DZ248電阻爐溫度的控制,DZ248,電阻爐,溫度,控制 Abstract the topic of This design :The control of the temperature of the electric resistance stove.Adopt platinum rhodium 10 ——platinum to collect the temperature signal, the calculation of PID calculates the temperature error margin, then carried out by the controller of DSP.This kind of electric circuit struction is simple and varible. The slice of DSP , here what we select is TMS320F240 of the company of TI.It is based on a modify Harvard architecture,which supports separate bus structures for data space and program space,As well as good performance of peripheral on chip.Such as:including two A/Dthe inner part adopts the kind keeps machine of 16 roads 10 of As/ D conversion machine mold piece, a correspondence connects a mold piece, a line establishes to connect outside a mold piece manages machine( EV) etc. with the affairs. TMS320F240 to the control of the temperature is to pass to can control the 硅 adjust what the electric circuit of 功 realizes.Can control the 硅 trigger the signal be led by TMS320F240 T2PWM/ T2CMP/ IOPB4 feet offering of, over synchronous pulse in zero from trigger the electric circuit creation over the zero. Person's machine connects a people's adoption the CPU settles scan the keyboard method, the LED development shows, toing attain to the temperature the solid hour examines, solid the purpose that hour control. 摘 要 本設計題目：電阻爐溫度的控制。采用鉑銠10——鉑采集溫度信號，PID算法計算溫度誤差，然后由DSP控制器執(zhí)行溫度控制。這種電路結構簡單、靈活。 DSP芯片，這里我們選擇的是TI公司的TMS320F240。它采用改進的哈佛結構，支持獨立的數(shù)據(jù)總線和程序總線以及功能強大的片上外設。如：兩個帶有內部采樣保持器的16路10位的A/D轉換器模塊，串行通信接口（SCI）模塊，串行外設接口（SPI）模塊和事件管理器（EV）等。 TMS320F240對溫度的控制是通過可控硅調功電路實現(xiàn)的?？煽毓璧挠|發(fā)信號由TMS320F240的T2PWM/T2CMP/IOPB4引腳提供的，過零同步脈沖由過零觸發(fā)電路產生。 人機接口采用CPU定時掃描鍵盤方式，LED動態(tài)顯示，以達到對溫度實時檢測，實時控制的目的。 關鍵詞： DSP PID控制算法 目 錄 第一章 緒 論 4 第二章 方案論證 5 第三章 硬件電路 6 3．1 TMS320F240簡介 3．2 前向通道 3．2．1 溫度檢測和變送器 3．2．2 TMS320F240的ADC（模擬/數(shù)字轉換器） 3．3 后向通道 3．3．1 溫度控制電路 3．3．2 外圍驅動 3．3．3 電氣隔離 第四章 人機接口 4．1 其他電路的概述 4．2 鍵盤、顯示電路 4．2．1 LED顯示 4．2．2 鍵盤接口設計 第五章 溫度控制的算法 5．1 PID算法 5．2 數(shù)字PID調節(jié)器參數(shù)的整定 第六章 軟件設計 第一章 緒 論 在冶金工業(yè)、化工生產、機械制造和食品加工等領域中，都需要對各類加熱爐、熱處理爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制，采用數(shù)字量對它們進行控制，控制方便、簡單、靈活，而且可以提高被控溫度的指標，從而提高產品的質量和數(shù)量。因此，隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字控制異突起，發(fā)展迅速。依靠一定的硬件基礎，針對特定的控制目的，實現(xiàn)一個高可靠性，高效率的計算機應用系統(tǒng)，是現(xiàn)代工業(yè)和社會發(fā)展的迫切需要。當代計算機技術的快速發(fā)展，微電子技術的推動，使這一需求得以實現(xiàn)。單片機，數(shù)字信號處理器（DSP）等，都是這個大家庭中的一員。