[硕士论文精品]基于智能仪表的电阻炉温度控制系统的设计及其应用

江苏大学硕士学位论文摘要微电子技术和通信技术的发展极大地促进了智能测量控制仪表的发展。单片机技术、通信技术及各种功能芯片的广泛使用为智能仪表的设计提供了新的方案，使智能仪表成为了现代测控技术的主要工具。工业加热时经常使用电阻炉，对其温度控制时精度要求很高，同时多仪表组网可实现加热系统的集中监控和数据管理。为此设计一个运行稳定、控制精度高、可通信的电阻炉温度控制系统具有一定的实际意义。本文以电阻炉为控制对象、智能仪表为控制工具、热电偶为温度传感器、继电器为执行元件、RS485串口通信设计温度控制系统。依据系统设计要求，全面讨论了智能仪表的硬件设计、软件开发及抗干扰处理。硬件电路设计在保证技术指标的前提下，以简约为原则，合理选择各个芯片，充分利用了单片机的IO资源。软件设计时紧密结合硬件资源，充分运用定时时钟，完成了数据处理、显示、键盘操作、串口通信等功能。在算法研究方面，以电阻炉为研究对象建立离散数学模型，依据超稳定理论设计了一个结构简单、易于实现的参考模型自适应MRAC算法，仿真结果表明该算法超调量小，跟踪速度快。最后对系统进行调试及实验，实验结果表明该系统运行稳定、控制效果好、性价比高，具有良好的市场前景。关键词智能仪表电阻炉温度控制单片机自适应控制江苏大学硕士学位论文ABSTRACTALONGWITHTHETECHNIQUEOFMICROELECTRONICANDCOMMUNICATION,INTELLIGENTMEASUREANDCONTROLINSTRUMENTHASBEENDEVELOPEDTHENEWDESIGNOFINSTRMNENTHASBEENOBTAINEDBYBROADUSEOFTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERANDCMOSCHIPSTHEINTELLIGENTINSTRUMENTHASBEENTHEMAINTOOLINTHEFIELDOFMODEMMEA吼鹏ANDCONTR01THERESISTANCEFIL姗EHASBEENWIDELYUSEDASTHEHEATERININDUSTRYANDTHEEXACTPRECISIONOFTEMPERATURECONTROLISDEMANDEDTHENETBUILTBYINSTRUMENTSCANSUPERVISETHEBEATPROCESSANDSETTLETHEDATABASETHEREFORE，ITISVERYVALUABIETODESIGNTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMHAVESTEADYOPERATION,EXACTPRECISIONANDCOMMUNICATIONWITHAHOSTCOMPUTERINTHETHESIS，THETEMPERATURECONTROLSYSTEMTHATTHEOBJECTISRESISTANCEFURNACE，CONTROLLEDBYINTELLIGENTINSTRUMENT,MEASUREDBYTEMPERATURESENSORS，CARRIEDOUTBYRELAYANDRS485SERIALCOMMUNICATEDHASBEENDESIGNEDACCORDINGTOTHEDESIGNOFSYSTEM,THEDESIGNOFHARDWAREANDSOFTWAREHASBEENDISCUSSEDCOMPLETELYACCORDINGTOTHEDESIGNTARGETANDTHEECONOMICALPRINCIPLETOCHOOSESUITABLECMOSCHIPS，THEDESIGNOFHARDWARECIRCUITUSESFOOFSINGLECHIPMICROCOMPUTERWELLTHEDESIGNOFSOFTWAREISCOMBINEDWITHHARDWAREANDHASCOMPLETEDTHEDATACALCULATIONANDDISPLAY,KEYBOARDOPCRA芏ION，SERIALCOMMUNICATIONANDSOOILITISSTUDIEDTHERESISTANCEFURNACE，SETUPAMATHEMATICALMODEL，CONSTRUCTEDAMODELREFERENCESELFADAPTIVECONTROLARITHMETICBYUSINGPOPOVCRITERIONTHEORYTHESIMULATINGRESULTSSHOWTHEADVANTAGEOFTHISARITHMETICBYTHEEXPERIMENTALVERIFICATION,THISSYSTEMOPERATESWELLITHASHIGHACCURACYTOMEASUREANDCONTROLOBJECTANDBEENUSEDECONOMICALLYKEYWORDSINTELLIGENTINSTRUMENT；RESISTANCEFURNACE；TEMPERATURECONTROL；SINGLECHIPMICROCOMPUTER；SELFADAPTIVECONTROL学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密囱。学位论文作者签名娅、奄耙导师躲整影形导师签名。