电阻炉炉温控制系统的设计

1、文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.引言电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能借助辐射与对流的传热方式加热工件。热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织，以获得所要求的性能，通过热处理可以提高制件的使用效能或寿命。在其加热工艺中，不仅需要准确控制制件的加热温度，对一些大型制件， 还需要给出加热温度下均温或透烧的时间(既是使被加热物件表面或堆垛外部温度与其心部或中心部位的温度与设定的加热温度均匀一致的时间)。然而，现行电加热炉使用的控

2、温仪表，无论是传统的交流接触式的位式控温仪表(如XCT 、XMT 、DWG 等等系列 )还是移相或过零触发晶闸管调压 (功)式的温控系统，以及微电脑控温系统 (如DX 系列智能温度控制器、 SD0.25级精度微处理机智能数显表、 PTC 微处理机温度控制器、微电脑热处理控温系统以及 RKC 、OMEON 、 EURO、HONNYWELL 等等温度控制器 )其控制器大多是 7080年代的产品，功能和精度已不适应生产的发展和检验的要求；并且只能是测量与控制电阻加热炉炉膛或者说是被加热对象表面的温度，而对于大件心部或堆垛中间工件的温度是无法进行测量与控制的。何时透烧或者均温多长时间是通过理论计算、试

3、验参数、安全保证系数及操作者的经验等内外因素人为地给定一个均温时间，在设定温度下，均温时间一到，就出炉进行下一道工序。对于不同材料、不同装炉量、不同放置方式以及不同加热功率等均是如此，透没透烧，是否“过烧”，谁也不知道，这是不科学的。因此具有均温时间长、生产效率低、耗费能量大、内部组织粗化、性能低、产品质量恶化、废品率高、原材料消耗多等缺点。另一方面，在这两大类控温仪的技术开发上，也只是局限在仪表的高精度、多通道、数字显示、智能化微机控制等方面进行。PID 调节是连续系统中技术最成熟，且应用最广泛的一种控制方法。它结构灵活，不仅可以采用常规的 PID 调节，而且可以根据系统的要求， 采用各种

4、PID 的变种，如 PI、PD控制，不完全微分控制，积分分离式 PID 控制，带死区的 PID 控制，变速积分 PID 控制，比例 PID 控制等等。 PID 控制器把设定值与实际输出值相减，得到控制偏差，偏差值经比例、积分、微分运算后通过线性组合构成控制量，然后对对象进行控制。虽然计算机控制是离散的，但对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化。因此，用数字PID 完全可以代替模拟调节器，而且可以得到比较满意的效果。所以，用数字方式模拟PID 调节器仍是目前应用比较广的方法之一。1文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word

5、 版本可编辑 .欢迎下载支持.在模拟控制系统中，其过程控制是将被测参数，如温度、压力、流量、成分、液位等由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较出的差值经 PID 运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节的目的。在数字控制系统中则是用数字调节器来代替模拟调节器，按偏差的比例、 积分和微分进行控制和调节，是连续系统中应用最广泛的一种调节器。在工业过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，建立系统的数学模型十分困难，应用直接数字控制方法比较困难，甚至根本不可能，所以人们经

6、常采用 PID 调节器，并根据经验进行在线整定，即用实验和分析的方法来确定数字 PID 调节器的参数。但是，常规 PID 调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，步骤繁琐复杂，既耗时又耗力。而且当对象特性变化时，又要重新整定，并且在现代工业控制过程中，许多被控对象机理复杂，具有多输入多输出的强耦合性、参数时变性、严重的非线性特性、滞后性等特点。在这种情况下，采用常规PID 调节器，三个参数的整定比较困难，为此本文提出了采用归一参数整定法，即只整定一个参数，这样减少了许多工作量，提高了工作效率，为实现简易的自整定控制带来方便。本文以电阻炉炉温控制系统为研究对象， 采用归一参数整定

7、法的数字 PID 调节器对电阻炉炉温系统进行控制，通过调节比例系数来调节控制效果，并利用计算机仿真进行验证其控制效果。1系统设计本设计的核心是温度的参数由传感器检测，经变送器处理后，转换为05V 的标准信号，送 ADC0809 模数变换器进行A/D 转换，计算机每隔一段时间（400ms）采样一次，采集 3 次后进行滤波，变换后显示实际值。将温度的检测值和给定值之间进行比较，将得到的偏差 e 进行数字 PID 运算，从而得出炉温控制系统的控制电压。1.1系统的组成及工作原理温度是工业对象中主要的被控参数之一，如冶金、机械、食品、化工各类工业中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理

