恒温箱控制系统的设计毕业论文.doc

设计（论文）专用纸 恒温箱控制系统的设计毕业论文系统总体设计根据要实现的功能特点，本系统选用了MCS系列8031单片机，扩展一片74LS373地址锁存器,2716EPROM程序存储器和一片AD转换芯片ADC0809，构成基本系统，另外功能键和LED显示由串行口扩展n片74LS164实现。还有一些附加电路如温度检测电路、电压检测电路、报警电路、时钟电路、复位电路和电热丝、电风扇启停控制电路及热敏电阻检测传感器电路等。本系统为单片机恒温箱控制系统的设计，恒温箱供科研机关及医院细菌培养之用，也可以做育种、发酵与及其他实验之用。恒温箱加热功率为200700W，电源为交流220V，调温范围在+360，升温速度0.5/min,温度控制精度为0.5。本控制系统实际达到的性能指标：控制容量 ，AC250V，5A，阻性负载温度设定， 2位十进制数拨盘实时显示水温，范围为0100，3位LED数码管设定3个测温点，测量范围可在2080范围任意设定水温具有预约功能，24h任意设定开机时间具有LED数码显示实时温度，进行设定操作时闪烁显示设定水温、时间，并有预约、保温/加热指示可随时察看和校正系统时钟配有遥控器，控制更加简单方便超温断电保护并报警功能出现漏电流故障时，迅速切断电源并提示报警功能系统断电能保护设定数据针对本人设计的这个课题，本文讨论了由数字温度传感器配合光电隔离及中间继电器来控制风扇和加热器的工作,由此来实现现场由电脑全自动测量温度和控制温度。本文所研究的是现场电脑全自动控温系统,要求可以测量现场的温度的准确性，实用中间继电器来控制风扇和电热器的工作，同时要求操作方便，显示直观，人机界面友好，工作可靠且具有完备的保护功能，以适应现场的需要。本系统考虑到水温变化范围较小，利用数值键按键较多，该恒温箱温度的设置是通过三个功能键来完成的，即：“设定”键、“”键、“”键。当需要调整温度时，先按下设定键再按“”键设定温度增1、按“”键温度减1，直到所需温度为止。单片机IO线较多，按键可与IO口直接连接。温度显示电路利用3位数码管显示温度，显示温度范围0100，显示电路按常规方法通过驱动电路直接与IO口连接。因该控制器对温度要求精度不高，传感器选用价格便宜的热敏电阻即可满足要求。传感器输出的信号经放大后可直接连单片机信号输入端（单片机内有AD），由软件来启动AD转换并与设定值比较，当测定值低于设定温度值时，使加热管加热，当测定值达到设定温度时，停止加热。在程序设计时做了回差设计，避免加热管频繁开关。目前市场上的电热水器又连续水流式和贮水式，前者虽具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。而市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善,而且精度低、可靠性差，生活质量的提高使得消费者对电热水器要求越来越趋向于智能化和数字化，因此我们采用MCS51系列单片机作为控制中心设计了这款智能家用电热水器。 由于考虑到热水器的潮湿的工作环境对单片机的特殊要求，我采用了MCS51系列8031的单片机作为控制中心.它具有抗干扰能力强,工作可靠稳定,完全满足高性能的电热水器的控制要求.同时考虑到家电业的激烈竞争，节约生产成本，我们用尽量简单的器件实现这些功能，并充分利用内外围功能，以提高产品的性价比，稍加改进，便能以较低成本应用于实际批量生产中。温度控制系统介绍1 单片机温度控制系统的组成及工作原理 在工业生产中, 对温度控制系统的要求, 主要是保证热温按规定的温度工艺曲线变化, 超调小或者无超调, 稳定性好, 不振荡, 对系统的快速性要求不高。以下浅析了单片机电热水器控温系统设计过程及实现方法。热敏电阻将热温变换为模拟电压信号, 经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器, 信号放大为05 V 后送模/ 数转换器转换为数字量送单片机。同时, 热电阻的冷端温度也由IC 温度传感器变为电压信号, 经放大和转换后送单片机。标度变换程度根据温检测值求得实际热温 。数字调节器程序根据恒温给定值0 与的偏差, 按积分分离的PID 控制算法得到输出控制量ui 。数字触发器程序根据uc 控制电热水器的导通时间, 调节热温的变化使之与给定恒温值一致。