畢業(yè)論文--溫度控制系統(tǒng)的研究與設計

1、<p>　　溫度控制系統(tǒng)的研究與設計</p><p>　　摘要：設計一個利用8086PC機實現(xiàn)多臺電阻爐溫度的自動巡回檢測控制系統(tǒng)．該系統(tǒng)以8086 為基礎，以并行 I/O接口8255A為核心，并配以適當?shù)耐鈬涌陔娐?，實現(xiàn)對電阻爐溫度自動檢測與控制.設計了一種過零檢測電路，利用硬件方法實現(xiàn)普通雙向可控硅的同步過零觸發(fā)從而實現(xiàn)功率可調(diào)．該控制系統(tǒng)具有電路簡單、功能強、使用方便、測量控制精度高、工作穩(wěn)定可

2、靠、性價比高等優(yōu)點．控制采用PID數(shù)字增量型控制算法，并選取合理最優(yōu)的參數(shù)設置。系統(tǒng)控制程序則采用了模塊化設計結構，主要包括主程序、中斷服務子程序、控制算法子程序等。</p><p>　　Abstract: In this article，a new temperature control system of resistance furnace is designed ,which realizes circu

3、it check ,monitor and control of temperature of the multiple resistance furnaces. It is based on parallel interface 8255A chap and 8086 chap and combined with suitable peripheral circuit. This control system realizes zer

4、o - crossing detecting circuit and synchronous zero - crossing trigger of an ordinary bi - directional SCRof which the power output is adjustable. This system can mea</p><p>　　關鍵詞：PID算法；自動控制；溫度控制; 熱電偶測溫; 模塊化

5、設計</p><p>　　key words：Algorithm of PID ;Auto control ;Temperature control; Thermocouple temperature measurement;Module program design</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　在鋼鐵、機械

6、、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一;溫度控制一般指對某一特定空間的溫度進行控制調(diào)節(jié)，使其達到并滿足工藝過程的要求。</p><p>　　電阻爐溫度控制系統(tǒng)，無論是啟動或設定值升降，還是各種擾動影響，我們既希望時間上的快速性，也希望較平穩(wěn)動態(tài)過程和精確的穩(wěn)態(tài)值。由于電阻爐的升溫保溫是靠電阻絲加熱，降溫則是靠環(huán)境自然冷卻，所以當溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段來使其降溫。這類電

7、阻爐控制系統(tǒng)具有非線性，時滯以及不確定性。</p><p>　　單純的依靠傳統(tǒng)的控制方式或現(xiàn)代控制方式都很難達到高質(zhì)量的控制效果。</p><p>　　隨著微電子技術和微型計算機的迅猛發(fā)展，微機測量和控制技術以其邏輯簡單、控制靈活、使用方便及性能價格比高的優(yōu)點得到了迅猛發(fā)展和廣泛應用。它不僅在航空、航天、鐵路交通、冶金，電力、電訊、石油化工等領域獲得了廣泛應用，而且其技術在日常生活小諸如電

8、梯、微波爐、電冰箱、電視機、智能照相機、電動玩具、全/半自動洗衣機、智能空調(diào)、攜帶式心臟監(jiān)護機等高科技產(chǎn)品中也具有廣闊的使用前景，尤其是許多智能儀表和測控系統(tǒng)中引入電腦控制技術后，使傳統(tǒng)儀器、儀表設備發(fā)生了根本變化，為工業(yè)生產(chǎn)的自動化、智能化奠定了堅實的技術基礎。</p><p>　　溫度自動控制系統(tǒng)是計算機控制的一個最基本課題，因為溫度是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中是極為普遍且又極為重要的熱工參數(shù)之一。為了保證生產(chǎn)過

9、程安全地進行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，節(jié)約能源，對各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動或爐內(nèi)物體而變化:或者要求有的電爐爐溫根據(jù)工藝條件，按照某個指定的升溫或保溫規(guī)律而變化，等等。因此，對溫度不僅要不斷地測量，而且要進行實時控制。加熱爐作為一種應用特別廣泛的熱工設備之一。盡管它所用的加熱方法不同，例如煤、煤氣、天然氣、油、電等，或工藝要求不同，溫度有高低、精度也有差異，但作為被控參數(shù)之一的溫度總是可用不同的測溫元件和不同的