8、温度要求严格控制。图1-1 为温度控制系统框图，系统温度的控制原理是：加热炉的温度范围为0 1000，通过热电偶检测得到毫伏信号，经过温度变送器放大并作线性化处理后，温度转化为0 10mA 的电流信号，再经 I/V 变换，变成 05V 的标准信号送入 ADC0809 的 IN0 通道。由 8031 单片机进行数字的 PID 运算后，自 DAC0832 送出控制信号（ 0 5V），再经过电压 /电流（ V/I ）2文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.变换后，送晶闸管调压装置，改变晶闸管的导通角，

9、使加热丝两端的电压改变，从而改变加热炉的温度。 1图 1-1 温度控制框图Fig.1-1 Temperature control diagram本文用 8031 单片机实现控制，为了便于用户根据不同的实际需要对工作方式及其他参数组态进行修改，要求所有的参数及组态状况均可通过面板的几个操作键输入、检查、修改，并可在断电情况下，使参数保存半年。为了便于与上级计算机构成两级控制系统，在单片机控制系统中还加入了通信功能。采用RS-232 接口，通信速率为1200b/s、2400b/s、4800b/s 和 9600b/s 等四种波特率，由用户通过键盘白行按需要选择4 。系统的测量值和所有设定参数均由LE

10、D 数码管直接显示，读数清晰，直观。控制器的结构如图1-2 所示。图 1-2 控制器结构Fig.1-2 Structure ofcontroller1.2硬件电路设计系统采用 MCS-51 系列的单片机 8031，这是 Intel 公司 80 年代推出的单片8 位计算机。从应用的角度来看，它有以下优点：1)集成度高单片机 8031 的内部含有 128B 的 RAM,4 个 8 位并行口，一个全双工的串行口，两个 16 位定时计数器、片内时钟振荡器、两种优先级的五个中断源的中断结构、64KB 的程序存储器地址空间和64KB 的数据存储器地址空间。并且由于集成度高，焊点少，可靠性也大大提高。2)速

11、度快，处理能力强8031 指令系统含有人量的算术运算、布尔运算和逻辑判断、转移指令，并且有丰富的位操作功能。在采用12MHz 晶振时，它执行一条单字节的乘法指令仅需4 微秒，这个速度足以满足工业过程控制系统的要求。3)扩充性好，寻址范围大另外，8031 还具有特殊的多机通信功能， 很适合于用作分级分布式控制系统中的直接控制级。考虑到工业控制现场的各种干扰较大，系统采用以下方式来抑制常态与共模干扰：a)用阻容滤波网络来除去常态高频干扰，同时，在软件程序里还加入数字滤波。3文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢

12、迎下载支持.b)用光电耦合器把各种模拟负载与数字信息源隔离开来，也就是把“模拟地”和“数字地”断开，使共模信号由于构不成回路而受到抑制。c)洗用共模抑制比高的运算放大器。温度检测元件及变送器、A/D 转换芯片的选择表 1.1 热电偶类型测温范围和数据分辨率列表Table 1.1 thermocouple temperature range and type of data resolution list热电偶类型CF测温范围数据分辨率测温范围数据分辨率R0至170010至300010至5000至1000K0至800110至24000至1300-200.0至 400.00.0至400.00.10

13、.0至 1000.00.10.0至500.00.0至800.00至5000至1000J0至80010至160010至12000至21000.0至400.00.0至500.00.10.0至 1000.00.10.0至800.0-200至 400T-200至 20010至70010至200-300至 4000至400-200.0至 400.00.10.0至 700.00.10.0至400.0S0至170010至30001B0至180010至30001E0至40010至180010至10000.0至700.00.1N0至130010至23001U0至40010至7001-200至 200-300至

14、4000.0至600.00.1L0至40010至80010至9000至16000.0至400.00.14文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .0.0至900.0PL II0至 120010至23001W5Re/W26Re0至 230010至30001温度检测元件及变送器的选择要考虑温度控制范围和精度要求。对于 01000的测量范围采用热电偶，如镊铬-镊铝热电偶，分度号为EU，其输出信号为041.32mV。经电压一电流变换器，输出 010mA 的电流信号，然后再经过电流 -电压变换电路转换为

15、0 5V 电压信号。为了提高测量精度，可将变换器进行零点迁移， 例如温度测量范围是 4001000，热电偶输出 16.441.32mV 时，使变换器的输出信号为 010Ma。这样使用 8 位 A/D 转换器，就能使量化误差达到 2.34。 1接口芯片的扩展由于本系统既要显示，报警，键盘输入，又要进行控制，仅靠8031 单片机的接口是不够的。系统选用了 8155 扩展接口芯片， 它有三个并行 I/0 口和 256 字节的 RAM 存储区。单片机 8031 的 P2.1 接扩展接口芯片 8155的片选 CE , P2.0 接 8155的端口 /存储器选择端 IO/ M ，当 P2.1 =0, P2