魁影形签字只期枷卉年6月F甲日签字日期扣年莎月，FH学位论文作者毕业后去向工作单位通讯地址电话邮编独创性声明本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名LI_岔耙日期W可年石月LQ，ET江苏大学硕士学位论文第一章绪论II基于智能仪表的温控系统设计背景在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。随着工业的不断发展，对温度的测控精度要求越来越高，测温范围越来越广，因此温度测控技术的研究是一个重要的研究课题。在工业电炉控制中温度的测控是十分重要的。温控过程要严格按照事先设定的温度曲线运行，如果意外掉电导致加热终止或控温精度低，都会导致工业加工的失败。因此研究以工业电阻炉为控制对象，以智能仪表为控制工具的温控系统具有一定的实际应用价值。随着计算机、通讯技术在工业自动化系统的广泛应用，工业仪表的功能越来越强大。在高新技术的推动下，作为工业主要技术工具的测控仪表正跨入真正的数字化、智能化、网络化时代。不仅各类测控设备是数字化的，而且可通过网络将分散的控制装置和各类智能仪表连接起来，实现工业生产过程的集散监控管理。12智能仪表概述在长期的科学技术和生产发展过程中，测试技术已趋于完善和成熟。一般的物理“量”、化学“量”均有相适应的测试手段。然而，传统的测试手段大多只适用于各种量的静态测量被测量不随时间而变化或变化的频率不高。而且测试的精度也受到多方面的限制。随着电子技术、半导体技术以及计算机技术的不断发展与成熟，各种动态量的现代测试与控制技术也得到迅速发展。一个完整的现代测控过程一般应包括信息的采集一用传感器来完成；信息的变换与传输一用中间变换装置来完成；信息的处理和分析一用信息处理设备或计算机软件来完成；信息的显示和记录一用信息显示记录装置或计算机外围设备来完成；江苏大擘硕士学位论文信息的控制一用各种智能算法得到控制量，驱动执行机构完成预定控制效果；信息的通讯一用网络将分散的控制装置和各类智能仪表连接起来，实现集散监控。智能仪器将测试技术、计算机技术、控制原理、通讯技术相结合，成为现代测量技术的主要工具。以单片机为核心的智能化测量控制仪表的基本组成如图11所示。圈L1智能化潮量控制仪表的基本组成单片机是仪表的主体，对于小型仪表来说，单片机内部的存储器满足要求；大型仪表要进行复杂的数据处理及复杂的控制功能，其监控程序较大，测量数据较多，这时就需要在单片机外部扩展片外存储器。被测量的模拟信号经过AD转换后，通过输入通道进入单片机内部；单片机根据键盘输入的各种命令执行各个任务。通讯接口的功能是通过GPIB或者RS232接口总线与上位机作远距离通讯3】O智能化测量控制仪表的整个工作过程都是在软件程序的控制下自动完成，装在仪表内部ROM中的监控程序由许多程序模块组成，每一个模块完成一种特定的功能。例如实现某种算法、执行某一中断服务程序、接受并分析键盘输入命令等。完善监控程序中的功能模块，可使智能化测控仪表运行稳定、功能全面、确保控制精度。控制算法是针对系统的复杂性、菲线性和不确定性而提出来的，目前智能控制基本的控制算法主要有1基于专家系统的专家智能控制；2江苏大学硕士学位论文2基于模糊推理和计算的模糊控制器；3基于人工神经网络的神经网络控制器；4基于系统模型的自适应控制控制。13国内外研究现状自1980年以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面。在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化、性能优异的温度控制仪表，并在各行业广泛应用。其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂温度测控系统，具有参数自整定功能和自学习功能，即温控器对控制对象、控制参数及特性进行自动整定，并根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。目前，国外温度控制仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展N。目前我国在测控仪表研究与生产应用中，总结了很多经验，但从国内生产的温度控制器及铡温仪表来说，总体发展水平仍然不高”。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，只能适应一般温度系统测控，难以控制复杂的大滞后时变温度系统。目前，我国在温度测控仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面1行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。2商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。3仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例如在仪表控制参数的自整定方面，国外己有较多的成熟产品，但由于我国开发上的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。