和單片機相比，DSP具有較大的存儲器容量，更豐富的，功能強大的片上外設等等?；谶@些優(yōu)點，我們采用數(shù)字信號處理器，即：DSP控制器。 我們通常所說的DSP有兩個含義：其一是Digital Signal Processing 的簡稱，是指數(shù)字信號處理技術，它不僅涉及許多學科，還廣泛應用于多種領域。特別在20世紀60年代，隨著計算機和信息技術的迅猛發(fā)展，進一步推動了數(shù)字信號處理技術的理論和應用領域的發(fā)展；DSP的第二個含義是Digital Signal Processor 的簡稱， 即數(shù)字信號處理器（也稱為DSP芯片），它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度遠遠超過通用微處理器。它是一種適合于數(shù)字信號處理的高性能微處理器。數(shù)字信號處理器已成為數(shù)字信號處理技術和實際應用之間的橋梁，并進一步促進了數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，也極大地拓展了數(shù)字信號處理技術的應用領域。 DSP芯片，即數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應用是快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。 根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下特點： （1）在一個指令周期內完成一次乘法和一次加法運算。 （2）程序和數(shù)據(jù)存儲空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。 （3）片內具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線進行訪問。 （4）具有低開銷或無開銷執(zhí)行循環(huán)及跳轉操作的硬件支持。 （5）快速的中斷處理和硬件I/O支持。 （6）在單周期內操作的多個硬件地址產生器。 （7）可以并執(zhí)行多個操作。 （8）支持流水線操作，不同操作階段可以重疊執(zhí)行。 自1982年美國德州儀器（TI）公司推出通用可編程DSP芯片以來，DSP技術取得了突飛猛進的發(fā)展。在DSP技術與DSP芯片的相互幫助下，在計算機與微電子技術飛速發(fā)展的基礎上，DSP芯片性能已得到了極大的提高。作為實現(xiàn)數(shù)字信號處理的硬件核心，DSP的應用領域取得了不斷的拓展。DSP芯片已經深入到我們的工作與生活中，無論是在計算機外設、通信、工業(yè)控制、航空航天、精密儀器，還是在家用電器，如CD機、變頻空調器、MP3播放器、數(shù)碼相機等設備中，都有DSP芯片的身影。 第二章 方案論證 縱觀設計題目要求，電阻爐溫度控制是采集模擬量——溫度，然后進行控制?？刂频姆椒ê芏啵? （1）以模擬電路硬接線方式建立的控制系統(tǒng)。 （2）以微處理器為核心的控制系統(tǒng)。 （3）用可編程DSP控制器為核心構成的控制系統(tǒng)。 1．模擬控制系統(tǒng) 模擬控制系統(tǒng)一般采用運算放大器等分立元件以硬接線方式構成，但這種系統(tǒng)很難應用于一些功能要求比較高的場合。 2．以微處理器為核心的控制系統(tǒng) 這里的微處理器實際上是指以MCS——51、MCS——96等為代表的8位或16位單片機。以微處理器為控制器，所構成的控制系統(tǒng)有如下優(yōu)點： （1）使電路更簡單。模擬電路為了實現(xiàn)邏輯控制需要許多分立電子元件，從而使電路變得復雜。采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可采用軟件實現(xiàn)。 （2）可以實現(xiàn)較復雜的控制算法。微處理器具有更強的邏輯功能，運算速度快、精度高、具有較大容量的存儲器（128KB RAM，8051有4KB ROM，8751有4KB EPROM，8031無ROM或EPROM。使用時往往外括ROM），因此有能力實現(xiàn)較復雜的控制算法。 （3）靈活性和適應性強。微處理器的控制方式主要由軟件來實現(xiàn)，若需要修改，一般不必修改控制系統(tǒng)的硬件電路，只對軟件修改即可。 （4）無零點漂移，控制精度高。 （5）可提供人機界面，實現(xiàn)多機聯(lián)網工作。 在一些性能要求不是很高的場合，現(xiàn)在普遍采用單片機作為控制器。然而，由于微處理器一般采用馮——諾依曼總線結構，處理器的速度有限，處理能力也有限；另外單片機系統(tǒng)比較復雜，軟件編程的難度較大。同時，一般單片機的集成度較低，片上不具備控制系統(tǒng)所需要的專用外設，如PWM產生電路等。因此，基于微處理器構成的系統(tǒng)仍然需要較多的元器件，這增加了系統(tǒng)電路板的復雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性，也難以實現(xiàn)先進控制算法，如預測控制、模糊控制等。 由于技術的發(fā)展，新的單片機無論從制造工藝上，還是性能、功能上都有了極大的改進。新單片機（如C8051Fxxx系列、AVR系列等）的工作頻率一般在20MHZ以上，采用流水線技術，片內集成大量存儲單元和功能外設，有的單片機內部甚至集成了DSP核，這些措施都使單片機的性能得到了很大提高，可以較好地滿足高性能控制系統(tǒng)的需要。然而。與同樣性能的DSP控制器相比，這些微處理器的價格往往比較昂貴。 