（电力电子与电力传动专业论文）一种电阻炉智能温度控制仪的研制.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v 咖e n to fc o n 仃o lt l l e o f y 锄de l e c t r i ct e c 量1 1 1 0 l o 毋t 1 1 ei m e l i i g e n tc o n t r o l l e rf o ri n d u s t 叮h 船 b e e na c c o m p i i s h i n g t h ed i g i t a lc o n t r o l l e rb 鹪e do ns i n g l e - c h i pc o m p u t e rh 硒b e e n 印p l i e dw i d e l y 船i 乜c a b i n e t c u b a g c ，i o w - c o s 曲u n d a n t 如n c t i o n ，s i m p l e 锄dc o n v e n i e n t p i dt e m p e r a t u r ec o n 廿d 1 l e l a s 蚴i m p o r t a n t co n t r o l d e v i c e ，h a v eb nw j d e j yu s c di np r o d u c i n gc h e m j c a lp r o d u c t s ，f o o d s 锄dm 柚yo m e rf i e l d s h o w c v e lc o m m o np i d t e m p e r a t u r ec o n l l l e r sp i dp 甜枷e t e r sm u s tb es c tb yp r o f e s s i o n a le n g i n e e r s ，ac c o r d i n gt 0t h e i r se x p e r i e n c e s s o ，ni sv e i yi n c o n v e n i e n tf o rt | i ec u s t o m e r s ，w h 0n c e dt 0c h a n g ep i dp 籼曲o r s 矗q u e n t l y ，t ou s et h i sk i n do f p i dt e m p e r a t u 陀c o n 臼d l l e r 锄dl i m i t e di t s 印p l i c a t i o n t 1 l i st i l e s i sa j m sa ld e v e l o p i n gah i g i lp e r f o r m a l l c ep i dt e m p e r a i u r ec o n 廿o l l e r ，w h i c hc 柚t i i mp i dp a 姗e t e r s 跏t o m a t i c a l l y ，t om e e tt 1 1 er e q u i r e m e n t so f t h i sk i n do f d e v i c e si ni n d u s 砸a lc o n t m lf i e i d s t h eh a r d w a r e 柚ds o f h v a 化o f m ei n t e l l i g 明tt c m p e r a t u r ec o n n d lm e t 盯锄d 廿l ed e s i g no f r e l e v a l l ti n t 曲c e c i r c u i ta r ed e s c r i b e di nt l l i sp a p e l t h e 代l i a b i l i t yo f t h es y s t e mi ss p e c i a l l yc o m i d e r e d 卸das e r i e so f m e a s u r e sa r e m a l i 髓d a c c o r d i n gt ot i i eu n c e r t a i n t y 柚dd i f i c u l t yt 0c o n m ) lo ft 1 1 es y s t e m ，m e t h o d so fs y s t e mc o n 坪o l 眦 a n a l y z c d 1 1 1 ec o n 们lm e t l l o do f f u z z ) s e l f t l l l l i n gp i dc o m b i n i n gi m e l l i g e mc o n 仃o la r i t h m e t i ci su s e d a n dt l l e p i dp a r 啪e t e r s 卸t 0 t u m i n gi s 粒t l i a l i z e df i n a l l y c o m p a r e i n gt t l ec o m m o np i d ，t l l ef u z z ys e l f _ t u m i l l gp i dh 雏 1 0 t so fs 廿勺n g p o i n t s 锄c h 鹤l h es h o na d j u s tt i m e ，t h es m o d l l li n t e r g r a d a t i o n ，锄dm ew e l l 柚t i - i n t e r f b 陀n c 1 nt l l i st h e s i s ，t h ep i da u t 0 椭j n ga i g