（材料学专业论文）热定型工艺的单片机控制系统设计.pdf

摘要 介绍一种热定型机的多路温度控制系统，在纺织印染工业中，后处理中的热定 型对产品质量有着重要的影响，其中温度控制是关键环节。如果温度控带i j 的不好j 将使前面的加工过程功亏一篑。由于现场的加热器是开放式的，环境干扰较大。针 对印染工业后处理工序中热定型机的温度控制，提出了多输入的模糊控制策略，模 糊控制不受模型及具体环境及系统的影响，与p i d 控制进行对比，选出满足要求、 性价比高的模糊算法。该系统采用单片机为控制中心，深入探讨了在工业环境下使 用的自动控制系统如何抗干扰问题。在硬件电路设计、布线及强、弱信号、数字、 模拟信号在电路板中分布等环节中，尽可能把干扰源与敏感元件远离。采用固态继 电器控制电源，本身带有光电隔离功能，也提高了抗干扰性。同时采用软件抗干扰 措施消除干扰，选用的有针对性的数字滤波方法，有效抑制低频干扰和随机出现的 尖脉冲干扰。从软、硬件多方探讨解决工业环境抗干扰问题。经过实际应用，表明该 设备具有多路温度设定、温度控制、实时显示、自动报警等多项功能，以期解决精 纺厂现有的热定型备在应用中出现许多问题，解决采用人工控制，既误工又容易造 成温度超限产出次品的问题。 关键词：热定型：模糊控制：多路温控：单片机控制：p i d 控制 a b s t r a c t m u l t i p l e xt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fh e a tc a s e h a r d e m dm a c h i n ew a si n t r o d u c e d h e a r tf i n a l i z et h ed e s i g ni nb a c kd i s p o s a lw a si n f l u e n t i a li nw a v ea n dp r i n t i n ga n dd y e i n g i n d u s t r y , e s p e c i a l l yt e m p e r a t u r ec o n t r o lw a sm a i n l yp a r t f r o n t a lm a c h i n i n gp r o c e s s w o u l db ew o r s ti ft e m p e r a t u r ew a sn o tc o n t r o l l e dw e l l e n v i r o n m e n t a li n t e r f e r e n c ew a s s e r i o u s ，b e c a u s es p o th e a t e rw a so p e n t o w a r dt ot e m p e r a t u r ec o n t r o lo fh e a ts e t t i n g m a c h i n ei np r i n t i n ga n dd y e i n gi n d u s t r yp o s tt r e a t m e n tp r o c e s sm u l t i p l e xi n p u t sf u z z y c o n t r o ls t r a t e g yw a sp r o p o s e d f u z z yc o n t r o lw a sn o ta f f e c t e db ym o d e l ，c o n c r e t e e n v i r o n m e n t a la n ds y s t e m t h es t r a t e g yw a sah i g hp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i of u z z y a l g o r i t h mm e tt h er e q u i r e m e n tc o m p a r e dw i t hp i dc o n t r 0 1 t h es y s t e md e e p l yd i s c u s s e d t h a ta u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mh o wt or e s i s td i s t u r b a n c ei ni n d u s t r ye n v i r o n m e n tu s i n g m c ua sc o n t r o lc e n t e r i n t e r f e r e n c es o u r c