10、方法來獲得，并通過微型計算機加以處理和控制，并按一定溫度曲線工作，以滿足生產(chǎn)需要。 </p><p>　　一 溫度控制系統(tǒng)的基本介紹 </p><p>　　1.1溫度控制系統(tǒng)發(fā)展概況</p><p>　　溫度控制電路廣泛應用于社會生活的各個領域．如家電、汽車、材料、電力電子等，常用的控制電路根據(jù)應用場合和所要求的性能指標有所不同，傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡單實用，但

11、由于繼電器動作頻繁，可能會因觸點不良而影響正常工作．也有提出改進的電路，采用主回路無觸點控制，克服繼電器接觸不良的缺點，且維修方便，缺點是溫度控制范圍小，精度不高．下面簡單介紹一下最近幾年溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展情況。</p><p>　　PID溫控：由于目前，工業(yè)中的溫度控制對象，往往具有非線性、大時滯、時變、強耦合等特點，采用常規(guī)PID控制效果不理想，不能滿足系統(tǒng)在不同條件下對參數(shù)自整定的要求，從而影響其控制效果進

12、一步提高．模糊控制是一種語言控制，不依賴于精確的數(shù)學模型，對參數(shù)變化不敏感，具有很好的魯棒性。由于模糊控制易受模糊規(guī)則有限等級的限制而引起誤差．因此, 我們將模糊控制與常規(guī)PID控制相結合, 使預測控制符合工業(yè)過程的實際要求。設計基于預測的模糊自整定PID溫度控制系統(tǒng)的主要思想是在常規(guī)PID調(diào)節(jié)基礎上, 采用模糊推理思想, 對算法控制器進行改進, 根據(jù)不同的E和EC實現(xiàn)PID參數(shù)自整定的溫度調(diào)節(jié)器; 并且在此基礎上, 還增加了對非線性、

13、時變性、有滯后性的復雜溫控對象的預測控制技術的研究, 大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1.2節(jié)將重點介紹PID算法。</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡控制：人工神經(jīng)網(wǎng)絡是當前主要的、也是重要的一種人工智能技術，是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細胞結構及對信息的記憶和處理而構成的信息處理方法。它用大量簡單的處理單元廣泛連接形成各種復雜網(wǎng)絡，拓撲結構算法各異，其中誤差反向傳播算法．即BP算法．應用最為廣泛．溫度控制系統(tǒng)由

14、于負載的變化以及外界干擾因素復雜，而 PID 控制只能對電參數(shù)的影響做精確的計算，對于外界環(huán)境的變化只能做近似的估算，影響控制精度．人工神經(jīng)網(wǎng)絡以其高度的非線映射，自組織，自學習和聯(lián)想記憶等功能，可對復雜的非線性系統(tǒng)建模．該方法響應速度快，抗干擾能力強，算法簡單，且易于用硬件和軟件實現(xiàn)．</p><p>　　模糊控制：模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個過程的控制算法，主要憑嵌入式操作人員的經(jīng)驗和直覺知識．它適用于控

15、制不易取得精確數(shù)學模型和數(shù)學模型不確定或經(jīng)常變化的對象．員的經(jīng)驗和直觀判斷，非常容易應用．模糊溫控的實現(xiàn):：1 將溫控對象的偏差和偏差變化率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，例如，如果溫度太高或者溫度正在上升，就減少控制輸入，或風冷．將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句，形成模糊模型．2 根據(jù)控制查詢表，形成模糊算法．3 對溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過數(shù)學處理輸入計算機中，計算機根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應的控制量，變成精