o r i g h mi sd e s i g n e db a s e do nt h e o r e 廿c a l 锄a l y s j s 柚ds i m u i a t i o n 1 1 1 i s m e t h o di n d i c a t e sar e 髂o n a b l ew a yf b rf u r m e r r es e 盯c h e sj nt h i sn e l d t h ed e s i g no f t h i st e m p e r a 加r ec o n t r o n e ，s c i r c u i ta n dc o n 咖jp r 0 黟啪i sv a l u a b l ef o ro t l l e r st od e v e l o pt h es 锄eb n do f p r o d u c 协 k e yw o r d ：t e m p e r a m r ec o r 血d lm 咖ls i n g i e c h i pc o m p u t e l p i d n t r o l ，f u z z ys e l f - t 啪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谢的地方外，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。 研究生签名：亟量趁日期：! ! ：丝 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。 研究生签名：筵量趣导师签名：壅知期：州 第一章绪论 第一章绪论 工业自动化仪表是工业生产自动化过程的基本工具，它对生产过程进行测量、监督、控制和保 护，成为自动化控制系统的必要组成部分，它的发展对工业控制领域产生了深远的影响。随着信息 时代的到来，人们认识仪表的观念进一步更新，对仪表的要求也越来越高。 1 1 自动化仪表的发展概况和智能仪表的发展趋势 自动化仪表是工业生产过程自动化的重要工具，两者是相辅相成，同时发展的。其发展过程大 致可分为以下三个阶段： 3 0 - 4 0 年代，运用以单变量控制为主要内容的古典控制理论，采用大尺寸的基地式仪表，实现就 地分散控制，以稳定产品质量，改善劳动条件，降低原料和能源消耗； 5 0 一6 0 年代，运用以多变量控制、最佳控制和自适应控制为主要内容的现代控制理论，以单元组 合仪表构成集中控制系统，并将单元组合仪表、巡回检测仪表和工业计算机相配合组成控制系统， 以适合工业设备大型化和连续化，实现集中控制和最佳控制，提高设备效率，确保生产安全。整个 系统分成现场设备和中央控制室两块。现场设备一般是检测、执行单元仪表。控制室则完成调节单 元仪表，记录、显示等功能。现场设备和中央控制室之间以1 0 m a 或4 也0 m a 等标准信号传递信 息； 7 0 年代以来，以计算机通信技术为基础，运用大系统理论，采用大、中、小、微型计算机，组 成分级控制系统一简称集散控制系统，把单机控制、协调控制、最佳控制和生产调度结合起来，实 现综合自动化。 从自动化仪表自身的特点来看，其发展经历了以下几个过程： ( 1 ) 第一代仪表是以指针显示为主的仪表，这些仪表以模拟电路为基础，核心器件由分立元件 过渡到集成运放，基本结构由基地式过渡到单元组合式： ( 2 ) 第二代仪表是数字显示式仪表，此类仪表的基本原理是将模拟量转化为数字量进行测量， 并以数字形式显示和打印。第二代仪表与第一代相比，仪表的显示功能由数字电路实现，两者统称 为传统仪表； ( 3 ) 第三代仪表是智能仪表，这类仪表以微处理器为核心，能实现信号检测、采集、处理和分 析。 随着微电子学和计算机技术的进一步发展，以微型计算机为主体的智能仪表必将逐步取代常规 的传统仪表。无论在测量速度、精确度、自动化程度还是性价比方面，智能仪表都具有传统仪表所 不可比拟的优势。与传统仪表相比，智能仪表能够实现更多复杂的功能： ( 1 ) 零点、满度自校正和量程自动切换：零点及满度的自校正大大降低了因仪表零点漂移和特 性变化造成的误差，自动切换量程既给使用者带来了方便，又可提高读数的分辨率； ( 2 ) 多点检测：能对现场更多的采样点及采样参数进行快速、实时的检测，以便随时了解和掌 握生产过程； ( 3 ) 自动修正各种测量误差：如非线性校正、热电偶冷端温度补偿、气体流量的温度压力补偿 等； ( 4 ) 数据处理：具有丰富的数据处理能力，对于线性化处理、工程值的转换，检索、优化等可 以进行软件快速处理，从而大大减轻了硬件的负担。 ( 5 ) 数字滤波：采用适当的数字滤波算法，抑制或消除各种干扰信号： ( 6 ) 实现各种控制算法：能实现p i d 以及各种复杂控制，如前馈、解藕、非线性、自适应和模 糊等控制，从而满足各种控制系统的需要； 】 东南大学硕士学位论文 ( 7 ) 数据通信：能与其他智能仪表和上位机进行数据交流，可以构成不同规模的计算机测控系 统： ( 8 ) 自诊断和掉电保护等功能：自诊断可以对本身进行故障检测、警告并显示故障部位，方便 维修，掉电保护可以实现重要数据的保存。 智能仪表按其组成可分为硬件和软件两大部分。硬件部分包括主机电路、过程输入输出通道r 模 拟量输入输出通道和开关量输入输出通道) 、人机联系部件和接口电路、以及串行或并行数据通信 接口等。软件部分包括监控程序、中断服务程序以及实现各种算法的功能模块。【2 l 随着信息时代的到来，国际自动化仪表与系统正进行着一场更新的变革，即仪表的智能化、网 络化、虚拟性、一体化与开放性1 3 】。将来的智能仪表不再是功能简单的固定结构，而是适应性越来 越强、功能越来越丰富的综合性仪表。 