wkxt溫度控制系統(tǒng)

1、-. z溫度控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?掌握微機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件構(gòu)造、組成、配置與綜合調(diào)試技能。2掌握溫度測量、數(shù)字PID控制及功率放大的根本原理和實現(xiàn)方法。3了解和熟悉完整的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。二、實驗容與要求1根本要求用一電爐加熱器皿中的水，目標(biāo)溫度在一定圍由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度變化時實現(xiàn)自動調(diào)整使水溫保持在設(shè)定值，溫度誤差要求1。采集到的溫度值以十進制數(shù)數(shù)碼實時顯示，2提高要求 1在CRT上實時繪出溫度變化曲線。2軟件實現(xiàn)調(diào)功控制功能模塊。三、實驗報告要求實驗?zāi)康暮腿菘傮w設(shè)計硬件設(shè)計：原理圖接線圖及簡要說明程序框圖和清單實驗結(jié)果和體會附：功放板和電爐接線原理圖溫度控制系統(tǒng)一、總體設(shè)

2、計(1)前向通道：采用AD590作溫度傳感器，雙積分式A/D芯片MC14433提高抗干擾性。(2)后向通道：直接數(shù)字控制的周波數(shù)調(diào)功方式實現(xiàn)有特色的功率放大單元。(3)8253實現(xiàn)定時數(shù)據(jù)采集和控制量輸出。軟件實現(xiàn)分段PI控制算法，以獲得較好的溫度控制性能。二、硬件設(shè)計本控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，它由以下幾個模塊構(gòu)成：信號轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動電路和執(zhí)行機構(gòu)。LED顯示CPU80386在屏幕上顯示控制曲線8255MC14433MC1403AD590信號放大調(diào)理數(shù)字比擬器77774LS688模256計數(shù)器MOC3061可控硅電爐脈寬轉(zhuǎn)換電路 2 3 1

3、5 4水220v 圖1 系統(tǒng)原理框圖下面將具體介紹這幾個模塊。 1信號轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路 信號轉(zhuǎn)換調(diào)理就是將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后調(diào)理為可采集的電壓信號。具體電路參見圖2。 R1 R2 VOUT R3 R4 圖2 數(shù)據(jù)采集模塊其中AD590是一種二端式的集成溫度傳感器，以TO-2形式封裝如圖3所示,主要技術(shù)參數(shù)如下:圖 3 AD590外引腳 1測溫圍為-55+150C 2工作電壓為+4+30V,由于AD590是一種恒流源形式的溫度傳感器,只要在其二端加上一定工作電壓,則其輸出電流隨溫度變化而變化,其線性電流輸出為1uA/K；它以熱力學(xué)溫度零點作為零輸出點。其溫度電流曲線見圖4。3精度：經(jīng)過激光

4、平衡調(diào)整，AD590校準(zhǔn)精度可達0.5C,在全溫區(qū)圍,線性度可達0.3C(AD590M), 精度可達1C。由于AD590是一種電流型的溫度傳感器，因此具有較強的抗干擾能力，適用于計算機遠(yuǎn)距離溫度測量和控制.遠(yuǎn)距離信號傳遞時，可采用一般的雙絞線來完成；其電阻比擬大，因此不需要精細(xì)電源對其供電，長導(dǎo)線上壓降一般不影響測量精度；不需要溫度補償和專門的線性電路；由于以上獨特優(yōu)點，AD590在溫度測控領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。A/D轉(zhuǎn)換器采用MC14433，要求采樣輸入電壓幅值為02V可變，對應(yīng)的溫度變化圍為0100C，由圖2可計算出R1和R3+R4得數(shù)值。 2數(shù)據(jù)采集模塊 通過A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬電壓

5、量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過并行接口芯片將數(shù)字量送給計算機。本控制系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器采用高精度的MC14433，圖5為MC14433的典型電路圖。MC14433是三位半十進制(即11位二進制數(shù))的雙積分式模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換速率為4-10Hz,它無控制啟停信號，一旦上電，就不斷地轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果采用BCD碼動態(tài)掃描輸出,它的千位、百位、十位、個位的BCD碼輸出為分別與DS1、DS2、DS3、DS4輸出高電平是相對應(yīng),由于它們無三態(tài)特性,不可與PC機直接相連,因此要通過并行接口芯片相連接。又因為MC14433無部參考電壓源,因此利用低溫漂的集成化的精細(xì)電源MC1403來產(chǎn)生穩(wěn)定的參考電壓。0圖 5 數(shù)據(jù)采集模