16、.0 =0 时，选中存储器 RAM; 当 P2.1 =0,P2.0 =1 时，选中 8155 片一内的三个 I/0 端口，其口地址分配为：0100H命令状态寄存器0101HA 口0102HB 口0103HC 口或控制口寄存器0104H计数值低 12位0105H计数值高 12位和方式寄存器图 1-3 示出了 A/D 转换芯片 ADC0809 与 8031 单片机的接口电路。当P2.2 =0 时，选中ADC0809( 允许启动各通道转换与读取相应的转换结果)。转换结束信号经倒相后接至单片机的外部中断 INT 1( P3.3 )。当 P3.3 =0 时，说明转换结束。我们选用0 通道作为输入，因而可

17、以把 ACD0809 视为一个地址为 03F8H 的外部数据存储单元， 对其写数据时， 8031 的WR 信号使 ALE 和 START 有效，将 74LS373 锁存的地址低二位存入 ADC0809 ，并启动 A/D 转换芯片 ADC0809。当 EOC 为低电平时，说明 A/D 转换止在进行，当 EOC 变为高电平 (即P3.3 =0 )时，表示转换结束，8031 可以读入转换好的数据。5文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.图 1-3 电阻炉炉温控制系统原理图Fig.1-3 Schemat

18、ic of temperature control system of resistor-furnace温度控制电路温度控制电路采用可控硅调功率方式。双向可控硅串在50Hz 交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期里改变可控硅开关的接通时间，就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度调节，如图1-4 所示：图 1-4 可控硅调功器输出功率与通断电时间的关系Fig.1-4 Relation of output power and turn-on time in thyristor rectifier对于这样的执行机构，单片机只要输出能控制可控硅通断电时间的脉冲信号就可以了。因此可用一条I/O 线与可

19、控硅的控制端相连接，并通过程序实现输出导通脉冲的宽度和导通时间。为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路，此电路输出对应于50Hz 交流电压过零时刻的脉冲，作为触发双向可控硅的同步脉冲，使可控硅在交流电压过零时刻触发导通，电路如图1-5 所示：图 1-5过零触发电路图6文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.Fig.1-5 Zero crossing flip-flop schematic图中电压比较器LM311 将 50Hz 正弦交流电压变成方波。 方波的正跳沿和负跳沿分别作为两个单稳触发

20、器的触发信号，单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合，就得到对应于 220V 市电过零时刻的同步脉冲。此脉冲一路作为触发同步脉冲加到温控电路，一路作为计数脉冲加到单片机8031 的 P3.4 ( T0 )和 P3.5 ( T1 )输出端。 71.3 PID控制规律控制系统图 1-6 表示进行 PID 控制时的系统配置设定值数据存储过程值数据存储SVPID 运算MV操作值数据存储控制对象PV传感器图1-6 PID 控制系统Fig.1-6 PID control systemPID 控制步骤以下图中所示的步骤进行PID控制读取 PV值；从温度传感器输入信号并把它作为PV值写入测定值存储区进行 PI

21、D 运算；使用设定值 /过程值存储区中的 SV/PV 值进行 PID运算输出 MV；按时把 PID运算获得的 MV 值转换成晶体管输出并进行输出图 1-7 PID 控制步骤Fig.1-7 PID control stepsPID控制简化的两级响应选择通常当设置提高对设置的响应的PI 和 D常数时通过 PID控制使对干扰的响应降级；相反当设置提高对干扰的响应的PI 和 D常数时通过 PID控制使对设置的响应降级。在该模块的PID控制简化的两级响应选择中对设置的响应可以选用快速正常或慢速而对干扰的响应最好选用 PI 和 D常数。运算方法和公式电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程：比较实际炉温和需要

22、炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节炉子的加热功率，从而实现对炉温的控制。该控制系统采用只调整一个参数的PID 控制形式，具体算法如下所示：已知增量型 PID 控制的公式为：7文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.U iK pe iei 1T eiTD ei2ei 1ei 2 (1-1)TiT如令 T0.1Tk ； Ti0.5Tk ； TD0.125Tk 。其中 Tk 为纯比例作用下的临界振荡周期。则U iK pe iei 10.2ei1.25ei2ei 1ei 2 (1-2)转

23、变为位置式算法为：U i K p e i ei 1 0.2ei 1.25ei 2ei 1ei 2 U i 1(1-3)因此，该 PID 算法只需整定一个参数 K p ，改变 K p , 观察控制效果，直到满意为止。由于电阻炉一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象，所以算法中 K p 的选择取决于电阻炉的阶跃响应特性和实际经验。下面对数据的处理加以说明：把所有的数据都变成定点纯小数进行处理。算式中的各项有正有负， 以最高位作为符号位，最高位为 0 表示正数，为 1 表示负数，正、负数都用补码表示，最后的计算结果则以原码输出。3) 双精度运算，为了保证运算精度把单字节8 位的输入采样值U i 和给