1 2 温度测控技术的发展与现状 温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学 过程都紧密地与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产 效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量在国民经济各个领 域中均受到了相当程度的重视。 近年来。温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地进 行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。 温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。 在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、低廉，测 量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小 的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于极高温测量，难于 测量运动物体的温度。非接触式测温是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是： 不破坏被测温场，可咀测量热容量小的物体，适于测量运动温度，还可以测量区域的温度分布，响 应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表表观温度，结构复杂，价格昂贵等缺 点。因此，在实际的测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法。在满足测量精度要求的 前提下尽量减少人力和物力的投入。 温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪 实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要 实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的 温度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度( 即 稳态误差) 不能超过某一给定值。本课题所研制的电阻炉智能温度控制仪就是要实现恒值温度控制 的要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。 从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种： 1 2 1 定值开关控温法 所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的 关系，进而对系统加热源( 或冷却装置) 进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加 热器，或者开动制冷装置：若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种 开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采 用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当 系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化 过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。 2 第一章绪论 1 2 2p i d 线性控温法 这种控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理，p l d 控制是最早发展起来的控制策略 之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建 立精确数学模型的确定性控制系统。由于p i d 调节器模型中考虑了系统的误差。误差变化及误差积 累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其具体电路可以采用模拟电路或计 算机软件方法来实现p i d 调节功能。前者称为模拟p i d 调节器，后者称为数字p i d 调节器。其中数 字p i d 调节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。 采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个p i d 参数( 即比例值、积分值、 微分值) 。只要p i d 参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。 但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变， 否则其控制品质就难以得到保证。 