ea n ds e n s o rw e r es e p a r a t e df a ri nd i s t r i b u t i o n o fh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，r o u t i n g ，s t r o n ga n dw e a ks i g n a l ，d i g i t a la n da n a l o gs i g n a l w h i c hu s i n gs o l i ds t a t er e l a yc o n t r o lp o w e ra l s oi m p r o v e da n t i - ja m m i n gp e r f o r m a n c e s o f t w a r ea n t i - ja m m i n gp e r f o r m a n c em e a s u r ew a su s e d d i g i t a lf i l t e r i n gm e t h o d sw e r e u s e dt oi n h i b i t e de f f e c t i v e l yl o wf r e q u e n c yd i s t u r b a n c ea n dr a n d o ms h a r pp u l s e s t h e s y s t e ms t u d i e da n t i i n t e r f e r e n c ep r o b l e mi n i n d u s t r ye n v i r o n m e n t t h es y s t e mh a d m u l t i - c h a n n e lt e m p e r a t u r es e t t i n g ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，r e a l t i m ed i s p l a y , a u t o m a t i ca l a r m ， e t c b yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h es y s t e mw o u l ds o l v es o m ea p p l i e dq u e s t i o n si nw o r s t e d f a c t o r ya n ds e c o n d sp r o b l e m b e c a u s et e m p e r a t u r eo v e r r u nq u e s t i o n k e yw o r d s ：h e a ts e r i n g ：f u z z yc o n t r o l ；m u l t i - c h a n n e lc o n t r o l ；m c uc o n t r o l ；p i dc o n t r o l 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文 中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意 义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申请的论 文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：乏卜叁木砗日期：弘巾尹月谚日 i l 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本 人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单 位仍然为青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密彤 ( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：否l 】、走戎争日期：矽1 矽年易月c 莎日 导师签名：粥 日期曲7 年7 月妒 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 4 7 青岛大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 温度是各种工业生产和科学实验中最普遍和最重要的参数，因此温度的测量与 控制是保证工业生产正常进行与安全运行的重要环节。