这些差距我们必须努力克服。随着我国经济的发展及加入WTO带来的契机，政府及企业对于高新技术的发江苏大学硕士学位论文展都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度等测试仪表行业得到迅速的发展3。14课题的任务和主要工作本文在广泛查阅相关文献的基础上，设计基于智能仪表的电阻炉温度控制系统。本文的主要工作归纳为以下几点1第一章介绍温度检测现状和智能仪表的发展现状。2第二章提出系统的总体设计要求。在设计系统前认真进行目标分析，确定系统要达到的技术指标、设备规格、仪表的面板、状态及仪表的操作规范。3第三章讨论系统的硬件设计。设计以热电偶为温度传感器、以继电器为执行元件、RS485串行通信、智能仪表控制的电阻炉控制系统。详细讨论温度采集通道，采样放大电路、键盘与显示电路、串口通信电路、电源电路、数据存储器扩展及输出电路设计。4第四章讨论系统的软件设计。设计系统的监控程序、中断服务程序和用于完成各种功能的执行程序。使用MODBUS协议进行网络通信，可组建主从式网络。5第五章讨论系统的抗干扰处理。6第六章讨论系统的自适应控制算法设计。电阻炉控制系统是非线性大时滞系统，采用常规控制算法不能达到高精度控制，为此设计一种参考模型自适应控制算法，通过仿真比较分析算法效果，并应用于该系统。7第七章进行系统调试与实验。系统设计完成后进行硬件调试和软件调试，搭建实验平台，记录实验数据及图表，进行实验分析。8文章的最后为系统总结与展望。4江苏大学硕士擘位论文第二章温控系统设计要求该温控系统的总体设计要求，首先确定系统的技术指标、设备规格，这对于设计出一个有价值的控制系统十分重要，然后设计了智能仪表的面板、状态、操作规范及参数，为硬件设计和软件设计确定具体的目标。21系统技术指标及设备规格整个系统最终达到的技术指标是由系统中的各个环节共同作用后完成的。比如要提高温度检测的精度，只采用高精度的AD转换器是不够的，还需要好的抗干扰措施、精确度高的传感器及软件线性化处理等等“|。一般情况下，技术指标达至4某个限度后，再提高一点点都是不容易的，为此可能付出几倍的时间和经费。设备规格是硬件投资的主要依据。如需要什么类型的传感器、选用的控制器类型、电源的规格等。经分析温控系统的实际应用，确定该系统的技术指标和设备规格如下技术指标设备规格通道数量1路温度采集通道输入方式K型、S型、E型热电偶信号采集间隔O的函数。H吲黟L】32其中，厶为饱和电流，R为二极管指数，对于理想状况等于1，丽对于实际的二极管，大约取1到2之问的值。对于理想的PN结二极管，厶可用下式表示厶R州33其中，R是常数，气是半导体的禁带宽度。现假设对于理想的二极管，VKTQ在常温T300K时，V26MV成立，不依赖于温度，且处于正向恒定电流工作状态，则此温度传感器的灵敏度可表示为SDZV巫LN土矿一马34DTQRT、QV出脚厘憎温度K图35PN结温度变化曲线图12江苏大学硕士学位论文通常其值为几MV。由上式可见，灵敏度必然取负值。图35给出了GAAS和SI的PN结的正向电压随温度变化的曲线耶。可见，对于极低温度的测量，GAAS比SI更合适。但是，SI的PN结温度传感器在40K以上的温度显示出好的直线性。因此，SI二极管可作为测量50100“C温度范围的温度传感器，其精度为01。该系统的智能仪表用于工控环境，周围环境的温度范围正好符合SI二极管的测温范围。实际选用的二级管的灵敏度为2MV，。温度补偿算法在461中详细介绍。322采样放大电路设计3221模拟多路开关MUX在该温度采集系统中，使用了一种热电偶输入K型、S型、E型选一及二极管温度补偿通道，对来自这些传感器的模拟信号进行模数转换时，该仪表使用公共的AD转换，即采用分时方式占用AD转换1。这样，就要利用模拟多图36给出了该系统模拟多路开关示意图。由单片机控制模拟多路开关，完成各路输入的选择。图36模拟多路开关示意图图37程控放大器示意图3222程控放大电路系统所选用的二级管输出电压范围是400600MV；K型热电偶的输出电压范围是075MV；W型热电偶的输出电压范围是0100MVTS型热电偶的输出电压范围是020MVN”。由于数量级不同，放大器必须随数据采集通道的切换而迅速调整增益，因此设计增益为1、10和50的程控放大器，分别用于二极管、K型W型热电偶和S型热电偶的信号放大。增益由软件设定，即增益选择开关在某一江苏大学硕士学位论文时刻仅有一路开关接通。开关本身电阻不影响测量放大器的增益1。图37给出了该系统程控放大器示意图。由公式G1R，置选择适当电阻，当开关置A处，可得100倍增益；当开关置B处，增益为10；当开关置C处，增益为L。3223芯片选择及电路设计基于该系统模拟多路开关和程控放大器的电路特点，采用模拟多路开关CD4052和运放OP27组成该系统的前端采样放大电路。表3T模拟多路开关典型数值类塑导通电阻截止电阻开关时阃舌簧继电器O1QIOL4QIMSJFERR1O10口Q200NSCMOSL。5KQ108Q500NS表31给出了常用类型的模拟多路开关特性的典型数值。目前电子模拟多路开关多用JFET及CMOS器件。CD4052为CMOS双4路模拟开关，相当于一个双刀四掷开关121，具体接通哪一路通道，由地址码AB来决定。功能框图如38所示，其真值表见表32。