16、確量去驅(qū)動執(zhí)行機構，調(diào)整輸入，達到調(diào)節(jié)溫度，使之穩(wěn)定的目的．同傳統(tǒng)的PID 控制比較，模糊控制響應快，超調(diào)量小，參數(shù)變化不敏感．</p><p>　　1.2 PID算法的基本理論</p><p>　　根據(jù)偏差的比例(P)，積分((I)，微分(D)進行控制，簡稱PID控制，是控制系統(tǒng)中應用最廣泛的一種控制規(guī)律．PID(比例一積分一微分)控制器對于過程控制是一種比較理想的控制器．在工業(yè)控制應用

17、中，特別是在過程控制領域當中，被控參數(shù)主要是溫度、壓力、流量、物位等，盡管各種高級控制(如自適應控制、預測控制、模糊控制等)不斷完善，但是，在過去的50多年中，對PID控制器的設計和應用己經(jīng)擁有了許多的經(jīng)驗，而且，在SISO控制系統(tǒng)中，用的絕大部分控制器都是PID控制器(80%以上)。有許多通用的PID控制器產(chǎn)品，對于不同的被控對象，只要適當?shù)卣{(diào)整PID參數(shù)，就可以使控制系統(tǒng)達到所要求的性能指標。PID控制器獲得成功的一個重要原因，就是

18、在工業(yè)過程控制中，PID控制器的動作行為與人對外界刺激的自然反應非常相似。也就是說，PID控制器結合了人的自發(fā)性動作(比例動作)、以往的經(jīng)驗(積分動作)、根據(jù)趨勢所做的對未來的推測(微分動作)的效果。</p><p>　　PID控制的特點是：原理和結構簡單，操作可靠，使用方便;適應性強，可以用于各種工業(yè)的過程控制，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，消除穩(wěn)態(tài)誤差;大大增強控制系統(tǒng)的抗干擾能力，大大提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID控制

19、所起的作用，不是P，I，D三種作用的簡單疊加，而是三種作用的相互促進。另外，如果純延遲時間大于時間常數(shù)，系統(tǒng)的相關階數(shù)超過二階，那么PID控制器可能不是最好的選擇，這時應該采用更高級的控制器。</p><p>　　對于一個給定的控制系統(tǒng)，要實現(xiàn)預定的控制過程，必須通過選擇合適的P，I，D控制參數(shù)來實現(xiàn)。整定控制器的參數(shù)，是提高控制質(zhì)量的主要途徑。當控制器參數(shù)整定好并且投運系統(tǒng)以后，被調(diào)參數(shù)可以穩(wěn)定在工藝要求的范圍

20、之內(nèi)，就可以認為控制器的參數(shù)整定好了。</p><p>　　選擇合適的P，I，D控制參數(shù)可以采用兩種方法：理論計算整定法與通過在線實驗的工程整定法。因為工程整定法簡單實用，計算簡便，容易掌握，可以解決一般的實際問題，所以一般采用工程整定法。目前，常用的工程整定法有Ziegler-Nichols整定法，Cohen-Coon整定法等。</p><p>　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，常采用的PID數(shù)字控

21、制規(guī)律為:</p><p>　　式中，e(t)為偏差，e(t)=r(t)-y(t)，即:偏差二給定值一測量值</p><p>　　Kp為比例增益，Kp與比例成倒數(shù)關系，即Kp=1 / ;</p><p>　　Ti為時間積分常數(shù);Td為微分時間常數(shù);</p><p>　　u(t)為控制量，即調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓信號。</p>&l

22、t;p>　　對應的模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為:</p><p>　　式中，U(s)和E(s)分別為u和e的拉氏變換。</p><p>　　比例控制能夠迅速反映誤差，從而減少誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，Kp的加大會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定;積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制就不斷地積累輸出控制量，以消除誤差，因此，只要有足夠的時間，積分控制將完全消除誤差;微分控制可以減少超

23、調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減少調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。</p><p>　　為了便于計算機實現(xiàn)，把控制規(guī)律變換成差分方程:</p><p><b>　　(積分用求和代替)</b></p><p><b>　　(微分用差分代替)</b></p><p>

24、　　其中，T為采樣周期，k為采樣序號。</p><p>　　數(shù)字PID控制算式為:</p><p>　　位置型控制算法不夠方便，要積累偏差，不便于編寫程序，為此，對上式進</p><p><b>　　行改進:</b></p><p>　　兩式相減，得到PID增量型控制算式</p><p>　　u(