导通时间长, 输出功率大, 温度升高快; 导通时间短, 输出功率小, 温度升高变慢。显示与恒温判断程序完成热温与恒温时间显示、恒温开始与恒温完成判别、恒温完成时给出声光指示信号。断偶判断程序根据温度检测值判断温度传感是否开路, 若开路, 则给出断偶报警信号。 而随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。单片机温度控制系统，是利用单片机作为系统的主控制器，测量电路中的温度反馈信号经A/D变换后，送入单片机中进行处理，经过一定的算法后，单片机的输出用来控制可控硅的通断，控制加热炉的输出功率，从而实现对温度的控制。 本单片机温度控制系统的具体指标要求是，对加热器加热温度调整范围为0100，温度控制精度小于0.05，系统的超调量须小于5%。软件设计须能进行人机对话，考虑到本系统控制对象为恒温箱，是一个大延迟环节，且温度调节范围较小，所以本系统对过渡过程时间不予要求。 单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可以实现对数字信号的处理和控制。本设计运用MCS-51系列单片集中的8031单片机为主控制器，对恒温箱的温度进行智能化控制，最终通过软件设计来实现人机对话功能，实现对的恒温箱温度控制。 整个系统也可划分为控制电路部分、加热电路部分和测量电路三部分。控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号，发出相应的指令来控制可控硅，是系统的核心。8031对温度的控制是通过可控硅调功能电路实现的。在给定的周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率，从而达到调节温度的目的。而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8031用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。过零同步脉冲是一种50HZ交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中，另一方面还作为计数脉冲加到8031的T0和T1端。 加热电路用来实现对系统的升温加热达到预定的温度。当温度没有达到要求，控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。系统的硬件设计根据要实现的功能特点，本系统选用了MCS系列8031单片机，扩展一片2716EPROM程序存储器和一片AD转换芯片ADC0809，构成基本系统，另外功能键和LED显示由串行口扩展n片74LS164实现。还有一些附加电路如温度检测电路、电压检测电路、报警电路、时钟电路、复位电路等。5.1电热水器系统结构框图5.2 单片机系统电器原理图如下所示： 主控制芯片：1芯片8031引脚说明芯片8031的引脚2 8031单片机具有以下几个特点：（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）；（2）片内有时钟发生电路（6MH或12MH）、每执行一条指令时间为 或 ；（3）片内具有128字节的RAM；（4）具有21个特殊寄存器。（5）可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器；（6）具有4个I/O口，32根I/O线；（7）具有2个16位定时器/计数器；（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级；（9）具有一个全双功串行接口；（10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。从上述特性可以看出这种8031芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。3、8031芯片引脚及其功能8031芯片具有40根引脚，其引脚图如下。 3 40根引脚按其功能可以分为四类：1.电源线 2根。Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5V。Vss：地电平。2.晶体振荡器 2根。XTAL1：振荡器的反向放大器输入。