熱流道溫度控制器研究與設計含程序及電路圖,熱流,溫度,控制器,研究,鉆研,設計,程序,電路圖
一、畢業(yè)設計（論文）的內容：
熱流道與普通流道相比，具有效率高，成型件質量好和節(jié)約材料等優(yōu)點，而目前熱流道溫度控制這一類技術絕大部分都掌握在外國人手中，我國最近幾年才有所發(fā)展和推廣，在很大程度上依靠于進口，而進口價格較貴，很多企業(yè)不能承擔。就目前而言國內在熱流道溫度控制也和國外有相當大的差距，不但控制溫度系統(tǒng)復雜，控制精度不高，控制范圍波動大而且可靠性也不高。
本系統(tǒng)主要通過單片機來對溫度進行控制，不但控制的可靠性高，系統(tǒng)簡單，而且控制精度也高。
要求：
1、電路應力求成本低，性能好，使用方便，便于生產制造；
2、溫度測量誤差±1%；
3、輸出負載能力：20A，100W—4400W（220V）。
二、畢業(yè)設計（論文）的要求與數據：
整個畢業(yè)設計學生應該完成的所有工作，包括：
1、完成二萬字左右的畢業(yè)設計說明書（論文）；在畢業(yè)設計說明書（論文）中必須包括詳細的300-500個單詞的英文摘要；
2、獨立完成與課題相關，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）；
3、提供完成的樣機及測試報告，制作樣機清單及總結調試報告，并完成畢業(yè)設計論文。
、
四、應收集的資料及主要參考文獻
[1] 任仲貴. CAD/CAM原理[M]. 北京：清華大學出版社，1991.9.
[2] 王明強. 計算機輔助設計技術[M]. 北京：科學出版社，2002.
[3] 龔仲華.三菱FX/Q系列PLC應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2006
[4] 趙燕,?周新建主編.可編程控制器原理與應用.北京：中國林業(yè)出版社：北京?大學出版社，2006
[5] 孫德勝，李偉主編.PLC操作實訓[M].三菱.北京：機械工業(yè)出版社，2007
[6] 顏全生主編；杜江,易國民參編.PLC編程設計與實例[M].北京：機械工業(yè)出版社?，2009
[7] 陳蘇波等編著.三菱PLC快速入門與實例提高[M].北京：人民郵電出版社，?2008
[8] 嚴盈富,羅海平，吳海勤.監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC入門[M]. 北京：人民郵電出版社，?2008
[9] [Hong-Chao Zhang and Enhao Lin. A hybrid-graph approach for automated setup planning in CAPP. Robotics and Computer Integrated Manufacturing [J], 1999, 15: 89-100.
[10] Y. Zhang, W. Hu and Y. Rong et al. Graph-based set-up planning and tolerance decomposition for computer-aided fixture design. International Journal of Production Research [J], 2001, 39(14): 3109-3126.
[11] 吳宗澤. 機械設計實用手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.
五、試驗、測試、試制加工所需主要儀器設備及條件
計算機一臺、
任務下達時間：
2010年 1 月12日
畢業(yè)設計開始與完成時間：
2010年3月1日至 2010年 6 月 20 日
組織實施單位：
教研室主任意見：
簽字： 年 月 日
院領導小組意見：
簽字： 年 月 日
1．畢業(yè)設計的主要內容、重點和難點等
主要內容：
1、復習相關課程、查閱相關資料，了解熱流道及其加熱裝置的工作原理；
2、進行方案選擇論證，優(yōu)選出最佳方案；
3、根據設計方案進行軟件仿真和調試校核；
4、根據原理圖繪制PCB，并制作相應的硬件電路；
5、撰寫設計說明書。
重點：
1、溫度傳感器選擇和溫度的測試；
2、PID控制參數和控制程序；
3、系統(tǒng)誤差控制和仿真；
4、單片機控制程序的設計；
5、單片機最小系統(tǒng)的制作和檢測；
難點：
1、溫度檢測元件和相關電路的設計；
2、PID控制參數的確定和系統(tǒng)仿真；
3、系統(tǒng)誤差的控制；
4、總系統(tǒng)的電路設計和控制程序。
2．準備情況（查閱過的文獻資料及調研情況、現有設備、實驗條件等）
查閱過的文獻資料：
1、強錫富，傳感器. 北京：機械工業(yè)出版社，1994.5
2、王瓊，單片機原理及應用. 合肥工業(yè)大學出版社，2005
3、楊將新等，單片機程序設計及應用.電子工業(yè)出版社。2006
4、周潤景，張麗娜. 基于PROTEUS的電路及單片機系統(tǒng)設計與仿真. 北京航空航天大學出版社，2006.5
5、嚴天峰，單片機應用系統(tǒng)設計與仿真調試.北京航空航天大學出版社，2005
6、萬光，Soc單片機實驗、實踐與應用設計 —基于C8051F系列.北京航空航天大學出版社，2006
7、謝振輝， 改進式51單片機實驗. 北京：科學出版社，2006
8、杜樹春王. 單片機C語言和匯編語言和混合編程實踐. 北京航空航天大學出版社，2008
9、鄒久朋，80C51單片機實用技術.北京航空航天大學出版社，2008
10、8.Robert L.Mott. Machine Elements in Mechanical Design[M].Beijing:China
現有設備：計算機一臺
3．總體安排和進度計劃
2010-1-12～2010-2-18：查閱資料，英文翻譯；
