（控制理论与控制工程专业论文）注塑成型温度智能监控系统的研究与开发.pdf

南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 摘要 本文针对注塑成型过程对温度的要求，研究开发了一种基于f u z z y 推理的参 数自整定p i d 控制算法的温度智能监控系统。研究内容主要包括：注塑成型机 温度测量电路、双积分式串行a d 转换电路、组合式多通道p w m 调功器、模 糊p i d 控制器和人机接口界面等，整个系统采用分布式结构。单片机作为系统 的智能前端机( 简称前端机) 用于负责现场( 前台) 控制、数据采集和实现基于 f u z z y 推理的参数自整定p 1 d 控制算法，p c 机功能强大、界面友好而作为系统 的上位机，上位机与前端机通过r s 4 8 5 总线进行连接。 每个前端机含有两个单片机，其中单片机a t 8 9 c 5 2 主要用来实现基于f u z z y 推理的参数自整定p i d 控制算法、数据采集及与上位机之间的串行通信，而单 片机a t 8 9 c 2 0 5 1 用来产生多路p w m 波去控制固态继电器的通断来调节加热功 率。 在w i n d o w s 操作平台下( 如w i n d o w s 9 8 1 2 0 0 0 d ( p ) ，上位机用户程序采用 v i s u a lc + + 6 0 编程来设计主控窗口显示界面，并利用v i s u a lc + + 6 0 的a c t i v e x 控件m s c o m m 来实现与前端机( 单片机) 的串口异步通信。 关键词：模糊控制；p i d 控制；单片微控制器；串行通信：v i s u a lc + + 6 0 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 s t u d ya n dd e v e l o p m e n to ft e m p e r a t u r ei n t e l l i g e n tm o n i t o r a n dc o n t r o ls y s t e mf o r i n j i e c t i n gp l a s t i cm o u l d i n g a b s t r a c t i nt h i sp a p e r f o rt h ed e m a n df o rt e m p e r a t u r ed u r i n gt h ep r o c e s so fi n j e c t i n g p l a s t i cm o u l d i n g ，s t u d y i n ga n dd e v e l o p i n gat e m p e r a t u r ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m f o ri n j e c t i n gp l a s t i cm o u l d i n gb a s e do np a r a m e t e r ss e l f - a d j u s t e dp i da r i t h m e t i cb a s e d o nf u z z yi n f e r e n c e t h em a i nc o n t e n t sa r e ：t h en l e a s u r ec i r c u i tf o ri n j e c t i n gp l a s t i c m o u l d i n gm a c h i n e 、d o u b l ei n t e g r a ls e r i a la dc o n v e r s i o nc i r c u i t 、t h ep o w e r c o m b i n e d m u l t i - c h a n n e l sp w m p o w e ra d j u s t e r 、f u z z yp i dc o n t r o l l e r 、t h ei n t e r f a c ef o rh u m a n a n dc o m p u t e ra n ds oo n t h ew h o l es y s t e ma d o p t sd i s t r i b u t i n gs t r u c t u r e s i n g l e c h i p m i c r oc o n t r o l l e r sa r ea d o p t e di nt h em o d e mc o n t r o la n dd a t a c o l l e c t i o ns y s t e mt o d o m i n a t eo n t h e s p o to p e r a t i o n t h ep o w e r f u lp cw i t hi t sf r i e n d l yi n t e r f a c es e r v e sa s t h eb a c k - s t a g eo ft h es y s t e m t h ep ca n dt h es i n g l ec h i pm i c r oc o n t