（车辆工程专业论文）热处理过程控制小型集散系统的研究与实现.pdf

东南大学硕士学位论文 论文题目：热处理过程控制小型集散系统的研究与实现 作者：李岩岩硕士研究生东南大学机械工程系 指导教师：任祖平教授东南大学机械工程系 摘要 论文结合东南大学工业发展与培训中心热处理设备改造项目，讨论了单片机在电加热炉温度控 制系统中的应用。 论文中详细介绍了单片机温度控制系统硬件电路的设计原理和软件的编写、调试过程。为了保 证控制的精确，本文还对热电偶的冷端补偿技术以及温度电压信号的转换技术作了进一步的探讨， 并提出了用集成温度传感器a d 5 9 0 对热电偶进行冷端补偿的方法，设计了多区间线性拟合修正程序 对电压信号进行非线性校正。 此外，论文还分析了实验电加热炉炉温的动态特性，综述了电加热炉温控制系统中所使用的各 种控制策略以及它们的优、缺点。通过调节p i d 参数控制温度的过程，研究了增量式p i d 算式中的 三种控制规律：比例控制规律，积分控制规律，微分控制规律在温度控制过程中所起的不同作用。 在此基础上，分别讨论了积分分离的p i d 控制算法和积分分段的p i d 控制算法，并用积分分段的p i d 控制算法对系统温度进行调节。用m a t l a b 软件对整个系统模型进行了仿真分析，仿真效果表明系统具 有蘸好的动态和稳态性能。 最后，针对控制器的运行环境，论文就现场干扰的形式和抗干扰的对策进行了分析，确保系统可靠 运行。 关键词：单片机、积分分段p i d 算法、冷端补偿、非线性校正、抗干扰 束南大学硕士学位论文 r e s e a r c h & r e a l i z a t i o no fh e a t t r e a t m e n t p r o c e s s i n gd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m b y l iy a h y a h d e p t o f m e e h a n i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y s u p e r v i s e db y p e n z u - p i n gd e p t o f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no f t h e s i n g l ec h i pc o m p u t e r i nt h eh i g h - t e m p e r a t u r e r e s i s t a n c es t o v ec o n t r o ls y s t e mi nt h ec e n t e rf o ri n t e g r a t e de n g i n e e r i n g t h ed e s i g n i n go ft h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h ee d i t i n ga n dt h ed e b u g g i n go ft h ew h o l es o f t w a r ei nt h e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m i s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r i no r d e rt o e n s u r et h ec o n t r o la c c u r a c ni ta l s o d i s c u s s e st h ec o l dj u n c t i o nc o m p e n s a t i o no ft h et h e r m o c o u p l e ，a n dt h en o n - l i n e a rc o r r e c t i o na l s ob e r e s e a r c h e d ，a n dt h i sp a p e rp u tf o r w a r dac o l dj u n c t i o nc o m p e n s a t i o nm e t h o d u s et h ei n t e g r a t e dt e m p e r a t u r e s e n s o ra d 5 9 0a n dam u t t s e g m e n tn o n - l i n e a rc o r r e c t i o nm e t h o d f u r t h e r m o r e ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r i ch e a t i n gf u r n a c ei sa n a l y z e di nt h i sp a p e r ，i t s u m m a r i z e st h et h e o r yw h i c hi sa p p l i e di nt h ee l e c