譬竺攀，T图34CD4052功能框图14江苏大学硕士学位论文表32CIM052通道选择真值表IMPUTSTATES。O一”CHANNET3一憎BRRCBCD405215OOOO0XOYOOO11X1YOO1O2X州OO13X3Y1NONE本系统的采样放大电路如图39所示，由模拟多路开关CD4052和运放OP27组成。AT89C55的P17、P16选择0XOY、LXLY、2X2Y、3X3Y通道。温度信号经X输出通道加至OP27的正相输入端，输出信号反馈至CD4052的Y输入通道。当为参比端输入时，“AB”值为“00”，放大增益为L；K型E型热电偶输入时，“AB”值为“01”“10”，放大增益为LO；S型热电偶输入时，“AB”值为。11”，放大增益为100。设计该电路完成了输入通道和放大增益的选择，不仅节省了一片模拟多路开关芯片，而且只使用了AT99C55的2个FO口，节省了FO资源。323AD转换电路设计图39采样放大电路图在智能仪表中，应该以最少的元件完成尽可能多的任务，因此89C55的32个IO口是十分宝贵的。如果按照常规方法使用AD芯片，至少需占5个IO口，设计不节俭。为此本系统采用AD转换器1CL7135，只要两个FO就可以把ICL7135江苏大学硕士学位论文的数据送入单片机。ICL7135为4位半双积分型A巾转换器，其每个转换周期分为三个阶段“”，如图310所示1自动调零阶段2被测电压积分阶段3对基准电压进行反积分阶段图310ICL7135引脚输出图以输入电压U为例，其积分器输出端ICL7135的4脚的波形如图310所示。“BUSY”端ICL7135的21脚高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。ICL7135内部规定积分时间固定为10001个时钟脉冲时间，反积分时间长度与被测电压的大小成比例。“BUSY”端与89C55的INT0P32相连，BUSY脚上升沿时CPU开始脉冲计数，下降沿对计数完毕，同时下降沿启动外部中断，将高电平时间内计数器的内容减去10001，其余数便等于被测电压的数值。89C55的时钟采用6MHZ晶体，在不执行MOVX指令的情况下，ALE是稳定的LMHZ频率，经过CD4040四分频可得到250KHZ的稳定频率，传给ICL7135时钟输入端，使ICL7135的转换速率为每秒625次。选取这转换速率，主要是考虑ICL7135AD的转换精度。89C55定时器为16位计数器，最大计数值65535。在625谢秒转换速率条件下，满度电压输入时，BUSY宽度为30001个时钟脉冲。定时器的输入频率是500KHZ，比ICL7135的时钟频率250KHZ高L倍，在满度电压输入时，定时器计数值为30001X260002，不超过定时器最大值。将BUSY高电平期间定时器的数值除以2，再减去10001，余数便是被测电压的数值。为保证转换精度，系统采用外接基准源方式，选用具有高稳定度的基准源TIA31及分压电路“，为ICL7135提供O528V的基准电压，所以可AD转换的最大电压为1056V，满足采样放大电路的转换要求。连接电路如图31L所示。16江苏大擘硕士学位论文25V捌T一1MLN1糟100K33显示、按键接口设计似E图311ICL7135连接电路VSSRS盯Q1A189C55JNTO该温度控制系统需要设置和显示系统参数见表23、温度曲线参数及实际温度值等，因此面板设计了4个独立的按键见图21，分别为RUNHOLD，CJSTEP，STOP，SET，同时设计了8个LED数码显示器。8个LED数码显示器选用共阳极器件，采用动态显示方式。输出字型码的PO口与各显示器对应的段连接；用于位扫描的P2口通过驱动电路分别与各显示器的公共端相连N”。系统的4个按键，一端分别与四个数码管的公共端连接，另一端与P13连接。每次动态显示数值时，判断P13是否为高电平，若为高电平则表示该数码管对应的键盘被按下，记下键值1。键盘处理程序每20MS执行一次，当键值不为零时，执行相对应的键盘程序，软件的一键多义和长按键处理在45中介绍。键盘及显示的设计电路图见图3一12。17噬世吼州B恤1望船M忆邮瓣咐忡憾业矿一咎F一蚕占O江苏大学硕士学位论文图312键盘显示电路图34系统串口通信电路设计341数字化通信技术的应用数字化通信技术在工业自动化领域的广泛应用推动了控制网络技术的发展，并成为自动化领域的热门技术和应用实践。传统的有线通信由于对通信线路的依赖，应用范围有所限制，无线通信正在得到巨大的发展和使用。无线通信技术在工业自动化系统的应用主要体现在各类支持无线通信的智能仪表及远程、分布控制系统的通信上。蓝牙技术作为近年来无线数据通信领域重大的进展之一，在工业自动化仪表上也得到了使用“”。虽然各种先进的通信技术在工业自动化系统和终端中获得了广泛的应用，传统的通信方式如串13通信仍然是许多仪表和装置的基本通信方式，在终端级江苏大学硕士学位论文它们是所有通信方式中应用最多的。342RS485串行标准接口串行通讯方式具有使用线路少、成本低的特点，在远程传输时被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS232C接口和RS485接口是目前最常用的两种串行通讯接口。