r o l l e r sa r e c o n n e c t e dt h r o u g hr s 一4 8 5b u s e a c hl o c a lm a c h i n ec o n s i s t so ft w os i n g l ec h i pm i c r oc o n t r o l l e r s ，a t 8 9 c 5 2i s u s e dt ob em a i nc o n t r o lc h i pt or e a l i z ep a r a m e t e r ss e l f - a d j u s t e dp i da r i t h m e t i cb a s e d o nf u z z yi n f e r e n c e 、d a t ac o l l e c t i o na n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nw i t hc o m p u t e r ； s i n g l e c h i pm i c r oc o n t r o l l e ra t 8 9 c 2 0 5 1i su s e dt op r o d u c ep w ms i g n a lt oc o n t r o l t h es w i t c ho ft h er e l a y i nu p p e rm a c h i n em o d u l e w i t ha c t i v e xt e c h n i q u em s c o m mi nv i s u a lc + + 6 0 p r o g r a m m i n g u n d e rm i c r o s o f tw i n d o w s p l a t f o r m ，p c r e a l i z e ss e r i a l p o r t a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nw i t hs i n g l ec h i pm i c r oc o n t r o l l e r s w r i t t e nb y ：j i a n gj i a n p i n g ( c o n t r o lt h e o r y c o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y ：w a n gs h i s h e n g ( p r o f ) k e y w o r d ：f u z z yc o n t r o l ；p i dc o n t r o l ；s i n g l e - c h i p m i c r oc o n t r o l l e r ；s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ；v i s u a ic + + 6 0 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得南昌太学或其他教育机 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 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：墨妇 签字日期：) 门厂年月13 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留荠向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 墨蚴 签字日期：圳年 厂月 ，娟 导师签名： 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：于身妊1 屯n 办甲b a g 却队 电话：d 7 f 乒3 - f 夕p ； 通讯地址：i 糨j 柱但；7 73 6 9 队砌字和邮编：p 中。j 工 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 “注塑成型温度智能监控系统的研究与开发”项目是与企业合作的一个横向 课题。 塑料制品因具有容易加工、生产效率高、节约能源、绝缘性能好、质量轻、 耐磨和耐腐蚀性强等优点，其使用比例正迅猛增加。而注塑成型是塑料加工中普 遍采用的方法之一。该方法制成品数量比其他常规的金属成型方法大得多，且产 量多，能适用于多种原料，成批、连续地生产，并且具有稳定的尺寸，容易实现 生产的自动化和高速化，具有极高的经济效益。 在影响塑料成型加工过程的诸多因素当中，熔体温度是一个最为关键的控制 量。如何对塑料加工中的温度进行有效的控制一直是相关领域里个主要的研究 课题。本课题主要致力于一种基于f u z z y 推理的参数自整定p i d 控制算法的注 塑成型温度智能监控系统的研究与开发，在该系统中。前端机( 单片机) 担负着 非常重要的作用：对现场的各种信息进行数据采集和分析并发送给上位机( p c 机) ，接收p c 机发送的各种指令并做出回应或对现场设备进行相关控制。p c 机 因其具有控制界面美观大方，操作简单方便等优点，主要用于数据的集中处理和 显示，并给各前端机发送相关的指令和数据。 