24、定值 U max 及U min 都变成双字节 16 位进行计算。最后将运算结果取成8 位有效值输出。 81.4程序设计主程序设计整个系统包括管理程序和控制程序两部分，管理程序是对显示LED 进行动态刷新， 控制指示灯、处理键盘的扫描和响应、进行掉电保护的处理、执行中断服务操作等。控制程序是对被控对象进行采样、数据处理，根据控制算法进行计算和输出等。由于整个系统软件相当庞大，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制采用了模块化的结构，即整个控制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，原则是模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散，按功能形成模块化结构。系统控制程序采用两重中断嵌

25、套方式来设计。首先使T0 定时器产生每秒一次的定时中断，作为本系统的采样周期。在其中断服务程序中启动A/D ，读入采样数据，进行数字滤波，上下限报警处理， PID 计算等，然后输出控制脉冲信号。脉冲的宽度则由T1 计数器溢出中断决定。在等待T0 中断时，将本次采样数值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。从T0 中断返回后，再从T1，中断返回主程序并继续显示本次采样8文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.温度，等待下次T0 中断。图 1-8 是系统控制程序流程图。需要说明的是，

26、T1 中断嵌套在 T0 中断之内，而 T1 的初值是由 PID 计算值决定的，所以 PID 的最大输出必须小于 250，即保证在 T0 再次溢出中断之前， T1 中断服务结束，并从 T1 中断返回到主程序，否则程序不能正常进行。根据图 1-8 编写程序清单如下。主程序清单：MAIN ： MOVSP，#50H；设堆栈CLR5EH；清本次越限标志CLR5FH；清上次越限标志CLRA；0 (A)MOV2FH，A；清暂存单元MOV30H，A；清暂存单元MOV3BH，A；清暂存单元MOV3CH，A；清暂存单元MOV3DH，A；清暂存单元MOV3EH，A；清暂存单元MOV44H，A；清暂存单元MOVDIS

27、M0,A；清显示缓冲区MOVDISM1,A；清显示缓冲区MOVDISM2,A；清显示缓冲区MOVDISM3,A；清显示缓冲区MOVDISM4,A；清显示缓冲区MOVDISM5,A；清显示缓冲区MOVTMOD,#56H；T0 方式 2 计数， T1 方式 1 计数MOVTL0，#06H； T0 赋初值MOVTH0，#06HCLRPT0； T0 低优先级中断SETBTR0；启动 T0SETBET0；允许 T0 中断SETBEA； CPU 开中断9文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.LOOP： AC

28、ALLDISPLAY；调显示子程序AJMP LOOP；等待中断中断服务程序清单：INTO ： PUSHDPL；保护现场PUSHDPHPUSHASETB0D5H；设置标志ACALLSAMP；调采样子程序ACALLFILTER；调数字滤波子程序CJNEA ，42H， TPL转；U i U maxWL ： MOVC, 5HE；交换标志MOV5FH, CCLR5EH；清本次标志ACALLUPL；上限处理POPA；恢复现场POPDPHPOPDPLRET1；中断返回TPL ：JNCTPL 1； U i U max 转CLR5FH；清上次越限标志CJNEA ，43H， MTPL；U i U min 转HAT

29、 ：SETBP；正常绿灯亮ACALLPID；调 PID 子程序MOVA，80H；PID 值 to ( A)CPLA；求 TL1 值INCANM: ：SETBP:；输出控制脉冲MOVTL1 ，A；T1 赋初值MOVTH1 ，#0FFH10文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.SETBPT1； T1 高优先级中断SETBTRl；启动 T1SETBET1；允许 T1 中断ACALLTRAST；标度转换LOOP： ACALLDISPLAY；显示温度JB0D5H，LOOP；等待 T1 中断POPA；恢复现

30、场POPDPHPOPDPLRET1；中断返回MTPL ： JNCHAT；UiUmin转SETBP, o；下限报警MOVA，45H；取最大输出值CPLA；求 TLl 的值INCAAJMPNMTPL1： SETB5EH；置本次越限标志JNB5FH，WL；上次没越限转INC44H；越限计数器加 1MOVA，44HCLRCSUBBA，#NJNZWL；越限次数不等于 N 转SETBP；上限报警，红灯亮CLR5EH；清标志CLR5FHMOV44H， #0HPOPA；恢复标志POPDPH11文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑

31、 .欢迎下载支持.POPDPLRET1图 1-8-1 主程序Fig.1-8-1 main program图 1-8-2 T1 中断程序Fig.1-8-2 T1 interrupt procedures图 1-8-3 T0 中断程序Fig.1-8-3 T0 interrupt procedures图 1-8 系统控制程序流程图Fig.1-8 Plow diagram of system control program数字滤波子程序1)数字滤波的优点一般微机应用系统的输入信号中，均含有种种噪音和干扰，它们来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪音和干扰