使用外部振荡器时必须接地。XTAL2：振荡器的反向放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部震荡信号。3.I/O口 共有P0、P1、P2、P3四个8位口，32根I/O线，其功能如下：（1）P0.0P0.7（AD0AD7）是I/O端口0的引脚。端口0是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口（在此时内部上拉电阻有效）。（2）P1.0P1.7端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。（3）P2.0P2.7（A8A15）端口2的引脚。端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8A15。（4）P3.0P3.7端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与P1操作与口完全相同，第二功能如下所示：口引脚 第二功能P3.0 RXD (串行输入口)P3.1 TXD (串行输出口)P3.2 INT0 (外部中断)P3.3 INT1 (外部中断)P3.4 T0 (定时器0外部输入)P3.5 T1 (定时器1外部输入)P3.6 WR (外部数据存储器写选通)P3.7 RD (外部数据存储器读选通)由上看出，8031单片机不是将地址总线、数据总线和控制总线分开，而是地址线、数据线和部分控制均由I/O口完成。4.控制线（1）PSEN：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的选通信号，低电平有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。（2）EA/VPP：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器的指令。因为8031芯片没有内部程序存储器，所以EA必须接地。（3）ALE/PROG：ALE是地址锁存器使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因为P1端口是分时传送数据和低8位地址。所以访问外部存储器时，ALE信号锁存低8位地址。即使在不访问外部存储器时，也以1/6振荡频率的固定频率产生ALE，因此可以用它作为外部的时钟信号。ALE主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取指令时，把P0口的低位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。（4）RST/VPD：是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使RST引脚至少保持两个机器周期为高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从0000H单元开始执行。在VCC关断前加上VPD（掉电保护）RAM的内容将不变。8031芯片内部的存储器结构及地址分配8031芯片内部无程序存储器，只有256 字节的数据存储器，地址从00H7FH，其地址分配如下图：8031芯片内部256字节的空间被分成两部分，其中内部数据存储器（RAM）地址为00H7FH，特殊功能寄存器（SFR）的地址为80HFFH。在内部数据存储器中的00H1FH为四个工作寄存器区，其中： 0区 00H07H 1区 08H0FH 2区 10H17H 3区 18H1FH 每个区都有8个8位寄存器R0R7。可以用来暂存运算的中间结果，以提高运算速度。其中的R0和R1还可以用来存放8位地址。要确定采用哪个工作寄存器区，可通过标志寄存器PSW中的RS0、RS1两位来指定。 从20H2FH是“位寻址”空间。在此空间中，CPU既可对其执行按字节操作，又可对其中每个单元的8位二进制代码执行按位的操作。从30H7FH是可以按字节寻址的数据缓冲区，在此区域中可以设置堆栈。由于8031复位后堆栈指针SP指向工作寄存器区（即SP=07H），所以用户必须在初始化程序中对SP设置30H以后的地址区间为初值。 