1 2 课题背景 随着塑料制品的迅速发展及其应用领域的不断开拓，注塑成型加工系统正朝 着高速、高效、低成本和高自动化的方向发展，这就要求注塑成型加工过程具有 完善的自动化控制与调节系统，以确保对注塑成型加工过程的工艺参数进行高精 度、高灵敏度的可靠控制。而微电子技术与计算机控制技术的进步，为上述要求 的实现提供了技术保证。 传统的注塑成型加工温度控制方法一般采用简单的控制方法一开环控制， 即按照预先温度设定值进行控制，这种控制方法结构简单，但抗干扰能力差，控 制精度低。 较好的控制方法是采用闭环控制，即按照在线测量值与设定值的偏差进行控 制。闭环控制系统采用负反馈回路，当熔体温度在生产过程中因干扰出现偏差时， 系统会对干扰进行相应修正。这控制方法抗干扰能力增强，控制精度提高。 p i d 控制是闭环控制系统中种常见的控制方法，p i d 控制因其算法简单、 鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学 模型的确定性控制系统。但应用单一的p i d 控制算法对于具有非线性、时变不 确定性、难于建立精确数学模型的复杂系统，无法达到理想的控制效果。而在注 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 塑成型加工过程中，电热管功率、通风管气流温度和热风之间存在非线性和不确 定的关系，再加之外界干扰，尤其是当控制对象参数发生变化时，对象的模型难 以建立。传统的p i d 控制必须对参数重新整定，才能实现对工业电炉精确的、 稳定的控制。 据相关资料显示，国内目前大多数经济型塑料挤出机的温度控制系统普遍采 用分离仪表控制方案，其加热方式为电热圈分区加热。根据加工工艺要求，各区 分别设定为不同的加热温度。控温方式则采用温控表加继电器的方式。该控制方 案具有价格低的优势，但在控制功能上受到很多限制，主要体现在对各分离单元 单独进行控制，整个系统无法实施综合控制的功能。多只温控表的使用，一方面 使温控电路结构复杂，故障率增加，另一方面由于温控表多为断续控温方式，因 此造成各加热区温度波动加大，影响了塑料制品的加工质量。 p c 机与前端机采用异步串行通信，标准异步串行通信总线接口主要有“1 ： 1 r s 一2 3 2 c ，r s 一2 3 2 e ；2 r s 一4 4 9 ( r s 一4 2 2 ，r s 一4 2 3 和r s 一4 8 5 ) ：3 2 0 m a 电流 环：4 u s b 通用接口。所谓标准接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标 准化、通用化，借助串行通信标准接口，能很方便地把各种计算机、外部设备、 测量仪器等有机地连接起来进行串行通信。r s 一2 3 2 c 是由美国电子工业协会 ( e i a ) 正式公布的、在异步串行通信中应用最广的标准总线，它包括了按位串 行传输的电器和机械方面的规定，适合短距离或带调制解调器的通信场合，最大 传输距离不超过1 5 m 。采用r s 一2 3 2 c 总线标准时，计算机接口为驱动器，终端为 负载，反之，终端为驱动器，计算机接口则为负载驱动器和负载分另起t t l r s - 2 3 2 c 和r s 一2 3 2 c t t l 电平转换作用，如图1 1 所示。司题在于这两类芯片均 采用单端电路，易于引入附加电平：一是来自于干扰，用e 。表示；二是由于两 者地( a 点和b 点) 电平不同引入的电位差v 。，如果两者距离较远或分别接至不 同的馈电系统，则这种电压差可达数伏，从而导致接收器产生错误的数据输出。 r s 一2 3 2 c 规定最大负载电容为2 5 0 0 p f ，这个电容限制了传送距离和传送速率， 且t t l r s - 2 3 2 c 和r s 一2 3 2 c t t l 电平转换电路属非平衡电压型线电路，不具有 抗共模干扰特性。 驱动器接收器 图1 1 单端驱动非差分接收电路( r s 2 3 2 c ) 有鉴于此，研究和开发新型的，智能化的、合理的注塑成型温度监控系统 南昌大学2 0 0 5 届硬士学位论文 对于简化系统结构，降低系统成本，提高系统的性能就显得十分有意义。 1 3 系统解决方案 针对上文提出的目前国内注塑成型温度监控系统存在的缺点与不足，作者查 阅了大量的相关资料和文献，做了大量的工作，对于上述的问题一一给出了解决 办法。 1 3 1 前端机温控算法探索及可行性研究 在塑料成型加工温度控制过程中，由于电热管功率、通风管气流温度和热风 之间存在非线性和不确定的关系，再加之外界干扰，尤其是当被控对象参数发生 变化时，采用单一的p i d 控制，很难获得满意的控制效果。 模糊控制技术是近代控制理论中的一种高级策略和新颖技术。糊控制技术基 于模糊数学理论，通过模拟人的近似推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、 适应性和合理性提高，成为智能控制技术的一个重要分支。与p i d 控制算法相 比，经典的模糊控制器( ) 不依赖于系统精确的数学模型、对被控对象的非 线性和时变性具有一定的适应能力，有很好的鲁棒性，模糊控制中的知识表示、 模糊规则和合成推理基于专家知识或熟练操作者的成熟经验，并通过学习可不断 更新，具有智能性和自学习性。 