电子电路]基于单片机温度控制系统设计-----输出通道设计

电子电路]基于单片机温度控制系统设计-----输出通道设计内容摘要：

式下触发脉冲的触发时刻与电压波形的相位有关，因此称为相位控制调功；另一种调节方式是电压波形不变而只改变电压周波在控制周期内出现的次数，这种调节方式称为通断控制调功。 就触发方式而言，前者为移相触发，后者为过零触发。 两者的电压波形比较如图 所示。 图 率调节方式比较 通过比较发现：相位控制的电压波形不 “规整 ”，但正负半周对称，无直流成分，可沈阳理工大学计算机控制系统课程设计论文 13 直接用于电感负载。 其最大的缺点是：大电流的切入造成对电网的冲击，不规整的脉冲负载电流引起电网波形的 畸变及对其它电设备的中频干扰。 输出的线性范围窄而线性度又不好，只能靠反馈来改善。 通断控制的输出波形仍为正弦波，其优点是，不会对电网造成严重污染和干扰其它用电设备，而且电炉的功率愈大，优点愈突出。 但通断控制也存在抗电源干扰能力弱等缺点。 对于纯阻性负载的电阻炉来说，温控仪采用过零触发方式可使电路结构简单，软件计算方便。 因此，在本系统中采用通断控制的方式来进行功率调节。 （ 2）固态继电器及应用 固态继电器 (Solid State Relays)，简写成 “SSR”，是一种全部由固态电子元件（如光电耦合器、晶体管、 可控硅、电阻、电容等）组成的新型无触点开关器件。 与普通继电器一样，它的输入侧与输出侧之间是电绝缘的。 但是与普通电磁继电器比， SSR 体积小，开关速度快，无机械触点，因而没有机械磨损，不怕有害气体腐蚀，没有机械噪声，耐振动、耐冲击，使用寿命长。 它在通、断时没有火花和电弧，有利于防爆，干扰小（特别对微弱信号回路）。 另外， SSR 的驱动电压低，电流小，易于与计算机接口。 因此 SSR作为自动控制的执行部件得到越来越广泛的应用。 SSR 按使用场合可以分成交流型和直流型两大类。 图 交流 SSR 工作原理框图 交流型 SSR 的工作原理框图如图 所示，图中的部件 ① ~④ 构成交流 SSR 的主体。 从整体上看， SSR 只有两个输入端 (A 和 B)及两个输出端 (C 和 D)，是一种四端器件。 工作时只要在 A、 B 上加上一定的控制信号，就可以控制 C、 D 两端之间的 “通 ”和 “断 ”，实现 “开关 ”的功能，其中耦合电路的功能是为 A、 B 端输入的控制信号提供一个输入 /输出端之间的通道，但又在电气上断开 SSR 中输入端和输出端之间的 (电 )联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是 “光耦合器 ”，它动作灵敏、响应速度高、沈阳理工大学计算机控制系统课程设计论文 14 输入 /输出端间的绝缘 (耐压 )等级高；由于输 入端的负载是发光二极管，这使 SSR 的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用时可直接与计算机输出接口相接，即受 “1”与 “0”的逻辑电平控制。 触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路 ④工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设 “过零控制电路 ”。 所谓 “过零 ”是指，当加入控制信号，交流电压过零时， SSR 即为通态；而当断开控制信号后， SSR 要等待交流电的正半周与负半周的交界点 (零电位 )时， SSR 才为断态。 这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。 吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌 (电压 )对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰 (甚至误动作 )而设计的，一般是用 “RC”串联吸收电路或非线性电阻 (压敏电阻器 )。 沈阳理工大学计算机控制系统课程设计论文 15 第三章 温度控制系统的软件设 计 系统开发工具介绍 本系统中单片机的开发工具采用。 标准 C 编译器 KEIL C51,在保留汇编代码高效、快速性的同时为 8051微控制器的软件开发提供 C语言环境。 C51集成到 uVision2开发环境，这个环境包括：编译器，汇编器，实时操作系统，调试器。 主体程序是 围绕PID 运算和 PWM 调功输出来进行的，其中比例增益、积分增益、微分增益为节约机时从而不须经常运算，只需在有没定参数改动时才进行运算。 程序结构框图 图 程序结构图 PID 算法 在控制系统中 ,控制器最常用的控制规律是 PID 控制。 