25、k)= u(k)一u(k-1)</p><p>　　=Kp [e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]</p><p><b>　　稱為比例增益;</b></p><p><b>　　稱為積分系數(shù)</b></p><p><b>　　稱為微分

26、系數(shù)。</b></p><p>　　為了便于編程，將其整理為:</p><p>　　其中 </p><p>　　二 溫度控制系統(tǒng)的總體方案設計</p><p>　　2.1系統(tǒng)的總體說明</p><p>　　本溫度控制系統(tǒng)主要由顯示電路，主控制電路，報警點路，接口轉(zhuǎn)換電路，溫度傳感電路等組成。

27、</p><p>　　主控制電路由微處理器及其外圍電路組成，是溫度控制系統(tǒng)的核心部分。主處理器采用Intel公司的8086微處理器，處理器及其外圍電路共同完成整個系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)傳輸和處理。處理器對信號調(diào)理電路采集進來的模擬量進行A/D轉(zhuǎn)換得到實時溫度數(shù)據(jù)，由控制算法得到的數(shù)字控制量通過信號輸出電路轉(zhuǎn)換后對溫度進行控制;處理器將要保存的歷史數(shù)據(jù)存入存儲器。</p><p>　　2. 2 硬

28、件系統(tǒng)的設計原則</p><p>　　硬件系統(tǒng)設計的原則：</p><p>　　(1) 穩(wěn)定性和可靠性：模擬量輸入級的性能直接影響整個系統(tǒng)的技術指標，必須從一開始就要考慮應用現(xiàn)場的環(huán)境情況，采取抗干擾措施，注意元器件的老化和篩選并選擇恰當?shù)挠布?shù)，防止串擾及誤差的積累與擴展。整個設計充分考慮簡化硬件電路(部分硬件軟化)，使用集成度高的元器件，提高器件組裝密度，以增加系統(tǒng)抗干擾性能，達到高

29、的穩(wěn)定性和可靠性。</p><p>　　(2) 速度與精度：根據(jù)所給的整機誤差限值，按一定的規(guī)則預分配各個部件模塊所允許的誤差。系統(tǒng)設計過程中根據(jù)分配的允許誤差選定電路結構、元器件性能。</p><p>　　(3) 功耗與大容量數(shù)據(jù)存儲:功耗是硬件設計時必須考慮的問題。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)的整體結構</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)

30、設計的要求，可以畫出系統(tǒng)的整體框圖如圖1.1：</p><p>　　圖 1.1系統(tǒng)構成示意圖</p><p>　　由微機控制的多臺電阻爐溫度控制系統(tǒng)構成如上圖所示，圖中由檢測轉(zhuǎn)換裝置，多路模擬開關 CD4051，A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574A 及 8255A 構成輸入通道，用于采集多個電阻爐的溫度信號．其中檢測轉(zhuǎn)換裝置由熱電偶與 AD595 熱電偶放大器構成．輸出通道由D/A轉(zhuǎn)換器DAC08

31、32，多路分配器CD4051，光電耦合器以及雙向可控硅控制電路構成．系統(tǒng)的工作過程即：溫度信號經(jīng)過熱電偶轉(zhuǎn)換成毫伏數(shù)量級的電壓信號，經(jīng)過 AD595A 將熱電偶信號 （毫伏電壓信號） 放大為 0 - 5V 標準電壓信號．以供A/D轉(zhuǎn)換用．A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過8255A送入微處理器，與爐溫的給定值數(shù)字化量進行比較．爐溫的設定值由鍵盤輸入后．按照一定的規(guī)律，本系統(tǒng)中用到的是 PID 控制規(guī)律運算，輸出控制量，由 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬

32、信號，經(jīng)過多路分配器 CD4051，并由 8255A 輸出一個控制信號，與雙向可控硅控制電路配合來控制每臺電阻爐的爐溫．</p><p><b>　　三 系統(tǒng)硬件設計</b></p><p><b>　　3.1主要芯片介紹</b></p><p>　?。?）8086微處理器芯片</p><p>　　

