 7 1 3 5 管脚图 v + 、v 一一正、负极性工作电源输入端 a n a l o gc o m m o n 一模拟部分公共端 r e f e r e n c b 一外接参考电源输入端 i n to u t 一内部积分放大器输出端，外接积分电容 a zi n 自动调零电容接入端 b u f f 叫t 一内部缓冲放大器轴出端，外接积分电阻 r e f c a p 一、r e f c a p 十外接参考电容输入端 i nh i ，i nl o 一差动模拟信号输入高、低端 o v e r r a n g e ，u n d e r r a n g e 一过量程、欠量程输出标志 p o l 输入电压极性标志 s t r o b e 一允许输出状态端 r u n h o l d 一启动转换保持控制端 d i g i t a lg n d _ 数字地 c l o c ki n 一外接时钟输入端 b u s y - a d 转换器工作状态信号输出端 b i ，b 2 ，b 4 ，b 8 一对应位的b e d 码输出端 叭，d 2 ，d 3 ，d 4 ，d 5 一从个位到万位的b c d 码选通输出端 在i c l 7 1 3 5 与单片机系统进行连接时，如果使用i c l 7 1 3 5 的并行 采集方式，则不但要连接b c d 码数据输出线，又要连接b c d 码数据的 位驱动信号输出端，这样至少需要9 根i o 口线，因此，系统的连接 比较麻烦，且编程也非常复杂。 1 0 g e g 肼 面l 州 ， ， r a色百a d b 嘲啾丽一啪。呱耵 州吖行鲫叭钆鲫毗弛吣m腮m 卜里重呷搿俨胁耵m酡 基阡篾矾矾删叫 至2啪 b r r 0 而i c l 7 1 3 5 的串行接法是通过计脉冲数的方法来获得测量转换结 果的，由其时序分析可知，在d i n t e g r a t e ( 去积分) 时，其脉冲数与 转换结果具有一一对应关系。实际上，可以通过单片机( 例如a t m e l 公司的5 l 系列单片机a t 8 9 c 5 5 的定时器t o ( 也可以使用定时器t 1 ) 来计脉冲数。由于定时器t o 所用的c l k 频率是系统晶振频率的1 1 2 。 因此可利用单片机( a t 8 9 c 5 5 ) 的a l e 信号作为i c l 7 1 3 5 的脉冲( c l k ) 输入。为了使定时器t o 的计数脉冲和i c l 7 1 3 5 工作所需的脉冲同步， 可以将i c l 7 1 3 5 的b u s y 信号接至a t 8 9 c 5 5 的p 3 2 ( i n t o ) 引脚上，并 且将定时器t o 的选通控制信号g a t e 位置l 。此时定时器t o 是否工作 将受b u s y 信号的控制。 a t 8 9 c 5 5i c l 7 1 3 5 1 22 1 i n t 0b u s y 3 0 2 2 a l e 分 c l o c k 频 围3 4i c l 7 1 3 5 与单片机的接口电路 3 3 3d a 转换器 d a 转换器选择指标与a d 转换器类同。在选择d a c 时需要考虑与 触发模块的匹配。该触发模块的输入电压为0 5 v ；选择输出电压在o - 5 v 的1 2 位d a c 即可。 d a c 选用m a x i m 公司的m x 7 5 4 8 。该芯片是1 2 位d a c ，与单片机的 接口为并行接口，较为方便。 3 4 键盘与显示器接口 3 4 1 键盘接口 系统的所有的设置以及曲线的输入都需要由键盘输入。为了节省 单片机的i 0 口线，键盘采用中断的方式，由硬件对键值进行编码。 当有键按下时，向单片机申请中断，去抖动由r c 滤波器来完成。省去 单片机扫描键盘的过程。原理图如图3 5 所示。 图3 5 键盘接口电路原理图 3 4 2 显示器接口 液晶显示模块由于具有功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便 等优点，正在各类测量及控制仪表中被极广泛地推广和应用。字符型 液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号等点阵式液晶显示 模块。液晶显示器的显示界面能够显示的信息量大、直观，方便现场 操作人员使用。 显示器采用以h d 4 4 7 8 0 为核心的点阵字符液晶显示模块，模块与 单片机的接口设计简单。h d 4 4 7 8 0 是集驱动器与控制器于一体，专用于 字符显示的液晶显示控制驱动集成电路。它的显示缓冲区及用户自定 义的字符发生器c g r a m 全部内藏在芯片内，h d 4 4 7 8 0 具有简单而功能较 强的指令集，可实现字符移动，闪烁等显示功能。 