2010-2-18～2010-3-18：查閱資料，了解系統(tǒng)原理和PID相關知識的學習；
2010-3-18～2010-4-18：系統(tǒng)總體設計及電路控制部分設計，繪制控制電路原理圖
2010-4-18～2010-5-18：制作電路硬件和硬件調試與檢測、撰寫論文；
2010-5-18～2010-6-6：檢查、修改、打印，畢業(yè)答辯準備，提交論文。
指導教師意見
指導教師（簽字）：
年 月 日
開題小組意見
開題小組組長（簽字）：
年 月 日
院（系、部）意見
主管院長（系、部主任）簽字：
年 月 日
- 3 -
摘 要
本文簡要介紹了熱流道的概率和熱流道溫度控制的重要性。詳細闡述了熱流道溫度控制器硬件、軟件的組成和溫度控制算法的設計，并對PID控制算法進行了分析和設計。文中詳細介紹了控制系統(tǒng)總體方案的設計，確定了控制軟件、硬件的各個組成部分。在硬件部分，根據設計的控制要求和程序量，本系統(tǒng)選擇了性價比高的AT89C52單片機作為系統(tǒng)的主控單片機。其中，溫度信號輸入采用了鉑電阻Pt100和A/D轉換，控制信號采用了過零光電耦合器和雙向可控硅來完成對熱流道溫度的控制。
本系統(tǒng)軟件部分主要由溫度信號采集模塊、溫度顯示模塊、控制算法模塊和控制信號輸出模塊組成。本系統(tǒng)的控制思想是單片機根據采集到的溫度和設定的溫度進行比較，然后得到溫度誤差，再根據得到的溫度誤差進行PID應算，最后輸出控制模塊根據PID應算的結果做出相應的變化，而這些變化通過過零光電耦合器和雙向可控硅來完成對溫度控制。本系統(tǒng)軟件最主要的部分就是PID控制算法的設計和輸出控制算法的設計，在文中詳細介紹了P、I、D三個控制參數的整定方法和對這三個參數進行了整定，給出了系統(tǒng)控制程序。
關鍵詞：溫度控制；單片機； PID
Abstract
At first, the paper introduces the conception of the hot runner and the importance of hot runner temperature control. What’s more, the paper described in detail of the hardware and software of the temperature control system and the design of temperature control algorithm, and analysis and design of the PID control algorithm. The paper introduces the control system design of overall program, and determine the composing of the control software and hardware. In the hardware ，according to the design control requirements and the program, the system selected the cost-effective microcontroller of AT89C52 microcontroller as the master control system. Among them, the temperature signal input using a Pt100 platinum resistance and the A / D conversion, the control signal using zero-crossing optocoupler and triac to complete hot runner temperature control.
The system software mainly composed of the temperature signal acquisition module, the temperature display module, the control algorithm module and the control signal output module. This system of thought control is the microcontroller according to the collected temperature and compare the temperature setting, and then get the temperature error, Then according to the temperature error by PID should be counted, the final output control module according to the results of PID should be considered to make the appropriate changes, and these changes through zero optical coupler and triac to complete temperature control. The most important part of system software is the PID Control algorithm design and output control algorithm design, in the paper described in detail the P, I, D parameter setting of three control methods, and given system control program.