3．以可編程DSP控制器為核心構成的控制系統(tǒng)。 為滿足世界范圍內控制系統(tǒng)的需要，TI公司推出了TMS320x24x系列DSP控制器。 x24x系列DSP控制器將一個高性能的DSP核，大容量的片上存儲器（片內的數(shù)據(jù)和程序存儲器可達上百千字）和專用的運動控制外設電路（PWM產生電路、可編程死區(qū)、SSVPWM產生電路、捕獲單元等）以及其他功能的外設電路（16通道A/D轉換單元、串行通信接口、CAN控制器模塊等）集成在單芯片上，保持了傳統(tǒng)微處理器可編程、集成度高、靈活性/適應性好、升級方便等優(yōu)點；同時，其內部的DSP核可提供更高的運算速度、運算精度和處理大量數(shù)據(jù)運算的能力。 x24x系列DSP控制器采用改進的哈佛結構，分別用獨立的總線來訪問程序和數(shù)據(jù)存儲空間，配合片內的硬件乘法器，指令的流水線操作和優(yōu)化的指令集。DSP控制器的控制算法如Kalman濾波、模糊控制、神經元控制等。 基于DSP控制器構成的控制系統(tǒng)實際上是一個單片系統(tǒng)，因為整個控制所需的各種功能都可由DSP控制器來實現(xiàn)。因此，可大幅度縮小目標系統(tǒng)的體積，減小外部元器件的個數(shù)，增加系統(tǒng)的可靠性。另外，由于各種功能都通過軟件編程來實現(xiàn)，因此，目標系統(tǒng)升級容易，擴展性、維護性都很好。同時，DSP控制器的高性能使最終系統(tǒng)既可滿足要求比較低的系統(tǒng)，更可以滿足對系統(tǒng)性能和精度要求較高的場合的需要。 通過上面各種方法的比較，我們選擇可編程DSP控制器為主控制器來組成控制系統(tǒng)。 第三章 硬件電路 3．1 TMS320F240簡介 TMS320F24X系列是美國TI公司推出的高性能16位定點DSP，專門為電機控制和其它數(shù)字控制系統(tǒng)而設計的新一代數(shù)字信號處理器。它不僅擁有數(shù)字信號處理器的一般特點，還增加了片內外設，有強大的處理能力。TMS320F240是其中典型的一種。 TMS320F240主要由CPU、存儲器和片上外設三部分組成，其主要特點如下：（1）采用改進型哈佛結構，具有分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線，使用四級流水線作業(yè)，并且允許數(shù)據(jù)在程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間之間傳輸，從而提高了運行速度和編程的靈活性。 （2）指令執(zhí)行速度為20MIPS，幾乎所有的指令都可以在50ns的單周期內執(zhí)行完畢。 （3）CPU內含有32位中央算術邏輯單元、32位累加器、16位×16位并行硬件乘法器，并帶有32位結果寄存器、3個定標移位器和8個輔助寄存器。 （4）片內有16K字的Flash EEPROM，544字的DARAM，存儲器最大可尋址空間為224K字（64K字程序空間，64K字數(shù)據(jù)空間，64K字I/O空間，32K字全局空間）。且?guī)в熊浖却隣顟B(tài)產生器的外部存儲器接口，可實現(xiàn)與各種類型外部存儲器的接口。 （5）雙10位A/D轉換器，共16位輸入通道，轉換時間為6μs。 （6）片上還集成了事件管理器（含有3個定時/計數(shù)器，4個捕獲單元等）、28個可編程復用I/O引腳、鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器、具有實時中斷的看門狗電路、串行通訊接口、串行外設接口等功能外設。 3．2 前向通道 前向通道是指TMS320F240對被控參數(shù)的輸入通道，包括溫度檢測元件、A/D轉換等。在工業(yè)控制中，由于被控對象的參數(shù)常常是非物理量（如溫度等），因此如何把它們變?yōu)殡娏坎⒔涍^A/D變換而輸入到TMS320F240中是每個應用工作者必須考慮的問題。 3．2．1 溫度檢測和變送器 溫度檢測元件和變送器的類型選擇和被控溫度及精度等級有關。 溫度測量儀表按照測量方式人為地分為接觸式與非接觸式兩類。所謂接觸式即兩個物體接觸后，在足夠長的時間內達到熱平衡（動態(tài)平衡），此時兩個物體溫度相等；非接觸式即選為標準并當作溫度計使用的物體與被測物體相互不接觸，利用物體的熱輻射（或其它特性），通過對輻射能量（或亮度）的檢測實現(xiàn)測溫。常用工業(yè)溫度計可分為：接觸式——熱膨脹溫度計（常用范圍：-200℃——620℃），熱電阻溫度計（常用范圍：-258℃——900℃），熱電偶溫度計(常用范圍：-200℃——1800℃)；非接觸式——熱輻射溫度計（常用范圍一般非常高）。 根據(jù)溫度需要，所以選擇接觸式溫度計中的熱電偶。同時熱電偶測量溫度范圍廣，可靠性高，自身能產生電壓，不需要外加激勵電源，使用方便。由測溫范圍：0℃——1000℃，測溫精度：1℃，我們選擇華宇儀表線纜廠的鉑銠10——鉑，代號WRP，分度號S，測溫范圍：長期0℃——1300℃，短期0℃——1600℃，一級允差1℃。而且它具有耐高溫，精度高，物理、化學性能好，熱電勢穩(wěn)定性好，高溫下抗氧化性能好的優(yōu)點。 同理，根據(jù)被控溫度和精度等級選擇變送器。由于被測的溫度量經過溫度檢測元件的捕捉和轉換，其輸出信號幅度（如電流和電壓等）往往很小，無法進行A/D轉換。因此，溫度檢測元件輸出接變送器。變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的0mV~9.659mV變換成0mA~10mA范圍內的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出0mA~10mA的0電流變換成0V~5V范圍內的電壓。 