但经典模糊控制器的输入量被模糊量化取整而引起的控制器调节死区，以及 控制量的分档而引起的调节过粗，再加上缺少积分作用，所形成的是一种粗糙控 制器，从而造成控制动作欠细腻，稳态控制精度和跟踪性能差。且模糊控制规则 痒很难建立，控制规则的多少视输人及输出物理量数目及所需的控制精度而定。 值得注意的是，规则的数目是以语言变量级数平方关系变化而迅速增加，规则越 多，推理的质量就会越下降。因此，在规则库的设计时，需要确定合适的语言变 量级数和控制规则的数目及建立正确的规则形式。推理规则的运算涉及到模糊算 子的确定。 近年来，有很多学者或专家提出了许多新型的控制方法，如神经网络、自适 应控制及专家系统等，它们都有各自的优点。作者根据查阅的资料文献及自己的 一点经验，结合p i d 控制算法和模糊控制算法的优点，提出一种基于f u z z y 推 理的参数自整定p i d 控制算法，以p i d 控制算法为主，利用模糊控制算法来整 定p i d 控制算法中的三个参数k p 、k i 、k d 。其实现过程是：以偏差e 和偏差变 化率e c 为模糊逻辑推理系统的输入，p i d 的参数k p 、k i 、k o 为模糊逻辑推理 系统的输出，根据模糊数学的理论和方法，将操作人员的调整经验和技术知识总 结成为i f ( 条件) t h e n ( 结果) 形式的模糊规则，并把这些模糊规则及相关信 息存入计算机中。根据温度的变化情况，计算出采样时刻的偏差e 及偏差变化 率e c ，输入控制器，运用模糊推理，进行模糊运算，即可得到该时刻的k p 、 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 k i 、k d ，实现对p i d 参数的最佳调整。 该方法具有如下优点： ( 1 ) 对被控对象的数学模型依赖性减小，又保证了p i d 控制算法简单、鲁 棒性好和可靠性高的优点。 ( 2 ) 因为模糊控制算法的引入只是对p i d 控制算法的三个参数k p 、k i 、k d 进行调整，不对被控对象进行直接控制，这样就不会造成被控对象的控制调节死 区及租糙控制，能大大提高系统的稳态控制精度和跟踪性能。 ( 3 ) 系统能具有很好的自适应性。 ( 4 ) 这一方法可以通过单片机软件实现，不需要购买专门的控制器，可以大 大降低成本。 ( 5 ) 利用m a t h w o r k s 公司推出的一套面向工程、科学计算和可视化的交互 式计算机软件m a t l a b 中的模糊逻辑工具箱( f u z z yl o g i c t o o l b o x ) ，可以很方 便地仿真模糊推理系统。 1 3 2 前端机控制器件选择 针对多路温控表加继电器控温方案的缺点，作者选择以荜片机a t 8 9 c 5 2 作 为前端机系统的核心控制芯片，单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 用于产生p w m 波形去控制 固态继电器的导通与截止，构成一种新的多回路温度控制方案。 目前，单片机技术发展日新月异，单片机的速度、性能和可靠性都有较大提 高，丰富的单片机品种给用户提供了更多的选择。由a t m e l 公司推出的 a t 8 9 c 2 0 5 1 和a t 8 9 c 5 2 就是性价比极高的单片微控制器芯片，它们体积小，分 别仅为2 0 脚封装和4 0 脚封装，且片内自带2 k 字节和8 k 字节的f l a s h m e m o r y ， 只要程序设计合理，就不需要扩展外部程序；每储器，此外，a t 8 9 c 2 0 5 1 芯片和 a t 8 9 c 5 2 芯片的内部配置和指令系统与m c s 5 1 系列单片机完全一致，具有较 高的性能。 所以采取a t 8 9 c 5 2 作为前端机系统的核心控制芯片所构成的注塑成型温度 智能监控系统具有精度高，硬件简单，运行稳定、成本低廉等特点。 1 3 3 上位机( p c 机) 与前端机( 单片机) 多机通信方案 数据通信方式有两种，并行数据通信和串行数据通信。 并行数据通信是指数据的各位同时进行传送的通信方式，其优点是传递速度 快，缺点就是数据有多少位就得多少根数据传送线，且传送距离短。 串行数据通信是指数据是一位一位顺序传送的通信方式，其突出优点是只需 一对传送线，可以大大降低成本，且传送距离远。串行通信又有两种基本通信方 式：串行异步通信和串行同步通信。 在串行异步通信中，数据是一帧一帧传送的，其缺点是传送速率不高，但硬 南昌大学2 0 0 5 属硕士学位论文 件简单，适合通信速率要求不高的情况。 在串行同步通信中，在数据开始传送前用同步字符来指示，并由时钟来实现 发送端和接收端的同步，检测到规定的同步字符后就连续按顺序传送数据，直到 通信结束。同步通信时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位。采 用同步通信可以提高传送速率，但硬件复杂， 串行异步通信又分近程通信( 本地通信) 和远程通信，它们所采用信号的传 送形式不一样。 近程通信：采用数字信号方波脉冲序列直接传送，在传送过程中不改变原始 数据代码的波形和频率，这种传送方式又称基带传送方式，只需用传输线把通信 两端的接口电路直接连起来就可实现，即方便又经济。 