而由于温度对象本身的特点， 它们往往滞后较大，温度控制系统一般具有大惯性、大延时的特点。在工业控制中， 温度系统的数学模型难以确切建立i i 】。 由于热定型加热的升温保温是靠电阻丝加热，降温则是靠环境自然冷却，所以 当温度一旦超调就无法用控制手段来使其降温将给生产带来巨大的损失。一个性能 稳定、价格适中的热定型加热设备将有着广阔应用前景和巨大市场应用价值。鉴于 此并结合自身在温控方面的实践基础，我选择了这个课题。 精纺厂现有的热定型加热设备在应用中出现许多问题，目前完全采用人工控制， 既误工又容易造成温度超限，产出次品。本设计能实现温度自由设定、自动控温、 实时显示、越限报警的多路控制，并因采用单片机进行控制，改进后设备价格低控 温效果好，对精纺生产毛料质量进一步提升将起到非常大的促进作用。 1 2 国内外研究动态 在滞后过程的控制方面，先后出现了p i d 控制、s m i t h 预估控制、模型预测控制、 模糊控制、鲁棒控制等方法。 p i d 控制器因其众多优点，仍被广泛应用于过程控制中。现场的p i d 参数整定较 复杂；s m i t h 预估控制和模型预测控制都具有内模控制的结构，因此对模型的匹配程 度比较敏感【2 】；鲁棒控制在大滞后过程中的研究近年来也非常活跃，主要是理论上 取得了一些进展，而在应用上由于其计算的复杂性还有待进一步发展。因此，目前 工业过程中的大滞后控制问题仍然是公认的难题。对于时变的大滞后过程，对象参 数随着工况和环境变化而发生变化，这更增加了控制的难度。近年来，模糊控制等 智能控制方法也引起了学者们的极大关注。 目前采用热定型工艺控制中采用p l c 控制较多，p l c 控制设备抗干扰能力强， 但造价一般较高，使用单片机为控制核心，可大大降低设备的价格，但单片机的工 业抗干扰技术也是一个技术难题。 l 第一章引言 1 3 主要研究内容和解决的主要问题 1 3 1 工业环境下使用的自动控制系统如何抗干扰 1 硬件电路设计、布线等环节中采取相应抗干扰措施 ( 1 ) 充分考虑电源对微控制器的影响。许多微控制器对电源噪声很敏感，要给 其电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对它的干扰。 ( 2 ) 在微控制器i o u l 与噪声源之间应加隔离：采集信号( 模拟信号) 与a d 转换 器之间以及p w m 输出或d a 转换器之后增加滤波电路。 ( 3 ) 晶振与微控制器引脚尽量靠近，晶振外壳接地并固定。 ( 4 ) 强、弱信号，数字、模拟信号在电路板中分布合理。尽可能把干扰源与敏 感元件远离。 ( 5 ) 用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地分离，最后在一点接于微 控制器和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在 电路板边缘。 2 软件抗干扰措施消除干扰 数字滤波是利用程序进行滤波，在估计到可能漏入系统的干扰性质时，所选用 的有针对性的滤波方法。这种方法可有效抑制低频干扰和随机出现的尖脉冲干扰。 ( 1 ) 消除尖脉冲干扰方法：尖脉冲干扰若进入本系统，在微控制器快速采样过 程中，很可能被采入，而且它幅值往往很大，这样就会造成微控制器的误操作。因 此，需要采用逻辑判别方法加以识别和去除。 ( 2 ) 对低频干扰的消除方法：对于一些频率很低的干扰信号，可用一段程序模 拟r c 滤波器( 如一阶环节) ，对采样信号进行运算，其效果与经过一阶r c 滤波器一样。 而数字滤波器的时间常数，可根据需要而给定。 ( 3 ) 数字滤波法：采取防脉冲干扰平均值法，如果采用一般的数字滤波方法， 将把脉冲干扰“平均”到计算结果上去。故平均值法将不易消除由于脉冲干扰而引 起的采样值的偏差。 3 控温精度的提高及控温算法的改进 ( 1 ) p i d 控制 ( 2 ) 模糊控制 2 青岛大学硕士学位论文 图1 1 控温精度的提高及控温算法的改进 1 3 2 算法探讨 1 p i d 算法 p i d ( 比例积分微分) 英文全称为p r o p o r t i o ni n t e g r a t i o nd i f f e r e n t i a t i o n ，常规p i d 控制结构简单、实用。 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立 即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大 的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节 就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与 积分时间常数1 r i ，t i 越小，积分作用就越强。