由于RS一232C接口标准出现较早，其传输速率低，传输距离短，接口易产生共模干扰及信号电平值较高，所以在工业网络控制应用中不能得到推广。针对RS232C的不足，出现了RS485接口标准，其特点是结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当，被广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域“”。它具有以下特点1RS485的数据最高传输速率为10MBPS。2RS485接口的最大传输距离为1200M。3RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。4RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。5RS485接口在总线上允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，可以利用RS485接口方便地建立控制网络。该系统采用的ATMEL89系列单片机片上有UART通用异步接收发送用于串行通信，发送时数据由TXD端送出，接收时数据由RXD端输入，均为R几电平。基于RS485接口标准的以上优点，本系统采用RS485通信接口。343串口通信电路设计本系统的RS485通信收发器芯片选用的是MAXIM公司的MAXL487。其组成的差分平衡系统抗干扰能力强，接收器可检测低达200MV的信号，是一种高速、低功耗、控制方便的异步通信接口芯片。采用5V电源供电，通信传输线上最多19江苏大学硕士学位论文可挂128个收发器。图313为MAXL487的引脚及典型应用电路图。褊蜀慨R扯7B一BRNLL篮B驳Z夏垃虹K珐圹J到鲫图3131似487引脚图及典型应用电路圈MAXL487主要管脚功能RO接收器输入端；】殳E接收器输入使能端；DE驱动器输出使能端；DI驱动器输出端；A接收器同相输入端和驱动器同相输出端；B接收器反相输入端和驱动器反相输出端。在RS485串行接口系统实现的过程中，如果接收器同相输入A电平比接收器反相输入CA电平高出200MV或更高，那么接收器输入为“1”；如果B电平较A电平高出200MV或更高，那么接收器输入为“0”。驱动器带负载输出逻辑“1”的电压范围是15V6V；输出逻辑“0”的电压范围是一15V一6V。图314是单片机的串口通信接口电路，在电路设计中注意了以下几点1MAXL487的输入脚DI可直接与单片机的TXD脚相连，输出脚R0与单片机的RXD脚相连，但为了实现总线与单片枫系统的隔离，在AT89C55的异步通信口与MAXL487之间应用光电耦合器进行光耦隔离，从而更有效的抑制了共模干扰，光电耦合器输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入端和输出端的电信号是以光为媒介进行间接耦合，具有较高的电器隔离和抗干扰能力。为进一步提高电气隔离的性能，使用了DCDC电源隔离及数字地通信地隔离。2MAXL487内部的发送器与接收器是三态的，通过DE和RE进行发送与接收控制，在本系统的电路连接中将两者接同一控制信号E34，这样保证了在同一时刻只有一种状态有效，避免了自身信号造成的干扰。江苏大擘硕士学位论文35电源电路设计351系统电源电路设计要求图314串口通信接口电路该智能温度仪表要适用于集散控制系统，因此该仪表需要直接用工业交流220V供电。该智能仪表电源性能要求如下1输入要求AC220V10；2输出要求DC5V100MA采集、放大、AD转换等模拟电路供电；DC25VAD基准电压供电；5VIA微机系统等数字电路供电；DC5V100MA串口输出供电。352电源电路原理电路中使用六片集成电路图315。三端单片开关电源TOP223P、可调式精密并联稳压器TL431、线性稳压器件78L055V100MA、79L055V100MA、LM78055V1A1。POWER公司TOP223P三端离线式脉宽调制单片开关电源集成电路，其固定允许输入电压为110115230VAC，VAC15；最大允许输出功率为50W；工作频率为100KHZ。由它构成的150W以下无工频变压器式开关电源，已广泛用于仪器仪表、家电产品以及ACDC变换式精密开关电源模块中。2I江苏大学硕士学位论文TOP223P的有三个管脚。C为控制端，它通过控制电流来调节占空比，并能提供正常工作所需的内部偏流。S为源极，与片内MOSFET的源极连通，兼作初级回路的公共地。D为内部MOSFET的漏极引出端。TIA31可简化成一种带基准电压源的单运放，其正极阳极、负极阴极和25V基准电压端分别用A、R、C表示。TL43L的稳压调节范围是25V36V，由外部电阻分压器设定N”。交流电源首先经互感器、整流桥和CL滤波，得到约110V的直流高压，再通过高频变压器的初级绕组，给TOP223P提供工作电压。UF4007和IN4764能将漏感产生的尖峰电压钳位到安全值以下哺1。从次级绕组输出脉宽调制功率信号，经UF4003和1001S电容进行高频整流滤波后，获得约12V的电压。反馈绕组上的反馈电压经过22Q电阻和47N电容整流滤波后，得到反馈电压，加至控制端C。图315电源电路图电路工作原理分析如下当由于某种原因致使次级绕组输出电压下降时，反馈电压也随之降低，而TOP223P内部误差电压上升，PWM比较器输出的脉冲占空比上升，经过功率场效应管和降压式输出电路使得误差电压上升，最终能维持输出电压不变。