3．2．2 TMS320F240的ADC（模擬/數(shù)字轉換器） TMS320F240內部集成了兩個10位的A/D轉換器，并帶有內部采樣保持電路。共有16路模擬輸入通道，每8個通道經過一個8選1多路選擇器和一個采樣保持器（前向通道中采樣保持器的作用主要有兩點：一是能保證輸入模擬量在A/D轉換期間保持不變，以提高A/D轉換的精度；二是使某一時刻各個檢測點上的模擬量同時保持下來，供控制器分時加以檢測和處理，以確保檢測到的數(shù)字量具有時間上的一致性。當然，對于緩慢變化的模擬量如溫度，采樣保持器可以不用。但對于快速變化的模擬量，只有使用采樣保持器才能確保檢測精度。）到10位的ADC，ADC的轉換結果保存到兩級先進先出的（FIFO）寄存器。每個ADC的轉換時間大約6μs (不同DSP會略有不同，準確數(shù)據(jù)見各芯片的data sheet)。A/D轉換的模擬參考電壓VREFHI和VREFLO由外部電源提供，可以接0~5V的任何電壓。VCCA和VSSA應該分別連到5V電源和模擬地。 1．ADC引腳說明 ADC模塊有21個引腳可以與外部電路連接。其中ADCIN0~ADCIN15為16路模擬輸入，VREFHI和VREFLO為模擬參考電壓輸入引腳，VCCA和VSSA為模擬電源引腳，另一引腳步為ADCSOC外部啟動ADC轉換引腳。 ADCIN0~ADCIN7屬于第一個ADC，ADCIN8~ADCIN15屬于第二個ADC，其中ADCIN0、ADCIN1、ADCIN8和ADCIN9四個引腳與數(shù)字I/O（IOPA0、1、3、2）多路復用，通過學習編程可設定這4個引腳為數(shù)字I/O引腳。這4個引腳的精度低于專用的模擬輸入引腳ADCIN2~ADCIN7和ADCIN10~ADCIN15。外部啟動引腳ADCSOC也與I/O（IOPC0）多路復用。 2．ADC操作模式 ADC模塊的功能如下： （1）可以同時采樣和轉換2路模擬輸入（每個ADC單元各一個）。 （2）每個ADC都可以進行單獨或連續(xù)的采樣/保持和轉換操作。 （3）兩個ADC可以由軟件指令、器件ADCSOC引腳電平跳變、每個通用定時器的下溢、周期匹配和比較匹配事件和捕獲單元4個來啟動ADC操作。 （4）ADC控制寄存器的某些位是具有映象寄存器的雙級緩沖位，對這些位的寫不影響下在進行的轉換，因為新寫入的值是先進入映象寄存器而不是直接進入工作寄存器，當前的轉換開關結束后，ADC會自動地將映象寄存器內容載入工作寄存器，下一個轉換就由新的配置一決定。 （5）轉換結束后，中斷標志被置位。如果中斷未被屏蔽且使能，則將產生一個中斷請求。 （6）如果第3次轉換完成時，CPU還沒有讀FIFO，那么第1次轉換的結束將會丟失。 3．模擬信號采樣/轉換 每個ADC在1個A/D轉換預定標時鐘周期內完成輸入的采樣，在5個A/D轉換預定標時鐘周期內完成轉換，所以每個采樣/轉換需要6個ADC時鐘周期。ADC模塊結構要求采樣/轉換時間要大于等于6μs以保證正確轉換。因此，對所有系統(tǒng)時鐘頻率，都必須有6個ADC時鐘周期大于等于6μs，ADC提供了一個預定標功能，來保證無論DSP時鐘如何變化都不得可以確保ADC最佳性能。這樣一來，通過學習選擇合適的預定標就可以滿足上述要求。 預定標值由下式決定： SYSCLK時鐘周期TSYSCLK×預定標值×6＞=6μs 預定標值由ADC控制寄存器ADCTRL2的其中三位決定，在編程時，應根據(jù)系統(tǒng)時鐘周期的取值和上式的關系確定預定標值。 4．數(shù)字量輸出 ADC的10位數(shù)字量結束由下面公式近似給出，進行結果驗證。 數(shù)字量結果=1023×（輸入模擬電壓-VREFLO）/（VREFHI-VREFLO） 每個ADC包含一個2級FIFO數(shù)字輸出寄存器，該寄存器包含一個模擬輸入轉換后的10位數(shù)字量結果，存放在寄存器的高10位，讀FIFO時，低6位D5~D0始終為零。FIFO是只讀寄存器，復位時被清零。 5．雙10位A/D轉換器編程 每個DSP的單元模塊都有多種功能或多種工作方式，它的功能實現(xiàn)是由相關的寄存器和引腳完成。寄存器分為控制類寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。每個模塊在工作以前，由控制類寄存器對模塊進行初始化編程，設置其功能或工作方式等。因此，對于各類寄存器的地址以及格式的了解至關重要的。ADC模塊共有4個寄存器，其地址映射在數(shù)據(jù)存儲器空間的7030H~703FH之間。 1． ADC寄存器 （1）ADC控制寄存器1（ADCTRL1）——地址7032H D15：S。僅用于仿真期間。 D15=0 當D14=0時，立即停止； D15=1 仿真器停止之前，完成本次轉換。 D14：F。僅用于仿真期間。 D14=0 操作由位D15確定； D14 =1 仿真器停止時，ADC繼續(xù)運行。 D13：ADCIMSTRAT。ADC立即開始轉換。 D13=0 無動作； D13=1立即開始轉換。 D12：ADC2EN。ADC2的禁止/使能位，該位是映象的。可以在轉換進行過程中寫入，不影響 本次轉換 ，寫入本位的信息在下一次轉換 時才生效。 D12=0：ADC2禁止（不進行采樣、保持和轉換，ADCFIFO內容不變）； D12=1 ADC被使能。 D11：ADC1EN，ADC1的禁止/使能位，作用與ADC2EN一樣。 D10：ADCCONRUN。將ADC連續(xù)轉換設置位。 D10=0 無操作； D10=1 連續(xù)轉換。 