Key words: Temperature Control ；Microcontroller ；PID
目 錄
引言 1
1 緒論 2
1.1 概述 2
1.2 熱流道溫度控制的現狀與發(fā)展 2
1.3 課題的設計與分析 3
1.3.1系統(tǒng)性能要求及特點 3
1.3.2系統(tǒng)硬件方案分析 3
1.3.3系統(tǒng)軟件方案分析 4
2 硬件電路設計 5
2.1 系統(tǒng)硬件總體結構 5
2.2 主控模塊器件選擇及設計 5
2.2.1單片機的選用 5
2.2.2單片機介紹 6
2.2.3主控模塊設計 9
2.3 信號輸入電路設計 10
2.3.1溫度傳感器的選用與介紹 10
2.3.2 A/D轉換 13
2.4 鍵盤及顯示電路 17
2.4.1鍵盤電路設計 17
2.4.2顯示電路設計 18
2.5 信號輸出電路設計 19
3 系統(tǒng)軟件設計 21
3.1 軟件設計思想 21
3.2 系統(tǒng)軟件組成 21
3.3 主程序模塊 22
3.4 數據采集模塊 23
3.5 數據處理模塊 23
3.5.1數字濾波 24
3.5.1溫標轉換 24
3.6 鍵盤與顯示模塊 25
3.6.1鍵盤模塊 25
3.6.2顯示模塊 25
3.7 控制算模塊 25
3.8 其他模塊 26
3.9 抗干擾措施 27
4 系統(tǒng)控制方案 29
4.1 PID控制 30
4.1.1PID控制理論 30
4.2 PID控制參數整定 32
5 系統(tǒng)調試 33
5.1 系統(tǒng)硬件調試 33
5.2 系統(tǒng)軟件調試 33
6 結論 35
謝辭 36
參考文獻 37
附錄 38
附錄1 源程序清單 38
附錄2 系統(tǒng)電路總圖 54
目 錄 引言 ...............................................................................................................................................................1 1 緒論 ....................................................................................................................................2 1.1 概述 .....................................................................................................................................2 1.2 熱流道溫度控制的現狀與發(fā)展 .........................................................................................2 1.3 課題的設計與分析 .............................................................................................................3 1.3.1 系統(tǒng)性能要求及特點 ......................................................................................................3 1.3.2 系統(tǒng)硬件方案分析 ..........................................................................................................3 1.3.3 系統(tǒng)軟件方案分析 ..........................................................................................................4 2 硬件電路設計 ..................................................................................................................5 2.1 系統(tǒng)硬件總體結構 .............................................................................................................5 2.2 主控模塊器件選擇及設計 .................................................................................................5 2.2.1 單片機的選用 ................................................................................................................5 2.2.2 單片機介紹 ......................................................................................................................6 2.2.3 主控模塊設計 ................................................................................................................9 2.3 信號輸入電路設計 ...........................................................................................................10 2.3.1 溫度傳感器的選用與介紹 ..........................................................................................10 2.3.2 A/D 轉換 ......................................................................................................................13 2.4 鍵盤及顯示電路 ...............................................................................................................17 2.4.1 鍵盤電路設計 ..............................................................................................................17 2.4.2 顯示電路設計 ..............................................................................................................18 2.5 信號輸出電路設計 ...........................................................................................................19 3 系統(tǒng)軟件設計 ................................................................................................................21 3.1 軟件設計思想 ...................................................................................................................21 3.2 系統(tǒng)軟件組成 ...................................................................................................................21 3.3 主程序模塊 .......................................................................................................................22 3.4 數據采集模塊 ...................................................................................................................23 3.5 數據處理模塊 ...................................................................................................................23 3.5.1 數字濾波 ......................................................................................................................24 3.5.1 溫標轉換 ......................................................................................................................24 3.6 鍵盤與顯示模塊 ...............................................................................................................25 3.6.1 鍵盤模塊 ......................................................................................................................25 3.6.2 顯示模塊 ......................................................................................................................25 3.7 控制算模塊 .......................................................................................................................25 3.8 其他模塊 ...........................................................................................................................26 3.9 抗干擾措施 .......................................................................................................................27 4 系統(tǒng)控制方案 ................................................................................................................29 4.1 PID 控制 ............................................................................................................................30 4.1.1PID 控制理論 ................................................................................................................30 4.2 PID 控制參數整定 ............................................................................................................32 5 系統(tǒng)調試 .........................................................................................................................33 5.1 系統(tǒng)硬件調試 ...................................................................................................................33 5.2 系統(tǒng)軟件調試 ...................................................................................................................33 6 結論 ...................................................................................................................................35 謝辭 ..........................................................................................................................................36 參考文獻 ................................................................................................................................37 附錄 .......................................................................................................................................38 附錄 1 源程序清單 .................................................................................................................38 附錄 2 系統(tǒng)電路總圖 .............................................................................................................54