32、。噪音有两大类：一类为周期性的，另一类为不规则随机性的。前者的典型代表为50Hz的工频干扰。对于这类信号，可以采用积分时间等于20ms 整数倍的双积分A/D 转换器，能有效的消除其影响。后者为随机信号，而不是周期信号，对于随机干扰，可以用数字滤波方法加以消弱或滤除。所谓数字滤波，就是通过程序计算或判断以减少干扰在有用信号中的比重，故实际上它是一种程序滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点：a)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。b)数字滤波可以对频率很低(如 0.01 Hz )的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。c)模拟滤波器

33、通常每个通道都有，而数字滤波器则可以多个通道共用，从而降低成本。d)数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活方便、功能强的特点。由于数字滤波器具有以上优点，所以数字滤波在微机应用系统中得到了广泛的应用。2)数字滤波的常用方法a)算术平均滤波程序算术平均法是按输入一次采样N 个数据 X i ( I 为 1-N)，并寻找这样一个y，使 y 与各采样值之间的偏差的平方和为最小，即12文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.N2E mini 1yX i(1-4)由一元函数求极值

34、原理可得1NX i(1-5)yN i 1这时， Y 即可满足式 (1-4)，式 (1-5)即是算术平均值法的算式。设第二次测量的测量值包含信号成分Si 和噪音成分 Ci，则进行 N 次测量的信号成分之和为N(1-6)i 1SiNS噪音的强度是用均方根来衡量的，当噪音为随机信号时， 进行 N 次测量的噪音强度之和为N2C iN C(1-7)i 1上述两式中， S. C 分别表示进行 N 次测量后信号和噪音的平均幅度。这样对 N 次测量进行算术平均后的信噪比为NSS(1-8)NCNC式中 S/C 是求算术平均值的信噪比。因此采用算术平均法后，使信噪比提高了N 倍。算术平均值法适用于一般的具有随机干

35、扰的信号滤波，并特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况，如流量、液平面等信号的测量。由式(1-6)可知，算术平均值法对信号的平滑滤波程序完全取决于N。当 N 较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测量计算结果y 的影响小；当 N 较小时，平滑度较低但灵敏度高。因此，应按具体情况选取 N，如对流量的测量，可取 N=8 到 16；对压力的测量，可取 N=4 等。算术平均值法程序可直接按式 (1-5)编出，只是需注意两点：一是 xi 的输入方法。对于定时测量，为了减少数据的存储容量，可对测得的xi 值直接按式 (1-5)进行计算，但对某些应用场合，为了加快数据测量的速度，可采

36、用先测量数据，并把它先存放在存储器中，测量完 N 点后，再对测得的 N 个数据进行平均值计算。 二是选取适当的x, y 的数据格式。 即x, y 是定点数还是浮点数。采用浮点数计算比较方便，但计算时间较长;采用定点数可加快计算速度，但是必须考虑累加时是否会产生溢出，如数据为14 为的二进制定点数，可采13文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.用双字节运算，但当N4 时就可能产生溢出。b)滑动平均值滤波程序算术平均滤波法，每计算一次数据，需测量N 次。对于测量速度较慢或要求数据计算速率较高的实时系

37、统， 该方法是无法使用的。 如假设 A/D 数据采样速率为每秒采样10 次，而要求每秒输入 4 次数据时，则 N 不能大于 2。下面介绍一种只需进行一次测量，就能得到一个新的算术平均值的方法滑动平均值法。滑动平均值法采用队列作为测量数据存储器，队列的队长固定为N，每进行一次新的测量，把测得的结果放入队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列始终有N 个最新的数据。计算平均值时，只要把队列中的N 个数据进行算术平均，就的得到新的算术平均值。这样每进行一次测量，就可得到一个新的算术平均值。上面介绍的这两种平均值方法，都是采用算术平均的方法，在这种方法中，对于N 次内的所有采样值，在其结果中的比重是

38、相等的。但是有时为了提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，然后再相加，此种方法即为加权平均法。一个N 项加权平均式为n 1Ci xn i(1-9)Yi 0式中 c0 、 c1 、 cn 1 均为常数项，应满足下列关系：n 1C1(1-10)ii0式中 c0 、 c1 、 c2 、 cn 1 为各此采样值的系数，可根据具体情况决定，一般采样次数愈靠后，取的比例愈大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例。其目的式增加信号的某一部分，抑制信号的另一部分。为计算方便，可取各加权系数Ci 均为整数且总和为256，加权运算之后的累加和Yn除以 256 以后便是有效采样值。各加权系数用一个表格存放在ROM