1 2 3 智能温度控制法 为了克服p i d 线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整p i d 参数的方法，如p i d 参 数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与p i d 控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能 控温法采用神经元网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多 的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广 泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以更好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从 理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的 具有自适应p i d 算法的温度控制仪表。 目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别 主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。 这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不 稳定等【5 】。 针对上述不足，本文以探索新的p i d 自整定方法为目的，设计和开发一种新型电阻炉智能温度 控制仪，以简化控制电路，提高系统运行的可靠性。 1 3 系统总体设计思想 1 3 1 系统硬件方案分析 目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路( a n a l o gc i r c u i t ) 和单片机( s i n 硝e - c h i pc o m p u t e r ) 两种形式。 模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路及电容、电阻等外 围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论 可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于 温度的变化是个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不高，所以模拟电路的优势得不到体 现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。“。 单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理器c p u ( c e n t e r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 、随机存取存储器r 删( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 、只读存储器r 伽( r e a d 0 n l ym e m o r y ) 、定时器计数器以及i o ( i n p u t o u t p u t ) 接口电路等主要计算机部件集成在一块集成 电路芯片上的微型计算机，它的特点是：功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、 3 东南大学硕士学位论文 应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控 制算法由软件实现，可以提高系统的兼容性和可移植性。 另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，s o c ( s y s t e mo nc h p ，片上系统) 得到 了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种s o c 芯片应用到先进的控制仪表中。s o c 芯片通常含有一个微处理器核( c p u ) ，同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器 ( r a m ，r o m ) ，并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域 也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。 从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，s o c 是实现电阻炉智能温度控制仪的最佳选 择，但目前市场上s o c 的价格还比较昂贵，并且s o c 的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实 验电路板的搭建。从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较 经济实用的。 目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。a 、喂单片机是a 1 n 匝l 公 司出品的新一代8 位单片机，该单片机采用高性能的精简指令集( r i s c ，r e d u c e di n s n c t i o ns e tc p u ) 内核，具有非常高的指令执行速度，可达到接近1 m l p s m h z 的性能。其程序存储器采用片内集成的 大容量f l a s h 存储器，可反复修改上千次对新产品开发和产品的升级都非常方便：支持宽电压工 作，同时支持有利于降低功耗的多种睡眠模式：加上内部的振荡器、看门狗、上电复位、a 仍输入、 p w m 输出等功能，使其可以被称为“零外设”单片机，具有片上系统的雏形。