熱流道溫度控制器研究與設計
摘 要
本文簡要介紹了熱流道的概率和熱流道溫度控制的重要性。詳細闡述了熱流道溫度控制器硬件、軟件的組成和溫度控制算法的設計，并對PID控制算法進行了分析和設計。文中詳細介紹了控制系統(tǒng)總體方案的設計，確定了控制軟件、硬件的各個組成部分。在硬件部分，根據設計的控制要求和程序量，本系統(tǒng)選擇了性價比高的AT89C52單片機作為系統(tǒng)的主控單片機。其中，溫度信號輸入采用了鉑電阻Pt100和A/D轉換，控制信號采用了過零光電耦合器和雙向可控硅來完成對熱流道溫度的控制。
本系統(tǒng)軟件部分主要由溫度信號采集模塊、溫度顯示模塊、控制算法模塊和控制信號輸出模塊組成。本系統(tǒng)的控制思想是單片機根據采集到的溫度和設定的溫度進行比較，然后得到溫度誤差，再根據得到的溫度誤差進行PID應算，最后輸出控制模塊根據PID應算的結果做出相應的變化，而這些變化通過過零光電耦合器和雙向可控硅來完成對溫度控制。本系統(tǒng)軟件最主要的部分就是PID控制算法的設計和輸出控制算法的設計，在文中詳細介紹了P、I、D三個控制參數的整定方法和對這三個參數進行了整定，給出了系統(tǒng)控制程序。
關鍵詞：溫度控制；單片機； PID
Abstract
At first, the paper introduces the conception of the hot runner and the importance of hot runner temperature control. What’s more, the paper described in detail of the hardware and software of the temperature control system and the design of temperature control algorithm, and analysis and design of the PID control algorithm. The paper introduces the control system design of overall program, and determine the composing of the control software and hardware. In the hardware ，according to the design control requirements and the program, the system selected the cost-effective microcontroller of AT89C52 microcontroller as the master control system. Among them, the temperature signal input using a Pt100 platinum resistance and the A / D conversion, the control signal using zero-crossing optocoupler and triac to complete hot runner temperature control.
The system software mainly composed of the temperature signal acquisition module, the temperature display module, the control algorithm module and the control signal output module. This system of thought control is the microcontroller according to the collected temperature and compare the temperature setting, and then get the temperature error, Then according to the temperature error by PID should be counted, the final output control module according to the results of PID should be considered to make the appropriate changes, and these changes through zero optical coupler and triac to complete temperature control. The most important part of system software is the PID Control algorithm design and output control algorithm design, in the paper described in detail the P, I, D parameter setting of three control methods, and given system control program.
Key words: Temperature Control ；Microcontroller ；PID
目 錄
引言 1
1 緒論 2
1.1 概述 2
1.2 熱流道溫度控制的現狀與發(fā)展 2
1.3 課題的設計與分析 3
1.3.1系統(tǒng)性能要求及特點 3
1.3.2系統(tǒng)硬件方案分析 3
1.3.3系統(tǒng)軟件方案分析 4
2 硬件電路設計 5
2.1 系統(tǒng)硬件總體結構 5
2.2 主控模塊器件選擇及設計 5
2.2.1單片機的選用 5
2.2.2單片機介紹 6
2.2.3主控模塊設計 9
2.3 信號輸入電路設計 10
2.3.1溫度傳感器的選用與介紹 10
2.3.2 A/D轉換 13
2.4 鍵盤及顯示電路 17
2.4.1鍵盤電路設計 17
2.4.2顯示電路設計 18
2.5 信號輸出電路設計 19
3 系統(tǒng)軟件設計 21
3.1 軟件設計思想 21
3.2 系統(tǒng)軟件組成 21
3.3 主程序模塊 22
3.4 數據采集模塊 23
3.5 數據處理模塊 23
3.5.1數字濾波 24
3.5.1溫標轉換 24
3.6 鍵盤與顯示模塊 25
3.6.1鍵盤模塊 25
3.6.2顯示模塊 25
3.7 控制算模塊 25
3.8 其他模塊 26
3.9 抗干擾措施 27
4 系統(tǒng)控制方案 29
4.1 PID控制 30
4.1.1PID控制理論 30
4.2 PID控制參數整定 32
5 系統(tǒng)調試 33
5.1 系統(tǒng)硬件調試 33
5.2 系統(tǒng)軟件調試 33
6 結論 35
謝辭 36
參考文獻 37
附錄 38
附錄1 源程序清單 38
附錄2 系統(tǒng)電路總圖 54
引言