远程通信：一是使用专用的通信电缆，但这成本将很高；二是一般使用电话 线作为传输线，这通常需调制解调器， 为保证可靠性高的通信要求，在选择总线标准接口时，主要注意两点：通 信速度和通信距离，抗干扰能力。因5 个前端机分布在不同车间与p c 机有 一定的距离，且针对上文提出的r s 一2 3 2 c 接口的缺点，决定采用r s 一4 8 5 标准接 口。 r 1 1 r s 一4 8 5 标准接口是一种多发送器的电路标准卜j ，允许双导线上一个发送器 驱动3 2 个负载设备，可以满足要求，该接口通过传输线驱动器，把逻辑电平变 换成电位差。完成始端的信息传送：通过传输线接收器，把电位差变成逻辑电平， 实现终端的信息接收，采用该标准接口，传输信号距离长、速度快，如采用较低 速率，如9 0 0 0 0 b s 时，最大距离可达1 2 0 0 m 。图1 2 所示为采用r s 4 8 5 接口平 衡驱动差分接收电路。平衡驱动器的两个输出端分别为+ 、，t 和一v t ，故差分接收 器的输入信号电压v r = + 、，t 一( 一v t ) = 2 、，t ，两者之间不共地，这样即可削弱干 扰的影响，又可获得更长的传输距离及允许更大的信号衰减。 图1 2 平衡驱动差分接收电路( r s 一4 8 5 ) 综合上述分析，结合注塑成型加工工艺要求，因其传送速率要求不高，传送 距离小于1 2 0 0 m ，且考虑整个系统的成本，决定p c 机与单片机之间采用串行异 步近程通信方式( 零m o d e m 方式) ，r s 4 8 5 总线标准接口。 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 1 4 课题任务和结构安排 本课题的任务主要有：一是前端机控制算法的实现，二是前端机硬件电路的 设计及软件设计，三是上位机( p c 机) 的界面设计、软件实现及同前端机通信 协议的设计。 本论文结构安排如下： 第一章主要介绍了目前国内中小型注塑成型加工企业所采用的温控方式和 课题研究的内容及意义。 第二章简要介绍了注塑成型加工过程中温度监控系统的总体设计规划，包括 要求和实现方案 第三章介绍了前端机系统硬件电路的设计，重点是以a t 8 9 c 5 2 为核心的数 据采集电路和以a t 8 9 c 2 0 5 1 为核心的多通道组合式p w m 调功电路的设计。 第四章介绍了基于f u z z ) r 推理的参数自整定p i d 控制算法的设计及 m a t u 出仿真。 第五章介绍了前端机系统软件设计，包括单片机a t 8 9 c 5 2 程序设计和单片 机a t 8 9 c 2 0 5 1 程序设计。 第六章介绍了如何利用v i s u a lc + + 来设计p c 机的显示界面，还有显示程序 和通信程序的设计。 第七章是结论，总结了作者在该课题中所做的工作及取得的成果。 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第二章系统总体设计规划 2 1 加工工艺对控制系统的要求 根据塑料刽品特性和实际控制要求：在刚开始加热时，希望温度上升的速度 可以快些。以便缩短上升时间，但又不能有太大的超调，且希望p i d 控制器参 数初值可以在线更改，当温度达到控制要求范围内时，希望其能一直被控制在给 定值附近变化，当其超出某一范围时( 如高于某一值或低于某一值时) 就启动上 限报警或下限报警。 根据上述要求，决定采用如下加热过程：刚开始加热时，可以采取满功率加 热或按满功率的某一比例值加热，当温度上升到某一值时，转为按基于f u z z y 推理的参数自整定p i d 控制算法得到的控制量进行调节加热，加热方式可通过 功能单元决定。 1 按百分比加热：就是以设定值的某一比例值作为控制量来决定p w m 的 占空比来控制固态继电器的通断，选定加热比例后，前端机就以该比例决定的固 定的p w m 的占空比来进行加热，该比例值可在线更改。 2 按设定值加热：根据设定值与实际温度的偏差，采用基于f u z z y 推理的 参数自整定p i d 控制算法得到控制量，按该控制量决定p w m 的占空比进行加热。 3 按保温值加热：其作用与设定值相同，之所以设置该加热方式，是因有 时希望温度被控制在另一值时更合适，而整个系统有五个前端机，每个前端机要 控制8 路，共有4 0 路，这样只需改变功能单元的内容就可实现，而不需每路都 去修改，减少了操作量，还可避免误失。 p i d 控制器三个参数的初值可以从前端机的p 、i 、d 三个单元获得，可在线 更改。 2 2 设计要求 注塑成型温度智能篮控系统采用层次结构，上位机( p c 机) 作为整个监控 系统的核心，与5 个前端机( 单片机) 通信，统一控制协调前端机的运行，构成 一简单的集中管理、分散控制的计算机集散控制系统。 2 2 1 前端机模块 前端机系统作为传感器信息的采集节点，同时又是构成同上位机通信的节 点，是以单片机a t 8 9 c 5 2 为核心的多功能系统。 前端机系统的功能分内外两个部分，外部功能是指它对外所表现出来的功 能，也称为外特性；内部功能则是指它为了稳定可靠地实现它的外部功能，而在 前端机模块内部所要完成的功能任务，也称内特性。 