8031芯片内部没有程序存储器，且仅有128字节的数据存储器，因而再组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器。由于地址线是16位的，故最多能扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器，其地址均为0000HFFFFH，即程序存储器和数据存储器为独立编址；因此EPROM和RAM的地址分配比较自由，编程时不必考虑地址冲突问题。4 芯片74LS373的引脚：8031芯片本身的连接除EA必须接地来表明选择外部存储器外，还必须有复位及时钟电路。在此系统中有P1、P3口可作用户I/O口使用；74LS373为地址锁存器，如上图所示。它是一片三态输出8D触发器，当OE=0是三态门导通，输出线上为8位所存器的状态。当OE=1时输出线成高阻状态。G为所存器输入线，G=1时所存器输出等于D端输入，G输入端负跳变将输入信号锁存到8位锁存器中。当8031在访问外部程序存储器时，P2口输出高8位地址：P6口分时传送底8位地址和指令字节。在ALE为高电平时，P0口输出的地址有效，并有ALE的下降沿锁存到地址锁存器中，此时外部程序存储器选通信号线PSEN出现底电平，选通相应的外部。EPROM存储器；相应的指令字节出现在EPROM的数据线（O0到O7）上，输入到P0口。CPU将指令字节读入指令寄存器。5 2716EPROM的引脚配置2716（2KX8）有8根数据线O0-O7，2048X8（=16384）个存储容量，需要11根地址线（A0A10）。2716可执行读出和写入两种操作。这里只谈它的读出操作。在2716读出操作中，最重要的是OE和CE两条信号。CE线的使用方法与2114芯片的CS相类似，也就是使用地址线A11A15来划定2716存储单元所在存储空间的区域。此时CE=0时，可从存储器读出数据，这可用CPU的MPREQ和RD信号控制。6 芯片ADC0809的引脚 ADC0809的管脚图 ADC0809采用双列直插式封装,共有28条引脚，各管脚的功能分四组简述如下： 1模拟信号输入IN0IN7IN0IN7为八路模拟电压输入线，加在模拟开关上，工作时采用时分割的方式，轮流进行AD转换。 2地址输入和控制线 地址输入和控制线共4条，其中ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线（Address A），用于选择IN0IN7上哪一路模拟电压送给比较器进行AD转换。ALE（Address Lock Enable）为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，ADDA、ADDB和ADDC三条地址线上地址信号得以锁存，经译码器控制八路模拟开关工作。 3数字量输出及控制线（11条） START为“启动脉冲”输入线，该线正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零，下降沿启动ADC工作。EOC为转换结束输出线，该线高电平表示AD转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。D0D7为数字量输出线，D7为最高位。EOUT为“输出允许”线，高电平时能使D0D7引脚上输出转换后的数字量。 4电源线及其他（5条） CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需，一般为640kHz时钟脉冲。VDD为+5V电源输入线，GND为地线。+VREF和-VREF为参考电压输入线，用于给电阻网络供给标准电压。+VREF常和VDD相连，-VREF常接地。电路及功能A/D转换器采用逐次逼近式8位ADC0809芯片。0809共有8路模拟输入通道，本系统只用了其中4个通道IN0IN3。作为水位检测通道，IN1作为热电流检测通道，IN2作为温度检测通道，IN3作为电源电压检测通道。ADC0809与单片机接口电路见主电路图2所示，图中ADC0809的A，B，C三个端通过地址锁存器接于P0口的P0.0P0.2，该三端控制模拟通道号的选择。P1.6与WR。RD端经与非门接于0809的ALE，START，OE端，控制0809启动、读、写。0809的EOC端悬空，转换后利用软件延时在读结果，不用中断方式。