反之亦然。江苏大学硕士学位论文12V的电压再经过可调式精密并联稳压器TL431、线性稳压器件78L05、791,05、LM7805得到稳定的25V、SV100MA、5V100MA、5V，1A用于模拟电路、数字电路及通信模块。GL和32分别为模拟地AG与数字地的公共端和通信地，此内容在第五章详述。36系统其他电路设计361数据存储器扩展AT89C55片内有256字节数据RAM，在系统掉电后系统参数和温度曲线等重要信息将会丢失，如果是意外掉电，处理不当就会中断生产过程，导致生产失败。串行EEPROM的数据传送速度较低，但是其体积较小，容量小，所含的引脚也较少，所以特别适合于存放非挥发数据、速度不高、引脚少的单片杌应用。为此，外部扩展一片串行256X8位的EEPROM芯片AT24C02，保存系统参数及温度曲线，可保证控制器掉电后数据不丢失。图316是AT24C02的接线图。图316AT24C02接线图45WP写保护引脚接数字地DG，允许芯片执行一般读写操作2“。A0，A1，A2这三位地址可以用手芯片寻址，由于该系统只使用一片AT24C02，将三个引脚接数字地DO，默认地址为“000”。SCL为串行时钟输入端，SDA引脚为串行数据IO端，分别与P14、P15连接。362输出电路设计在输出通道功率控制中，一般采用继电器、可控硅等开关器件。本系统采用江苏大学硕士学位论文OMI0N触点继电器G6A274P作为控制开关器件，其任务就是给出一个触点信号。作为控制信号使用，传递的是一个信号，丽不是能量。卧2幸5VIA凸DG图317P雕输出电路图本系统运用P12输出的矩形波控制继电器的导通截止。P12为高电平时，三极管处于导通状态，继电器线圈通电，吸合常开开关。P12为低电平时，三极管处于关断状态，继电器线圈断电，常开开关断开。二极管起续流作用。电路图如图317所示。江苏大学硕士学位论文第四章温控系统的软件设计硬件电路确定之后，系统的主要功能将依赖于软件来实现。对同一个硬件电路，配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，而且有些硬件电路的功能可用软件来替代。因此，系统的设计很大程度上是软件设计。41编程语言的选择目前单片机应用系统中软件的开发主要采用汇编语言和C语言，或者采用汇编语言与C语言混合编程。采用汇编语言必须对单片机的内部结构和外围电路非常了解，尤其是对指令系统必须十分熟悉。汇编语言的优点是其与硬件资源联系紧密，编译好的可执行程序占用内存空间小、执行速度快。缺点是可移植性差。用汇编语言开发软件比较辛苦，方方面面都要考虑，一切问题都需要由程序设计者安排，例如算法程序中的多位乘法、除法程序都要由设计者编写。采用C语言编程时，只要对单片机的内部结构和外围电路基本了解，对指令系统则不必十分熟悉，故对程序开发者的硬件素质要求不是很高。用C语言开发程序可读性好、开发效率高、可移植性高，应用已越来越广。单纯采用C语言编程也有不足之处，在一些对时序要求非常苛刻的场合，只有汇编语言能够胜任，所以有些情况需要采用汇编语言与C语言混合编程。该系统采用汇编语言编写程序，一是由于其编译出的可执行程序小，适于存放在空间有限的89C55的FLASH内存中；二是有利于更好的了解硬件资源的应用。42系统软件设计思路智能仪表不仅要处理来自仪表按键、通讯接口方面的命令，以实现人机联系对话，而且要有实时处理能力，即根据被控过程的实时中断请求，完成各种溯量、通讯任务。因此智能仪表的软件主要包括监控程序、中断服务程序和用于完成各种功能的执行程序。江苏大学硕士学位论文监控程序主要作用是扔始化管理、中断管理及各个执行程序的时序管理。执行程序根据第二章的设计方案，按功能分类可分为初始化模块、键盘程序、显示程序、过程通道模块、测量算法模块、控制算法、报警处理模块及串口处理模块，如图4_L。43监控程序设计图41功能模块结构图监控程序是整个系统程序的一条主线，上电复位后仪表首先进入监控程序，监控程序一般都放在000014单元开始的ROM中。监控程序引导仪表进入正常运行，并协调各部分软、硬件有条不紊地工作。在该系统的监控系统设计中，仪表上电复位后首先进行初始化，即数据存储区清零，堆栈初始化，器件初始化，之后开放三个中断一个为定时中断，一个为外部中断，一个为串口中断，然后按照图42执行各程序。在键盘处理程序中根据不同的按键执行参数设置、手，自动切换等功能程序。一旦发生中断，CPU判明中断源后调用相应的服务程序。无论哪一个中断源产生中断，均会在执行完相应的中断服务程序后，返回监控程序。如没有调电现象，仪表会一直按图42循环执行各功能程序。江苏大擘硕士学位论文44中断管理图42监控系统主程序流程图为了使仪表能及时处理各种可能事件，提高实时处理能力，所有的智能仪表都具有中断功能，即允许实时时钟或键盘来中断仪表正在进行的工作，转而处理实时问题。当这一处理工作完成后，仪表再回去执行原先的任务即监控程序中确定的工作。一般情况下，中断服务程序不宣执行复杂的任务，以免占用CPU过多资源而影响监控程序中各功能模块的执行。在本系统的智能仪表中设计了三个中断，一个是过程通道引起的外部中断，一个是产生实时时钟的定时中断，一个是用于串口通信的串口中断在453中详细讨论。