t r i ch e a t i n gf u m a c ea n dd i s c u s s e st h e i ra d v a n t a g e sa n d d e f e c t s t h e n ，i ts t u d i e dt h ed i f f e r e n tc o n t r o le f f e c to ft h et h r e ec o n t r o lr e g u l a t i o n ：p r o p o r t i o n a lc o n t r o l ， i n t e g r a t i o nc o n t r o la n dd i f f e r e n t i a lc o n t r o li nt h ei n c r e m e n tp i da l g o r i t h m b a s e do nt h a t ，i td i s c u s s e st h e i n t e g r a t i o n d e t a c h e dp i da l g o r i t h ma n dt h ei n t e g r a t i o n - s e g m e n t e dp i da l g o r i t h m ，a n df i n a l l ya p p l yt h e i n t e g r a t i o n - s e g m e n t e d p i da l g o r i t h mt ot h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m ，t h e n t h es i m u l a t i o no ft h e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi s d o n ew i t hs i m u l i n ko fm a t l a bs o f t w a r e ，a n dt h er e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e m i sg o o d f i n a l l y , a c c o r d i n g t ot h e w o r k s h o pe n v i r o n m e n t ，m a n yt e c h n i q u e s i n v o l v e r e l i a b i l i t y , f i e l d a n t i - j a m m i n g a r ed i s c u s s e dt o e n s u r et h ec o n t r o l l e rr a n f i r m l y u n d e rt h e c o m p l i c a t e d i n d u s t r i a l e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：s i n g l ec h i pc o m p u t e r , i n t e g r a t i o n - s e g m e n t e dp i da l g o r i t h m ，c o l dj u n c t i o nc o m p e n s a t i o n n o n l i n e a rc o r r e c t i o n ，a n t i - j a m m i n g i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致 身 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 7 卜山叫 研究生签名：蔓丕五日期：乏1 2 兰13 ，2 口 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 木由勺 研究生签名：孟乏丕 导师签名： 日期：z o o 争, 3 、功 东南大学硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 1 绪论 热处理电加热炉是工业炉的一种，广泛地应用于冶金、机械等行业，在工业生产及科学实验中 常作为机械零件及试样进行热处理过程的加热设备。工件的热处理是在热处理炉中对工件在固态f 进, 1 7 自n 热、保温和冷却，其目的不是改变工件的外形和尺寸，而是改变其内部的结晶组织结构，从 而达到改善其性能的工艺。由于在冶金和机械等行业的加工过程中，工件的热处理往往是最后一道 工序，所以工件在热处理过程中，对其加热速度、加热温度及加热的均匀性有比较严格的要求。操 作中必须准确符合工件的热处理工艺曲线，才能达到要求的热处理质量，保证工件使用的可靠性和 延长工件的使用寿命”j 【“。 对电加热炉炉温的一般控制方法是调节电加热炉的平均输入电压以实现对电加热炉的炉温控 制。