显示示电路系统功能键及LED显示电路如电路图2，采用6个功能键控制水位，漏电流及加热温度设定，4位LED数码管负责显示水位、加热温度及压缩机启、停和报警等状态。 显示和键盘输入均通过8031的串行口。显示输出通道和键盘输入通道的选择由端口线P3.2和与门A完成。当P3.2为“1”时，8031的TXD端输出同步脉冲通过与门A发送到显示移位寄存器74LS164的移位脉冲输入端，这样8031欲显示的数据，由RXD端输出，移位读入到显示器通道。当P3.2为“0”时，8031RXD的数据仅能被移位读入到键盘扫描用的移位寄存器中。由于显示通道采用LED数码管并用74LS164作为驱动器，所以简化了线路，结构简单，显示字位扩充方便，驱动程序设计容易。键盘工作原理也很简单，8031通过RXD向键盘扫描移位寄存器74LS164逐位发送数据“0”，每次发送后既从P3.4端读入键盘信号若读得“0”，则表示有键按下，于是转入键处理功能程序。温度检测电路如图下图所示：图中Rt为温度传感器，选用MF1型热敏电阻，具有正负温度系数，灵敏度高。其阻值和温度的关系为：R(t)=(286/26.8+t)-2.68（千欧）A点电压与温度的关系为：VA=(2.68*5)/(Rt+2.68)=1.26+0.047 t温度电路工作原理：把热敏电阻安装在距蒸发器3mm的某个位置上，当温度过高时，热敏电阻接触到较高的水蒸汽从而感到较高的温度，其电阻R(t)变大，A点温度降底，运算放大器输出信号有变化，经A/D转换后送入单片机，经其分析、判断，给出。报警电路报水器工作在潮湿的场合，为了确保人身安全，控制器应具备漏电检测和保护功能。漏电检测线圈的输出经过比较器后送给单片机中断口，一旦漏电超过规定的阀值，单片机立即响应中断，切断整个系统的电源。其漏电检测电路如图3。报警电路是在传感器故障、超温时报警提示。电源与时钟电路电源电路由变压桥、整流桥、滤波电阻、压敏电阻和集成稳压电路MC7812T及MC7805T组成，可为控制器提供+5V和+12V电源.OSC1,OSC2外接8kHz晶体振荡器。漏电检测电路该控制器设计的报警电路是：当单片机检测到传感器出现故障时，利用软件设计从一IO线输出信号经放大后驱动报警电路报警以提示故障，并同时通过电热控制电路来实现停止加热。 由于恒温箱工作环境潮湿，为了保证人身安全，该恒温箱设计了漏电检测电路。一般情况下漏电检测电路输出高电平，当漏电超过允许值时，该电路输出低电平，该电路输出接INT0，并将INT0设置成高级允许中断，这样，当漏电发生时，CPU立即响应中断，切断系统的供电电源。恒温箱工作环境潮湿，为了保证使用者安全，控制器应具备漏电检测功能。在正常情况下，流过磁环的电流大小相等，方向相反，磁环检测线圈无感应电流信号，漏电检测集成电路输出低电平。当出现漏电电流时，由了流过磁环的电流不平衡，于是磁环检测线圈感应出漏电信号，经集成电路M54123L放大输出高电平，经三极管倒相后输出至CPU。CPU接收到漏电信号，则停止加热保温及键盘操作，结束工程程序并发出报警信号，电源指示灯闪烁警示，扬声器连续呜响。正常情况下，CPU每隔10ms就发出一个漏电保护可靠性自检脉冲，代替普通漏电开关的试验按钮，控制晶体管导通，于是磁环流过一个大于10mA的电流，该电流作为模拟漏电信号被磁环检测，经M54123L放大及三极管倒相后，输出至CPU。CPU自动判断是否为自检信号以及自检是否合格，有信号则自检合格，继续执行程序；无信号则自检不合格，自动停止加热保温及键盘操作，结束工作程序并发出报警 信号，电源指示灯闪烁警示，蜂鸣器连续呜响，从而确保电热水器的安全使用。在漏电保护及自检不合格情况下，只有关闭电源及排除故障后，重新接通电源才能工作。数据保持与系统复位电路为了使系统可靠地工作并保存设定数椐，在恒温箱的控制电路中选用了芯片X25043，该芯片内部具有可编程的看门狗定时器，串行EEPROM、低电压检测电路，并提供复位信号。一旦系统出现故障，电源电压降低到系统的设定位置时，系统复位，保护系统使之免受低电压的影响。EEPROM可在复位时保存设定数据。图4数据保持与复位电路键盘 控制器的功能及参数设定都是通过按键来实现，本系统主控制器两个按键完成直接加热及查询水位的功能，采用键盘中断模式，PTA2,PTA3作为按键的输入口。在此系统中采用了独立式键盘。