外文文獻(xiàn)及翻譯--基于單片機(jī)的可編程溫度控制器

1、<p><b>　　中文3126字</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯</p><p>　　注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　基于單片機(jī)的可編程溫度控制器</p><p>　　摘要本文闡述了一種基于單片機(jī)的可編程溫度控制器，它采用的是電阻式溫度傳

2、感器（RTD）。該系統(tǒng)使用了一個(gè)電阻-時(shí)間轉(zhuǎn)換器來(lái)獲得隨傳感器電阻線性變化的時(shí)間間隔，使用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器和適當(dāng)?shù)能浖幊虂?lái)確定被控溫度并與目標(biāo)溫度相比較。利用PID算法的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果誤差來(lái)控制可控硅整流器的點(diǎn)火角，該可控硅整流器是用來(lái)控制加熱器電源的。本文最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果以驗(yàn)證此設(shè)計(jì)方案。</p><p><b>　　一、緒論</b></p><p

3、>　　物理或化學(xué)反應(yīng)對(duì)溫度是很敏感的，因此，在一些工業(yè)過(guò)程中對(duì)溫度的控制是十分重要的。使用數(shù)字計(jì)算機(jī)作為核心部件的溫度控制器，以其強(qiáng)大的計(jì)算處理能力，具有精度高、可編程性好和適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)使用的溫度傳感器以電壓或電流形式輸出時(shí)，需要在敏感元件和計(jì)算機(jī)之間接一個(gè)高精度A/D轉(zhuǎn)換器。但當(dāng)傳感器是以頻率或時(shí)間間隔格式輸出時(shí)，就不需要再接A/D轉(zhuǎn)換器了，因此接口電路也就變得簡(jiǎn)單了。穆罕默德等人也研制了一種此類(lèi)型的溫度控制器，其傳感器

4、是以頻率格式輸出的。但是他們的方案由于溫度范圍小而在應(yīng)用上受到了限制，因?yàn)樗麄儾捎玫膫鞲衅魇菬崦綦娮?。本論文闡述了一種使用RTD作為傳感器的基于單片機(jī)的溫度控制器。在該控制器中，溫度是以固定時(shí)間周期來(lái)獲取的，該方案具有硬件和接口電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。由于使用了RTD傳感器，該方案可以控制的溫度范圍為-180℃~600℃甚至更高。</p><p><b>　　二、工作原理</b></p>

5、<p>　　該控制器的硬件框圖如圖1所示，它利用一個(gè)電阻-時(shí)間轉(zhuǎn)換器來(lái)獲取時(shí)間周期，該時(shí)間周期是隨RTD傳感器的電阻線性變化的。通過(guò)一個(gè)觸發(fā)器，電阻-時(shí)間轉(zhuǎn)換器連接至8751單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器1。這個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作在模式1，提供一個(gè)與Rt成比例的16位的計(jì)數(shù)值Nt。通過(guò)Nt，就可以按指定的溫度范圍確定被控制的源溫度T(攝氏)，其二次關(guān)系式如下：</p><p>　　Nt=A+BT+CT2

6、 (1)</p><p>　　這里，A、B、C是可以由三個(gè)溫度點(diǎn)確定的合適常數(shù)，且必須使得在這些溫度點(diǎn)處得到的Nt值都滿足式(1)。為得到滿足式(1)的溫度T，我們采用了一種逐次逼近法。在這種方法中，先將假定作為T(mén)的16位二進(jìn)制數(shù)的最高位置1，并計(jì)算出式(1)的R.H.S。被置位的最高位將根據(jù)計(jì)算結(jié)果與Nt的比較而保持或清零，如此反復(fù)，設(shè)置下一個(gè)最高位為1，

7、進(jìn)而得出一連串比較結(jié)果，如同一個(gè)逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　通過(guò)一個(gè)鍵盤(pán)接口和單片機(jī)的一個(gè)端口，就可以輸入要設(shè)定的溫度值Ts并存儲(chǔ)在單片機(jī)的存儲(chǔ)器中。測(cè)得的溫度值T與Ts比較，然后通過(guò)PID控制算法得到一個(gè)16位的差值Ts-T。這是在每個(gè)電源電壓周期的零點(diǎn)處，從一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)值No中減去并加載到8751單片機(jī)定時(shí)器0的寄存器中的。然后，在定時(shí)/計(jì)數(shù)器中裝入計(jì)數(shù)值初始化后，直到計(jì)數(shù)值溢出產(chǎn)生中斷申請(qǐng)