33、8086微處理器是Intel公司的全16位微處理器。它由兩個處理器組成，一個是上半部分的總線接口部件BIU，一個是下半部分的執(zhí)行部件EU。二者各受獨立的控制，有相同的時鐘但工作時并不同步。BIU的組成包括形成地址的段寄存器及加法器、程序計數(shù)器PC、實現(xiàn)BIU與EU通信的地址寄存器JND及數(shù)據(jù)寄存器OPR、指令隊列Q及其控制、BIU的定時(周期判決及狀態(tài)控制)以及系統(tǒng)控制信號(即外部接口電路)。</p><p>　

34、　BIU的功能是管理所有外部周期，包括取指令、讀取數(shù)據(jù)以及寫數(shù)據(jù)。為此，它就要操作程序計數(shù)器PC及段寄存器，把適當?shù)亩渭拇嫫髯笠?位后加到EU計算出來并給出的16位基本地址上，從而形成20位的物理地址。此外，對于6字節(jié)的指令隊列Q只要有兩個以上的空位，它便自動取指并將其填滿。</p><p>　　EU由邏輯控制部分、微程序控制器、中斷電路、運算器及主寄存器組幾大部分組成。 EU的功能是執(zhí)行所有指令、復位及中

35、斷序列，包括譯碼及操作。此外，它還為BIU準備1G位的基本地址，對主寄存器組及標志寄存器PSW進行操作與控制。</p><p>　　BIU與EU通過ALU總線、S總線、D總線及Q總線進行通信。其中通過ALU,S, D總線傳送16位的基本地址或數(shù)據(jù)，通過Q總線將指令隊列Q中的指令送入EU進行譯碼并執(zhí)行。</p><p>　　8086的指令系統(tǒng)在原有8080/8085的基礎上作了很大的改進與擴

36、充。它既保持了兼容性，又為了方便于高級語言的編譯，注意了指令的對稱性，由面向累加器型的機器轉(zhuǎn)</p><p>　　為面向寄存器的機器。OV06的指令系統(tǒng)增加了一些功能很強的指令，包括乘、除法、字符串操作及協(xié)調(diào)多機系統(tǒng)的指令等。</p><p>　　8086的EU要實現(xiàn)整個指令系統(tǒng)的譯碼、控制及執(zhí)行。為了既便于采用CAD技</p><p>　　術、又要盡量壓縮空間及提

37、高速度，而采用了微程序一一隨機邏輯聯(lián)合控制但以微程序控制為主的方案。</p><p>　　（2）A/D轉(zhuǎn)換器介紹</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器有計算比較型，逐次逼近性，雙積分型等多種形式。因逐次逼近法變換速度比較快，所以在集成化的A/D器件中普遍采用這種類型AD574A是 12 位逐次逼近型快速 A/D 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度最大是 35μs，轉(zhuǎn)換精度 ≤0. 05 %。AD574A片內(nèi)配有

38、三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的8 位或16 位的微處理器連接，而無須附加邏輯接口電路，且能與 CMOS及 TTL 電平兼容。由于AD574A片內(nèi)包含高精度的參考電壓源和時鐘電路，這使它在不需要任何外部電路和時鐘信號的情況下完成一切 A/D 轉(zhuǎn)換功能，應用非常方便。</p><p>　?。?）CD4051芯片</p><p>　　CD4051是單八路模擬開關。CD4051引腳功能見

39、表1.1。CD4051相當于一個單刀八擲開關，開關接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來決定。其真值表見表1?！癐NH”是禁止端，當“INH”=1時，各通道均不接通。此外，CD4051還設有另外一個電源端VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關，并使這種多路開關可傳輸峰－峰值達15V的交流信號。例如，若模擬開關的供電電源VDD=＋5V，VSS=0V，當VEE