反之t i 大则积分作用弱，加入积分 调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组 成p i 调节器或p i d 调节器。 微分调节作用，微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏 差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调 节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以 减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调 节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分 作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成p d 或p i d 控制器。 2 模糊控制算法 “模糊控制”是一种基于模糊数学理论，采用语言规则与模糊推理的先进控制 策略，它是近代智能控制理论中的一个重要分支。其发展迅速、应用广泛、实效显 著、引人关注。对自动控制系统的控制精度、响应速度、系统的稳定性和适应能力 的要求越来越高，传统的p i d 控制主要是控制具有确切模型的线性过程，而实际上， 大多数工业过程都不同程度地存在非线性，有时甚至是非常严重的非线性，有些过 程很难或不能建立数学模型，而且温控系统存在非线性、大滞后、时变和数学模型 第一章引言 不确定等特征，采取传统的p i d 控制，很难达到理想的控制效果，因此有必要研究 新的模糊控制策略。 t 1 3 3 控制要求 由于热定型加热的升温保温是靠电阻丝加热，降温则是靠环境自然冷却，所以 当温度一旦超调就无法用控制手段来使其降温，将给生产带来巨大的损失。要求温 度能稳定在设定值的士( 2 3 ) 范围内。 论文共分五章 第一章引言：阐明了热定型工艺的使用情况，国内外不同发展现状，说明了 热定型工艺的单片机控制系统设计开发的意义与价值。 第二章热定型工艺及控制策略：说明热定型工艺的技术要点。 第三章算法分析与比较：简要介绍了本文系统开发过程中涉及到的控制算法、 数字信号处理技术。 第四章热定型工艺的单片机控制系统的设计开发：从硬件系统加以说明本系统 的设计全过程。 第五章结论与展望：对论文进行了总结并提出展望。 4 青岛大学硕士学位论文 工艺分析 第二章热定型工艺及控制策略 在纺织印染工业中，后处理中的热定型对产品质量有着重要的影响，其中温度 控制是关键环节。如果温度控制的不好，将使前面的加工过程功亏一篑。由于现场 的加热器是开放式的，环境干扰较大。其次，加热器是一个2 1 2 5m 2 的平面，其上方 形成了分布不均匀的温度场，一般中心温度最高，边缘温度偏低，且波动较大。另 外，布料不同、宽窄不同其比热也不同，它们对系统的参数都有较大影响。作为加 热器本身就是一个大时滞环节。因此，整个加热装置是一个强时变、大时滞、高度 非线性的系统模型比较复杂。 布匹在染色之后，经过放卷稳速送入加热器进行烘干处理。加热器分为两段，前段 作为预热处理，后段作为烘干定型。在这一过程中， 温度值的高低以及在整个烘干装置中温度值的分布 对布匹的染色质量有着至关重要的作用。而且每一 种材料，每一种颜色，都对温度值有不同的要求。为了 使温度分布尽量均匀化，每段加热器分为3 路进行控 制，。3 路加热器分别采用固态继电器控制电源供电， 每路设置一个温度传感器，3 路之间存在强的耦合作 用【3 】o 2 2 热定型工艺对织物断裂强力的影响 4 5 0 4 0 0 2 疑3 卿 疆 搿3 0 i j 謦 2 铂 烈) o s e t p o i n t 拳10 一n e x t p o i n t ； p p s u m e r r o r + = e r r o r ； 1 7 第三章算法分析与比较 d e r r o r 2 e r r o r - p p - l a s t e r r o r ； p p - p r e v e r r o r = p p - l a s t e r r o r ； ) 加热时间是多少。