常用的方法有两种：一种是用手动调压器：另一种方法是在主回路中采用交流继电器或可控硅 正反并联调压自动装置，并结合模拟仪表对温度进行控制，但无法实现保温阶段的自动定时，且当 热处理工艺需要一个以上保温阶段时，必须由操作人员现场调节温度的设定值，功能有限，从准确 度、控温水平及自动化程度等方面均难以满足现代产品生产的要求。因此，把计算机应用于温控过 程中，采用控制理论中的某种控制算法，编写控温程序，配以数模( d a ) 、模数( h d ) 转换器件，从 而取代模拟仪表，实现炉温的自动控制，使得操作者能够从控制过程中解放出来，并提高控温的精 度，这无疑具有重要的现实意义”。 1 2 计算机在热处理炉炉温控制中的应用 以前，人们是通过模拟仪表对炉温进行控制，采用人工手动操作，依据个人的工作经验和控制 系统返回的数据来调节相应的设备，控制效果不太理想，生产也不稳定。到了5 0 年代，随着计算机 的出现，人们开始在工厂、实验室或其它测试环境中用计算机进行数据采集和处理。此时的计算机 只起到“离线”的应用，且计算机与过程装置之间没有任何物理上的连接。随着计算机技术的进一 步发展，提供了计算机与过程装置之间的接口，人们开始用直接连接方法，使计算机与变送器和执 行部件之间的信号双向传递无需人工干涉。1 9 6 2 年，英国帝国工业公司安装了f e r r a n t ia r g u s 计算机 控制系统，替代全部模拟控制仪表，即模拟技术由数字技术代替，而系统功能保持不变，计算机控 制系统应用真正开始，经历多年研究和改进，到7 0 年代中期进入了集散控制系统的发展时期，炉温 控制也随之进步，方式不断更新，算法也不断深入，技术日益成熟”】。 一般来说，计算机对炉温控制大致采用以f 四种方式i ) j ： 1 计算机采集和处理系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 萄 _ 一童蓟遁互h 1 撵r 蔫! = 图1 - 1 计算机采集处理系统结构图 一掣 羼 一 声一引引j 东南大学硕士学位论文 计算机采集和处理系统是以计算机为核心对生产过程进行智能化，全工况开环监视系统。其主 要功能包括：信息输入，信息处理，报警处理，人机联系与信息输出等。其系统构成如图1 1 所示。 计算机系统对生产过程的温度参数进行采集，并对信号进行转换，计算机对内部信息进行定期计算 和处理。 2 直接数字控制系统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) 直接数字控制由计算机直接对生产过程进行控制，计算机取代模拟调节器作为生产过程控制装 置，计算机按控制规律进行数值计算，并经过输出通道( d a ) 直接控制生产过程。直接数字控制系统 实质上是单回路或多回路的数字调节装置，它以工控机为核心，加上过程输入、输出通道，与被控 对象一起构成闭环控制系统。它还具有巡回检测的全部功能，可以显示参数值，打印报表，并能进 行越限报警和故障自诊。( 如图卜2 所示) 图l - 2 直接数字控制系统结构图 3 计算机监督控制系统( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l ，s c c ) 由计算机根据生产过程工艺参数和数学模型，计算出最佳设定值和相应的控制指令，送给模拟 调节器或d d c 计算机，由模拟调节器或d d c 计算机控制生产过程，使其处于最优工况。其系统框 图如i - 3 所示。 图1 3 计算机监督控制系统结构图 s c c 系统不仅可以进行给定值控制，同时还可以进行顺序控制，最优控制及自适应控制，它是 2 东南大学硕士学位论文 d a s 和d d c 系统的综合和笈展。s c c 系统按结构分为两种，一种是s c c 加模拟调节器，另一种是 s c c + d d c 控制系统，模拟或d d c 系统担负第一级控制功能，监督计算机作为的二级控制系统，通 过对子回路装置的切除或投入，对子回路状态及控制效果的监视，对虽佳设定值进行计算与设置， 使生产过程能在协调或最优化的程度上达到要求的性能指标。监督计算机可仅完成最优工况计算， 不直接参与过程控制，在有的系统中，它本身也具备直接数字控制功能，当监督计算机发生故障时， 直接数字控制或模拟调节器可独立完成操作，而在模拟调节器等发生故障时，则可由监督计算机执 行部分功能。 4 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 ) 集散控制即分散控制，信息集中管理的分布控制系统。它是计算机技术，控制技术，通信技术 和c r t 技术相结合的产物。集散控制是以微处理机为核心，把微型计算机，工业控制机，数据通讯 系统，显示操作装置，过程通道，模拟仪表等有机的结合起来，采用组合组装式组成系统。为每个 被控对象配备一套下位机控制设各，置于现场。用于对每个被控对象的数据采集和控制。总体配备 一台j 一控机作为上位机，置于控制室内，对现场每个被控对象进行命令下达，组织和处理数据信息， 集中管理整个系统。此种方式能够实现工程系统的最优控制，使生产过程能长期在最佳状态下进行， 且具有较高的可靠性，提高了系统的功能和效率，另外它的软件和硬件采用模块化结构，使用维护 方便，系统易开发，易扩展，有利于分批投资逐步扩展；如果采用c r t 操作站会有良好的人机交互 接口；数据的高速传输，设备、通信、配线的费用低廉。