D9：ADCINTEN。ADC中斷允許位。如果該 位被置位，則當ADCINTFLAG=1時，將產生一次中斷。 D8：ADCINTFLAG。ADC中斷標志位。如果該位為1，表示有中斷發(fā)生。向該 位寫清除本位。 D7：ADCEOC。轉換結束標志。 D7=0 轉換結束 D7=1轉換正在進行。 D6~ D4：ADC2CHSEL。ADC2通道選擇。D6~ D4=000~111依次選擇通道8~通道15。 D3~ D1：ADC1CHSEL。ADC1通道選擇。D3~ D1=000~111依次選擇通道0~通道7。 D0：ADCSOC。轉換啟動位。 D0=0 無動作； D0=1 啟動轉換。 注意：ADC1或ADC2進行A/D轉換以前，必須被使能。 （2）ADC控制寄存器2（ADCTRL2）——地址7034H ADC控制寄存器2選擇ADC輸入時鐘預定標、轉換模式、仿真操作及ADCFIFO寄存器的狀態(tài)。 D15~ D11、D8、D5：保留。讀操作不確定，寫無效。 D10：ADCEVSOC。事件管理模塊啟動轉換使能位。ADC的轉換操作可以由事件管理比較匹配信號同步。該位為映象位，可以在任何時候寫入，對下次轉換有效。 D10=0 禁止事件管理模塊啟動轉換； D10=1 允許事件管理模塊啟動轉換。 D9：ADCEXTSOC。外部信號（即ADCSOC引腳）啟動轉換使能位。ADC轉換可以由外部信號的上升沿啟動，該位為映象位。 D9=0 禁止外部ADCSOC引腳啟動轉換； D9=1 允許ADCSOC啟動轉換。 D7~ D6：ADCFIFO1。表明ADC1數(shù)據(jù)寄存器FIFO的狀態(tài)，在進行任何操作前可以存儲兩個轉換結果，但如果第三次轉換結束，那么最早一次的結果將丟失。D7~ D6為映象位。 00——FIFO空； 01——FIFO有一個數(shù)據(jù)； 10——FIFO有兩個數(shù)據(jù)； 11——FIFO有兩個數(shù)據(jù)，而且之前的數(shù)據(jù)至少丟失一個。 D4~ D3：ADCFIFO2。表明ADC2數(shù)據(jù)寄存器FIFO的狀態(tài)。與ADCFIFO1類似。 D2~ D0：ADCPSCALE。A/D轉換輸入時鐘預定標因子。 （3）A/D轉換數(shù)字輸出寄存器 每個ADC包含一個2級FIFO數(shù)字輸出寄存器，這為從數(shù)字寄存器中讀出數(shù)據(jù)之前轉換兩次提供了靈活性。該寄存器包含一個模擬輸入轉換后的10位數(shù)字結果，存放在寄存器的高10位，即10位A/D轉換結果D9~ D0，依次存放在FIFO的高10位D15~ D6中，讀FIFO時，低6位D5~ D0始終為零。FIFO是只讀寄存器，復位時被清零。ADCFIFO1地址為7036H，ADCFIFO2地址為7038H。 3．3 后向通道 后向通道是TMS320F240把處理后的數(shù)字信號進行傳送、輸出、控制和調節(jié)的通道。 3．3．1 溫度控制電路 TMS320F240對溫度的控制是通過可控硅調功器電路實現(xiàn)的。雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V、50HZ市電回路。在給定周期T內，TMS320F240只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，以達到調節(jié)溫度的目的。圖2給出了可控硅管在給定周期T內具有不同接通時間的情況。顯然，可控硅在給定周期T的100%時間內接通時的功率最大?？煽毓杞油〞r間是通過可控硅控制板上觸發(fā)脈沖加以控制的，該觸發(fā)脈沖由TMS320F240的 IOPB4引腳上產生的高電平控制，受過零同步脈沖同步后經光耦管TIL117和驅動器輸出送到可控硅的控制板上。 過零同步脈沖是一種50HZ交流電壓過零時刻的脈沖，可使可控硅在交流電壓正弦波過零時觸發(fā)導通。過零同步脈沖由過零觸發(fā)電路產生。電壓比較器LM311用于把50HZ正弦交流電壓變?yōu)榉讲?。方波的正邊沿和負邊沿分別作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14528的兩個輸入觸發(fā)信號，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14528輸出的兩個窄脈沖經二極管或門混合后就可得到對應于門交流220V市電的過零同步脈沖，此脈沖一方面作為可控硅的觸發(fā)同步脈沖加到溫度控制電路，另一方面還作為計數(shù)脈沖加到TMS320F240的TMRCLK上。 其中，電壓比較器（如LM311）是對輸入信號進行鑒幅與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路，在測量和控制中有著相當廣泛的應用。輸入電壓是模擬信號，而輸出電壓是高電平或低電平，用以表示比較的結果。 雙向可控硅相當于兩個可控硅反向并聯(lián)，但只有一個門極。雙向可控硅的允許電流由有效值表示，允許電流大小不僅與可控硅的額定電流有關，而且也與溫度有關，為提高可靠性，一般降額使用，即使用額定值的70%。因為雙向可控硅是正反向都可控，所以沒有反向耐壓問題。當外加電壓瞬時超過阻斷電壓時，元件變?yōu)閷üぷ鳡顟B(tài)，經過半個周期后，元件恢復正常工作，所以一般不必考慮過電壓保護，但需加過流保護措施。 u 12．5% u t 25% t u 50% t u 100% t 圖2可控硅調功器輸出功率與通斷時間的關系 3．3．2 外圍驅動 由于TMS320F240的輸出信號電平很低，無法直接驅動外圍設備工作，因此一般采用專門的驅動器，稱為外圍驅動器。