PID 控制系统原理框图如图32 所示。 系统由 PID 控制器和被控对象组成。 沈阳理工大学计算机控制系统课程设计论文 16 比例微分积分被控对象Rin(k) Yout(k)+++ 图 PID 控制系统原理框图 PID 调节规律的基本输入输出关系可用微分方程表示为：   t DIP dt tdeTdtteTteKtu 0 )()(1)()( 式中 )(te 为调节器的输入误差信号，且 )()()( tCtrte  、 其中： )(tr 为给定值， )(tC 为被控变量； )(tu 为调节器的输出控制信号； PK 为比例系数； IT 为积分时间常数； DT 微分时间常数。 计算机只能处理数字信号，若采样周期为 T 第 n 次采样的输入误差为 ne ，且)()( nCnren  ，输出为 )(nu ， PID 算法用的微分 dtde 由差分 Tee nn 1 代 替，积分 dttet0)(由 TeK 代替，于是得到    T eeTTTeKu nnDniInPn 101 、 写成递推形式为 △ 1 nnn uuu 沈阳理工大学计算机控制系统课程设计论文 17 =     ni nnnDni iiInnP eeeTTeeTTeeK0 21101 )2()()( =    )2()( 211 nnnDnInnPeeeTTeTTeeK = )2()(211   nnnDPnIPnnP eeeTTKeTTKeeK = )2()( 211   nnnDnInnP eeeKeKeeK = DIP PPP  其中： )( 1 nnPP eeKP nInIPI eKeTTKP  )2()2(2121   nnnDnnnDPD eeeKeeeTTKP 显然， PID 计算 △ nu 只需要保留现时刻 ne 以及以前的两个偏差量 1ne 和 2ne。 初始化程序初值 021   nn ee 通过采样并根据参数 PK 、 DK 、 IK 以及 ne 、 1ne 和 2ne 计算 △ nu。 根据输出控制增量 △ nu ，可求出本次控制输出为 1 nn uu +△ nu = DIPn PPPu 1 由于电阻炉一般是属于一阶对象和滞后的一阶对象，所以式中 PK 、 DK 、 IK 的选择取决于电阻炉的阶跃响应曲线和实际经验，工程上已经积累了不少行之的参数整定方法。 本设计采用 ZieglerNichols 提出的 PID 归一调整法，调整参数，主要是为了减少在线整定参数的数目，常常人为假定约束条件，以减少独立变量的个数，令： UTT  UI TT  沈阳理工大学计算机控制系统课程设计论文 18 UD TT  式中 UT 称为临界周期。 在单纯比例作用下（比例增益由 小到大），是系统产生等幅振荡的比例增益 UK ，这时的工作周期为临界周期 UT ，则可以得到 △ nu =  )2()( 211   nnnnnnP eeeeeeK = )2()( 211   nnnPnPnnP eeeKeKeeK = )2()( 211   nnnDnInnP eeeKeKeeK 式中 IK = PK ， DK = PK [8] 从而可以调节的参数只有一个。 可设计一个调整子程序，通过键盘输入改变 PK 值，改变运行参数，使系统满足要求。 下面对 PID 运算加以说明： 所有的数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 表示为正数，为1 表示 负数。 正负数都是补码表示，最后的计算以原码输出。 双精度 运算，为了保证运算精度，把单字节 8 位输入采样值 nC 和给定值 nr 都变成双字节 16 位进行计算，最后将运算结果取成高 8 位有效值输出。 输出控制量 nu 的限幅处理。 为了便于实现对晶闸管的通断处理， PID 的输出现在在 0～ 250 之间。 大于 250 或小于 0 的控制量 nu 都是没有意义的，因在算法上对nu 进行限幅，即 nu =m a xm a xm a xm i nm i nm i nuuuuuuuuuunnnn PID 的计算公式采用位置式算法，计算公式为 沈阳理工大学计算机控制系统课程设计论文 19 1 nn uu + )2()( 211   nnnDnInnP eeeKeKeeK = DIPn PPPu 1 PID 计算的程序流程图图 所指示。 表 参数内存分配表 存储单元 符号 说明 存储单元 符号 说明 3FH nHu nu 高 8 位 38H DLK IK 低 8 位 30H nLu nu 低 8 位 39H nHe ne 高 8 位 31H nHr 给定值高 8位 3AH nLe ne 低 8 位 32H nLr 给定值低 8位 3BH Hne1 1ne 高 8 位 33H PHK PK 高 8 位 3CH Lne1 1ne 低 8 位 34H PLK PK 低 8 位。