40、=－5V時，只要對此模擬開關施加0～5V的數(shù)字控制信號，就可控制幅度范圍為－5V～＋5V的模擬信號。</p><p><b>　　表1.1</b></p><p>　　3.2 溫度控制系統(tǒng)的輸入通道</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)的輸入通道由以下幾個部分構成:檢測轉(zhuǎn)換裝置、多路模擬開關 CD4051、A/D 轉(zhuǎn)換器AD574A、并行 I/O

41、接口 8255A 組成. 構成框圖如圖１.２所示.</p><p>　　圖1.2輸入通道示意圖</p><p>　　其中檢測轉(zhuǎn)換裝置由 8 個熱電偶以及8 片熱電偶放大器 AD595 組成，選擇 K型熱電偶即鎳絡，鎳硅作為測溫傳感器，它線性度較好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復現(xiàn)較好.AD595 熱電偶放大器是一種將線性化和基準點補償問題集中在一個芯片上解決的具有對應熱電偶電勢輸出的專

42、用放大器.AD595 具有熱電偶信號放大和冰點補償雙重功能。8 路溫度信號經(jīng) 8個熱電偶轉(zhuǎn)換為毫伏信號 ,分別由 8 片 AD595 的第1 ,14 腳引入 ,經(jīng)過AD595 放大為0 - 5V的電壓信號 ,再由AD595 的第8 ,9 腳相連輸出 ,直接接入多路模擬開關 CD4051的 X0 - X7 口.由 8255A 的控制 CD4051的選通地址 ,即由 8255A 的控制口 C口的 PC0、PC1、PC2 分別接CD4051的

43、A、B、C三個口 ,PC6 接 CD4051 的 INH端.經(jīng)過多路模擬開關后選通一路模擬信號由AΠD轉(zhuǎn)換器AD574A的13腳即10V IN端接入 ,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由并行 I/O 接口 8255A 的 8 位輸入端口 ,經(jīng)由總線收發(fā)器8286 引入8086CPU.芯片連接見</p><p>　　圖1.3 輸入通道連接圖</p><p>　　由于本系統(tǒng)既要顯示、報警，又要進行控制

44、，其任務比較多，因此，光靠主機原來的接口是不夠的，故采用 8255A 擴展 PC 機控制功能。IN2TEL8255A 是一種通用的可編程并行 IΠO 接口芯片，是專為 INTEL 公司微處理器設計的。它具有可用程序來實現(xiàn)多種功能、通用性強、使用靈活的特點。本設計利用8255A 可編程的特點，作為微處理器與電阻爐的中間橋梁，擴展PC機控制功能。以8臺電阻爐為例，8255A負責8路信號的輸入控制，分時接入8 路溫度信號，送入 PC機處理。根

45、據(jù)爐溫的實際值與給定值間偏差 PC機運算結果，由8255A輸出一個控制信號，與可控硅控制電路配合來控制每臺電阻爐的爐溫。8255A 總線緩沖器D0 - D7 與 CPU 的數(shù)據(jù)總線 DB0 - DB7 通過地址鎖存器8282 相連，8255A 的RD、WR與 CPU 的RD、WR直接相連，復位信號 RESET直接接在 CPU 的復位號 RESET 上。由 8255A 的接線方式可知，A口對應的端口地址為：F1H，B 口對應的端口地址為：

46、F3H，C 口對應的端口地址為：F5H，控制端口對應的地址為：F7H。8255有三</p><p>　　3.3溫度控制系統(tǒng)的輸出通道</p><p>　　輸出通道是計算機的數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)，它們的任務是把計算機的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量.這溫度控制系統(tǒng)中的輸出通道由以下幾個部分構成：D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832、多路分配器CD4051、光電耦合器、雙向可控硅控制電路。構成框圖如圖1.4所示：</

47、p><p>　　圖 1.4 輸出通道示意圖</p><p>　　由8086CPU 計算得到的控制信號為數(shù)字量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832轉(zhuǎn)換后得到模擬量（電流信號），由DAC0832的第11、12 腳轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，接入多路分配器 CD4051，由并行接口8255A的C口選定輸出到 X0 - X7中的一路.并經(jīng)過光電耦合器的隔離，與過零脈沖觸發(fā)器MC14528一起觸發(fā)雙向可控硅導通，到