外圍驅動器的電路形式和結構一般具有以下兩個特點： （1）采用集電極開路輸出，以便使輸出高電平近似等于外加電壓，調節(jié)外加電壓一定程度上可以輸出比較高的電平去滿足負載要求，而不受邏輯電平的限制； （2）要求輸出晶體管具有比較強的負載能力，能夠受比較大的電流。 3．3．3 電氣隔離 在工業(yè)領域中，控制器不僅要對被對象進行監(jiān)測，輸入被控系統(tǒng)的開關量和模擬量，而且還要把經過處理后的信息以開關量和模擬量形式輸出并控制被控系統(tǒng)工作，這些開關量（如動力回路的啟停等）和模擬量（如壓力、溫度和流量傳感器的輸出等等）本身往往就是強電系統(tǒng)。因此，強電路必將會對系統(tǒng)產生嚴重干擾。控制系統(tǒng)和強電控制回路的共地是引起干擾的主要原因，因為強電控制回路中的電流和電壓往往很大，并會在強電使用的電器和地之間形成強大的脈動干擾。這個脈動干擾必然會通過接地不良電阻和電容耦合到主機回路中。消除這些脈沖干擾的最有效方法是使主機弱電部分和強電控制回路的地隔開，在電氣連接上切斷它們彼此間的耦合通道。因此，隔離器件兩側必須使用獨立的電源分開供電。我們通常使用的是光電耦合器，它是一種有效的電隔離手段，它價格低廉，可靠性好，得到廣泛的應用。 光電耦合器由封裝在一個管殼內的發(fā)光二極管和光敏三極管組成。輸入電流流過二極管時使其發(fā)光，照射到光敏三極管上使其導通，完成信號的光電耦合傳送，它實現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。此外，利用光電耦合器還可以起到電平轉換的作用。 這一個裝置包含六個獨立的門,每個 DM 7407 都有緩沖功能。 這種設備輸出 為了適當?shù)倪壿嫴僮餍枰獠可侠娮琛? SN7407這些單塊集成的TTL hex 緩沖/ 驅動器高電壓為高級電路( 如 MOS), 或驅動高電流負載( 如燈或繼電器),也可驅動TTL 輸入。。 MC14528B 是雙邊單穩(wěn)多諧振動器，無論上升沿還是下降沿它都可能被觸發(fā)，而且輸出一個寬脈沖 第四章 人機接口 4．1 其他電路的概述 TMS320F240的IOPA0~IOPA3和IOPC0~IOPC3作為LED字形碼口；IOPC4~IOPC7用作4×4鍵盤的行掃描口；IOPB5用來點亮報警燈；IOPB0~IOPB3可以控制LED的點亮和用作4×4鍵盤的列值的讀入口；ADCIN7和ADCIN15為溫度檢測電路的模擬量輸入端；TMRCLK用于輸入50HZ市電的過零同步脈沖；IOPB4用控制與非M1，由TMS320F240通過軟件控制，M1輸出經過光耦和驅動電路產生的觸發(fā)信號控制可控硅的導通和截止，以達到對爐溫的調節(jié)。 4．2 鍵盤、顯示電路 LED和鍵盤是人機對話的重要設備。其中LED用來顯示控制過程和運算結果；鍵盤用于輸入數(shù)據(jù)、代碼和命令。在應用系統(tǒng)中，在同時需要使用鍵盤和顯示器接口時，為了節(jié)省I/O口線，常常把鍵盤和顯示電路做在一起，構成實用的鍵盤、顯示電路。 圖中設置了16個鍵。 LED顯示器采用共陰極接法。段選碼由PA口（IOPA0~IOPA3）和PC口的IOPC0~IOPCIOPC3提供，位選碼由PB口的IOPB0~IOPB3提供。鍵盤的列輸入由PB口的IOPB0~IOPB3提供，行輸出由PC口的IOPC4~IOPC7提供。 LED采用動態(tài)顯示軟件譯碼，鍵盤采用逐列掃描查詢工作方式。 LED的驅動采用7407。 4．2．1 LED顯示 采用共陰極LED顯示。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地，當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，如圖（1）。 錯誤dp g f e d c b a 通常的七段LED顯示塊中有八個發(fā)光二極管，因此也被叫做八段顯示器，其中七個二極管組成一個七段字型“8”，另外一個組成點“.”，可作為小數(shù)點顯示。七段顯示塊的連接非常容易，只要將一個8位并行輸出口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符，其段碼如圖。通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。共陰極和共陽極的段選碼互為補數(shù)。 七段LED碼的顯示碼 顯示字符 共陰極段選碼 共陽極段選碼 顯示字符 共陰極段選碼 共陽極段選碼 0 3FH C0H C 39H C6H 1 06H F9H D 5EH A1H 2 5BH A4H E 79H 86H 3 4FH B0H F 71H 8EH 4 06H F9H P 73H 8CH 5 6DH 92H U 3EH C1H 6 7DH 82H H 76H 89H 7 07H F8H T 31H CEH 8 7FH 80H Y 6EH 91H 9 6FH 90H 8． FFH 00H A 77H 88H “滅” 00H FFH B 7CH 83H 在控制系統(tǒng)中通常使用LED顯示塊構成N位LED顯示器，N位LED顯示器有N根位選線和8×N根段選線（這里N=4）。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。位選線控制顯示位的亮、暗；段選線控制字符選擇。雖然，LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式，但由于N位靜態(tài)顯示器要求有8×N根I/O口線，占用I/O資源較多；同時靜態(tài)驅動需要大量的硬件來實現(xiàn)鎖存，代價昂貴，而且電路相對復雜，在某些領域可能由于成本的問題不能采用。