前端机的外部功能 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 前端机的外部功能要实现包括数据采集、数据传送、控制输出和串行通信总 线标准及接口电路四个方面。 数据采集：8 路模拟量输入，信号形式电压形式：o 一2 0 m v 。 数据传输：传输速率为9 6 0 0 1 9 2 0 0 b p s ：传输距离( 前端机与上位机之间) 1 2 0 0 m ；传输线要求无极性。 控制输出：8 路控制量输出，信号形式无触点型、直流隔离信号。 串行通信总线标准及接口电路：直接挂接r s - 4 8 5 标准总线接口。 前端机的内部功能 前端机的内部功能要求实现包括前端机系统自检、系统自动复位、系统手动 复位、数据存储、数据处理、故障分析与就地报警、系统供电等。 前端机系统自检：对前端机的各个功能电路实施巡回检查，确认各个功能电 路状态的好坏； 前端机系统自动复位：在系统发生死机的情况下，能够自动重新启动系统工 作； 前端机系统手动复位：在系统发生致命的错误而系统又不能自动复位，但又 不需切断整个系统的供电的情况下，通过一简单操作而使系统重新启动工作； 数据存储：能够将采集的数据进行存储，以便系统对数据迸行处理及同上位 机进行数据传送； 数据处理：对采集的数据进行变换和传输数据编码等处理； 故障分析与就地报警：能够根据采集的数据判断信号线路状态、连接设备的 状态等； 2 2 2 上位机模块 上位机模块包括主控程序模块、显示模块，通信模块和串口参数设置模块。 主控程序模块：负责调用显示模块，通信模块和串口参数设置模块来共同完 成程序逻辑； 显示模块：负责整个监控系统的显示及数据格式的编码； 通信模块：负责与前端机的串行异步通信，以实现数据的交互； 串口参数设置模块：负责修改串口参数，如选择通信串口，设置数据传输率、 奇偶校验、数据位和停止位参数，确定自动发送时间； 2 3 实现方案 整个注塑成型加工温度智能监控系统设计由上位机、前端机、传感器和通信 介质共四个部分组成。其中上位机负责接收、存储和显示从前端机传来的各现场 的监控数据，并向各个前端机发送各种配置命令和现场设备的控制命令：各前端 机负责从传感器收集数据并进行相关处理、和上位机进行通信及输出各种控制信 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 号；整个系统采用r s 4 8 5 总线拓扑结构。图2 1 是该注塑成型温度智能监控系 统的组成原理框图。通过传感器检测得到的信号，经过放大、滤波处理形成有效 信号，通过a d 转换，输入到前端机系统进行处理，然后将处理好的数据通过 r s 4 8 5 标准接口与上位机进行数据交互。 为了实现多机通信，首先要给每个前端机一个独立的地址编号，当上位机欲 与某一前端机进行串行通信时。向所有前端机发送该机地址编号，所有前端机接 收到地址编号后则与自己的地址编号进行核对，如果呼叫相符则转入与上位机通 信状态，如果不符，则等待呼叫。 图2 1 注塑成型温度智能监控系统组成原理框图 a t 8 9 c 5 2 单片机在进行多机通信过程中，可以利用其特殊功能寄存器( 串 行口控制寄存器) s c o n 中允许多机通信控制位s m 2 的特性来区分地址帧和数 据帧，但i b m p c 机并不具备这样一个控制位。若通过观察i b m p c 机与单 南昌大学2 0 0 5 屑硕士学位论文 片机a t 8 9 c 5 2 的帧格式便可以解决这个问题，即利用m m p c 机通信中的奇偶 校验位来模拟单片机的这个多机通信控制位s m 2 。 多机通信中，单片机每帧数据格式为： 匝圃正巫回亚巫叵匦巫巫困 即每帧数据包括1 1 位：1 位起始位，8 位数据位，1 位地址数据帧判别位，1 位 停止位。 相应地，i b m p c 机必须发送或接收相同的数据格式，i b m p c 机异步 通信适配器的核心部件8 2 5 0 u a r t ( 通信异步接收发送器) ，可选择发送1 1 位数 据帧，格式为： 可以通过对奇偶校验位的编程，使其完全类似于单片机a t 8 9 c 5 2 多机通信数据 格式中的地址，数据判别位，从而实现i b m p c 机与多台a t 8 9 c 5 2 单片机之间 的主从式串行通信。 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 第三章前端机硬件电路设计 前端机硬件电路的设计，主要有：信号采集与放大电路、温度补偿电路、 a d 转换电路、单片机电路、看门狗电路、r s 4 8 5 接口电路、组合式多通道p w m 调功电路及相互之间的连接设计。 前端机的工作流程如下：由热电偶获得的现场实际温度，经信号检测电路( 多 路模拟开关c d 4 0 5 1 ) 进行通道选择，再由放大电路对信号进行放大，叠加一温 度补偿信号后送给a d ，由a d 获得的数字信号送给a t 8 9 c 5 2 进行处理把 从a d 处获得的数字信号转换成温度值传送给上位机进行显示，运用基于f u z z y 推理的自整定p i d 控制算法计算出控制量传送给a t 8 9 c 2 0 5 1 。a t 8 9 c 2 0 5 1 获得 控制量后由软件产生p w m 控制信号，通过一驱动电路去控制继电器的通断。在 a t 8 9 c 2 0 5 1 与驱动电路之间，要加一光电隔离电路的设计。光电隔离是为了提 高系统的抗干扰能力，防止继电器的通断动作对系统造成冲击，这里使用光电隔 离器件p c 8 1 7 。 之所以要用a t 8 9 c 5 2 和a t 8 9 c 2 0 5 1 两个单片机，主要是考虑到a t 8 9 c 5 2 要实现的功能比较多，负荷较重，且其片内r a m 空间已全部分配完，要软件实 现p w m 波需较多的r a m 空间，这是因为每个前端机要控制八路固态继电器， 相应就需要产生8 路p w m 波。整个前端机系统的电路原理框图如图3 1 所示。 下面对各模块电路进行介绍。 3 1 信号采集与放大电路 采用k 型热电偶获得现场的实际温度，温度采样范围为0 4 0 0 ，相应地 转换的电压信号范围为0 2 0 m v 。每一个前端机系统要控制8 路工业电炉，同理 就要对8 路温度进行采样和控制，这里采用c d 4 0 5 1 实现八选一通道选择。电压 信号放大采用低零漂移的运算放大器o p 0 7 ，差分双端输入，可以有效地抑制共 模干扰，其电路原理图如图3 2 所示。 从热电偶获得的最大有效电压为2 0 m v ，而i c l 7 1 3 5 满量程时的电压为2 v ， 所以放大电路的放大倍数为1 0 0 ，该放大电路由运放u 4 、u 5 组成第一级差分式 电路，u 6 组成第二级差分式电路，根据这一放大倍数来取电阻的阻值，该放大 电路的放大倍数可由下式计算： opd a ，一4 a ，一( 1 + ! ：堕) ( 一二：盟) 一 只9 5r 9 8 要保证4 _ - 1 0 0 ，取r 8 9 = 2 0 k ，取r 9 8 = 2 0 k ，取r 9 6 = 2 0 k ，r 为一电位器， 其取范围值为0 5 0 0 ，所以只要调节电位器r 。就可满足要求。 壹星盔堂垫堕旦堡圭堂焦笙苎 芎k 辇秘 浆 l n 菩 晶 叱 0 鬣 q 叫 b 7 “ o 。匝矬蹦隧龉申辩憔嚣藿in龃 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 莲扩一鼍巨。 j m 匿謇昝 j o 卜：| 。_ ： i 糕 名躐 然 磋= ：一尊采 ， 广习聪 ： r l ：j ：翟拦i m 旺誊謦。 鬻? 裂。、j 冬杀糕 一 ! |- 1 _ 鹾避粪 霉鲨刮圆磴 激睁 暮羁一譬埘l ：l ：飞_ s 七叫一0 ， ，g 啊管；o 、 雾獬蒸蘸。； 赫一 翠 。j 。j ： 辫 一吖二= ! 聪喜：! 划； l 离蕊辫罄豢嬲 车 嚣i e # 黼翰藕蓊i j 拜鞫 鼍避曩越豢科剖秘、 j | = ；_ 珂穗、j 图3 2 信号采集与放大电路 图3 2 中椭圆圈着的部分为热电偶故障检测电路，与信号输入端相连的电阻 阻值可以取得很大，这里取为2 m ，而与电源直接相连的电阻阻值可以取得小一 些，这里取为2 2 k ，当热电偶工作正常时相当于开路，而当热电偶烧坏或接触不 好时，经二极管分压得到的电压为0 5 v 左右，远远大于热电偶正常工作时的最 大电压值2 0 m y ，从而可以得知热电偶出现故障。 3 2 温度补偿电路 热电偶分度表是在冷端温度为o 时测定的，热电偶在实际测量中，当冷端 的温度不是0 c 时，就不能直接利用分度表得知温度值，因此必须对热电偶冷端 进行温度补偿修正。热电偶测温电路中要有冷端温度补偿电路，冷端补偿方法较 多，这里采用冷端温度补偿器( 补偿电桥) 来实现温度补偿。其电路原理图如图 3 3 所示。 该补偿电路的工作原理是热电偶产生的电势经滤波鼓大后有一定的灵敏度， 采用温敏二极管组成的测量电桥的输出经放大器放大后也有相同的灵敏度。将这 两个放大后的信号再通过增益为1 的运算放大器相加，则可以自动补偿冷端温度 变化引起的误差。补偿范围在0 5 0 ，精度可以达到0 5 。 l3 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 图3 3 温度补偿电路 3 3 d 转换电路 因温度是一个缓慢变化的过程，对采样速率要求不高，为提高抗干扰能力， 采用双积分a d 转换器。 本文采用m a x i m 公司的i c l 7 1 3 5 ，m c l 4 0 3 芯片为i c l 7 1 3 5 提供基准电压。 通常情况下，设计者都是用单片机来并行采集i c l 7 1 3 5 的数据，在这里，作者 采用单片视对i c l 7 1 3 5 进行串行数据采集，利用该方式具有结构简单、占用单 片机资源少等特点。 i c l 7 1 3 5 的串行工作方式 1 i c l 7 1 3 5 的测量周期 i c l 7 1 3 5 的测量周期包括下列四相( 节拍) ： ( a ) a u t o z e r o ( 自动调零) 相 在该相时，内部i n + 和i n 输入与引脚断开，且在内部连接到 a n l g c o m m o n ，基准电容被充电至基准电压，系统接成闭环并为自动调零 ( a u t o z e r o ) 电容充电阻补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。此 时，自动调零精度会受系统噪声的限制，以输入为基准的总失调小于1 0 , u v 。 ( b ) s 矾g a l 广i n t e g r a r e ( 信号积分) 相 在该相，自动调零环路被打开，内部的i n + 和i n 一输入被连接至外部引脚。 在固定的时间周期内，这些输入端之间的差分电压被积分。当输入信号相对于转 换器电源不反相( n o r e t u r n ) 时，i n - 可直接连接至a n j g c o m m o n 以便 输出正确的共模电压。同时，在这一相完成的基础上，输入信号的极性将被系统 所记录。 ( c ) d e i n t e g r a t e ( 去积分) 相 该相的基准用于完成去积分( d e i m 陋g r a r e ) 任务，此时内部i n 一在内部 连接a n l g c o m m o n ，i n + 跨接至先前已充电的基准电容，所记录的输入信号 的极性可确保以正确的极性连接至电容以使积分器输出极性回零。输出返回至零 l4 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 所需的时间正比于输入信号的幅度。返回时间显示为数字读数，并由1 0 0 0 0 ( v 喇r ) 确定。满度或最大转换值发生在v 等于v r 的两倍时。 ( d ) z e r o i n t e g r a t e ( 积分器返回零) 相 内部的i n 连接到a n l g c o m m o n ，系统接成闭环以使积分器输出返回到 零。通常这相需要1 0 0 2 0 0 个时钟脉冲，但是在超范围( o j r 蛾g e ) 转换 后，则需要6 2 0 0 个脉冲。 2 i c l 7 1 3 5 时序图 图3 4 所示是v 矾为常数时的i c l 7 1 3 5 时序图，由图3 4 可知：在 s i g n a l i n t e g r a t e ( 即信号积分) 相开始时，i c l 7 1 3 5 的b u s y 信号线跳高并一直 保持高电平，直到d ei n t e g r a t e ( 去积分) 楣结束时才跳回低电平。在满量程情 况下，这个区域中的最多脉冲个数为3 0 0 0 2 个。其中d ei n t e g r a t e ( 去积分) 相 的脉冲个数反映了转换结果。图3 5 是不同v i n 值时的i c l 7 1 3 5 时序，由图3 5 可见：对于不同模拟量输入，i c l 7 1 3 5 的b u s y 信号的高电平宽度也不同。 赢# 罗弋 调霉 10000 clk c l k 图3 4v 为常值时i c l 7 1 3 5 时序图 图3 5v i n 为不同值时1 c l 7 1 3 5 时序图 与单片机系统的串行连接 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，系统的连接比较复杂， i c l 7 1 3 5 的串行接 南昌大学2 0 0 5 属硕士学位论文 法是通过计脉冲数的方法来获得测量转换结果的，可以通过单片机的定时器即 或t 1 来作计数脉冲器，定时器t 0 所用的c l k 频率是系统晶振频率的i i 2 ，因 此可利用单片机的a l e 信号经7 4 l s 7 4 分频后作为i c l 7 1 3 5 的脉冲( c l k ) 输入， 便可得到定时器t d 所使用的频率与单片机系统晶振频率的关系，以及i c l 7 1 3 5 所需频率输入与单片机系统晶振频率的关系。 为使定时器t d 计数脉冲与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 2 的p 3 2 ( i n t 0 ) 引脚上，此时定时器t d 是否工作 将受b u s y 信号的控制，并且将定时器t 0 的选通控制信号g a t e 位置1 。i c l 7 1 3 5 的输入电压与t 0 计数脉冲成线性关系，i c l 7 1 3 5 满量程时对应的有效计数脉冲 为2 0 0 0 0 , 可以得以下公式： 小急+ 2 0 0 0 0 m 钤o o o 式中：，为对应输入电压矿，的计数脉冲，y 。、v 。分别为i c l 7 1 3 5 的最 大工作电压和基准电压，且有v 。：2 v 。，v 。工作对事先通过m c t 4 0 3 输出端 电位器调好。 只要y 。非常准确，且准确测量出v ，因1 c l 7 1 3 5 和a t 8 9 c 5 2 的精确度 都非常高，故得到的厂，也可达到很高的精度。其电路原理图如图3 6 所示。 图3 6a ，d 转换电路 南昌大学2 0 0 5 届硕士学位论文 3 4 单片机电路 单片机a t 8 9 c 5 2 与a t 8 9 c 2 0 5 1 之间的连线及其与外围电路的连接如图3 7 所示。 图3 7 单片机电路 3 5 看门狗电路 在注塑成型温度监控系统中，由于固态继电器，交流接触器等引起的干扰窜 入微机系统中是造成系统故障的主要原因之一，其典型故障就是破坏c p u 的程 序计数器p c 的状态，导致程序在地址空间内“乱飞”或者陷入“死循环”，严 重时还会破坏中断方式控制字，导致中断关闭。因此，必须尽早发现故障并采取 补救措施。 这里采用软硬件结合的“看门狗”技术，能有效地解决上述问题。 m a x 8 1 3 l 是m a x i m 公司推出的价格低廉的微处理器控制芯片，内有“看 门狗”( w a t c h d o g ) 定时器。w d l 为“看门狗”，输入端，启动w a t c h d o g ，定时 器开始计数。在r e s e t