8、，以在單片機(jī)的某一位端口上輸出一個(gè)立即脈沖。這個(gè)在“過(guò)零”一段時(shí)間延時(shí)（延時(shí)大小由PID控制器的輸出而定）后產(chǎn)生的脈沖，將會(huì)去點(diǎn)燃控制加熱絲電源的可控硅整流器。測(cè)量溫度將會(huì)根據(jù)進(jìn)程以一定速率更新，這是由控制器通過(guò)使用單片機(jī)寄存器計(jì)數(shù)主周期并在計(jì)數(shù)值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)采樣新值來(lái)完成的。</p><p>　　圖1 溫度控制器框圖</p><p><b>　　三、硬件和軟件</b>

9、;</p><p><b>　　A、硬件</b></p><p>　　該控制器硬件可以分為兩部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)存儲(chǔ)器、I/O端口和定時(shí)/計(jì)數(shù)器作為主要部件，其余是電阻-時(shí)間轉(zhuǎn)換器、電源控制電路和鍵盤(pán)顯示接口。如圖1所示，使用了兩個(gè)I/O端口，P2口用于接收鍵盤(pán)輸入的Ts，P1口用于動(dòng)態(tài)顯示T和Ts。另外還使用了P3口的3個(gè)I/O口，其中一個(gè)用于輸出點(diǎn)火脈沖到電源控制電路，另

10、外兩個(gè)用于讀取和清除觸發(fā)器FF1。</p><p>　　圖2 線性電阻-時(shí)間轉(zhuǎn)換器</p><p>　　構(gòu)成控制器的基本單元是電阻-時(shí)間轉(zhuǎn)換器[4]，如圖2所示。這個(gè)電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)張弛振蕩器，可視為是Mochizuki的電阻-頻率轉(zhuǎn)換器[5]的一個(gè)改進(jìn)。因?yàn)樗鼈兯褂玫幕倦娐肥窍嗤?，即包含傳感器的橋放大器、積分器和放大器是相同的。Mochizuki的電路給出了與檢測(cè)電阻成比例的頻率輸

11、出，而圖2的電路卻使用了與傳感器電阻成線性關(guān)系的時(shí)間周期作為替代。設(shè)V1和-V2是圖2中兩種狀態(tài)的輸出值，則它的振蕩周期可由下式確定：</p><p><b>　　，(2)</b></p><p>　　這里μ=(V2/V1)，其大小可在電阻-時(shí)間轉(zhuǎn)換器中合適選擇以提供控制器所需的靈敏度和分辨率。圖3所示的電路是過(guò)零比較器，用來(lái)在電源電壓為0時(shí)觸發(fā)外部中斷0。控制器的電

12、源控制電路如圖4所示，該電路包含了兩個(gè)緩沖器（74LS245）和一個(gè)光耦合器（MCT2E），以使單片機(jī)和電源控制電路隔離。此級(jí)電路的輸出脈沖被用于包含一個(gè)晶體管TIP122和一個(gè)脈沖變壓器的驅(qū)動(dòng)電路，以產(chǎn)生可控硅整流器所需的點(diǎn)火脈沖。</p><p><b>　　圖3 過(guò)零比較器</b></p><p><b>　　圖4 電源控制電路</b>&l

13、t;/p><p><b>　　圖5 程序流程圖</b></p><p>　　(a)主程序 (b) 外部中斷1子程序 (c)外部中斷0子程序 (d)定時(shí)器0中斷子程序</p><p><b>　　B、軟件</b></p><p>　　主程序和中斷服務(wù)子程序框圖如圖5所示。主程序開(kāi)始是定時(shí)/計(jì)數(shù)器和各