其中a t m e g a l 6 芯片 带有具备自编程能力的程序存储器，可以通过s p i ( s 甜a 1p e r i p h e m li n t e 响c e ) 、u s a r t 和二线制接 口( 1 2 c ，i n t 口i cb u s ) 编程，特别适合于需要远程编程和现场升级的应用领域。a t m 昭a 1 6 芯片作为 目前a 、限单片机的主流芯片，具有非常齐全的外围设备，是性价比最高的芯片之一。州针对这些特 点，尤其从降低成本和方便实验的角度出发。以a 1 e g a l 6 为核心器件组成的控制系统是比较理想 的选择。此外，在选取外围扩展芯片时，本着节约成本的原则，尽量选取典型的、易于扩展和替换 的芯片及器件。 1 3 2 系统软件方案分析 目前，a 、瓜单片机的开发主要用到两种语言：汇编语言和c 语言。汇编语言具有指令简单，代 码执行效率高等特点。c 语言在开发程序方面，表现出非常强大的语言优势。如用c 语言开发单片 机系统无须记忆汇编指令，c 语言的可读性和模块化结构使得程序的维护也更加方便。但c 语言也 存在编译后的目标文件庞大、代码运行效率较低的缺点。那么究竟用什么语言开发更好呢? 这要根 据控制系统的实际要求作决定。本课题中，由于温度控制仪要求采样及控制的实时性，用汇编语言 能够满足系统的要求，故在本课题的开发过程中采用a v r 汇编语言。 由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模 块化的程序结构，故要求整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接， 遵循模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软件结构。 温度控制算法方面，基于解析模型的经典控制方法主要体现在p d 控制上，这主要是由于p i d 控制器的原理简单，使用方便的缘故。但是，经典控制方法一般是建立在被控对象精确或近似的数 学模型上，而数学模型的建立本身就存在许多不足之处，因而其表面上看是精确控制。而实际上却 是简单的控制器。此外，在设计p i d 控制器时，传统的做法是依靠经验和试验在系统调试时确定p i d 控制器的参数k p ，k i ，k d ，在随后的控制过程中p i d 参数一般是保持不变的，当外部条件发生重 大变化时，再由工程人员重新手动进行选择。然而，被控系统在实际运行中会受到负荷变化、外界 噪声等各种因素的干扰，都会引起被控对象的近似数学模型参数变化较大，从而导致控制效果大打 折扣。基于上述情形，如果能将近似的数学模型与实际情况结合起来，这样的控制方式往往要比经 典控制方法精确得多，这就意味着p i d 参数能够在线调整，以适应改变了的模型。显然常规p i d 控 制器是不能满足这一要求。冈此在设计控制器时。一个关键的问题就是如何实现p i d 参数的实时整 定。 4 第一章绪论 1 4 本文的主要工作 1 ) 在对温度控制仪表发展现状、系统控靠4 要求进行研究的基础上，选择了整个控制系统的控制 方案。 2 ) 完成系统的硬件设计，包括采样回路、控制回路、保护回路的设计及主控模块、键盘显示模 块的设计，以及对这些电路的调试工作。 3 ) 完成该系统的软件设计。包括主程序模块、控制运算模块、输入输出及预处理模块、运行管 理模块及一些子功能模块的设计。 4 ) 深入研究了适合于该系统的各种控制策略。通过对常规p i d 控制与模糊控制的原理进行定性 分析，在模糊自整定p l d 控制算法的基础上，进行了系统控制器的设计。 5 ) 完成了系统的软件调试工作。 1 5 论文结构 本论文由以下几部分组成： 第一章绪论。主要介绍本课题的背景知识及总体方案分析，以及本课题所完成的主要工作。 第二章系统的硬件设计。主要介绍系统各部分的硬件组成和特点，包括信号输入输出电路、单 片机最小系统、人机接口电路等。 第三章系统的软件设计。介绍了采用a v r 汇编语言实现的主要功能模块及监控程序的设计。 第四章系统控制算法研究。着重介绍温度控制的算法原理及实施方法。 第五章系统调试。介绍了简易仿真器的使用及在本温度控制仪软件调试中采用的方法。 第六章结论。介绍论文研究过程中得出的重要结论。 东南大学硕士学位论文 第二章系统分析及硬件设计 2 1 系统的性能要求及特点 2 1 1 功能要求 电阻炉智能温度控制仪应能达到以下功能要求： ( 1 ) 可以人为方便地设定所需控制的温度值，温控仪器能自动将电炉加热至此设定值并能保持， 直至重新设定为另一温度值，即能自动控制温度； ( 2 ) 能够单独实现测量电炉温度的作用； ( 3 ) 整套仪器可靠性好，设计不易出故障； ( 4 ) 具有自动加热保护功能的安全性要求。如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围， 单片机就会发出断电指令，从而进行超温保护； ( 5 ) 能够实现系统软件的在线升级，无需对温控仪拆卸即可完成软件的升级及在线调试； ( 6 ) 模块化设计，安装拆卸简单，维修方便，最好使掌握基本电子知识的人员即可参照说明书进 行修理； ( 7 ) 尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。 2 1 2 系统特点 基于上述功能要求及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精 度的要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点： 主机采用a 仃i l e g a l 6 芯片。