39、中。各次采用值依次存放在 RAM 中。c)扰平均值滤波 (复合滤波 )在工业控制等应用场合中，经常会遇到尖脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样点数据，此数据与其他采样点数据相差比较大。如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消除由干扰脉冲引起的采样值的偏差。为此，可采取先对平均值法的N 个数据进行比较，并按大小顺序排队后，除掉其中最大值和最小值，14文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.然后计算余下的N-2 个数据的算术平均值，这种方法即可滤去脉冲干扰又可滤除小的

40、随机干扰。在实际应用中， N 可取任何值，但为了加快数据采集和数据处理速度，一般N 不能太大，通常 N 取为 4。这时即为四取二再取平均值法。它具有计算方便、速度快、需存储容量小等特点，因而得到了广泛的应用。d)程序判断滤波当采样信号由于随机干扰、误检测或者转换器不稳定而引起严重失真时，可采用程序判断滤波。程序判断滤波的方法，是根据生产经验，确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差 x，若超过此偏差值，则表明本次输入信号是干扰信号，应该去掉。若小于此偏差值，则表明本次采样信号有效，可作为本次采样值。程序判断滤波根据滤波方法不同，可分限幅滤波和限速滤波两种。限幅滤波所谓限幅滤波就是把两次相邻的采

41、样值进行相减，求出其增量，然后有两次采样允许的最大差值进行比较，如果小于或等于 x，则取本次采样值；如果大于 x，则仍取上次采样值作为本次采样值。为了加快程序的判断速度，将经验限额值取反，后以立即数的形式编入程序中，然后用加法运算来取代比较运算。如果相邻两次采样值最大变化范围不超过 #04H，取反为即为 #0FBH。当变化量为 #05H 时，与经验限额值的反码 #0FBH 相加后即产生进位，从而为判断指令提供了判断标志位。限速滤波设顺序采样时刻t1、t2、t3 所采集的参数分别为x1、 x2、x3，则当 x2x1x ，则x2 输入计算机； x2x1x ，则 x2 不采用，但仍保留，再继续采样一

42、次，得 x3；x3x1x则 x3 输入计算机； x3 x1x ，则 (x2+x3 ) /2 输入计算机。这是一种折中的方法，即照顾了采样的实时性，又照顾不了采样的连续性。程序判断滤波程序，可用于变化比较缓慢的参数如温度、液位等。3)几种滤波方法的比较以上介绍了几种常用的数字滤波程序。随着微机控制技术的发展，数字滤波方法将越来越完善，读者可根据需要编写出更多的数字滤波程序。每种滤波程序都有其各自的特点，可根据具体的测量参数进行合理的利用。在具体选用滤波方法时需从下面几个方面加以考15文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本

43、可编辑 .欢迎下载支持.虑：a)滤波效果一般说来，对于变化比较缓慢的参数如温度，可选用程序判断滤波以及一阶滞后滤波方法比较好；而对于变化较快的脉冲参数，则可选用算术平均和加权平均滤波方法，而且极圈平均滤波方法比算术平均方法更好。b)滤波时间在考虑滤波效果的前提下， 应尽量采用执行时间比较短的程序，如果微机的时间允许，则可采用效果较好的复合滤波程序。需要说明的是，数字滤波固然是消除微机控制系统干扰的好方法，但一定要注意，井不是在任何一个系统种都需要进行数字滤波。有时不适当的采用数字滤波反而适得其反，造成不良影响。如在自动调节系统中，采用数字滤波有时会把偏差值滤掉，因而使系统失去调节作用。因此，在

44、设计微机控制系统时，要不要数字滤波，或者到底采用哪一种形式的滤波方法，一定要根据实验后确定，绝对不能照搬硬套。微机控制系统通常直接放在生产现场，会受到很严重的干扰，可以采用滤波的方法来消除干扰。这里采用中值滤波，就是连续三次取样，取中间值作为本次取样值。三次取样值分别放在 2CH, 2DH,2EH 中，取中间值放在累加器A 中，同时也转存在2AH 单元内，以备进行温度标度转换用。数字滤波程序流程图如图1-9 所示。数字滤波子程序清单如下：FILTER：MOVA ， 2CHCJNZA，2DH，CMP1； 2CH2DH转AJMPA ，CMP2CMP1： JNCCMP1； 2CH2DH?是转XCHA

45、 ，2DH；否，交换XCHA，2CHCMP2： MOVA ，2DHCJNEA ，2EH， CMP3； 2DH2EH 转MOV2AH ，ARETCMP3： JCCMP4；（2DH ）（2EH）转16文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.MOV2AH ，ARETCMP4： MOVA ，2EHCJMEA ， 2CH；（2EH）（2CH）转MOV2AH，ARETCMP5： JCCMP6；（ 2EH）（2CH）转XCHA ， 2CH；交换CMP6： MOV2AH ， ARET图 1-9数字滤波子程序流程图