性能价格比较好。( 其系统框图见图1 - 4 ) 图1 4 集散系统控制结构图 近年来，由工控机( 或p c 机) 和多台单片机或p l c 构成的集散测控系统已广泛用于工业自动 化控制中。它既利用了单片机和p l c 价格低、功能强、可靠性高的优点，构建适宜于工业现场的监 控站或下位机，又结合p c 机丰富的软硬件资源，提供管理功能强大、人机界面友好的操作平台，实 现了信息集中管理、过程分散控制的有机结合。 从温度控制系统的发展来看，以单片机为核心构成的温度控制系统已被国内外许多公司和单位 作为研究对象，单片机温度控制装置硬件简单，软件丰富，能方便地实现现代化控制规律和多种功 能，性能优良，运行、调试都非常方便，且生产成本低，可加快生产设备的更新换代，己开始受到 重视和欢迎。加之近年来，单片机的性能不断提高，而价格却逐年降低，所以单片机温度控制装置 将具有广阔的发展和运用前景。 1 3 课题的来源 本课题来源于东南大学工业发展与培训中心热处理设备自动化改造项目的需求，该项目要求开 发出适用于热处理过程控制的小型集散系统，拟开发的控制系统上位机采用p c 机，对整个系统进 东南人学硕上学位论文 行实时监控，显示有关的各种控制参数和运行状况，并可进行温控工艺的设定，下位机采用单片机， 实现热处理炉的直接自动控制。因为上位机可远离操作现场，提高了系统的抗干扰性能，同时改善 了操作员的工作环境。 拟开发的集散控制系统框图如图1 5 所示： 图1 5 拟开发的集散控制系统框图 系统工作时，首先将预定工作的下位机及被控热处理炉上电，并分别向上位机发出一个工作信 号，然后启动各级计算机，上位机定时对下位机发出提取数据的命令，并准备接收下位机发来的数 据。下位机一方面实现与上位机之间的数据通信，一方面控制热处理炉的正常运行，当下位机接受 到上位机发出的提取数据命令后，就把采集到的热处理炉的工作情况，如温度等数据向上位机发送， 当数据发送完毕，下位机继续控制热处理炉。下位机对热处理炉工作过程的控制包括温度控制及故 障报警。而上位机一方面把接收到的数据处理并显示，另一方面等待下一个时钟中断信号的到来， 准备发出下一个提取数据的命令和接收发来的数据。 该小型集散控制系统的主要功能有： 1 ) 监测功能：对热处理炉的温度及运行状态进行检测、监视； 2 ) c r t 画面显示功能：显示热处理炉的各种控制参数和状况，实时显示温度运行曲线； 3 ) 温控工艺设定功能：可在上位机或下位机上完成温控工艺设定： 4 ) 自动控制功能：根据操作前相应的设定值，自动控制设备的正常运行； 5 ) 打印管理功能：可随时打印和保存热处理过程的原始记录，以便进行离线研究； 6 ) 报警功能：操作台以画面方式和声音方式对各种参数越限或设备状态异常进行报警。 1 4 本课题的研究任务与内容 本课题的任务是结合东南大学工业发展与培训中心热处理设备自动化改造项目的需求，设计热 处理电加热炉温度控f 目j d 型集散系统中的下位单片机温度控制器。该温度控制器应能实现热处理电 加热炉保温阶段的自动定时，并能完成热处理工艺参数的设定。 论文中结合项目需求提出了单片机温度控制器的软硬件设计思路和实现方案，通过系统辨识别 建立被控电加热炉的数学模型，对热处理炉炉温控制的算法进行研究，并用m a t l a b 软件对控制算法 进行仿真研究。 东南大学硕士学位论文 2 单片机温度控制器硬件设计 2 1 单片机温度控制系统方案 单片机温度控制系统是以a t 8 9 c 5 2 单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，对电炉 炉温进行控制的微机控制系统。其系统结构框图可表示为 f 节珊渐a 艘 补偿电潞 热处裂 a t 8 9 c 5 2 甲片机 f 睦陵妒 图2 一l 温度控制器系统结构图 系统采用单闭环形式，其基本控制原理为：将温度设定值( 即输入控制量 和温度反馈值同时送 入控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施 加到被控对象上，电炉因此达到一定的温度。输出控制量的作用是控制加在电炉上的平均电压的大 小。温度的设定值不同，或温度反馈值变化，通过调节器运算得到的控制量就不同，那么加在电炉 上的平均电压就不同，通过调节平均电压的大小使电路的温度沿一定曲线上升，最后达到稳定。 2 2a t 8 9 c 5 2 单片机简介m 8 热处理电加热炉温度系统是一个时滞性大的系统，对控制时间精度的要求不是很高，所以单片 机不需采用高速的输入、输出接口，m c s 一5 1 系列单片机在时间精度方面可以满足要求。 为了使用方便，系统要求可以进行在线改写。并能在断电情况下保存数据而不需要保护电源， 同时为了实现真正的单片控制，提高系统运行的可靠性，系统应使用尽可能少的外围扩展芯片，所 以我们要求使用的单片机具有片内电擦除可编程只读存储器e e p r o m 。另外为了以后系统升级的需要， 在设计中采用5 2 系列单片机。 基于以上原因，我们在众多的单片机类型中选取了a t m e l 公司的a t 8 9 系列单片机a t 8 9 c 5 2 。 