48、達控制爐溫的目的。</p><p>　　本系統(tǒng)中溫度控制電路采用可控硅調(diào)控方式，雙向可控硅與 50Hz 交流電源和電阻爐串聯(lián)?？刂齐娐凡捎昧穗p向可控硅，使溫度控制在無觸點情況下進行，電爐的輸入功率不受通斷頻率限制，因而易于實現(xiàn)電阻加熱爐的輸入功率的連續(xù)調(diào)節(jié)和爐溫的連續(xù)控制，提高了控制質(zhì)量.</p><p>　　雙向可控硅要實現(xiàn)功率控制，關鍵有兩點：過零信號的檢測和同步觸發(fā)；正比于輸出信號的

49、輸入信號的控制。輸入信號通過光電耦合器件與同步過零信號一起控制雙向可控硅的導通與截止，從而起到控制較大功率負載的作用。利用光電隔離實現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離.故本溫度控制系統(tǒng)的控制電路主要由光電耦合器、過零觸發(fā)電路、雙向可控硅組成。由多路分配器CD4051出來的控制信號與過零觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖信號同時有效(通過與門來實現(xiàn))，來控制雙向可控硅的導通時間來控制爐溫.通過光電耦合器來隔離加熱系統(tǒng)和微機系統(tǒng)。</p><p&g

50、t;　　以往通過控制雙向可控硅導通角來改變流過可控硅的電流，從而改變輸出功率；但這樣得到的電壓波形并非正弦波，對電網(wǎng)會形成較大的危害。本設計采用向可控硅過零觸發(fā)技術，如圖1.5所示。CD4051輸出0觸發(fā)信號，經(jīng)反向器74LS00驅(qū)動(光電偶合器TLP521-1起控制門和強、弱電隔離作用)，再經(jīng)功率放大后加到雙向可控硅的控制端上。由于加熱元件(電阻絲)在冷態(tài)時電阻很小，啟動電流大，故本電路比采用固態(tài)繼電器更便于系統(tǒng)啟動，經(jīng)濟性也十分明顯

51、。</p><p>　　圖1.5 過零觸發(fā)電路</p><p>　　四、系統(tǒng)的軟件設計 </p><p>　　4.1軟件的總體設計</p><p>　　控制系統(tǒng)對軟件的要求：1 實時性。由于工業(yè)控制是實時控制系統(tǒng)，所以對軟件的要求是具有實時性，即能夠在對象允許的時間間隔內(nèi)對系統(tǒng)進行控制，計算和處理。特別是對于多回路系統(tǒng)的實時性更應引起高度注意

52、。為了提高系統(tǒng)的實時性，往往采取中斷的方式。2 針對性。程序的一個最大的特點是具有較強的針對性。即每個程序都是根據(jù)一個具體系統(tǒng)的要求來設計。本溫度控制程序就是針對溫度測量計算控制的程序。3 靈活性和通用性。一個好的程序不僅要針對性強，而且又有一定的靈活性和通用性。即能夠適應不同系統(tǒng)要求。為此，本系統(tǒng)采用模塊化的結構，盡量把共同的程序編寫成具有不同功能的子程序，如算術及邏輯運算程序，A/D、D/A轉(zhuǎn)換程序，延時程序，PID算法程序等等。&

53、lt;/p><p>　　程序的設計方法。對于簡單的程序，我們應用直接設計法便可以一目了然，但對于復雜的，大型程序，設計起來就不那么簡單，應當采用一定的方法和結構，以便問題簡單化。在微型機控制系統(tǒng)中，大體上可以分為數(shù)據(jù)處理和過程控制兩大基本類型。數(shù)據(jù)處理主要包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標度變幻以及數(shù)值計算等。過程控制程序主要是使微型機按照一定的方法（如PID直接數(shù)字控制）進行計算，然后輸出，以便控制生產(chǎn)。為了完成上述任