p i d 运算的c 实现代码： l a s t e r r o r = e r r o r ； r e t u m ( + p p - i n t e g r a l 木p p - s u m e r r o r - p p - d e r i v a t i v e d e r r o r ) ； ) 在实际运算时，由于水具有很大的热惯性，而且p i d 运算中的i ( 积分项) 具 有非常明显的延迟效应，所以不能保留，我们必须把积分项去掉，相反d ( 微分项) 则有很强的预见性，能够加快反应速度，抑制超调量，所以积分作用应该适当加强 才能达到较佳的控制效果，系统最终选择p d 控制方案，下面c 代码所示为p d 控 制的实现过程： f l o a tp i d c a l c ( p i d 奉p p ，i n tn e x t p o i n t ) i n td e r r o r ，e r r o r ； e r r o r = p p - s e t p o i n t 10 一n e x t p o i n t ； d e r r o r = e r r o r - p p 一 l a s t e r r o r ； p p - p r e v e r r o r = p p - l a s t e r r o r ； p p l a s t e r r o r = e r r o r ； r e t u r n ( p p - p r o p o r t i o n e r r o r - p p - d e r i v a t i v e 奎d e r r o r ) ； ) 通过温度的p i d 运算，产生结果f o u t ，该参数决定是否加热，加热时间是多 长 该程序如下： s t p i d p r o p o r t i o n = 2 ； s t p i d i n t e g r a l = 0 ； s t p i d d e r i v a t i v e = 5 ； f o u t = p i d c a l e ( & s t p i d ，( i m ) ( f f 1o ) ) ； 1 8 青岛大学硕士学位论文 i f ( f o u t ) 确定加热时间 v o i do u t p w m ( u c h a rd a t a ) s w i t c h ( d a t a ) 2 i 定义输出变量 # d e f i n eop bo x 0 1 # d e f i n eop m0 x 0 2 # d e f i n eop s0 x 0 3 # d e f i n eop s s0 x 0 4 # d e f i n eoz0 x 0 5 第三章算法分析与比较 c a s e10 0 ：uh i 驴o ； 配o w = 5 0 ； b r e a k ； c a s e7 6 ：u _ h i g h = 12 ； 眨o w = 38 ； b r e a k ； c a s e5 0 ：u _ h i g h = 2 5 ； u _ l o w = 2 5 ； b r e a k ； c a s e2 4 ：u _ h i g h = 3 8 ； 眨o w = 12 ； b r e a k ； c a s e0 ：u _ h i g h = 5 0 ； 眨o w = 0 ； b r e a k ； t r l = 1 ； | 秒中曦 v o i ds e r v _ s e c o n d oi n t e r r u p t0 i f ( u _ h i g h o ) k _ c t r l = 0 ； t r l = o ； ) e l s ei f ( u _ h i g h = = 5 0 ) k _ c t r l = 1 ； t r l = 0 ) e l s e u _ o u t p u t = u _ h i g h ； t r l = 1 ； ) 2 0 毫秒中断 青岛大学硕士学位论文 v o i ds e 代31 0i n t e r r u p t3 t h l = ( 6 5 5 3 6 2 0 0 0 0 ) 2 5 6 ； t l l = ( 6 5 5 3 6 2 0 0 0 0 ) 2 5 6 ； u _ s e c o n d + + ； i f ( us e c o n d = 5 0 ) u _ s e c o n d = o ； t r l = 0 ； ) i f ( u _ o u t p u t ! = 0 ) k c t r l = 1 ； u _ o u t p u t - - ； ) e l s e kc t r l = 0 ； v b i dk e y _ s c a n ( ) d y k e y v a l u e = p 1 ： d yk e y v a l u e = d y k e y v a l u e0 x o f ； d y k e y v a lu e = d y k e y v a lu e ： if ( d y k e y v a l u e ! = 0 ) * k e yd o w n * j o _ k e y d o m a = j 0 _ k e y d o l r n + l ： j 0 _ k e y u p = 0 ： if ( j q k e y d o m a - - - = - 6 ) ( f l a g _ k e y d o w n = l ： k e y v a l u e = d y _ k e y v a l u e ： ) ) e l s e * k e yu p * j ok e y d o r n = 0 ： if ( f la g _ k e y d o r n ) j 0 _ k e y u p = j 0 _ k e y u p + l ： e l s e j q _ k e y u p = 0 ； if ( j o _ k e y u p = = 6 ) 第三章算法分析与比较 f l a g _ k e y d o w n = o ： s w i t c h ( k e y v a l u e ) ： c a s e0 x l ：k e y _ f u n c 0 ：b r e a k ： c a s e0 x 2 ：k e y _ a d d ( ) ；b r e a k ； c a s e0 x 4 ：k e y _ d e c0 ：b r e a k ： ) ) ) ) v o i dk e 鼍j u r i c 0 f l a e m p p r e s e t = 1 ； v o i dk e y _ a d d ( ) i f ( f l a g _ t e m p p r e s e t ) u _ p r e t e m p s e t + + ； ) v o i dk e 鼍p e c o i f ( f l a g _ t e m p p r e s e t ) u - p r e t e m p s e t - - ； ) 误差计算模块 l 温度值2 ( u - t c m p 1 ) - 预设温 l 度值( up r e t e m s e t ) 上 l根据所得结果的大小与方向查 i 表取得温度误差值( t ) 定义误差数组 t 【2 】【3 】- t _ n b ，t _ n m ，t _ n s ， 弋tz 飞j s 飞j b 、i ) u c h a rm ，n ； u c h a rt t ； v o i dt _ c a l c u l a t e 0 青岛大学硕士学位论文 i f ( ut e m p 1 踟j r e t e m s e t ) m = l ； e l s e m - 0 ； t t = a b s ( u _ t m p 1 - u _ - p r e t e m s e o ；取绝对值 i f ( t t = 4 5 ) n _ 0 ； e l s ei f ( 2 = t t 4 5 ) n = l ； e l s ei f ( 1 = t t 2 ) n = 2 ； e l s ei f ( o = 4 5 ) n = 0 ： 2 5 第三章算法分析与比较 e l s ei f ( 2 = t t 4 5 ) n = l ； e l s ei f ( 1 喇) n = 2 ； 。 e l s ei f ( 0 = t t 1 ) n = 3 ； r i r 【m 】 n 】； 青岛大学硕士学位论文 第四章热定型工艺的单片机控制系统的设计开发 4 1 单片机的选择 本系统选用s t c 8 9 c 5 2 系列单片机中的作为微控制器，其最大特点超强抗干扰， 适合用于工业场合，而且片内自带e e p r o m 存储器，减少了开发成本。其他特点如 下： 1 加密性强，很难解密或破解。 2 超强抗干扰： 1 ) 高抗静电( e s d 保护) 。 2 ) 轻松过2 k v 4 k v 快速脉冲干扰( e f t 澳i 试) 。 3 ) 宽电压，不怕电源抖动。 4 ) 宽温度范围：4 0 8 5 。 5 ) i o 口经过特殊处理。 6 ) 单片机内部的电源供电系统经过特殊处理。 7 ) 单片机内部的时钟电路经过特殊处理。 8 ) 单片机内部的复位电路经过特殊处理。 9 ) 单片机内部的看门狗电路经过特殊处理。 3 三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施： 1 ) 禁止a l e 输出。 2 ) 如选6 时钟机器周期，外部时钟频率可降一半。 3 ) 单片机时钟振荡器增益可设为1 2 g a i n 。 4 超低功耗： 1 。) 