故在位數(shù)較多時往往采用動態(tài)顯示方式，即在多位LED顯示時，將所有位的段選線（數(shù)據(jù)線）并聯(lián)在一起，由一位8位的I/O控制，而共陰極或共陽極點分別由相應的I/O口線控制。由于所有位的段選碼由一個I/O控制，因此，在每個瞬間，8位LED只可能顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方式。即在每一瞬間只使某一位顯示相應字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應字符段選碼，位選控制I/O口在該顯示位送入選通電平（共陰極送低電平，共陽極送高電平）以保證該位顯示相應字符。如此輪流，使每位顯示該位應顯示字符，并保持延時一段時間，以造成視覺暫留效果。 4．2．2 鍵盤接口設計 鍵盤是實現(xiàn)人機對話的必要輸入設備之一，它有獨立式按鍵和矩陣式按鍵兩種方式。獨立式按鍵電路，每個按鍵需要獨占一根I/O口線，每根I/O口線工作狀態(tài)互之間不會產生影響。但當按鍵較多時，I/O口線浪費較大，故只在按鍵少時才采用這種按鍵電路，通常多采用矩陣式鍵盤接口電路（又稱行列式接口電路）。它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。 （1）矩陣鍵盤工作原理 按鍵設置在行、列線的交點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。當行線通過上拉電阻接+5V時，被鉗位在高電平狀態(tài)。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態(tài)，而當有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平決定。列線如果為低，則行線電平為低；列線電平如果為高，則行線電平亦為高，這一點是識別矩陣式鍵盤按鍵是否被按下的關鍵所在。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此各按鍵彼此將相互發(fā)生影響，所以必須將行、列線信號配合起來并作適當?shù)奶幚恚拍艽_定閉合鍵的位置。 （2）按鍵的識別方法 一般采用掃描法，此方法分兩步進行：第一步，識別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識別出具體的按鍵。分述如下： 識別鍵盤有無鍵被按下的方法是：讓所有列線均置為0電平，檢查各行線電平是否發(fā)生變化，如果沒變化，則說明沒有鍵被按下；如果發(fā)生變化，則說明有鍵被按下。 識別具體按鍵的方法是（亦稱之為掃描法）：逐列置0電平，其余各列置為高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行電平由高電平變?yōu)?電平，則可確定此行此列交叉點處的按鍵被按下。掃描法的特點是逐列掃描查詢。這時，相應的行應有上拉電阻接高電平。 （3）非編碼鍵盤 通常，鍵盤有編碼和非編碼兩種。編碼鍵盤通過硬件電路產生被按按鍵的鍵碼和一個選通脈沖。選通脈沖作為CPU的中斷請求信號，以通知CPU以中斷方式接收按按鍵的鍵碼。這種鍵盤使用方便，所需程序簡單，但硬件電路復雜，常不被微型計算機采用。非編碼鍵盤常用按鍵排列成矩陣式的。鍵盤上每鍵都有一個鍵值，一般采用依次排列的鍵值的方法，這時的鍵值與鍵號相一致。采用非編碼鍵盤必須對所有按鍵進行監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)有鍵按下，CPU應通過程序加以識別，并轉入相應鍵的處理程序，實現(xiàn)該鍵功能。 （4）按鍵開關狀態(tài)的可靠輸入 目前，無論是按鍵或鍵盤都是利用機械觸點的全、斷作用。由于機械觸點的彈性作用，在閉合及斷開瞬間均有抖動過程，會出現(xiàn)一系列負脈沖。抖動時間長短，與開關的機械特性有關，一般為5~10ms。 按鍵的穩(wěn)定閉合期，由操作人員的按鍵動作所確定，一般為十分之幾秒至幾秒時間。為了保證CPU對鍵的一次閉合，僅作一次鍵輸入處理，必須去除抖動影響。通常去抖動影響的措施有硬、軟件兩種。這里我們采用軟件除去抖動，辦法是在檢測到不鍵按下時，執(zhí)行一個10 ms的延時程序，然后再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正鍵按下狀態(tài)，從而消除了抖動影響。 第五章 溫度控制的算法 5．1 PID算法 通常，電阻爐爐溫控制采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理而獲得控制信號去調節(jié)電阻爐的加熱功率，以實現(xiàn)對爐溫的控制。在工業(yè)上，偏差控制又稱為“PID控制”，即按偏差的比例、積分、微分進行控制。這是工業(yè)過程控制中應用最廣泛的一種控制形式，它結構靈活，一般都能收到令人滿意的效果。 控制論告訴我們，PID控制的理想微分方程為： u(t)=Kp[e(t)+1/Ti×∫t0e(t)dt+Td× de(t)/dt] (5_1)式 式中：e(t)=r(t)-y(t)稱為偏差值，可作為溫度調節(jié)器的輸入信號，其中r(t)為給定值，y(t)為被測變量值；Kp為比例系數(shù)；Ti積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；u(t)為調節(jié)器的輸出控制電壓信號。 