6、塊 3數(shù)據(jù)顯示模塊PC機將采集到的溫度值經(jīng)處理后送往LED數(shù)碼管上顯示，并在屏幕上打印出控制曲線。這局部可利用PC微機總線接口實驗裝置上的現(xiàn)有資源，在實驗裝置上本模塊提供了六個LED數(shù)碼管，CPU通過兩個端口來驅(qū)動LED數(shù)碼管，分別為段輸出選通端和位選通端，具體實現(xiàn)電路可參見PC微機總線接口實驗指導(dǎo)書。數(shù)據(jù)的輸出顯示采用動態(tài)掃描方式，利用眼睛的視覺慣性來實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字顯示。 4脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動電路 脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動局部的原理圖圖中包括執(zhí)行機構(gòu)局部如下：圖 6 脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動電路原理圖本電路用于完成反應(yīng)控制的功能，利用PC機輸出的經(jīng)PID控制算法處理后的誤差信號去控制產(chǎn)生具有一定占空比的

7、脈沖，并送往驅(qū)動電路進展脈沖放大。改變占空比的調(diào)節(jié)方法有脈寬調(diào)制(PWM)和脈頻調(diào)制(PFM)。由原理圖可知本系統(tǒng)采用PWM方式，即工作頻率不變，通過改變后級電路的導(dǎo)通與截止比來改變占空比。圖上所示各點的波形具體表達了本電路的工作過程。 以下對本電路所用的重要元器件作簡單介紹。數(shù)字比擬器74LS688(見圖7)圖7 數(shù)字比擬器74LS688其中1腳為使能控制信號,低電平有效,P0-P7為數(shù)據(jù)A輸入,Q0-Q7為數(shù)據(jù)B輸入，當(dāng)A=B時，19腳輸出為低電平，否則一直為高電平。光電耦合器MOC3061見圖8MOC3061是一種含過零檢測電路的光電耦合器，它可以作為雙向晶閘管的觸發(fā)電路。MOC3061

8、的輸出端的額定電壓是600V，最大重復(fù)浪涌電流為1A，最大電壓上升率dv/dt為1000V/us以上，一般可達2000V/us，輸入輸出隔離電壓大于7500V，輸入控制電流為15mA。6 5 41 2 3主端 襯底 主端陰極 陽極 空 圖 8 光電耦合器管腳圖5執(zhí)行機構(gòu)用經(jīng)過驅(qū)動電路輸出的放大的脈沖信號控制可控硅的通斷，對電爐的功率進展PWM控制，到達對水溫的自動控制。這局部電路比擬簡單，由雙向可控硅晶閘管及電路組成，見圖6所示。晶閘管一旦觸發(fā)，管子就導(dǎo)通，把控制信號減少甚至完全去掉，它仍然導(dǎo)通，只有當(dāng)陽極電流減少到維持電流以下，管子才會截止。不過雙向可控硅則無所謂陰、陽極。本電路可控硅采用B

9、T138 600E，見圖9。 T1：主端子 T2：主端子 G： 門極 T1 T2 G 圖9 雙向晶閘管BT138 600E三、軟件設(shè)計確定控制算法和參數(shù)根據(jù)被控對象及根本設(shè)計要求，自動控制系統(tǒng)設(shè)計需進展大量的計算分析，要保證系統(tǒng)良好的性能又要滿足給定的技術(shù)要求，在此過程中，可采用理論指導(dǎo)，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，確定控制算法。對于水溫系統(tǒng)的建模，可近似地認(rèn)為純滯后+一階慣性環(huán)節(jié)，進展實驗時先測出開環(huán)曲線，對于一階慣性環(huán)節(jié)對象，往往采用PID控制算法，控制效果較好。PID控制表示比例(proportional)積分(integral)微分(differential)控制。PID調(diào)節(jié)器如圖10所示。KpKi

10、/SKd*S E(S) U(S)圖10 PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器輸入輸出之間的比例-微分-積分關(guān)系如下:u(t)=Kpe(t)+1/Tie(t)dt+Td*de(t)/dt 式(1)其中Kp為比例系數(shù),Ti為積分時間常數(shù),Td為微分時間常數(shù)。在計算機控制系統(tǒng)中使用的是數(shù)字PID調(diào)節(jié)，就是對式1進展離散化,離散化時,令u(t)u(kT) e(t)e(kT)e(t)Te(jT) de(t)/dte(kT)e(kTT)/T式中T是采樣周期,顯然,上述周期T必須足夠短,才能保證有足夠的精度。因此數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，表達式如下：u(kT)=Kpe(kT)+T/Tie(jT)+Td/Te(Kd)e(KtT) 式(