54、務，在進行軟件設計時，通常把整個程序分成若干部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是能完成一定功能，相對獨立的程序段。本溫度控制系統(tǒng)就采用這樣的模塊設計方法。</p><p>　　4.2 程序控制原理 </p><p>　　控制系統(tǒng)的軟件主要包括采樣，計算偏差，PID算法，控制計算，控制輸出，計時，顯示，報警，調(diào)節(jié)參數(shù)修改，溫度給定曲線的設定和修改等功能。系統(tǒng)軟件的設計采用模塊

55、化技術。</p><p>　　通常，電阻爐爐溫控制采用偏差控制法，即PID控制。其原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值e(t)=r(t)-y(t)，然后對偏差值處理而獲得控制信號去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，以實現(xiàn)對爐溫的控制。該電阻爐溫控系統(tǒng)用計算機軟件實現(xiàn)PID控制算法，如圖1.6所示：</p><p>　　圖 1.6 控制系統(tǒng)結構圖</p><p>　　:這樣進一

56、步利用計算機的邏輯功能，使PID控制更加靈活多樣，通過實驗，計算分析等來確定出系統(tǒng)中被控對象的數(shù)學模型，即脈沖傳遞函數(shù)G (S)，同時還要設計出數(shù)字PID控制器D (Z)，并對其參數(shù)進行妨真，優(yōu)化和整定。</p><p>　　4.3 主程序模塊設計</p><p>　　本系統(tǒng)采用雙重中斷的方法，即首先由 8086定時10 秒鐘產(chǎn)生一重中斷，在此中斷服務程序中用來啟動 A/D 轉(zhuǎn)換、采樣、數(shù)

57、字濾波、標度變換、數(shù)字控制計算、輸出及數(shù)據(jù)顯示。在此中斷服務程序中，又有一重中斷，即 A/D 轉(zhuǎn)換結束所引起的中斷，此中斷服務程序主要是用來進行采樣，然后又返回到中斷服務程序，因此，叫做雙重中斷，其目的是節(jié)省轉(zhuǎn)換所需要的時間，以提高微型機的效率，特別是當控制回路比較多時，這種方法更為有效。</p><p>　　主程序是本系統(tǒng)的監(jiān)控程序，用戶可以通過監(jiān)控程序檢控系統(tǒng)的工作。首先對系統(tǒng)進行初始化，并設置有關標志。然后

58、，系統(tǒng)自檢，開中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。其相應的框圖如圖1.7所示：</p><p>　　圖1.7 主程序流程圖</p><p>　　4.4 中斷服務程序模塊</p><p>　　溫度的變化由熱電偶和運算放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號作為輸入通道的輸入信號。當CPU發(fā)出采樣和轉(zhuǎn)換信號后，A/D轉(zhuǎn)換器就把電壓信號轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字量，并向CPU發(fā)出中斷請求，采用數(shù)字中值濾波

59、，當輸入三個溫度數(shù)據(jù)后，便由CPU處理并進行有效性的檢驗，檢查是否越限，若情況正常由BCD碼轉(zhuǎn)換子程序在顯示器上顯示出溫度值。同時CPU檢查是否由上下限越限，根據(jù)給定值和實測值的偏差進行PID調(diào)節(jié)，由模擬量輸出通道把數(shù)字量的控制信號轉(zhuǎn)換成電壓控制信號，經(jīng)可控硅觸發(fā)電路和加熱裝置，控制加熱功率，使溫度控制在所要求的范圍之內(nèi)實現(xiàn)閉環(huán)控制。其流程圖如下:</p><p>　　圖1.8 中斷服務程序流程圖</p&g

60、t;<p>　　4.5 控制算法程序模塊</p><p>　　采用增量PID算法時</p><p>　　u(k)= u(k)一u(k-1)</p><p>　　=Kp [e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器12位，最高位為符號位，D/A轉(zhuǎn)換器為

61、12位，程序采用雙字節(jié)</p><p>　　PID算法流程圖如下:</p><p>　　圖1.9 PID算法流程圖</p><p><b>　　四 總結</b></p><p>　　本文系統(tǒng)原理并不高深，但具體做起來，還是有一些預想不到的問題。譬如在硬件設計方面，由于電阻爐的大小體積不一樣，所選用的硬件性能指標就有一定的