因為，計算機只能處理數(shù)字信號，故必須將上述數(shù)學方程表示的模擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)字PID算式。若設溫度的采樣周期為T，第n次采樣得到的輸入偏差為en，調節(jié)器輸出為un。，有： u(t)≈u(n) e(t)≈e(n) de(t)/dt=(en-en-1)/T ∫t0e(t)dt=∑ek×T 其中：n為采樣序號，n=0，1，2，3，……k,……n 這樣，(5_1)式便可改寫成為： un=Kp [en+1/ Ti×∑ek×T +Td×(en-en-1)/T] 式中，un是全量值輸出，每次的輸出 值都與執(zhí)行機構的位置（如控制閥門的開度）一一對應，所以稱之為位置型PID算法。 在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量un不僅與本次偏差有關，還與過去歷次采樣偏差有關，使得un產生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以在實際中當執(zhí)行機構需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可采用增量型PID算法，寫成遞推形式為： un=un-un-1 =Kp[en+1/Ti×∑ek×T+Td×(en-en-1)/T]-Kp[en-1+1/Ti×∑ek×T +Td×(en-1-en-2)/T] = Kp[en-en-1+T/Ti×en+Td/T×(en-2en-1+en-2)] 改寫成： u(n)=u(n-1)+Kp｛E(n)-E(n-1)+KIE(n)+KD[E(n)-2E(n-1)+E(n-2)]｝ =u(n-1)+PP+PI+PD 5．2 數(shù)字PID調節(jié)器參數(shù)的整定 數(shù)字PID調節(jié)器參數(shù)的整定，除了需要確定Kp、Ti、Td外，還需要確定系統(tǒng)的采樣周期T。通常采用的方法有三種：擴充臨界比例度法、擴充響應曲線法和試湊法。其中，用擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)不需要事先知道對象的動態(tài)特性，是直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行的。如果已經知道系統(tǒng)的動態(tài)特性曲線，那么就可以采用擴充響應曲線法來整定PID參數(shù)。這兩種方法特別適用于一階滯后環(huán)節(jié)的被控對象。另外，由于實際生產過程錯綜復雜，參數(shù)千變萬化，因此并不是所有的數(shù)字PID調節(jié)器都有能用上面的兩種方法，所以目前應用最多的還是試湊法。試湊法是從一組初始PID參數(shù)出發(fā)，經過閉環(huán)試驗，再根據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)品質的定性影響，反復試湊，不斷修改參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。表1是PID參數(shù)的經驗選擇范圍。為了減少參數(shù)試湊的盲目性，初始PID參數(shù)可按表1選取，然后再按如下步驟試湊。 表1 被調量 特 點 Kp Ti Td 溫 度 滯后大，用微分 1．6~5 3~10 0．5~3 壓 力 滯后一般不大，不用微分 1．4~3．5 0．4~3 液 位 若允許有靜差，可不用積分和微分 1．25~5 流 量 時間常數(shù)小，有噪聲，故Kp 較小，Ti較短，不用微分 1~2．5 0．1~1 （1）只采用比例控制，Kp由小變大，若響應時間、超調、靜差已達到要求，只采用比例調節(jié)。 （2）若靜差不滿足，則加入積分控制，將Kp減小，例如取0。8Kp代替Kp，Ti由大到小，反復測試多組的Kp和Ti值，從中確定合適的參數(shù)。 （3）若動特性不滿足，比如超調量過大，或調節(jié)時間過長，則加入微分控制，Td由小到大，逐步湊多組PID參數(shù)，從中找出一組最佳調節(jié)參數(shù)。 第六章 軟件設計 結束語 星移斗轉，白駒過隙。一轉眼，畢業(yè)設計已經接近尾聲了，剛開始設計那一刻，仿佛還在昨天。 記得那個時候，自己對設計題目的了解猶如一張白紙，尤其用DSP芯片，一個自己根本沒接觸過的芯片進行控制，就更讓我畏步。但幾個月過去了，我不但自學了DSP控制器，對它了解很多，而且也學會了C語言編程，熟練地掌握了Office，Protel畫圖。 總之，畢業(yè)設計讓我受益菲淺。它教會我把大學四年的所學，融會貫通，靈活掌握；它還讓我領會到一個人做事是沒底線的，只要你有恒心，有毅力，你一定會如愿以償。 參考文獻 1． 韓安太，劉峙飛，黃海。DSP控制器原理及其在運動控制系統(tǒng)中的應用。北京：清華大學出版社，2003。 2． 寧改娣，楊拴科。DSP控制器原理及應用。北京：科技出版社，2002。 3． 胡漢才。單片機原理及系統(tǒng)設計。北京：清華大學出版社，2002。 4． 何立民。MCS——51系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術。北京航空航天大學出版社出版，1990。 5． 閻石。數(shù)字電子技術基礎（第四版）。北京：高等教育出版社，1998，12（2001重印）。 6． 何希才，江云霞。現(xiàn)代電力電子技術。北京：國防工業(yè)出版社，1996，7。 7．游泊坤，詹寶玙。溫度測量儀表。北京：機械工業(yè)出版社出版，1982。 23