a t 8 9 c 5 2 单片机是最新的一种低功耗、高性能内含8 k 字节闪电存储器( f l a s h m e m o r y ) 的8 位c i o s 微控制器，与工业标准m c s 一5 1 指令系列和引脚完全兼容。有超强的加密功能，其片内闪电存储器的 编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程擦除速度快，全8 k 字节编程只需3 s ，擦除时间约 用l o m s ，它的主要特点有： ( 1 ) 内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器e e p r o m ，容量8 k b ，内部数据存储器容量2 5 6 b ( 不 包括专用寄存器) ，外部数据存储器寻址空间6 4 k b ，外部程序存储器寻址空间6 4 k b ： ( 2 ) 有三个1 6 位的定时器计数器； 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 可利用两根i 0 口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程选定； ( 4 ) 内部r o m 中开辟了四个通用工作寄存器区，共3 2 个通用寄存器，以适应多种中断或子程序 嵌套的情况： ( 5 ) 内部有6 个中断源，分为二个优先级，每个中断源优先级是可编程的： ( 6 ) 堆栈位置是可编程的，堆栈深度可达1 2 8 字节： ( 7 ) 内部有一个由直接可寻址位组成的布尔处理机，在指令系统中包含了一个指令子集，专用于 对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题； ( 8 ) 8 9 c 5 2 的状态周期由振荡器2 分频后获得，作为芯片工作的基本时间单位。采用1 2 m h z 时， 8 9 c 5 2 的状态周期为( 2 1 2 ) 1 0 一= 1 6 7 n s 。 系统中所用的中断简介： 8 9 c 5 2 芯片内部有6 个中断源，在本次殴计中涉及到8 9 c 5 2 芯片的中断源有四个，分别是采样 中断i n t 0 ，外部输入中断i n t i 、定时计数器t o 和t 1 。其中外部中断i n t l 中断优先级最高，定时 计数器t o 次高，采样中断i n t o 次低，定时计数器t l 优先级最低。下匝就中断源介绍如下 ( 1 ) 关于外部中断i n t 0 与i n t l ： 外部中断的激活方式分为两种：- - 4 9 是电平激活，另一种是边缘激活。这两种方式可以靠t c o n 寄存器中的中断方式位i t l 或i t o 来控制。若i t x ：o ( x 为0 或1 ) ，则采用电平激活方式：在i n t x 引 脚上检测到低电平，将触发外部中断。若i t x = ，则采用边沿激活方式：在相继的2 个周期中，对i t x 引脚进行连续2 次采样，若第一次采样值为高，第二次为低，则t c o n 寄存器中的中断请求标志i e x 被置1 ，以请求中断。 由于外部中断引脚每个机器周期被采样一次，为确保采样由引脚t r ( x 为0 或1 ) 输入的信号 至少保持一个机器周期，如果外部中断为边缘激活方式，则引脚处的高电平和低电平值至少各保持 一个机器周期，才能确保c p u 检测到电平的跳变，而把中断请求标志i e x = l 。如果采用电平激活外 部中断方式，外部中断源应一直保持中断请求有效，直至所请求的中断得到响应时为l i = 。 ( 2 ) 关于定时计数器t l 、t 0 和t 2 8 9 c 5 2 有三个定时计数器t 0 ，t l 和t 2 ，本系统中使用了定时计数器t o 和t l 。在专用寄存器 t m o d ( 定时器方式) 中，各有一个控制位( c t ) ，分别用于控制定时计数器0 和1 是工作在定时器方 式还是计数器方式。选择定时器工作方式时计数输入信号是内部时钟，每隔机器周期使寄存器的 值增1 。每个机器周期等于1 2 个振荡器周期，故计数速率为振荡器频率的1 1 2 。当采用 2 m h z 晶振 时，计数速率为1 m h z 。当选择计数器工作方式时，计数脉冲来自相应的外部引脚t 0 或t 1 。当输入 信号产生由1 至0 的跳变时，计数寄存器( t h 0 、t l 0 或t h i 、t h o ) 的值增l 。 每个定时计数器还有4 种操作模式。 模式0 ：通过t m o d 寄存器把定b ? 计时器0 或l 置为模式0 。在这种模式下，1 6 位寄存器 t h 0 + t l i 0 只用了1 3 位，t l i o 的高三位未用。 模式1 ：定时计数器0 或1 以全1 6 位参与操作的。 模式2 ：这种模式是把定时计数器t l 0 或t l l 配置成一个可以自动重装载的8 为计数器。t l l 计 数溢出时，不仅使溢出标志t f l 置1 ，而且还自动把t h i 中的内容重装载到t l l 中。t h l 的内容可以 靠软件预置，重装载后内容不变。 模式3 ：操作模式3 对定时计数器0 和定时计数器l 是不同的。对于定时计数器1 ，设置为模 式3 将使它保持原有的计数值，其作用如同使t r i = 0 。对于定时计数器0 ，模式3 将使t l o 和t h 0 成为2 个互相独立的8 位计数器。 专用寄存器t m o d 、t c o n 用于控制和确定各定时计数器的功能和操作模式。这些寄存器的内 容靠辕件设置，系统复位时，寄存器的所有位都被清零。模式控制寄存器t m o d 用于控制定时计 数器o 或1 的操作模式，其中低4 位用于控制定时计数器t 0 ，高四位用于控制定时计数器t l ， 其各位定义如下： l g a t e l c t l m 1 l m 0 l c a t e | c t i m l l m o l t m o d 定时计数器控制寄存器 6 东南大学硕士学位论文 g a t e ：选通门。g a t e = l 时，只有i n t x ( x = o 或1 ) 的引脚为高电平且t r 0 或t r i 置1 时，相应 的定时计数器才被选通工作，这时可用于测量在丽瓦端出现的正脉冲的宽度。若g a t e = 0 ，则只要 t r 0 和t r l 置1 ，定时计数器就被选通，而不管丽霞的电平是高是低。 c t ： 计数器方式和定时器方式的选择位。c 厅= o ，设置为定时器方式，内部计数器的输入是 内部脉冲，其周期等于机器周期。c t = 1 ，设置为计数器方式，内部计数器的输入是来自t o 或t l 的外部脉冲。 m 0 和m 1 ：操作模式控制位。2 位可形成4 种编码，对于4 种操作方式。m i = m 0 = 0 ，对应于模 式0 ；m 1 = 0 ，m 0 = l ，对应于模式l ；m 1 = 1 ，m o = o ，对应于模式2 ；m i = m 0 = i ，对应于模式3 。 控制寄存器t c o n 的各位定义为： 1 t f l i t r l i t f 0 l t r 0 1 i e l i i t l 1 i e 0 i i t 0 t c o n 定时计数器控制寄存器 t f l ：定时器1 溢出标志。当定时计数器溢出时，由硬件置位，申请中断。进入中断服务后被 硬件自动清除。 t r l ：定时器1 运行控制位。靠软件置位或清除，置位时，定时计时器接通工作，清除时停止 工作。 t f 0 ：定时器0 溢出标志。其功能和操作类同于t f l 。 t r 0 ：定时器0 运行控制位。其功能和操作类同于t r i 。 i e l ：外部沿触发中断1 请求标志。检测到在i n t x 引脚上出现的外部中断信号的下降沿时，由硬 件置位，请求中断。进入中断服务后被硬件自动清除。 i t l ：外部中断1 类型控制位。靠软件来设置或清除，以控制外部中断的触发类型。i t i = i 时， 是下降沿触发，i t i = 0 时，是低电平触发。 i e 0 ：外部沿触发中断0 请求标志。其功能和操作类同于i e i 。 i t o ：外部中断0 类型控制位。其功能和操作类同于i t 0 。 2 3 温度检测及信号调理电路咖“。 温度检测电路见图2 。选用镍铬一镍硅热电偶作为温度传感器，测量温度范围0 1 2 0 0 。c ，线性 度较好，输出热电势较大。 热电偶信号由集成温度传感器a d 5 9 0 冷端补偿后，经o p 0 7 运放电路由毫伏级同相放大到 0 40 9 6 v 再经二阶有源低通滤波器进行滤波，滤去高频干扰信号后送入a d 转换器。集成温度传 感器a d 5 9 0 随温度升高以l u a 。c 增加其输出电流，由于是电流输出而不是电压输出，因此a d 5 9 0 具有很好的抗干扰抑制比，同时镍铬一镍硅热电偶随室温的升高以4 1 u v 增加输出的电压，所以 电阻r 1 取4 1q ，使冷端电位随室温以4 1 u v ，增加，实现对室温变化的补偿，校准时，将热电偶置 与冰水混合物中，调节r p 使运放输出为零即可。 热电偶 图2 - 2 温度检测电路 东南大学硕士学位论文 本测温系统中使用的是镍铬一镍硅热电偶，其测温范围为0 c 1 2 0 0 。c 在冷端温度为o 时，热 端在1 2 0 0 时对应的的热电势为4 88 2 8 m v 左右，热端为0 1 0 0 时，对应的热电势为 0 m y - 4 1 0 m v ，其每温差对应的热电势为00 4 m y 0 0 5 m v 。而系统所采用a d 转换器i c l t l 0 9 为 1 2 位，其满量程值为4 0 9 6 v ，所以其只能实现o v 40 9 6 v 范围内的a d 转换，转换分辨率为40 9 6 4 0 9 6 = 0 0 0 1 v = l m v 。所以需将热电势信号进行放大才能和a d 电路相连，否则转换精度不够，无 法准确测量。 本数据采集电路主要分两部分，一部分为为热电偶的冷端补偿电路，另一部分信号放大及相关 滤波电路。 第二部分为热电偶的冷端补偿电路，采用集成温度传感器a d 5 9 0 补偿电路。a d 5 9 0 随温度升高 以l u a 增加其输出电流，由于是电流输出而不是电压输出，因此a d 5 9 0 具有很好的抗干扰抑制 比，同时镍铬一镍硅热电偶随室温的升高以4 1 u v 9 c 增加输出的电压，所以电阻r 1 取4 1q ，使冷端 电位随室温以4 1 u v 。