a 、，r 系列中的a 仃n e g a l 6 单片机功能强大，价格低廉，是a v r 系列 的主流产品中性价比最高的芯片之一。无论在运算速度，还是在内部资源上均可完全胜任本系统的 性能要求。 根据电阻炉测温范围的要求，该系统适合采用p t l o o 铂热电阻作为温度传感器，而p t l o o 铂热电 阻在大范围内测温时体现出的不可忽视的非线性，因此选用了s b w 温度变送器对温度传感器信号进 行非线性补偿和v i 变换进而实现4 2 0 m a 的标准信号传输，提高了信号传输过程中的抗干扰能力。 由于系统的执行机构是电阻炉，其功率调节可以采用相控调压法和通断调功法两种方式。但考 虑到相控调压法对电网性能的破坏较大，因此输出通道采用先进的固态继电器，按脉冲宽度调制法 控制输出信号占空比的大小，从而实现系统对输出量的控制。 本温度控制仪的面板设计遵循简洁实用的原则，为便于使用人员的操作，系统采用了非固定键 值意义的状态键盘，一键多用。系统软件可根据当前所处状态，自动确定键值的具体含义。 以往单片机系统在软件升级及故障调试时，必须将c p u 芯片从系统板上拆下来进行软件固化。 针对这种弊端，系统硬件设计时预留有程序下载接口和在系统调试接口，可以在不拆下c p u 芯片的 情况下直接进行软件升级和在系统调试，以方便日后的软件维护和功能调试。 整个系统遵循了冗余原则及以软代硬的原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电 路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。系统扩展和配置在满足功能要求的基础上留 有适当裕量，以利于扩充和修改。 6 第二章系统分析及硬件设计 2 2 系统的硬件总体结构 电阻炉智能温度控制仪硬件部分主要由单片机主控模块、前向通道模块、后向通道模块、人机 接口模块和接口扩展模块等组成。其硬件总体结构框图如图2 1 所示。由框图可见，本温度控制系 统以a n n c g a l 6 单片机为核心，外扩键盘输入、l e d 显示和超温报警装置等外围电路实现的。电炉 的温度由p t l 0 0 铂电阻温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，温度变送器将此弱信号进行非线 性校正及电压电流变换后以4 2 0 f r 晴的标准信号形式传送出去，接收端的i ，v 变换及放大电路将 4 也0 m a 的标准信号变换放大至0 5 v 电压，再经有源低通滤波器滤波后，由a 仍转换器转换成数字 量。此数字量经数字滤波、标度变换后，一方面将电炉温度经人机面板上的l e d 数码管显示出来； 另一方面将该温度值与被控制值( 由键盘输入的设定温度值) 进行比较，根据其偏差值的大小，采用 p i d 控制算法进行运算，最后通过d ，a 转换电路( 这里采用p w m 调功方式，相当于d ，a 转换器) 控制固态继电器在控制周期内的通断占空比( 即控制电阻炉平均功率的大小) ，进而达到对电炉温度 进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围，单片机就会向报警装置发出 指令，从而进行超温报警。s p i 下载接口与j 1 a g 调试接口是为了实现系统的软件升级和在线功能调 试而扩展的接口电路。 图2 1系统硬件总体结构框图 在实际的温度控制仪设计过程中。要从上述的结构图简化出其模型图，以便于对系统进行分析。 结合温度控制仪的工作原理，简单描述电阻炉控制系统的模型，可得本系统的简化模型图如图2 - 2 所示： i 单尊机卜_ 叫固态继电器一电炉p 厂= = i 图2 2系统简化模型图 进一步将单片机简略为控制器，将固态继电器和电炉归并为对象，略去信号变换部分( a d 转换 7 东南大学硕士学位论文 器) ，可以得到系统框图如图2 3 ，图中输入信号r 为设定温度，输出信号y 为实际温度，e 为误差 u 为控制信号。从图中可以看出，整个系统的数学模型可分为控制器和对象两部分。 叫控伟懦叫对象卜 l 图2 3 系统模型的简化框图 2 3 主控模块的器件选型及设计 2 3 1 单片机的选用 目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。一般来说，选择单片机需 要考虑以下几个方面： ( 1 ) 单片机的基本性能参数。例如指令执行速度，程序存储器容量，l ，o 引脚数量等。 ( 2 ) 单片机的增强功能。例如看门狗，多指针，双串口，r t c ( 实时时钟) ，e 砸碱o m ，扩展 r a m ，c a n 接口，1 2 c 接口，s p i 接口。u s b 接口。 ( 3 ) 单片机的存储介质。对于程序存储器来说，f l h 存储器和o r p ( 一次性可编程) 存储器 相比较，最好是f l 船h 存储器。 ( 4 ) 芯片的封装形式。如d i p ( 双列直插) 封装，p l c c ( p l c c 有对应插座) 封装及表面贴附 等。d i p 封装在搭建实验电路时会更方便一些。 ( 5 ) 芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。如果设计户外产品，必须选用工业级。 ( 6 ) 芯片的功耗。比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几m a 的电流，选用p i c 单 片机就是因为它能满足低功耗的要求。 ( 7 ) 单片机的工作电压范围。例如设计电视机遥控器时，用2 节干电池供电，至少应使单片机 能在1 8 - 3 6 v 电压范围内工作。 ( 8 ) 供货渠道是否畅通。应能申请样片，小批量购买应有现货。 ( 9 ) 价格低廉。 ( 1 0 ) 是否具有技术服务支持。比如周立功公司推p h i l i p s ，双龙公司推a v r ，都提供了很多有 用的技术支持。 ( 1 1 ) 编程器的价格。如果是i c p ( 把单片机放在烧录器上编程) 能否利用现有的编程器，如 果是表贴封装，还需要另外再买一个转接座。能否支持i s p 编程( 在系统编程，即把芯片先焊到板 子上再通过预留的i s p 接口编程) ，一般l s p 编程器比较便宜，甚至可以自己动手d i y 。 ( 1 2 ) 仿真器是否便宜。对于f l a s h 型单片机，仿真器不是必备的。但是对于o t p ( 一次性 可编程) 型单片机，则必须购买或者租用仿真器。 ( 1 3 ) 单片机汇编语言应是自己熟悉的，并且能支持c 语言。编程环境要好用易学，并且最好 是免费的。 ( 1 4 ) 技术支持网站的速度如何，资料是否丰富。包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例 程序等。最好有中文资料，像a t n l e l 公司在这方面就做得很好。 ( 1 5 ) 芯片保密性能好。 ( 1 6 ) 单片机的抗干扰性能好。 8 第二章 系统分析及硬件设计 ( 1 7 ) 与其他外设芯片放在一起的综合考虑。【7 】 a v r 单片机是a 1 m e l 公司于1 9 9 7 年由a 先生及v 先生共同研发的r i s c ( r e d u c e d i n s 仃u c t i o n s e t c p u ) 单片机，简称a t 。a v r 单片机吸取p i c 单片机及8 0 5 l 单片机的优点，并作了重大改进。 从下面一段高级语言c 代码的编译执行，可以对各种单片机的性能进行比较： 一个小c 函数 舱t u r nt h em 8 x i m u mv a i u eo fat a b i eo f1 6i n t e g e r s 卓 i n tm a ) 【( i n t a r r a y ) c h a ra ： i n tm a x i m u m = 一3 2 7 6 8 ： f o r ( a = 0 ；a ( 1 6 ；a + + ) i f ( a m y 【a 】 m a ) i m u m ) m a 妇m u m = a m y a 】； r e t i l 丌l ( m a x i m u m ) ； 执行结果如表2 1 所示： a v r 汇编输出： c o d es i z e ：4 6b y t e s ，e x e c u t i o nt i m e ：3 3 5c ”l e s 8 0 c 5 l 汇编输出：c o d es i z e ：1 1 2 b y t e s ，e x e c u t i o n t i m e ：9 3 8 4c y c l e s 6 8 h c l l 汇编输出：c o d es i z e ：5 7b y t e s ，e x e c u t i o nt i m e ：5 2 4 4c y c l e s p i c l 6 c 7 4 汇编输出：c o d es i 跫：8 7b y t e s ，e x e c u t i o nd m e ：2 4 9 2c y c l e s 注：a t 9 0 s 8 5 1 58 m h z 8 0 c 5 l2 4 m h z 6 8 h c l l a 81 2 z p i c l 6 c 7 42 0 m h z 表2 一l 几种单片机性能比较表 c o d e s i z e f u n c t i o nc u r r e n t e x e c u t i o n s e x e c u t i o n c o n s u m p t i o n ( b y t e s ) ( s m w ) t i m e ( u s )( m a ) a t 9 0 s 8 5 1 5 4 6 ( 1 )4 2 ( 1 )“( 1 )4 3 4 ( 1 ) 8 0 c 5 11 1 2 ( 2 4 )3 9 1 ( 9 )1 6 ( 1 5 )3 2 ( o 0 7 ) 6 8 h c l l5 7 ( 1 2 )4 3 7 ( 1 0 )2 7 ( 2 5 )1 7 ( o 0 4 ) p i c l 6 c 7 48 7 ( 1 9 )1 2 5 ( 3 )1 3 5 ( 1 2 )1 1 9 ( o 2 7 ) 由此可以得出结论： ( 1 ) 8 m h z 的a v r 等于2 4 m h z 的8 0 c 5 1 ； ( 2 ) 6 8 h c l l 代码效率高，但处理能力只有a v r 的1 ，1 0 ，功耗却高2 5 倍； ( 3 ) p i c 速度也比较快，但是在相同功耗下，a t 的性能比其高3 5 倍。_ j 通过比较发现，a v r 单片机无论在代码效率、执行效率，还是低功耗方面都体现了其强大的性 能优势。a t m e g a l 6 单片机是a v r 系列单片机中性价比最高的芯片之一，货源充足，技术资料丰富， 并且支持儿1 a g 在系统调试功能。综合上述各方面因素，在本课题中选用a t n l e g a l 6 单片机是比较理 想的。 2 3 - 2a t l l l e g a l6 单片机简介 a 1 m e g a l 6 是基于增强的a v rr i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器。