3 5 外扩存储器和w a t c h d o g 电路 随着测量技术的发展和微处理器的广泛应用，单片机系统的电路 越来越复杂，而系统的可靠性问题也越来越突出，一般的单片机系统 在工业现场等恶劣的环境下容易死机，要求系统在这些场合可靠稳定 的工作，就必须外加监视电路。在传统的电路设计中，般采用看门 狗监控电路和非易失性存储器e e p r o m 电路来保护系统可靠的工作，这 样成本较高，电路空间较大，接口较复杂。x 5 0 4 5 是美国x i c o r 公司生 产的集看门狗、电压监控和串行e e p r o m 三项功能于一体的专用集成芯 片。该芯片的应用将有利于简化单片机系统的结构，减少对电路板的 空间需求，可缩小体积、增强功能、降低系统的成本，尤其是大大的 增加了系统的可靠性。微处理器监控采用x i c o r 的x 5 0 4 5 ，该芯片集成 了5 1 2 字节的e 2p r o m 、时间可调的w a t c h d o g 电路、上电复位信号、 e 2 p r o m 内的数据写保护的功能，减少了元器件的使用数量，增加了系 统的可靠性。x 5 0 4 5 的引脚排列如图所示。 c s7 1 l s o w p v s s l5 2x 5 0 4 56 37 48 v c c 面r e s e t s c k s i 图3 7x 5 0 4 5 的引脚排列 其功能如下：c s 为片选信号；s o 为串行输出；s i 为串行输入；s c k 为串行时钟输入；w p 为e e p r o m 写保护输入；r e s e t 为复位信号输出； v s s 为地；v e t 为电源电压。 x 5 0 4 5 使用三线总线串行( s p i ) 外设接口，对芯片进行操作的所 有操作码、字节地址及写入的数据都从s i 引脚输入，写入数据在串行 时钟s c k 的上升沿被锁存；从芯片读取的数据从s o 引脚串行移出，并 在s c k 的下降沿读出数据。芯片的把关定时器和电压监视器都对单片 机提供独立的保护。当电源电压降到4 5v 以下时，r e s e t 引脚立即自 动产生高电平复位信号，并一直保持到电源电压恢复正常；当系统上 电或掉电时，r e s e t 引脚也自动产生一个高电平复位信号：当系统发生 故障时，只要把定时器达到其可编程的超时极限，r e s e t 引脚立即自动 产生一个持续2 0 0m s 的高电平复位信号。这样，就可有效地防止死机、 数据误写及误操作等故障的发生。 x 5 0 4 5 芯片内部有2 k 8 位的串行e e p r o m ，可以擦写l o 万次以上， 内部数据可以保存i 0 0 年以上。应用时可以通过编程对指定的块进行 锁定，以防止由于误操作等原因破坏保存的数据。c p u 每隔一段时间( 可 编程设定) 向x 5 0 4 5 发一个触发信号，否则它将使系统复位，以保证 系统不死机。由于x 5 0 4 5 集成了3 项功能，因而在对单片机进行监控 时，接线就变得很简单了。在所设计的温度控制中a t 8 9 c 5 5 与x 5 0 4 5 的接口如图3 8 所示。 1 - 4 0 + 5 v 。一 3 1 。 嚣 ， r e s e rv c c 胁 1 9 耵 l l 赃s e t = x 1 2 l 1 1 2 姐z p 20 c s 1 8z 2 2 胛 舢p 2 1 s 0 2 36 2 0 p 袅2 s a 【 2 45 蚰3 s i m a t 8 9 c 5 5 图3 8a t 8 9 c 5 5 与x 5 0 4 5 的硬件接口电路 3 6 通讯接口电路 m c s 一5 1 内部有一个可编程的全双工串行接口，利用它和台式计算 机组成一个集散控制系统，解决由于m c s - 5 1 的内存容量有限( 2 5 6 字 节) ，无法使用计算复杂的控制算法的问题。又能将现场的所有控制器 统一管理起来。 m c s 一5 1 内部的可编程的全双工串行接口，对外有两条独立的收发 信号线，可以接收和发送数据，接收和发送电平为t t l 电平。利用m c s 一5 1 内部的串行接口可以与其他计算机之间方便地交换数据。 目前，广泛使用的串行数据接口标准有r s 一2 3 2 ，r s 一4 2 2 与r s 一4 8 5 三种： ( 1 ) r s 一2 3 2 是为点对点( 即只用一对收、发设备) 通讯而设计的， 其传送距离最大为约1 5 米，最高速率为2 0 k b s ，与t t l 电平不兼容故 需使用电平转换电路方能与t t l 电路连接。而且其共模抑制能力差， 不适合在工业现场使用； ( 2 ) r s 一4 2 2 将传输速率提高到l o m b s ，传输距离延长到1 2 1 9 米 ( 速率低于l o o k b s 时) ，并允许在一条平衡总线上连接最多1 0 个接 收器，是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范； ( 3 ) r s 一4 8 5 是从r s 一4 2 2 基础上发展而来的，其电气规定与r s - 4 2 2 相仿。r s 一4 8 5 接口在总线上允许连接多达1 2 8 个收发器。即具有多站 能力，这样用户可以利用单一的r s - 4 8 5 接口方便地建立起设备网络， 最大传输距离约为1 2 1 9 米。r s 一4 8 5 接口具有良好的抗噪声干扰性，长 的传输距离和多站能力等优点就使其成为在工业现场使用的首选串行 1 4 接口。 综上所述，在本系统中采用符合r s 一2 3 2 通讯协议的接口芯片比较 合适。m c s 一5 1 内部的串行口输出输入的电平为t t l 电平，必须通过符 合r s 一2 3 2 协议的芯片转换成r s - 2 3 2 电平。 第四章软件系统设计 4 。1 程序设计 单片机温度控制系统软件的执行部分主要分为采样计算过程和控 制过程两个阶段。单片机温控系统的软件主要包括以下几个部分：主 程序，键中断服务程序，采样中断程序，控制中断服务程序。 主程序进行初始化并启动i c l 7 1 3 5 采样温度，键中断服务程序处 理参数的输入、调节和温度给定值的输入，采样中断服务程序处理采 样数据并进行调节器的运算，控制中断服务程序根据调节器的输出控 制输出信号的高低电平。根据电路加温时的观察，温度值和热电偶的 测量值基本呈线性变化，因此，在程序中省去了对测量数据线性化的 部分。 ( 1 ) 主程序结构 程序初始化后等待键中断，键中断响应后即调用键中断子程序， 进行参数调节中断服务程序，处理参数的输入、调节和温度给定值的 输入。否则，到采样时间启动i c l 7 1 3 5 对温度进行采样，调用采样中 断处理程序。如温度未超限，则继续进行p i d 运算控制温度，响应温 度控制中断程序。如图4 1 所示。 ( 2 ) 键中断服务程序 键中断服务程序框图如图4 2 ，程序首先进行入栈保护，接着禁止 i n t o 中断并将输出控制信号置低，即在参数调节过程中不允许温度采 样，也不允许负载加压。然后就对六个参数分别采样，调节，处理， 显示。参数的处理即把输入的十六进制数转换为b c d 码并加以序号用 于显示。参数的取值范围都为o - 2 5 5 ，以十进制方式显示，显示格式为 ( 序号) ( 参数值) ，例如，2 0 3 4 “2 ”为序号，“0 3 4 ”为参数值。 参数调节完毕，输入温度给定值t ，并进行调节，显示和转换。给定温 度值转换是把输入的b c d 码转换为十六进制数，再转换为2 5 5 ( o ) 标 准的输入控制量。 1 6 图4 1 主程序流程图 1 7 图4 2 键中断服务程序 1 8 ( 3 ) 采样中断服务程序如图4 3 图4 3 采样子程序流程图 ( 4 ) 控制中断服务程序 控制过程就是t 1 不断定时，不断执行t 1 中断服务程序的过程。m 代表控制大周期，n 则表示由调节器计算出控制量。程序首先进行入栈 保护，然后判断( t i * c ) 定时时间是否到，若未到则重装定时器初值 并启动t 1 定时，同时退出中断服务程序；若定时时间己到，则开始判 断控制大周期t c 是否己经结束。若控制大周期t c 已结束( 即m 一0 ) ， 则屏蔽t l ，同时启动i c l 7 1 3 5 进行新一轮温度采样；若控制大周期还 未结束，则开始判断导通时间是否结束。若导通时间己结束( 即n = 0 ) ， 则置输出控制信号为低，并重新赋常数c 值，启动定时器定时，同时 退出中断服务程序；若导通时间还未结束( 即n o ) ，则置输出控制信 号为高，重新赋常数c 值，启动定时器定时，同时退出中断服务程序。 1 9 图4 4 控制中断服务程序 ( 5 ) e e p r o m 的读写程序 图4 5 写e e p r o i 程序流程图 n 图4 6 读e e p r o i 程序流程图 ( 6 ) 显示接口程序 厂开始 、 i 1 r l c d 初始化功能设 置 上 i 待显数码送数据缓 i冲区 上 l 显示指葛尹向第一 一r l 缓冲区数据转换为 la s c l i 码，送显示 j l 调整指针，指向l c d l 的第一行 j l l 缓冲区数据送l c d 第= 行显示 上 0 ) 以及一个值为1 或0 的变量b ： p i d 控制器的算法写成： u ( t ) = u ( t 一1 ) + ( d p + b * d i + d d ) ( 4 7 ) 也就是说，当偏差大于e 时，就完全取消积分。 在实践中发现，前述方法由于积分作用的或有或无，造成系统的 反应速度降低，稳定性也没有从根本上解决，所以积分作用应该随着 偏差的变化而变化，将变量b 重新定义如下： 1 0 当) | e ： b = 罂 旧l o 且e ( p 时，u ( t ) = l 1 ( t - 1 ) 。