掉电模式：典型功耗 山 耄暑差萎童 ，oc l o c k d 卢汀ai n p u t d a r a o u t c s r e f + 8 7 6 5 4 悖，” 船 伫j l 1o 2 1 3 9 4 ，6 7 8 竹仫订俘侣俘佐 u 阳r r d a 0 c 托 西 引脚详细说明如下表所示： 青岛大学硕士学位论文 图4 3t l c l 5 4 3 的功能框图 入入入入入入入入入入入漕曹洽特冶洽精输精瀹擒搬拟拟拟扭拟拟帆拟报组蕞嵌模筷橇模模兽模役崔 名称输入功能描述 输出 a i n o a 烈l o 输入1 1 通信模拟输入 拌c s 输入片选。# c s 上的一个高到低的跳变将复位内部计 数器与控制，并使能数据输出d a t ao u t ，数据输 入d a t ai n p u t 与输入输出时钟v oc l o c k 。一个 低到高的跳变将在一个建立时间后使d a t ai n p u t 与i oc l o c k 无效。 d a t a 输入串行数据输入。 玳p u t d a i a o u t 输出串行输出转换后的结果。 e o c 输出转换结束。 g n d地 i oc l o c k输入 输入输出时钟。 r e f + 输入基准电压上限。 r e f 输入基准电压下限。 v c c 电源。 第四章热定型工艺的单片机控制系统的设计开发 单片机与t l l 5 4 3 的连接图： 图4 4 单片机与t l l 5 4 3 的连接图 t l c l 5 4 3 具有1 1 个模拟通道，可以同时接收1 1 路模拟信号，可以通过4 位地 址选中某一路模拟量，并读出其转换后的1 2 位数字量。若在某一通道上输入一个 2 5 v 的模拟信号，采用5 v 作为基准电压，则该通道上经过转换后的数字量为： 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l 。 t l c l 5 4 3 采用同步串行接口进行与单片机进行数据传输，t l c l 5 4 3 数据传输为 单向s p i ，其时序图根据以下时序图编制相应的驱动程序： m 。百n 厂一l l m 一- - - - - - - - - - - 一卜- 一- 一 。嘏一j _ n 门n 几门门门n 。，几同眨z z 芝翻几 卜 “卅_ c ，c k b ! 一s t l 叫- c y 幽8 | 喘正题x 弓匹烃x d 溜竺；枉 恼r h “晰嘶刮i 鼢z 艾o i ) 。c o 龇：；：= 劢亿 函邯阱出瞰引呻：” 眦巾一1广f 一 r 一铀舞测凇，蜘叫忑：一i 如 一一 1 ”涮如 图4 5 时序图 4 6 人机交互界面设计 6 位l e d 数码显示器采用共阴极的接法，采用动态显示方式，输出字段码的p 0 青岛大学硕士学位论文 口输出到7 4 h c 3 7 7 锁存和各显示器对应的段相连接；用于位扫描的p 0 口通过 7 4 h c 3 7 7 锁存驱动电路分别与各显示器的公共端相联。 键盘处理程序由低电平触发，键盘处理程序每2 0 m s 执行一次，在中断执行的 好处就是不妨碍c p u 的其他工作。当键值不为1 的时候执行相对于的键盘程序。显 示部分相应电路如下所示： 图4 6 显不部分相应电路 电压部分采用2 2 0 v 经变压器，桥式整流，电容滤波，三端集成稳压器稳压后 输出。可稳定输出+ 1 2 v ，- 1 2 v + 5 v ，。并用t l 4 3 l 稳定输出3 0 7 2 v 基准电压。 4 7 继电器的选择 4 7 1固态继电器的概念 固态继电器是今年来世界上新兴的控制继电器，s s r 是一种无触点功率半导体 件，其特点是： 3 7 第四章热定型工艺的单片机控制系统的设计开发 1 ) 输入控制电压低( 3 1 4 ，直流或脉冲电压均能作输入控制信号，驱动电小， 输入控制电压与t t l 、h t l 、c m o s 、p m o s 电平兼容。 1 2 ) 输出、输入间一般采用光电隔离，隔离绝缘大于2 k v ，符合国际电气安全标。 3 ) 输出无触点、无噪声、无火化，开关速度快。输出、输入间一般采用光电隔 离，隔离绝缘大于2 k v ，符合国际电气安全标准。 4 ) 输出无触点、无噪声、无火化，开关速度快。 5 ) 有交流、直流输出方式，输出电压有多种规格选择。 6 ) 采用环氧树脂全灌封装，防尘、耐湿、耐振、寿命长。由于以上优点，s s r 在测控系统中得到了广泛的应用【3 l 】。 根据负载电流的不同，s s r 分交流( a c s s r ) 和直流( d c s s r ) 2 种【3 们，又根据触发 控制形式的不同，a c s s r 又分随机导通( p 型) 和过零触发( z 型) 两种，由于a c s s r ( z 型) 对外的干扰非常小，应用更广。 