由于其先进的指令集 以及单时钟周期的指令执行时间，使a t m e g a l 6 的数据吞吐率高达1m i p s ，m h z ，从而可以减缓系统 在功耗和处理速度之间的矛盾。 a v r 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元 ( a l u ，a r n h m e t i cl 0 9 i c a lu n i t ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的 9 东南大学硕士学位论文 寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的c i s c 微控制器最高至1 0 倍的数据吞吐 率。 a t m e 帮1 6 有如下特点： 1 6 k 字节的系统内可编程f 1 a s h ( 具有同时读写的能力，即r w w ，r e a dw h l l ew n t e ) ，5 1 2 字 节e e p r o m ，l k 字节s r a m ，3 2 个通用i ，o 口线，3 2 个通用工作寄存器，用于边界扫 描的j t a g 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器计数器( 1 y c ) ， 片内，步 中断，可编程串行u s a r t ( 通用同步和异步串行接收器和转发器) ，有起始条件检 测器的通用串行接口，8 路1 0 位具有可选差分输入级可编程增益的a d c ，具有片内振荡 器的可编程看门狗定时器，一个s p i ( s 酬a 1p e r i p h e m l i n t e f f a c e ) 串行端口，以及六个可以通 过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时，c p u 停止工作，而u s a r t 、两线接口、a d 转换器、s r a m 、t c 、 s p i 端口以及中断系统继续工作； 在掉电模式时，晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作； 在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准而其余功能模块处于 休眠状态； 在a d c 噪声抑制模式时，终止c p u 和除了异步定时器与a d c 以外所有i ，0 模块的工作， 以降低a d c 转换时的开关噪声： 在s t 弛d b v ( 待机) 模式下，只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态， 使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力； 在扩展s t a l l d b y 模式下，则允许振荡器和异步定时器继续工作。 该芯片是以a n i l e l 高密度非易失性存储器技术生产的。片内l s pf l h 允许程序存储器通过j s p 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于a v r 内核之中的引导程序b 0 0 1 l o a r d e r 进 行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用f l a s h 存储区( a p p l i c 硝o n f l a s l l m e m o r y ) 。 在更新应用f i a s h 存储区时，引导f 1 a s h 区( b 0 0 tf i a s hm e m o 叻的程序继续运行，实现了r w w 操作。 通过将8 位r j s cc p u 与系统内可编程的f 1 h 集成在一个芯片内，使a 1 h e g a l 6 成为一个功能 强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。p 1 2 3 3 主控电路设计 主控模块电路由a 1 m e 2 a 1 6 单片机及晶体振荡器、复位电路、i s p 及j t a g 扩展电路组成。其电 路原理如图2 4 所示。 a t m e g a l 6 单片机的时钟源包括：晶体振荡器、外部r c 振荡器、标定的内部r c 振荡器及外部 时钟等。由于外部r c 振荡器和标定的内部r c 振荡器无法实现单片机的首次在系统编程功能，故在 本系统中不能采用这两种振荡器，另外无源晶体振荡器频率稳定、价格便宜。故在本系统中采用频 率为7 3 7 2 8 m h z 的无源晶体振荡器。频率选为7 3 7 2 8 m h z 主要是考虑串行通讯时波特率的设置方便。 a t m e 黔1 6 单片机具有内部上电复位电路可以将低电平复位( r e s e l ) 引脚直接接到v c c 端， 当电源刚接通时，v c c 达到上电门限电压后触发内部延迟计数器，在计数器溢出之前a t m e g a l 6 器 件一直保持为复位状态。利用这种延时可以使i o 端口稳定后再执行单片机应用程序，这样既可提 高单片机工作可靠性，同时也可节省外加复位延时电路。但考虑到电阻炉温度控制仪要在较大干扰 的工业环境下工作，为了使芯片复位更加可靠，故加入r c 上电复位延时电路。同时，考虑到系统 工作时可能遇到种种意想不到的情况，故在r c 上电复位的基础上扩展一个复位按钮，以实现外部 的手动复位功能。两者的时序比较可见图2 5 所示。 1 0 第二章系统分析及硬件设计 图2 - 4主控模块电路原理图 ，。”o o 。“o 。0 4 “。”1 “o 。o 。o o 。”一 才 蕊牟瓦= _ ；r + 。一 t l _ u t j ! =