46、Fig.1-9 Flow diagram of digit filter sub-program标度变换和漂移误差的自校准1)标度变换微机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往要转换成操作人员所熟悉的工程值，这是因为被测对象的各种数据的量纲和数值与A/D 转换的输入值是不同的。 如3压力的单位为 Pa，流量的单位为 m / h ，温度的单位为等。又如测温元件用热电偶或热电阻，且热电偶输出的信号也不尽相同， 如铂铭一铂热电偶在 1600时，其电势为 16.716mV, 而镍铬一镍铬电偶在 1200时，其电势为 48.087mV；所有这些都经过变送器转换成 A/D 所能接收的信号 0-5

47、 V ，又由 A/D 转换成 00H-FFH 的数字量。这些数字量并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显示或打印输出，这种转换就是标度变换。许多传感器测出的数据与实际的参数为非线性关系，而且它们的函数关系无法用一个解析式来表示，或者该解析式难于直接计算，这时可采用多项式来进行非线性标度变换。进行非线性标度变换时，应该确定多项式的次数 N，然后选取 N+ 1 测量点，测出这时实际的参数值 Yi 与传感器的输出值 Xi, 再用插值多项式求出各个参数，最后使用多项式计算程序来完成实际的标度变换。热敏电阻具有灵敏度高、价格低廉的特点，在

48、温度变化时，它的电阻值也有较大的变化，因此对模拟电路包括放大器的要求较低。但是热敏电阻的温度特性一般是非线性的，17文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.需要用计算加以补偿。可以用C 语言程序来求解插值多项式，然后在程序中按这个多项式进行补偿运算。计算时，首先必须根据所需要的逼近精度来决定多项式的次数。它的具体次数与所要逼近的函数有关。同时，多项式次数还与自变量的范围有关，一般来说，自变量的允许范围越大， 达到同样精度时的多项式次数也较高。对于无法预先决定次数的情况，可采用试探法。在能达到精度要

49、求的情况下，N 不应该取得太大，以免增加运算时间。决定了多项式的次数N 后，应选择 N+1 个自变量 X 值和函数值 Y 。插值节点的选择与插值多项式的误差大小有很大的关系， 在同样的 N 值条件下，选择合适的 X 和 Y ，可减小误差。计算 t=f(R) 的程序如下。FPLN： POPDPHPOPDPLCLRAMOVCA ，A+DPTRMOVR6，AINCDPTRCLRAMOVCA ，A+DPTRMOVR2，AINCDPTRCLRAMOVCA ，A+DPTRMOVR3，AINCDPTRFP1：MOVA， R0XRLA，R6MOVC， ACC.7MOV38H，CINCR0MOVA，R0；从堆栈

50、中得到 a 的指针n；取出 anp；取出 ank；取出 anl；暂存乘积符号；取出 X 的尾数18文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.MOVR5，ADECR0DECR0LCALLDMULMOVA，R2JBACC.7， FP2MOVA，R7RLCAMOVA，R3RLCAMOVR3，AMOVA，R2RLCAMOVR2，ADECR6FP2：MOVA ，R6ADDA，R0MOVC，38HMOVACC.7， CMOVR6， ACLRAMOVCA ，A+DPTRMOVR7， AINCDPTRCLRAMOV

51、CA ，A+DPTRMOVR4， AINCDPTRCLRA；调用定点双字节小数乘法子程序；左规格化一位；计算乘积的阶码；取出 aip；取出 aik19文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.MOVCA ，A+DPTR；取出 ailMOVR5， AINCDPTRCLR3AHLCALLFABP；调用浮点加法子程序MOVA，R4MOVR6， ACLRAMOVCA，A 十 DPTR；取出下一个字节CJNEA ，#40H， FP1LCAL.LFSTR；结束，回送计算结果CLRAJMPA+DPTR；转回后续指

52、令2)漂移误差在微机控制系统的测量输入电路中，一般均存在零点偏差和漂移，放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，它们会影响测量数据的准确性，因而必须对这些偏差进行自动校准。其中零点偏差校准在实际中应用较多，且常用程序来实现，称位数字调零。在测量时先把多路开关接到所需测量的一组输入电压信号上，经放大器、A/D 转换后得到的测量输入值X1 ，然后将多路开关的输入接地，测出零输入时的测量输入值为X0 ，用 X1 减去 X0 即为实际电压值 X 采用这种方法能取掉输入电路、放大器电路及A/D 转换电路本身的偏差和随时间和温度而发生的各种漂移的影响。除了数字调零外，还可采用零点偏差和增益误差的自动校