c 增加，实现对室温变化的补偿，校准时，将热电偶置与冰水混合物中，调节 r p 使运放输出为零即可。 信号放大及相关滤波电路将热电偶输出的微弱热电势信号进行放大及信号的滤波整形处理。本 测温系统中对信号放大倍数为： 40 9 6 1 0 3 4 8 8 2 8 = 8 3 8 8 6 信号放大电路采用由o p 0 7 运算放大器构成的同相放大电路，其放大倍数 a 。尸1 十r s p , 4 取a 。f = 8 3 ，r 4 = l k n ，代入上式计算得r 5 = 8 2k q 因电路放大倍数要求较高，极易满足自激振荡的条件，因而滤波电路显得非常重要，本系统采 用巴特沃斯二阶有源低通滤波电路。 选取该巴特沃斯二阶有源低通滤波电路的截止频率f h = l o h z ，选c 2 = l u f , 9 k ：塑：旦：5 厶c 2 1 0 x 1 查表可得c 1 = 0 3 3 c = 0 3 3 u f ， r 1 = 5 14 2 2 k n = 7 1 1 0k q ，r 2 = 5 5 3 9 9 k q = 2 6 9 9 5k q 取标称植得c t = 0 3 3 u f ，r l = 68 kq ，r 2 = 2 7 k q 2 4a d 转换电路” 在电加热炉中由于温度信号变化缓慢，所以不使用采样保持电路。a d 转换也不要求有很 快的转换速率。因此选用典型的1 2 位双积分型a d 转换器i c l 7 1 0 9 。 a d 转换芯片选用双积分式1 2 位a d 转换器1 c l 7 1 0 9 ，它具有高精度、低噪声、低漂移的特点， 数据输出为1 2 位二进制数，并有较强的接口功能，能方便地与各种微处理器相连。它的性能特点简 述如下： - 1 2 位二进制数输出，还可输出一个极性位和一个溢出位； 最大运行速度每秒转换3 0 次 三态输出与n 、l 电平兼容；并有通用异步接收发送器( u a r t ) 数据交换所需的控制信号输出， 可通过串行或并行接口与单片机或微处理机连接： 有运行保持控制信号和状态信号可供单片机监视和控制转换器的工作： 图2 - 3i c l 7 1 0 9 及其外围器件 差分输入方式，并采用差分式基准电压； 低噪声，典型值为1 5 u v p d ； 芯片内有时钟振荡器电路，可由外接晶体提供芯片各种不同时钟频率； 8 东南大学硕士学位论文 输入端有防静电的保护措施： 标准的输入满刻度电压可选为4 0 9 6 v 或4 0 96 m v ： 片内集成有稳压电路可作基准电源用。 i c l 7 1 0 9 芯片的工作原理： i c l 7 1 0 9 为1 ； ) c 积分a d 转换器，其内部电路由模拟电路和数字电路两部分组成。 模拟电路由多路模拟开关、缓冲放大器、积分器、比较器和稳压电路等部件组成。转换开始后， 根据提供的时钟频率，每8 1 9 2 个时钟脉冲为一个转换周期。每一个转换周期划分为3 个阶段：调零 阶段、积分阶段和积分输出零阶段。调零阶段至少占2 0 4 8 个时钟周期，积分阶段占2 0 4 8 个时钟周 期，积分器输出零阶段在满量程输入时占4 0 9 6 个时钟周期。 数字电路由时钟振荡器、1 2 位计数器、1 4 位三态输出锁存器、握手信号逻辑电路、转换控制逻 辑电路等组成。当r u n h o l d 引脚保持高电平时，转换器将连续地进行转换。若在r u n h o l d 引脚加一个正脉冲，则将只进行一次转换。但应注意要在上一次转换周期己结束、调零阶段已完成、 积分阶段开始前，在r u n h o l d 引脚上加正脉冲。当r u n h o l d 为低电平时，转换周期结束 后，转换结果被保持，直到保持状态结束。 i c l 7 1 0 9 外部电路的元件连接及元件参数值如图2 3 所示。 图2 3 中将i c l 7 1 0 9 工作于直接输出方式， 连续进行转换，采用中断方式，所以s t a t u s 与a t 8 9 c 5 2 单片机的i n t 0 相连，当一次转换 结束，s t a t u s 由高变低，利用s t a t u s 的下降 沿向a t 8 9 c 5 2 请求中断。由于采用了6 m h z 的 晶振，故i c l 7 1 0 9 完成一次转换所需的时间为 t = 8 1 9 2 ( 脉冲周期1 x5 8 6 m h z = 7 9 1 9 m s ，即转 换速率为1 2 6 次秒。在中断服务程序中】2 位 。 数据要分两次读出，分别用h b e n 、l b e n 控制， 9 并能同时得到极性以及溢出的标志。 i c l 7 1 0 9 的m o d e 接地，表示直接方式， c e l o a d 为输入，也接地。高字节选通和低直 接选通的控制信号h b e n 和l b e n 由a t 8 9 c 5 2 的i l l 9 信号、高位地址线p 2 6 和p 25 产生。当 图2 - 3i c l 7 1 0 9 及其外部元件电路图 高位地址码p 26 = 1 和p 2 5 = 1 时，将它们反向后，与r d 相或，分别产生i i b e n 和l b e n 以控制对 i c l 7 1 0 9 的2 次读操作。i c l 7 1 0 9 的低字节输出b 1 - b 8 接在a t 8 9 c 5 2 的分时总线p 0 ，0 - p 0 7 上；高 字节输出p o l 、o r 和p 0 0 p 0 5 上。i c l 7 1 0 9 的r u n h o l d 接高电平( + 5 v ) ，令其连续转换。 1 c l 7 1 0 9 在该系统中为存储器编址，当a t 8 9 c 5 2 对i c l 7 1 0 9 进行读数时，执行下述指令： m o v d p t r ，# 0 a 0 0 0 h m o v x a ， d p t r 读低位字节 m o v d p t r ，# 0 c 0 0 0 h m o v x a ， d p t r 6 1i c l 7 1 0 9 外部电路元件参数选择 i c l 7 1 0 9 外部电路元件的连接及元件参数值如图所示。 ( 1 ) 积分电阻r i n t 的选择 缓冲放大器和积分器能够提供2 0 u a 的推动电流，积分电阻要选得足够大，以保证在输入电压 范围内的线性。 积分电阻r i n t = 塑2 0 u a 9 查壹查兰婴主堂丝丝苎 当输入满度电压为4 0 9 6 v 时，r n = 2 0 0 k q ，此时基准电压r e f i n l 和r e f l n 之f g l n + 2 v ，由电 位器r 1 0 分压取得。如满度电压为+ 4 0 9 6 m v ，则r r n t = 2 0k q ，基准电压= 02 v 。r t 接入缓冲放大 器输出端b u f ( 3 0 脚、。 ( 2 ) 积分电容c r s t 的选择 积分电容根据积分器给出的最大输出摆幅电压选择。此电压应使积分器不饱和( 大约低于电源 o3 v ) 。对i c l 7 1 0 9 的5 v 电源，模拟公共点接地，积分器输出摆幅一般为4 - 3 5 v 至4 - 4 v 。对于不 同的时钟频率，电容值也要改变，以保持积分器输出电压的摆幅。 一 2 0 4 8 时钟周期2 0 u a 顸芬丽丽孺丽一 如图4 4 所示，电路中振荡器选择端f 即o s 端 荡器丁作，内部时钟等于5 8 分频后的振荡器频率， 应选为2 0 4 8 个时钟周期，所以： 时钟频率：6 m h z ：1 0 3 k h z 5 8 2 4 脚) 接地，则i c l 7 1 0 9 的时钟振荡器以晶体振 电路外接晶体为6 m h z ，由前面介绍，积分时间 一 2 0 4 8 1 0 3 1 0 0 0 2 0 1 0 “0 4 1 0 “ “。 积分器输出摆幅一积分器输出摆幅 为了使积分器不饱和，积分器输出摆幅最大为4 v ，所以积分电容c m t 最小为l u f 。积分电容 越大，积分器输出摆幅越小，所以，c r r r r 也不应选得过大，对于本设计c r y t 选在0l u f 到0 5 u f 之 间较为合适，故选取c r y t = o 3 3 u f 。为聚丙烯电容。 如果电路设计时选用不同的时钟频率，则积分电容c r y t 的值应根据上面的公式计算，以便选择合 适的c i n t 的值。积分电容c r m 接八积分电容连接端i n t ( 3 2 脚) 。 ( 3 ) 自动调零电容c a z 的选择 积分电容c r i e r 选定以后，自动调零电容c a z 的选择是非常容易的。在模拟输入信号较小时，例 如0 + 4 0 9 6 m v ，抑制噪声是主要的。而这时积分电阻又较小，所以，自动调零电容c “可选为比 积分电容c t n t 大一倍，以减少噤声。c a z 的值越大，噪声越小。 在本应用系统中，由传感器宋的微弱小信号都要经过运算放大器放大成较大的信号，0 - 4 0 9 6 v 。 这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容c 一选犬一些以减少复零误差，使c r n t = 2 c a z 。我们选 择c t n t = 0 3 3 u f ，所以c a z = 015 u f ( 4 ) 基准电容c r e f 的选择 一般情况下c 。e f 取值1 u f 较好。但如果存在个大的共模电压( 即基准电压低端不是模拟公共 点) ，对于模拟输入为0 + 4 0 96 m v 的情况下，要求电容值较大，以防止滚动误差，在这种情况下， 如果选c r e f = 1 0 p f 可以使滚动误差在0 5 以内。 本设计中取c r e f = 1 u f 。 2 5 单片机及系统复位电路“们”朝”明 主控部分单片机a t 8 9 c 5 2 的时钟频率采用1 2 m h z 。复位电路采用了一个x 2 5 0 4 5 芯片。x 2 5 0 4 5 为x 1 c o r 公司的可编程看门狗、监控、e e p r o m 集成芯片用于存储温度的设定值，避免掉电后丢 失数据。同时也使用了其复位及看门狗技术，提高了系统的可靠性。复位电路原理圈如图2 - 4 所示： x 2 5 0 4 5 芯片将三种常用的功能：看门狗定时器、电压监视器和e e p r o m 组合在单个8 引脚封装 的c m o s 器件内，将电源监控和看门狗功能与高速、三线、非易失性存储器组合在起，从而大大 减小系统成本