本系统考虑到水温变化范围较小，利用数值键按键较多，该恒温箱水温的设置是通过三个功能键来完成的，即：“设定”键、“”键、“”键。当需要调整温度时，先按下设定键再按“”键设定温度增1、按“”键温度减1，直到所需温度为止。单片机IO线较多，按键可与IO口直接连接。温度显示电路利用4位数码管显示温度，显示温度范围0100，显示电路按常规方法通过驱动电路直接与IO口连接。5.2.7显示 考虑到使用环境空气湿度较大，故主控制器显示采用LED数码管进行显示。采用SPI主方式扩展三片74LS164，作为七段显示器静态显示的段数据输出口。在无按键状态下，主控制器显示当前水温，遥控器显示当前时间；当进行设定或查询时，遥控器lcd及主控制器led均闪烁显示设定或查询信息，按键放开一定时间后自动返回一般状态。实时水温及水位检测热敏电阻将温度信息转换为电压信息，经A/D转换模块中PTB0输入CPU,查表后得到实时水温。水位检测为三个并联的不同阻值的电阻，电路的电极电流较小(几个微安)，电腐蚀小，适用水电阻变化范围大(几K一100K欧)。某电阻所在水位未到达，电阻截止；水位到达，电阻导通，组成并联电路。将不同阻值所分得的电压经PTB1转换后，可判断出水位信息（高、中、低、干烧）。加热及继电器失控保护： 在如图所示的电路中，在电脑电热水器正常工作状态下，二继电器动作触点对加热管的电源能执行双极断开，可有效地保证当停止加热时，加热系统可完全与外电隔离，两只单极继电器同时出现故障的几率是极低的，但在热水器正常寿命期间，单只继电器出现此故障却是极有可能的，而且，此时如不及时处理解决，另一继电器很有可能不久后也跟着产生此类故障而导致真正的危险。因此解决问题的关键是必须在有一继电器出现此故障后，系统可以及时检测到，并依靠另一暂时尚可以正常工作的继电器执行系统的安全保护措施采用如图所示的电路，可以有效地检测到两个继电器中任一个或同时两个触点出现粘死、不断开故障时的情况。PID算法在恒温箱当中的应用：在弹力纱机机床中，其中的工业电炉是其关键的部件，恒温箱的制精度及其工作的稳定性已成为产品质量的决定性因素。对于工业控制过程，PID控制器具有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点，因此在控制理论和技术飞跃发展的今天，它在工业控制领域仍具有强大的生命力。但在工业炉工作中，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，传统的PID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。本文针对这一问题，设计一种FuzzyPID控制器，根据电炉的实际响应，通过模糊规则进行推理和决策，在线整定PID控制器的三个参数，以实现对电炉的优化控制。运行结果表明这种设计方法完全有效。 恒温箱 yPID控制器的结构和原理FuzzyPID控制器结构如图1所示，首先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IF（条件）THEN（结果）形式的模糊规则，并把这些模糊规则及相关信息（如：初始的PID参数）存入计算机中。根据电热水器相情况，计算出采样时刻的偏差e及偏差的变化ec，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Kp、Ki、Kd，实现对PID参数的最佳调整。FuzzyPID控制器主要由模糊化、模糊推理、去模糊化三部分组成。 恒温箱 zzyPID控制器的设计 常规PID控制器作用可用以下的位置算式（1）描述：FuzzyPID控制器是在PID参数预整定的基础上，利用模糊规则实时在线整定PID控制器的三个修正参数：Kp、Ki、Kd实现对炉温的优化控制。文中采用ZieglerNichols方法实现参数的预整定。FuzzyPID控制器的设计可以分为以下三部分完成： 输入量偏差e、偏差变化ec的模糊化模糊控制器的输入、输出变量都是精确量，模糊推理是针对模糊量进行的，因此，控制器首先要对输入量进行模糊化处理。在本课题所设计的FuzzyPID控制器中，输入、输出变量的语言值均分为七个语言值：NB、NM、NS、O、PS、PM、PB，隶属度函数采用灵敏性强的三角函数。为增强系统的鲁棒性，提高隶属度函数的分辨率，在0值附近的函数形状取的更陡，形式如图2所示。 e的基本论域为：100，100 ec的基本论域为：5，5 Kp的基本论域为：1，1 Ki的基本论域为：0002，0002 Kd的基本论域为：1，1以上各变量的模糊量分别为：E、EC、KP、KI、KD其论域均为6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6 输入量e、ec的量化因子为： ke006，kec12 参数整定规则的确定及模糊推理 参数的整定规则是控制器的核心，它是操作人员和专家的经验知识的总结，列出表格如下。比例环节作用是成比例的反映控制系统的偏差信号e，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。但如果Kp取值过大，会引起系统振荡，破坏系统动态性能。因此，当偏差e较大时，为提高响应速度，Kp取大值；在偏差较小时，防止超调过大产生振荡，Kp减小；当偏差很小时，为使系统尽快稳定，则Kp应继续减小。同时考虑ec的因素，当ec和e同号时，输出偏离稳定值方向变化，Kp适当增大；反之，Kp适当减小。Kp的控制规则表如表1所示。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。它对误差进行积分，对系统控制有一定的滞后作用。积分作用过强，会造成系统超调增大，甚至引起振荡。在常规PID控制中，为防止积分饱和，常将积分环节分离出来，当偏差减小至一定范围时，才加入积分环节。因此，当偏差e大或较大时，为避免系统超调，Ki取零值；当e较小时，积分环节有效，随e的减小而增大，以消除系统的稳态误差，提高控制精度。Ki的控制规则表如表2所示。微分环节能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前加入一个修正信号，加快系统的响应速度，减少超调时间，增强系统的稳定性，但它对干扰信号同样敏感，会使系统抑制干扰的能力下降。因此，在控制过程初期，当偏差e较大时，为提高避免偏差瞬间变大，造成微分溢出，Kd取小些；在偏差较小时，综合考虑系统的抗振动能力和系统响应速度，应使Kd适当取值。Kd控制规则表如表3所示。对输入的偏差e和偏差变化ec，在取得相应的语言值后，根据整定规则表，经过公式法模糊决策，分别得出三个修正参数Kp、Ki、Kd的模糊量。 出量的去模糊化经过22的模糊推理后，FuzzyPID控制器整定的三个修正参数要进行去模糊化取得精确量以计算输出控制量，既单位时间电炉通断电百分比。去模糊化有几种方法，例如：最大隶属度法、重心法等，对本控制器，采用重心法求取输出量的精确值，得出模糊判决后的清晰量c(k)。c（k）ku（ku为输出量的比例因子）即为自整定之后的修正参数，各修正参数比例因子为： 输入到PID控制器的参数由下列算式（2）计算得出： 真比较计算机仿真是在MATLAB环境下进行的，工业电炉的仿真模型可以用纯滞后环节和一阶惯性环节表示。针对作者研制的弹力纱机电炉温度控制系统，经实验确定，其模型如下：其中：K为增益系数，K492百分点； T为时间常数，T8575s； 为滞后时间，175s。在单位阶跃输入下，对电炉分别使用常规PID控制和FuzzyPID控制，可得图3、图4所示的仿真结果。对比两图可以看出，参数自整定PID控制比常规PID控制的超调量减小19，调节时间缩短了43，取得了比传统PID更高的快速性和稳定性。 FuzzyPID控制算法在一个周期内的流程图温控系统的FuzzyPID算法采用子程序的形式编写，在一个周期内的流程图如图5所示。 际运行结果采样周期为20s，弹力纱机温控系统的运行曲线如图6所示。电炉的目标温度为80，系统的上升时间为1500s，超调量为15。在系统稳定后，输入阶跃信号4分钟断电，系统经过500s后重新稳定输出，显示出较强的鲁棒性。 温度检测系统介绍：测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理。主要由温度检测、放大器A/D转换器组成。而传统的热敏电阻温度计硬件上大多采用普通单片机(MCS-51系列)+A/D转换器以及LED显示模块构成。1温度检测的设计 采用热敏电阻传感器。热电阻传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽(通常从- 50 + 1600 ) 及反应快速的优点。热电阻传感器输出的电压信号较为微弱(只有几毫伏到几十毫伏) , 因此在进行A/ D 转换之前必须进行信号调理, 由高放大倍数的电路将它放大到A/ D 转换器通常所要求的伏特级电平。一般采用热敏电阻调理模板或调理模块来完成这项工作最为便捷, 而自行设计、制作仪表放大器则较为繁琐且较难保证精度。图2 冷端温度检测与放大电路使用热敏电阻传感器应注意采取冷端补偿。即当热电偶冷端温度不为0 时, 热电阻的输出电势将偏离冷端温度为0 时的数值, 为了提高测温精度, 需要采取冷端补偿措施。冷端温度检测电路如图2 所示。冷端补偿可以采用软件补偿方法, 用IC 温度传感器检测热电阻2 热敏电阻温度的转换原理热敏电阻是温度传感器的一种，他由仿陶瓷半导体组成。热敏电阻(NTC)不同于普通的电阻，他具有负的电阻温度特性，即当温度升高时，其电阻值减小。图1为热敏电阻的特性曲线。 热敏电阻的阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线性较大，因此在使用时要进行线性化处理。线性化处理虽然能够改善热敏电阻的特性曲线，但是比较复杂。为此，在要求不高的一般应用中，常做出在一定的温度范围内温度与阻值成线性关系的假定，以简化计算。使用热敏电阻是为了感知温度，给热敏电阻通以恒定的电流，电阻两端就可测到一个电压，然后通过公式下面的公式可求得温度：T为被测温度；T0为与热敏电阻特性有关的温度参数；K为与热敏电阻特性有关的系数；VT为热敏电阻两端的电压。根据这一公式，如果能测得热敏电阻两端的电压，再知道参数T0和K，则可以计算出热敏电阻的环境温度，也就是被测的温度，这样就把电阻随温度的变化关系转化为电压随温度变化的关系了。数字式电阻温度计设计的主要工作，就是把热敏电阻两端电压值经过A/D转换成数字量送到单片机中，然后通过软件方法计算出温度值，再进行显示、打印等处理。 热敏电阻NTC串联上一个普通电阻R，再接+5V电源，取RT两端电压，并送入微控制器LPC2142的AINl(P028引脚)通道进行A/D转换。转换启动方式以及转换通道的选择可通过设置ADC控制寄存器ADC0DR来实现。转换的结果通过一个同步、全双工串行SPI接口输出到LED显示驱动器MCl4489进行温度的实时显示。 热敏电阻温度转换原理的简述可知：热敏电阻特性曲线是一条指数曲线，非线性度较大，又由于非线性处理比较复杂，在本文设计要求不是很高的情况下可以做以简化来处理。热敏电阻将温度信息转换为电压信息，经A/D转换模块中PTB0输入CPU,查表后得到实时水温。水位检测为三个并联的不同阻值的电阻，电路的电极电流较小(几个微安)，电腐蚀小，适用水电阻变化范围大(几K一100K欧)。某电阻所在水位未到达，电阻截止；水位到达，电阻导通，组成并联电路。将不同阻值所分得的电压经PTB1转换后，可判断出水位信息（高、中、低、干烧）。电源与时钟电路。 电源电路由变压桥、整流桥、滤波电阻、压敏电阻和集成稳压电路MC7812T及MC7805T组成，可为控制器提供+5V和+12V电源.OSC1,OSC2外接8kHz晶体振荡器。第6章 系统的软件设计6.1程序流程介绍：统软件由主程序、中断服务程序、温度控制程序和若干个模块子程序组成。主程序流程图和中断服务程序流程图如下所示：主程序：ORG 0400HDISM0 DATA 78HDISM1 DATA 79HDISM2 DATA 7AHDISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CHDISM5 DATA 7DH MOV SP， #50H ； 50H送SP CLR 5EH ； 清本次越限标志 CLR 5FH ； 清上次越限标志 CLR A ； 清累加器A MOV 2FH， A ； 清暂存单元 MOV 30H， A ； 清暂存单元 MOV 3BH， A ； 清暂存单元 MOV 3CH， A ； 清暂存单元 MOV 3DH， A ； 清暂存单元 MOV 3EH， A ； 清暂存单元 MOV 44H， A ； 清暂存单元 MOV DISM0， A ； 清显示缓冲 MOV DISM1， A ； 清显示缓冲 MOV DISM2， A ； 清显示缓冲 MOV DISM3， A ； 清显示缓冲 MOV DISM4， A ； 清显示缓冲 MOV DISM5， A ； 清显示缓冲 MO