江苏大学硕士学位论文441外部中断源ICL7135AD转换开始时，P32变为高电平硬件连接见图311，TO开始计数；ICL7135转换结束后，P32变为低电平，T0停止计数。同时NT0P32获取下降沿信号，并向CPU提出中断请求。CPU识别中断源后调用中断子程序，将AD转换的计数值送至数据存储区。程序运行结束后，恢复现场。流程图如图43所示。442L叫定时中断图40中断程序流程图实时时钟作为该系统仪表的时钟基准，是智能仪表中不可缺少的组成部分，其实质就是设定周期不等的时钟标志，在周期开始时由定时中断程序置位，再由其对应的功能模块程序复位。每个时钟标志都有对应触发的功能模块，在监控系统中，图42按顺序判断各个时钟标志是否为L，当标志位为L时执行对应程序并清标志位。具体程序见监控源程序。该系统的实时时钟在LMS定时中断程序中设置。CPU识别中断源后调用对于的中断程序。该中断程序产生20MS、40MS、200MS、LS、12S等多个实时时钟及完成LED显示器的动态显示及按键判断。定对中断程序按键判断的具体内容在45中介绍。45键盘程序设计智能仪表的键盘，是人机联系的重要通道，操作者的许多指令都是通过键盘输入到仪器中去。键盘管理程序的主要任务是根据获取的按键编码，转入相应的键服务程序，以便完成相应的功能。该仪表采用定时中断的方法查询键盘，键盘的查询过程在LMS定时中断程序中进行。由于每次查询的时间间隔比较短，对于操作者来说键盘的响应是实时的。系统的4个按键，一端分别与四个数码管的公共端连接，另一端与P13连接见图312。每次在LMS定时中断程序动态刷新数码管显示后，判断P13是否江苏大学硕士学位论文为高电平，若为高电平则表示与该数码管公共端相连的键盘被按下，记下键值。中断程序流程图如图44所示。图44定时中断程序流程图键盘处理程序每20MS执行一次，采用按键释放后执行相应键盘程序的方式。下面详细说明一键多义和长按键设计。451一键多义的键盘管理当按键较多、复用次数较多时，易使仪表的操作变得凌乱无序。因此，对一键多义的键盘管理，多采用状态变量法来设计程序。用状态变量法设计键盘管理程序的实质，是将仪器工作的整个过程划分为若干个“状态”，在任一状态下，每个按键都有一个确定的含义，即执行某一个子程序且变迁到下一个状态称为次态”1。引入状态的概念后，就只需要在存储器内开辟一个单元记住当前状态，而不必再记住以前各次按键的情况。根据当前状态和当前按键这两个关键字，就能对当前按键的含义做出正确的解释，因而简化了程序设计。仪表的状态表的各个执行程序内容由仪表功能决定详见表22，根据操作流程规范图22分配每个状态页四个按键的执行内容。该仪表确定了八个状态，如表41所示，该状态表放置于程序存储区中，键盘处理程序判断有键按下后，根据当前状态和当前按键即可查表得出要执行的程序。袭41智能温度仪表的状态袭动作倒行状杏说明现状吝投T名T值下一状态程序序号自动手切换43L一一500自动O启动段设置814出STOP707移位412返回5O6段值L设置参数存储6L5加一7L3移位T22返回506参数2参数存储625设置加一723手自动切换T0LL一一5OO手动3减一6I12出加一7O3一一4O0删巾吼D5O10O状杏4矗动参数设置6I8长按镶9ST0P7O一一4O0一一5O0I状态S一一6OO长按健0一一7O一一4O0一一矗00。2状态一一6O0长按键一一7O0一一4OO一一5O03状杏7一一60O长按键一一7OO4052去抖及长按链设计从键按下到接触稳定要经过数毫秒的抖动，键松开时也有同样的问题，如图45所示，这会引起一次按键多次执行。该仪表采用软件延时方法，即当检出键闭合后，执行一个20MS的延时，让抖动消失后，再检验键的状态。在软键编程中设置一个防抖标志完成防抖功能。蕾按下IF一B一蕾沿抖动后沿抖动髓45按键时抖动曲线江苏大擘硕士学位论文该仪表的运行、停止、暂停、参数设置为避免执彳亍中的误操作，将这几个功能在O状态下用长按键来执行，即按键3秒后才可执行以上功能。长按键功能由一个计数标志和一个计数单元实现。在键盘程序对按键去抖处理后，置计数标志见图47。在1MS定时中断程序中，当200MS计时到并置位200MS时钟标志后，判断计数标志和按键标志是否为1，即判断按键是否已经去抖处理并且还在持续按键。当计数标志和按键标志为L时，计数单元加一，按键结束后停止计数流程图见图46。每次执行20MS键盘处理程序，当无按键操作时，判断防抖标志是否为1。如果为0，表示无键按下可以退出图46200MS间隔计数程序；如果为L，表示20MS前有键按下并未经处理。之后判断计数单元的内容，当计数值15时，即按键时间多于3S，为长按键，将当前状态加4处理。将各标志位清零后，根据键值和当前状态查询状态表表41得到程序号，并执行对应程序。图47是20MS键盘处理程序流程图。图4720MS键盘处理程序流程图3L江苏大学硕士学位论文46测量算法设计在3211中引出了热电偶测温时要进行参比端补偿和非线性校正的问题，在此详细介绍软件处理方法。461温度补偿处理式31表示热电势E0F，O等于测量端F和参比端温度气所引起的电势差。邑。TOE0F一FO0一1在此将式31进行变化得到ET，0ET，TOETO，041式中，ET，0表示热电偶的测量端温度为T，参比端温度为OC时的热电势；ET，TO表示热电偶的测量端温度为F，参比端温度为，0时的热电势；ETO，0表示热电偶的参比端温度为，0时应加的校正值。