隨著世界的不斷發(fā)展，制造業(yè)與以往相比有了翻天覆地的不變化，而塑料加工是制造業(yè)的重要組成部分，其中注射塑料又是塑料加工的重要組成部分。隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展和通用與工程塑料在強度和精度等方面的不斷提高，注射塑料加工制品的應用范圍也在不斷擴大，小到日常用品，大到高精尖技術產品的應用等。而熱流道塑料加工又在塑料加工中占了重要地位。
熱流道的出現不但改變了傳統(tǒng)的塑料加工方法，而且也為當今的制造加工提供了一種非常好的加工手段。熱流道系統(tǒng)，又稱熱澆道系統(tǒng)，主要由熱澆口套，熱澆道板，溫控電箱構成。流道處于一個或多個有恒溫的熱流道板及熱唧嘴里，無冷料脫模，流道及澆口直接在產品上，所以流道不需要脫模，此系統(tǒng)又稱為無水口系統(tǒng)，可節(jié)省原材料，適用于原材料較貴、制品要求較高的情況，設計及加工困難，模具成本較高。
熱流道系統(tǒng)的優(yōu)勢在于（1）無水口料，不需要后加工，節(jié)省工作時間，提高工作效率。（2壓力損耗小。（3）水口料重復使用會使塑料性能降解，而使用熱流道系統(tǒng)沒有水口料，可減少原材料的損耗，從而降低產品成本。（4）獨特設計加工的電加熱圈，可達到加熱溫度均勻，使用壽命長。熱流道系統(tǒng)配備熱流道板、溫控器等，設計精巧，種類多樣，使用方便，質量穩(wěn)定可靠。
在加工的時候流道的溫度控制要求精度到，溫度變化小，溫度控制平衡等。這就是要求熱流道的流道溫度不能有大的變化，因此，對熱流道的溫度控制乃是決定加工質量與加工精度的保證。在熱流道加工中有的時候就是一兩度的溫度誤差也會給加工產品的質量產生很大的影響。所以，控制熱流道的溫度是一個非常重要的質量保證的手段。而本文中將用單片機來實現對熱流道溫度的控制，采用先進的算法來分析控制誤差進而來提高控制精度。
1 緒論
1.1 概述
熱流道是通過加熱的辦法來保證流道和澆口的塑料保持熔融狀態(tài)。由于在流道附近或中心設有加熱棒和加熱圈，從注塑機噴嘴出口到澆口的整個流道都處于高溫狀態(tài)，使流道中的塑料保持熔融，停機后一般不需要打開流道取出凝料，再開機時只需加熱流道到所需溫度即可。
熱流道模具應用項目需要多個環(huán)節(jié)予以保障。其中最重要的有兩個技術因素。一是塑料溫度的控制，二是塑料流動的控制。
其中塑料溫度的控制在熱流道模具應用中塑料溫度的控制極為重要。許多生產過程中出現的加工及產品質量問題直接來源于熱流道系統(tǒng)溫度控制的不好。在很多時候，往往是極小的溫度問題就給生產出的產品帶來極大的質量問題，如使用熱針式澆口方法注塑成型時產品澆口質量差問題，閥式澆口方法成型時閥針關閉困難問題，多型腔模具中的零件填充時間及質量不一致問題等。如果可能應盡量選擇具備多區(qū)域分別控溫的熱流道系統(tǒng)，以增加使用的靈活性及應變能力。
本系統(tǒng)講述的是通過單片機來對在熱流道中極為重要的溫度要求進行的控。單片機不但應用廣泛，智能化，價格便宜而且可靠性高。在本系統(tǒng)中，溫度信號通過溫度傳感器轉換為電信號，再通過放大器的放大與模擬數字信號的相互轉化而為單片機提供控制信號來源，單片機通過先進的算法計算后輸出控制信號，這樣來對熱流道的溫度進行控制。
1.2 熱流道溫度控制的現狀與發(fā)展
熱流道技術是應用于塑料注塑模澆注流道系統(tǒng)的一種先進技術，是塑料注塑成型工藝發(fā)展的熱點方向，在歐美國家的普及使用可以追溯到上個世紀中期甚至更早。而在中國，這一技術的真正推廣應用不過是近幾年的事。
????隨著熱流道技術的日漸推廣應用，熱流道模具在塑料模具中所占比重將逐步提升。在國外，許多塑料模具廠生產的模具50%以上采用熱流道技術，有的甚至達80%以上，效果十分明顯。熱流道在國內也已用于生產，但目前總體不足10%，這個差距相當巨大，但也意味著這個行業(yè)在國內有著相當大的發(fā)展空間。
????近年來，熱流道技術在中國的逐漸推廣，在很大程度上是由于國產模具向歐美公司的快速出口帶來的。在歐美國家，注塑生產已經相當依賴于熱流道技術。可以這樣說，基本不使用熱流道技術的模具現在已經很難出口。但由于很多進口熱流道模具價格較貴，國內很大一部分廠家接受不了，所以就出現了一些國產的商品化熱流道模具。這對于熱流道技術在中國的推廣有很大的好處。
????熱流道技術在我國漸行漸熱的同時，其元件呈現出幾個主要發(fā)展趨勢。一是元件小型化。二是元件標準化。三是設計可靠化。如今國內外各大模具公司對熱流道板的設計和熱噴嘴聯接部分的壓力分布、溫度分布、密封等問題的研發(fā)極為重視。四是溫控系統(tǒng)精確化。在熱流道模具模塑中，開發(fā)更精密的溫控裝置，控制熱流道板和澆口中熔融樹脂的溫度，是防止樹脂過熱降解和產品性能降低的有效措施。
????目前國外的熱流道溫控系統(tǒng)已實現微電腦控制，采用PIDD連續(xù)調節(jié)，其精度可達±0.5℃。國內熱流道元件生產商也正在向電腦控溫的方向努力?？傮w來講，熱流道技術在中國的普及率很低，和歐美相比較還有很大的差距，原因是多方面的，雖然我們國家也一直在努力提高和發(fā)展這方面技術，但是如果沒有真正的創(chuàng)新和自主產權而只是走拿來而不消化的路的話，那么差距將會越來越大。
1.3 課題的設計與分析
1.3.1系統(tǒng)性能要求及特點
本系統(tǒng)要求的溫度控制精度較高，溫度測量誤差±1%，輸出負載能力：20A，100W—4400W（220V）。而由于溫度系統(tǒng)本身的熱慣性與熱的大滯后性，所以系統(tǒng)的控制靈敏度要求較難控制，而且誤差由于熱慣性也較難控制。本系統(tǒng)通過PID參數整定來對系統(tǒng)的響應和滯后進行調節(jié)，力求達到系統(tǒng)的性能要求。
鑒于系統(tǒng)功能設計要求應該具有的體積小、成本低、功能強、抗干擾并盡可能達到更高精度的要求。本系統(tǒng)在硬件設計方面具有如下特點:控制主板采用AT89C52作為核心芯片。作為與MCS一51系列兼容的單片機，無論在運算速度，還是在內部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。根據溫控箱測溫范圍的要求，本系統(tǒng)適合采用R100鉑電阻作為溫度傳感器，而Pt100鉑電阻在大溫度范圍內測溫時表現出的不可忽視的非線性不容忽視，因此在溫度測量的過程中必須對鉑電阻溫度傳感器的非線性進行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)溫度測量的精確度。本文采用最小二乘法擬合的方法對鉑電阻的非線性進行優(yōu)化。為了簡化系統(tǒng)硬件，控制量采用雙向可控硅輸出，這樣就省去了D/A轉換環(huán)節(jié)。整個系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易于替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標準化和模塊化打下良好基礎。
1.3.2系統(tǒng)硬件方案分析
溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路和單片機兩種形式。模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。它的最大優(yōu)點是系統(tǒng)響應速度快，能實現對系統(tǒng)的實時控制。根據計算機控制理論可知，數字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的響應特性。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個相對緩慢的過程，對溫控系統(tǒng)的實時性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢得不到體現。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關系來實現控制算法，很難實現復雜的控制算法。單片機是大規(guī)模集成電路技術發(fā)展的產物，屬于第四代電子計算機。它是把中央處理單元CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、定時/計數器以及1/0輸入輸出接口電路等主要計算機部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，它的特點是:功能強大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應用廣泛。
由此可見，采用單片機設計控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結構，而且控制算法由軟件實現，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長。AT89C52單片機是ATMEL公司出品的與MCS一51系列兼容的低電壓、高性能CMOSS位單片機。本系統(tǒng)選擇AT89C52為核心器件組成的控制系統(tǒng)。此外，在選取外圍擴展芯片時，本著節(jié)約成本的原則，盡量選取典型的、易于擴展和替換的芯片及器件。
1.3.3系統(tǒng)軟件方案分析
目前，MCS51單片機的開發(fā)主要用到兩種語言:匯編語言和C語言。與C語言相比，匯編語言具有以下的特點: 它要直接使用CPU的資源，執(zhí)行的高效率，實時性好，程序緊湊等。
由于整個系統(tǒng)軟件比較復雜，為了便于編寫、調試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結構，故要求整個控制系統(tǒng)軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內數據關系緊湊，模塊間數據關系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結構。溫度控制算法方面，在對溫控箱數學模型辨識的基礎之上，結合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經典的PID控制算法，這主要是由于PID控制相對來說算法簡單、魯棒性好和可靠性高。此外，在設計PID控制器時，依靠經驗和試驗的方法在系統(tǒng)調試時確定PID控制器的參數K，、K，、K。，然后用代碼實現了算法。
2 硬件電路設計
2.1 系統(tǒng)硬件總體結構
本系統(tǒng)硬件部分按照功能大致可以分為以下幾部分：單片機主控模塊、信號輸入模塊、控制信號輸出模塊、鍵盤模塊及顯示模塊等。硬件總體結構框圖如圖2一1所示。由結構框圖可見，其中溫度控制系統(tǒng)以AT89C52單片機為核心。熱流道的溫度由Pt1OO鉑電阻溫度傳感器檢測并轉換出微弱的電壓信號，這個電信號再通過放大器的放大后通過A/D轉換器ADC0808而轉換成數字量。此數字量經過軟件數字濾波之后，一方面將熱流道的溫度通過溫標轉換后，輸到顯示器中顯示出來;另一方面將該溫度值與設定的溫度值進行比較，根據其偏差值的大小，采用PID控制算法進行運算，應算結果最后通過控制雙向可控硅控制的通斷進而達到對溫度進行控制的目的。如果實際測得的溫度值超過了系統(tǒng)給定的溫度，那么雙向可控硅將斷開而停止加熱，而當實際溫度小于給定溫度，那么雙向可控硅將接通而開始對熱流道加熱，因而使系統(tǒng)的溫度能達到平衡。
圖2-1 系統(tǒng)總結構框圖
2.2 主控模塊器件選擇及設計
2.2.1單片機的選用
針對一定的用途，恰當的選擇所使用的單片機是十分重要的。對于明確的應用對象，選擇功能過少的單片機，無法完成控制任務;選擇功能過強的單片機，則會造成資源浪費，使產品的性能價格比下降。目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。在實際應用中，針對不同的需求要選擇合適的單片機，選擇單片機要重視的地方有：
(1)單片機的基本性能參數，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲器容量，中斷能力及1/0口引腳數量等;
(2)單片機的增強功能，例如看門狗，雙串口，RTc(實時時鐘)，EEPROM，CAN接口等;
(3)單片機的存儲介質，對于程序存儲器來說，Flash存儲器和OTP(一次性可編程)存儲器相比較，最好是選擇Flash存儲器;
(4)芯片的封裝形式，如DIP封裝，PLCC封裝及表面貼附封裝等。選擇DIP封裝在搭建實驗電路時會更加方便一些;
(5)芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級、軍品級還是商業(yè)級，如果設計戶外產品，必須選用工業(yè)級芯片;
(6)單片機的工作電壓范圍，例如設計電視機遙控器時，使用2節(jié)干電池供電，至少選擇的單片機能夠在1.8v一3.6v電壓范圍內工作;
(7)單片機的抗干擾性能好;
(8)編程器以及仿真器的價格，單片機開發(fā)是否支持高級語言以及編程環(huán)境要好用易學;
(9)供貨渠道是否暢通，價格是否低廉，是否具有良好的技術服務支持。
根據上面所述的原則，結合本系統(tǒng)實際情況綜合考慮，本文應用的溫度控制系統(tǒng)選用ATMEL公司生產的AT89C52單片機作為主控模塊的核心芯片。
2.2.2單片機介紹
本系統(tǒng)選用ATMEL公司生產的AT89系列單片機中的AT89C52，AT89C52單片機是一種新型的低功耗、高性能的8位CM0S微控制器，與工業(yè)標準MCS一51指令系列和引腳完全兼容。具有超強的三級加密功能，其片內閃電存儲器(FlashMemory)的編程與擦除完全用電實現，數據不易揮發(fā)，編程/擦除速度快。AT89C52單片機DIP封裝的引腳如圖2一2所示：
圖2一2 DIP封裝引腳
AT89C52的主要特點有:
(l)內部程序存儲器為電擦除可編程只讀存儲器EEPROM，容量8KB，內部數據存儲器容量256字節(jié)，最大尋址空間64KB;
(2)三個16位定時/計數器;
(3)可利用兩根FO口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過編程設定;為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。
(4)內部ROM中開辟了四個通用工作寄存器區(qū)，共32個通用寄存器，以適應多種中斷或子程序嵌套的情況;
(5)6個中斷源，分為兩個中斷優(yōu)先級，每個中斷源優(yōu)先級都是可編程的;
(6)內部有一個由直接可位尋址組成的布爾處理機，在指令系統(tǒng)中包含了一個指令子集，專門用于對布爾處理機的各位進行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問題；
(7)AT89C52的狀態(tài)周期由晶體振蕩器2分頻后獲得，作為芯片工作的基本時間單位，在采用12MHz晶振時，ATsge52的狀態(tài)周期為(2/12)xlo一6=167ns。
AT89C52的引腳及功能：