14、個(gè)寄存器的初始化。單片機(jī)讀取觸發(fā)器FF1的輸出電平，如果是高電平，則程序掃描鍵盤(pán)輸入目標(biāo)溫度Ts。之后，單片機(jī)檢測(cè)寄存器的值（N），一旦發(fā)現(xiàn)寄存器的值與設(shè)定值相同，程序便開(kāi)始新采樣Nt，從中計(jì)算出T的值，并執(zhí)行PID算法，最后重新裝入定時(shí)器T0的值。緊接著，生成掃描信號(hào)以動(dòng)態(tài)顯示T和Ts。完了之后，程序又回到開(kāi)頭讀取FF1的電平狀態(tài)了。</p><p>　　單片機(jī)使用了兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器和三個(gè)中斷。兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器

15、都是工作在模式1，定時(shí)/計(jì)數(shù)器1是用來(lái)獲取計(jì)數(shù)值Nt的。使用定時(shí)器T0中斷和外部中斷0來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火角度的控制。兩個(gè)外部中斷都是脈沖觸發(fā)，過(guò)零比較器和FF2的輸出分別用作INT0和INT1的觸發(fā)脈沖。在定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)FF2的輸出同時(shí)被用作閘門(mén)脈沖。這樣，在閘門(mén)脈沖的最后，寄存器TH1和TL1中就保存了Nt的值。為了實(shí)現(xiàn)這種目的，門(mén)控位GAGE和定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的啟動(dòng)位TR1必須保持高電平狀態(tài)。外部中斷1發(fā)生在閘門(mén)脈沖的下降沿，之后便進(jìn)入

16、中斷服務(wù)子程序，如圖5(b)所示。首先將TH1和TL1里的內(nèi)容轉(zhuǎn)至存儲(chǔ)器，然后將這兩個(gè)寄存器清0，以使在每個(gè)閘門(mén)脈沖開(kāi)始時(shí)計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)過(guò)零比較器的輸出從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，就觸發(fā)了外部中斷0。該中斷服務(wù)子程序的流程圖如圖5(c)所示。圖5(d)所示的是外部中斷0之后定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的中斷發(fā)生時(shí)的程序流程圖。這兩個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)應(yīng)通過(guò)軟件設(shè)置為比外部中斷1的優(yōu)先級(jí)高，以避免后來(lái)的中斷對(duì)點(diǎn)火角的控制產(chǎn)生影響。</p>&

17、lt;p><b>　　四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>　　為測(cè)試該方案的適用性，使用了8751單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)控制器，溫度控制范圍為40℃~340℃，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為12MHz。未擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部128字節(jié)的RAM和4KB的EPROM空間對(duì)于控制器的存儲(chǔ)要求來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。溫度范圍被分成四部分，每一部分包含的溫度區(qū)間都是75K，常數(shù)A、B、C存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中

18、用來(lái)管理合適的實(shí)驗(yàn)。如圖1所示，控制器被用來(lái)控制銅制金屬塊的溫度。圖2所示的是電阻-時(shí)間轉(zhuǎn)換器，其中OA1和OA2使用的是LF356，OA3使用的是LF411。Rt使用的是Pt-1000 RTD。D1、D2使用的是4.8V齊納二極管。其余有關(guān)參數(shù)為R1=R2=4.7kΩ，R3=560Ω，R5=820Ω，C=0.47μF。電阻R的值可適當(dāng)調(diào)節(jié)，從而使轉(zhuǎn)換精度達(dá)到約30μs/Ω。對(duì)于觸發(fā)器FF1和FF2，使用的是7474。鍵盤(pán)、顯示和電阻-

19、時(shí)間轉(zhuǎn)換器所使用的單片機(jī)端口如圖1所示。N的大小選為25以保證采樣一個(gè)T的時(shí)間約為0.5s。由于這個(gè)采樣周期遠(yuǎn)小于金屬塊的熱時(shí)間常數(shù)，PID參數(shù)（Kp、KI、KD）的設(shè)置是由將離散響應(yīng)近似作為連續(xù)響應(yīng)并采取基于開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)的常規(guī)過(guò)程反應(yīng)</p><p><b>　　五、結(jié)論</b></p><p>　　本文論述了一種使用RTD作為傳感元件的溫度控制技術(shù)。雖然控制器實(shí)驗(yàn)