4 7 2 调功原理 通过采集卡的数字输出口控制s s r ，其波形为完整的正弦波( 对交流电控制的最 小周期为半个周期，即1 0 m s ) ，是一种较稳定、可靠、抗干扰好的方法。 该电路采用周波控制法，调节负载功率而达到调节温度的目的，调功的原理为： 设电网连续n 个完整的正弦波( 周期) 为一个控制周期t 。设在设定的周期t 内控制 加到s s r 输入端的n 个完整的正弦波周期数。可见，只要控制在设定周期t 内的周 波数n ，就可调节负载的功率，或者反过来说，可根据不同的功率要求导算出n ，将 1 1 转换成时间，作为定时器定时设定，每当定时器溢出，采集卡的数字输出口来控 制s s r 的导通和截止，就可在设定的周期t 内控制加载到电热丝上的定额周期的正 弦波，达到调控温度的目的。 图4 7 调功原理图 3 8 青岛大学硕士学位论文 电网电压 控制信号 负载电流 图4 8 调功输出波形 3 9 第五章结论与展望 第五章结论与展望 本论文重点讨论基于智能仪表的温度控制系统的全部设计开发过程，据以上设 计要求完成整个仪表的电路设计以及抗干扰处理，对受控对象一工业进行分析，建立 离散数学模型，设计算法，并通过仿真验证算法的控制效果最后对系统进行调试， 并做有温度控制实验。 5 1设计总结 智能温度控制设备经过实验使用得到验证，各项功能及测控精度满足设计要求， 控制系统运行稳定，可以认为整个系统的设计思路是可行的，设计结果是可靠的、 合理的。现在将整个设计过程中的工作情况做一总结。 温度控制设备总体设计思路合理，首先提出了系统的总体设计方案，确保设计 一个有价值的控制系统，给硬件设计和软件设计确定具体的目标。在整个设备的开 发过程中，验证这种做法是正确的，设计方案的明确加快了系统开发速度，减少了返 工时间。 硬件设计中采用的保证准确供电的电源电路设计是得当的，不仅为各功能电路 提供了稳定电压，保证了各芯片的正常工作，而且还提供了通信地和模拟地与数字地 的公共端，有效的抑制了干扰信号的输入，减少了各信号间的干扰，保证了设备的 稳定运行与准确测控。 硬件电路设计在保证技术指标的前提下，以简约为原则，合理利用位单片机的 资源，在此原则下，设计出的电路使用芯片少，降低了设备的成本，针对加热对象 模型特征，采用模糊算法，该算法适于控制慢时变系统，并且结构简单，易于软件实现。 实验结果表明温控效果好，达到了系统技术指标，使本测温电路及算法可以用于多种 情况下的工农业自动化生产发展的需求，具有良好的推广价值。 5 2 设计展望 设备功能的全面测试，由于实验条件的限制，无法全部模拟工业现场各类复杂的 干扰信号，因此该设备的抗干扰能力并未得到全面的测试，该设备几经实验以能有效 青岛大学硕士学位论文 完成测试控制任务，下一步将转移至工业现场实施应用，对于实际应用时可能暴露 的问题还有待解决。 i 。 如何在硬件和软件上进一步提高系统的稳定性和可靠性将是系统改善的关键。 由于单片机的i o 口还有空余，为以后的芯片扩展提供了条件，软件设计中的算法 及滤波处理也可增强系统的精度及抗干扰能力。 基于以上所提到的设计中的不足及改进，可对该设备进行升级，增加语音提示、 语音报警和远程通信功能。由于本人水平有限，文中难免有不妥和错误之处，恳请 各位老师批评指正。 4 i 参考文献 参考文献 【l 】杨公源，孙凯，贾红燕宽幅织物热定型机计算机控制系统仪器仪表学 报2 0 0 3 ，8 【2 】杨启伟，陈以基于数字s m i t h 预估补偿的温度控制仿真桂林电子工业学院 学报，2 0 0 6 4 第2 6 卷第2 期 【3 】 张化光，杨英旭，柴天佑多变量模糊控制的现状与发展( i i ) ：关于解耦，神经 网，变结构等问题 j 】控制与决策，1 9 9 5 ，1 0 ( 4 ) ：2 8 9 - 2 9 5 【4 】陈立秋新型染整工艺设备【m 】北京中国纺织出版社2 0 0 2 【5 】朱艳温度传感器在织物热定形中的应用纺织科技进展，2 0 0 7 年第5 期 【6 】 陶永华新型p i d 控制技术【m 】北京机械工业出版社2 0 0 0 7 】孙增圻，张再兴，邓志东智能控制理论与技术【m 】北京：清华大学出版 社，1 9 9 7 【8 】郝久玉，陈伟多变量模糊控制系统的前馈解耦 j 】天津大学学 报，2 0 0 4 ，3 7 ( 5 ) ：3 9 6 - 3 9 9 【9 】杨公源机电控制技术及应用 m 】北京电子工业出版社2 0 0 5 【1 0 】徐江华，孙荣，邵惠鹤大滞后过程的p i 控制器整定控制与决策，2 0 0 4 1 【1 1 】t a k a g it s u g e n om f u z z yi d e n t i f i c a t i o no fs y s t e m sa n di t sa p p l i c a t i o n t o