53、准。自动校准的思想是在系统开机时或每隔一定时间自动测量基准参数，然后计算误差模型，获得并存储误差补偿因子。在正式测量时，根据测量结果和误差补偿因子，计算校准方程，从而消除误差。PID程序设计PID：MOVRS， 31H；取 WMOVR4， 32HMOVR3， #00H；取 YiMOVR2， 2AH20文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .ACALLCPLI；取 Yi 的补码ACALLDSUM；计算 eiWYiMOV39H, R7；存 eiMOV3AH, R6MOVR5， 35H；取 IMOV

54、R4， 36HMOVR0， #4AH； R0 放乘积高位字节地址指针ACALLMULT1；计算 PiIeiMOVR5， 39H；取 eiMOVR4， 3AHMOVR3， 3BH；取 ei1MOVR2， 3CHACALLCPL1；取 ei1的补码ACALLDSUB；求 Ppeieiei 1MOVA，R7MOVR5， A；存eiMOVA，R6MOVR4， AMOVR3， 4BH；取 PiMOVR2， 4AHACALLDSUM；求 PiPpMOV4BH，R7MOV4AH ， R6；存和（ PiPp）MOVR5， 39HMOVR4， 3AH；取 eiMOVR3， 3DH21文档来源为 :从网络收集整理

55、.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.MOVR2， 3EH；取 ei2ACALLDSUM；计算 eiei2MOVA，R7MOVR5， AMOVA，R6MOVR4， AMOVR3， 3BHMOVR2， 3CH；取 ei1ACALLCPL1；求 ei1补码ACALLDSUM；计算 eiei2ei 1MOVA，R7MOVR5， A；存和MOVA，R6MOVR4， AMOVR3， 3BHMOVR2， 3CH；取 ei1ACALLCPL1；求 ei1补码ACALLDSUM；计算 ei = ei 22ei1MOVR5， 37H；取 D

56、MOVR4， 38HMOVR0， #46HACALLMULT1；求出 PdDeiei 22ei 1MOVR5， 47HMOVR4， 46H；存 PdMOVR3， 4BHMOVR2， 4AH；取（ PiPp ）22文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.ACALLDSUMMOVR5， 33HMOVR4， 34HMOVR0， #46HACALLMULT1MOVR3， 47HMOVR2， 46HMOVR5， 2FHMOVR4， 30HACALLDSUMMOV2FH， R7MOV30H， R6MOV3DH

57、， 3BHMOV3EH， 3CHMOV3BH ，39HMOV3CH，3AHRETDSUM ： MOVA ，R4ADDA ，R2MOVR6，AMOVA，R5ADDCA，R3MOVR7，ARETCPL1：MOVA ，R2CPLAADDA ， #01H；计算 PiPp Pd；取 K p；计算 K pPiPp Pd；取 U i 1；求出UiUi 1KpP PpPdi；存 U iU i 1； ei 1ei 2； eiei 123文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.MOVR2，AMOVA，R3CPLAAD

58、DCA ， #00HMOVR3，ARETMULT1 ：MOVA，R7RLCAMOVSIGN1， C；存被乘数符号数JNCPOS1；被乘数为正转MOVA，R6；求补CPLAADDA ，#01HMOVR6，AMOVA，R7CPLAADDCA ， #00HMOVR7， APOS1：MOVA ，R5RLCAMOVSIGN2， C；存乘数符号位JNCPOS2；乘数为正转MOVA ，R4CPLAADDA ， #01HMOVR4，AMOVA ，R5CPLAADDCA ，#00HMOVR5，A24文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本

59、可编辑 .欢迎下载支持.POS2：ACALLMULTMOVC， SIGN1ANLC，SIGN2JCTPL； C=1 是两个负数相乘转MOVC， SIGN1ORLC，SIGN2JNCTPL；C=0 是两个正数相乘转DECR0DECR0DECR0MOVA ，R0CPLAADDA ，#01HMOVR0，AINCR0MOVA ，R0CPLAADDCA ，#00HTPL ：RETMULT ： MOVA ，R6；取 bMOVB ，R4；取 dMULAB；求 bdMOVR0，A；求 bdLMOVR3， B；求 bdLR3MOVA ， R4；取 dMOVB ， R7；取 aMULAB；求 adADDA ，R3

60、；求 adL+bdHMOVR3，A；暂存 adL+bdHMOVA ，B25文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.ADDCA ，#00H；adH+进位MOVR2， A；暂存MOVA ，R6；取 bMOVB，R5；取 cMULAB；求 bcADDA，R3；求 adL+bcL+bdLINCR0；修改指针MOVR0，A；乘积第三字节存入CLR5BH；清标志MOVA ，R2ADDCA ，B；求 adH+bcHMOVR2， AJNCLAST；无进位数SETB5BH；置进位标志MOVA，R7；取 aMOVB，