AT89C52為40腳雙列直封裝的8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的C51內核，在內部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內部寄存器、數據RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中，P0 端口（32~39 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調整狀態(tài)進入的控制功能。
P0口：
P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O 口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。
在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8 位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。
在Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)校驗時，要求外接上拉電阻。
P1口：
P1 是一個帶內部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。
P2口：
P2 是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。
在訪問外部程序存儲器或16 位地址的外部數據存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器（如執(zhí)行MOVX @RI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的內容。
Flash 編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。
P3口：
P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O 口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。
P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能
P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。
RST:復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。
ALE/PROG:當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時,ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。
對Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。
如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE 禁止位無效。
PSEN: 程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。
EA/Vpp: 外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H—FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。
Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。
XTAL1/XTAL2:分別是振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端和輸出端。
2.2.3主控模塊設計
主控模塊電路由AT89C52單片機、外部時鐘電路、復位電路組成。電路如圖2一3所示。系統(tǒng)與其他元件相接的電路圖采用總線模式。
圖2一3 總控制模塊
單片機的復位是由外部復位電路來實現的。在單片機的復位引腳RST上保持兩個機器周期的高電平就能使AT89C52完全復位。復位電路的接法很多，本系統(tǒng)中采用上電復位的方式。
系統(tǒng)時鐘電路設計采用內部方式。AT89C52內部有一個用于構成振蕩器高增益反相放大器。引腳XTALI(19腳)和XTALZ(18腳)分別是此放大器的輸端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自振蕩器。外接晶體諧振器以及電容構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回中。本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻12MHz。復位電路和時鐘電路如圖2一4所示。
圖2一4 復位電路和時鐘電路
2.3 信號輸入電路設計
系統(tǒng)輸入通道的作用是將熱流道的溫度(非電量)通過傳感器電路轉化為電量(電壓或電流)輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉化為電壓的輸出。由于此時的電量(電壓)還是單片機所不能識別的模擬量，所以還需要進行A/D轉換，即將模擬的電量轉化成與之對應的數字量，提供給單片機判斷和控制。信號輸入電路由溫度傳感器、A/D轉換等電路組成。
2.3.1溫度傳感器的選用與介紹
溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構成材料、構成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度也各不相同。因此在不同的應用場合，應選擇不同的溫度傳感器。Pt100型鉑電阻，在一200°到850℃范圍內是精度最高的溫度傳感器之一。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強，離散性很小，精度高，靈敏度也較好。這些特點使得鉑電阻溫度傳感器具有信號強、精度高、穩(wěn)定性和復現性好的特點。由于在本系統(tǒng)中，測溫范圍不大(100到350°C)，且要求檢測精度高、穩(wěn)定性好和相應速度快等，因此選用Pt100鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。
鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型:標準鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。在測量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測量穩(wěn)定性和復現性一般不如標準鉑電阻，這主要有兩個方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴散使其純度受到污染，從而降低了鉑電阻測溫的復現性能，其二是因為高溫條件下的應力退火影響了其復現性能。但是標準鉑電阻溫度傳感器也存在價格昂貴，維護起來較為困難等缺點?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級Pt100鉑電阻作為溫度傳感器。
溫度傳感器的測量電路如圖2-5所示：
2-5 Pt100測量電路
鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一特性進行溫度測量的，根據IEC(InternationalEleetri。ianCommittee)標準751一1983:
（-200
收藏