有TO1式关系，利用软件处理方法，用常温下的PN结温度传感器测出参比端的温度F0，然后从分度表中查出对应于FO的热电势F0，0，然后将这个热电势值与所实测的ET，TO代数相加，得出的结果就是热电偶的参比端温度为OCN寸对应于测量端的温度为，的热电势EFO，0，最后再从分度表中查得对应于耳TO，0的温度，这个温度的数值就是热电偶测量端的实际温度T。462热电偶非线性校正从图34可以看出，热电势与温度呈非线性关系，例如镍铬携E硅K型在800“C处曲率很大，因此应用热电偶分度表时，要进行软件的非线性处理。从GBT1683911997可以查到精确度为1的各种热电偶分度表电动势ET，0一温度R对应表，而在仪表的程序设计时，由于程序存储区的容量限制，不可能将完整的分度表置于程序中，因此可每隔缸取一点ET，0一，制成简易分江苏大擘硕士学位论文度表。由于热电势与温度呈非线性关系，因此在取点时存在一定技巧，即在热电势温度曲线曲率小处少取点，在曲率大处多取点，这样可以减小由简易分度表带来的精度误差。在各个温度点间将曲线线性化，利用比例公式可得到ET，O对应的温度值T。图48是温度测控系统中温度测量软件流程框图。图48温度测量软件流程框图47仪表与上位机的通信在实际应用中，常采用工控机或性能及配置较高的PC机作为上位机，以智能仪表作为下位机构成小型集散式测控系统。作为下位机的智能仪表完成现场数据采集和各种控制任务，同时需要将数据传送给上位机进行数据处理，从而实现集中管理和最优控制。智能仪表的串口通信硬件电路已经设计好，此时采用一个可靠、成熟且易于实现的通信协议是该系统稳定通信的关键。由于该仪表传送的数据量并不大，所以基于RS485的MODBUS协议是一个较好的选择。江苏大学硕士学位论文471MODBM协议MODBUS协议采用主从MASTERSLAVE工作方式，允许一台主机和多台从机通信，每台从机地址由用户设定，地址范围为1255。通信采用命令应答方式，每一种命令帧都对应一个应答帧。命令帧由主机发出，所有从机都将收到报文，但只有被寻址的从机才会响应相应命令，返回相应的应答签帧。如果报文中寻址地址为0则视为全局广播，所有从机把它当一条命令执行，不返回应答帧。标准的MODBUS协议有两种传输方式ASCII模式和RTU模式啪。在ASCII模式下，消息中的每个8B都作为两个ASCII字符发送，采用纵向冗长检测LRC校验。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1S而不产生错误。在RTU模式下，采用字节数据传输，CRC校验。这种方式的主要优点是，在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。表42RTU模式信息帧格式RTU模式的信息帧格式如表42所示。消息发送至少要以35个字符时间的停顿间隔开始，如表42的T卜T213一T4所示。传输的第一个域是设各地址，设备地址范围为0255，地址0是广播地址。上位机把要通信的下位机地址放入地址域；下位机发送回应消息时，把自己的地址放入消息帧的地址域中，以便上位机辨识。代码域范围是1255，具体内容己做规定。数据域中的双字节数据应按先高位字节、后低位字节的顺序发送。CRC域是两个字节，包含一个16位的二进制值，它由上位机计算后加入到消息帧中。下位机接收到一帧信息后，对收到消息进行CRC校验。倘若校验结果与消息包含的CRC校验码吻合，则表示通信正常，否则表示此帧通信存在错误。在CRC域后又有一个至少35个字符时间的停顿，标定了一帧消息的结束。在本系统中用到的功能码是03、06、LO。功能不同，上位机与下位机的数据域的格式也不同。数据域格式如表3所示哺1。江苏大学硕士学位论文表43数据域格式功鸵码数据域TBYTELBYTE2BY怔2BY缸0B上位机读寄存嚣从机地址功能码起始地址传送字教内容1BYTELBYT,2BYTENBYTE下位帆从机地址功能码传送字节教传送数据LBY缸LBYTE2BYTE2BY怔06上位机写一个从机地址功能码起始地址写入数据寄存嚣LBY协LBYTE2BYTE2B怔内容下位机从机地址功能码起始地址写入数据LBYTETBYTE2BYTE2BY协LBYTERTBYTE上位机10HEX、从机地址功能码起始地址敦据字数数据字节教敦据写寄存器内容1BYTELBYTE2BYTE2BY缸下位机从机地址功能码起始地址数据字数472下位机软件设计单片机采用中断方式发送和接收信息帧。串口功能由五部分程序完成1串口初始化程序2接收中断程序3发送中断程序4接收结束处理程序5发送准备程序串口通信时每接收一个字节或发送一个字节都会产生串口中断，因此接收与发送中断程序可并为串口中断程序。发送准备程序置于接收结束处理程序之后，放于监控程序中。1串口初始化串行口定义为工作方式1，定时器2为仪表产生4800BPS的波特率，经过计算他计数初值为0FFD8H，T2CON赋值为34H，SCON赋值为52H，PCON赋值为7FH，置位ES允许串口中断，P34清零使串口接收使能。2串口中断程序江苏大学硕士学位论文当有串口中断时，首先判断是接收中断还是发送中断，再做相应处理。圈4_9定时中断程序嚣程圈在接收数据时使用