这样， 既提高了控制的稳定性，又避免了系统可能发生的振荡。 相应的控制算式为 s 裂 刮l e 气o 式中死区e 。是一个可调的参数，其具体数值可根据实际控制对象 由实验确定。若e o 值太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对 象的目的。若值太小，则系统将产生较大的滞后。 ( 3 ) 变增益p i d 控制 针对受控对象具有的非线性特点，可通过改变p i d 控制的增益来 进行补偿。通常使p i d 控制器的增益k p 随偏差e 变化，令k p = f ( e ) 代入( 4 - 4 ) 式中，可以得到变增益p i d 控制算式： 个i u ( k ) = f e ( k ) 枣 e ( k ) + e ( o 窆p ，+ 罟 p ( ) 一p ( 女一1 ) ( 4 8 ) 。7 = j，= o 。 函数f ( e ) 既可以用数学表达式给出，也可以用数据表格形式给出。 在用程序实现变增益p i d 控制时，可把f i e ( k ) 看成一个与k p 为1 的 基本f i d 控制器相串联的环节。 4 2 4p l d 控割器参数的整定 数字p i d 控制算法与一般的采样控制不同，它是一种准连续过程 控制，建立在计算机对连续p i d 控制进行数字仿真的基础上。这种控 制方式要求采样周期与系统的时间常数比很小。采样周期越小，数字 仿真越精确，控制效果也就越接近于连续控制。但采样周期的选择受 到多方面因素影响。 采样周期t 的选择： ( 1 ) 必须满足采样定理的要求。从信号的保真度来看，采样周期 必须满足( s h a n n o n ) 采样定理，即采样角频率甜。知一，出。是被 采样信号的最高角频率，因为。= 2 ，r t ，所以，可以确定采样周期的 上限值r 万国“； ( 2 ) 从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短。 这样，给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致于在随动 控制中产生大的延迟。此外短的采样周期可以使扰动迅速地锝到校正 并产生较小的最大误差； ( 3 ) 从执行机构的类型来看，当执行机构动作惯性大时，t 应取 大些，否则执行机构来不及反应控制器输出值的变化； ( 4 ) 从被控对象的特性，快速系统的t 应取小些，反之，t 可取 大些： ( 5 ) 从微机的工作量和调节回路的控制算法来看，使其有足够的 执行时间，一般要求采样周期大些； ( 6 ) 从计算机精确执行控制算法来看，t 应选大些。因为计算机 字长有限。t 过小，偏差值e ( k ) 可能很小，甚至为o ，调节作用减弱， 各微分、积分作用不明显。 从以h 分析可以看出，各方面因素对采样周期的要求是不相同的， 甚至是相互矛盾的。因此必须根据具体情况和主要要求做出折中选择a 在温控系统中，采样周期t 的经验值取为1 5 s 一2 0 s 。 4 2 5 数字p i d 算法参数的调节 p i d 参数整定的方法有很多，当被控对象的数学模型( 即传递函数) 己知时，根据系统对静差和动态特性的要求，用自控原理和计算机控 制中的方法，就能通过理论计算对p i d 参数值进行较精确的整定。但 是，在被控对象的数学模型未知，或被控对象的数学模型很难建立的 情况下，用理论计算的方法就很难对p i d 参数进行整定。这时，常常 采用工程近似的方法进行参数整定，这些方法是基于对被控对象的动 态特性的某种简化和假设而得到的，整定的参数近似于最优而不是最 优。模拟p i d 控制器，经过多年的应用和发展，在理论与经验相结合 的基础上己形成一些有效的p i d 参数整定方法，比如经验法、衰减曲 线法、临界比例度法和响应馥线法。按照模拟一离散方法设计的数字p i d 控制器要求采样周期t 足够小，比对象的时间常数小得多。这样的数 字控制器与模拟p i d 调节器的性能很相近。因此，可以模仿模拟p i d 调 节器的参数整定方法对数字p i d 控制器的参数进行整定。数字p i d 控 制器的常用参数整定方法就是在模拟p i d 调节器参数整定方法的基础 上扩展来的。最常用的方法是扩充的l 临界比例法、扩充的响应曲线法 和凑试法。 ( 1 ) 扩充的临界比例度法： 这种方法不需单独求出被控对象的响应曲线，而是直接在计算机 控制下的闭环反馈系统中进行整定。 整定的步骤如下： 选择一个足够短的采样周期t m j 。( 即t 。i 。小于对象纯滞后时间 的1 1 0 ) ： 求取临界比例系数k 和临界振荡周期t