11、2)由控制理論可知：離散化采樣頻率越高，采樣后失去的信息越少，相應(yīng)的控制性能也越好。但由于水溫是一個慢變信號，進展PID算法控制時，假設(shè)采樣頻率過高，相鄰兩次采樣信號差距很小，將會失去PID控制的優(yōu)勢，因此確定采樣頻率為1/15HZ，即15S進展一次PID算法。在反應(yīng)控制局部的軟件程序設(shè)計上主要采用PID控制算法，但由于過早地引入積分作用容易產(chǎn)生飽和，產(chǎn)生過大的超調(diào)量，預(yù)期的調(diào)節(jié)規(guī)律將遭到破壞。為了克制這一缺點，可以采用積分別離的PID控制算法，這樣既保持了積分的作用，又減少了超調(diào)量，使控制性能有較大的改善。在本系統(tǒng)的實際控制中，微分作用的改善不是很明顯，因此，在軟件編制時可不加微分調(diào)節(jié)。一般

12、來說,從A/D轉(zhuǎn)化器中讀出數(shù)據(jù),可以有四種工作方式:中斷方式、查詢方式、定時方式和延時方式?？紤]到水溫是一個慢變的信號，可以每秒進展一次數(shù)據(jù)采樣，而MC14433的轉(zhuǎn)換速率為410HZ，且無控制啟停的信號，一旦上電就不斷地進展模數(shù)轉(zhuǎn)換。因此，本系統(tǒng)決定采用定時方式讀取數(shù)據(jù)，利用可編程定時/計數(shù)器8253來進展定時1秒，8253工作于方式0記數(shù)完畢中斷方式，當(dāng)寫入控制字，OUT輸出端立即變成低電平，當(dāng)計數(shù)值到達0時，才變成高電平，因此計數(shù)完畢時OUT信號的上跳變可作為中斷請求信號，通過8259向CPU申請中斷，在中斷子程序中用查詢方式去采集數(shù)據(jù)，于是實現(xiàn)一秒采集一次數(shù)據(jù)的功能。計數(shù)時鐘頻率3MH

13、Z/64，計數(shù)值為0B71BH，計數(shù)值與頻率的乘積為一秒。因此本實驗的軟件設(shè)計包括主程序與中斷子程序的編制。其中主程序主要完成顯示溫度值、打印控制曲線的功能，子程序完成讀取A/D轉(zhuǎn)換值、數(shù)字濾波、PID控制算法等功能。在程序編制時應(yīng)提供一個簡單的人機界面。2程序框圖 如圖11 主程序：開場初始化段存放器開中斷顯示提示字符:Press 1 to contune Press 2 to quit to DOS Press any other key return to main menu并等待輸入字符1 嗎 否2嗎 是 否 清屏 是退出到DOS提示輸入設(shè)定溫度TCLT輸入正確嗎 否取中斷向量,設(shè)置中

14、斷向量 是8155初始化,8253初始化在LED數(shù)碼管上顯示采樣到的溫度值DATA0F=1 否 是在CRT上顯示曲線上的一點有鍵盤輸入嗎 是 否恢復(fù)中斷向量圖 111 主程序 中斷效勞子程序:保護現(xiàn)場初始化數(shù)據(jù)段8253初始化，賦初值用查詢的方式讀入模數(shù)變換后的溫度值NUM=15.對15各采樣到的數(shù)進展數(shù)字濾波 F=1，NUM=0 PID算法滯后考慮恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回否是NUM=NUM+1圖 11 (2)特別注意,中斷子程序有自己的數(shù)據(jù)段,因此在中斷子程序中要重新初始化數(shù)據(jù)段的段存放器,否則會出現(xiàn)死機等莫名其妙的錯誤。其中PID算法的流程如下：EK=采樣值-設(shè)定值輸出00EK-1EKPID算法EKM0EK0 入口 是 否 是 否PD算法 返回圖 12 PID算法流程四、實驗步驟 1完成信號轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路局部的設(shè)計和連線，可計算出R3+R4的值，并通過調(diào)節(jié)R1與R2，使其滿足對應(yīng)的溫度電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系。2完成數(shù)據(jù)采集與顯示局部的連線本局部主要是利用PC微機總線接口實驗裝置上現(xiàn)有資源。CS1實驗平臺 CS2 CS-55 CS-53 CLK0 GATE0 OUT0 CS1接口實驗板 CS2 CS3 CS4 Q6 +5V IQ2 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA