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信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（中英文資料）
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中英文資料
信 電 系 工業(yè)電氣自動(dòng)化 專業(yè) 04 級(jí) 1 班
課題名稱：MCS-51單片機(jī)智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)起止時(shí)間：
2006 年 2月10日～6月8日(共17周)
學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 10
指導(dǎo)教師：
報(bào)告日期： 年3月 1日
摘要：
本文根據(jù)模糊控制和PID控制的特點(diǎn)及其原理，把模糊控制和PID控制結(jié)合起來(lái)，形成模糊PID控制，有效的克服了它們的缺點(diǎn)而發(fā)揮了它們的優(yōu)勢(shì)。本文詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)中模糊PID控制器的實(shí)現(xiàn)方法、系統(tǒng)的各種控制、故障檢測(cè)以及狀態(tài)顯示。
模糊PID控制器實(shí)際上跟傳統(tǒng)的PID控制器有很大聯(lián)系。區(qū)別在于傳統(tǒng)的控制器的控制前提必須是熟悉控制對(duì)象的模型結(jié)構(gòu)，而模糊控制器因?yàn)樗姆蔷€性特性，所以控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)，如果能夠很好地采用模糊控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，其控制結(jié)果的穩(wěn)定性和活力性都會(huì)有改善。但是，如果調(diào)節(jié)效果不好，執(zhí)行器會(huì)因?yàn)橹芷谡袷幱绊懯褂脡勖?，特別是調(diào)節(jié)器是閥門(mén)的場(chǎng)合，就必須考慮這個(gè)問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，出現(xiàn)了很多模糊控制的分析方法。本文提出的方法采用一個(gè)固定的初始域，這樣相當(dāng)程度上簡(jiǎn)化了模糊控制的設(shè)定問(wèn)題以及實(shí)現(xiàn)。文中分析了振蕩的原因并分析如何抑制這種振蕩的各種方法，最后，還給出一種方案，通過(guò)減少隸屬函數(shù)的數(shù)量以及改善解模糊化的方法縮短控制信號(hào)計(jì)算時(shí)間，有效的改善了控制的實(shí)時(shí)性。
模糊控制器的一個(gè)主要缺陷就是調(diào)整的參數(shù)太多。特別是參數(shù)設(shè)定的時(shí)候，因?yàn)闆](méi)有相關(guān)的書(shū)參考，所以它的給定非常困難。眾所周知，優(yōu)化方法的收斂性跟它的初始化設(shè)定有很大關(guān)聯(lián)，如果模糊控制器的初始域是固定的，那么它的控制就明顯的簡(jiǎn)化了。而且我們要控制的參數(shù)大多有其實(shí)際的物理意義，所以模糊控制器完全可以利用PID算法的控制規(guī)律進(jìn)行近似的調(diào)整。也就是說(shuō)最簡(jiǎn)單的模糊PID控制器就是同時(shí)采用幾種基本模糊控制算法（P+I+D或者PI+D），控制過(guò)程中它會(huì)根據(jù)控制要求，做出適當(dāng)?shù)倪x擇，保證在處理跟蹤以抗階躍干擾問(wèn)題上，其控制性能接近于任何一種PID控制。假設(shè)模糊集的初始域是對(duì)稱的，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)采用Ziegler-Nichols方法。
為了改善上述設(shè)計(jì)的模糊控制器，我們有必要考模糊控制器的參數(shù)問(wèn)題，有兩種方法可以采納，一種采用手動(dòng)的方法改變，另一種就是采用一些相關(guān)的優(yōu)化算法。其中遺傳算法就是一種?？刂破鞑捎玫膮?shù)不同，其收斂的優(yōu)化值也會(huì)不一樣。這些參數(shù)包括模糊集的分布，模糊集的個(gè)數(shù)，映射規(guī)則，基本模糊控制器的參數(shù)和不同的算法組合等。要注意的是在優(yōu)化前必須選定模糊推理及解模糊的方法。很明顯，優(yōu)化過(guò)程很耗時(shí)，更有甚者，有些優(yōu)化方法要已知系統(tǒng)的精確模型，但是實(shí)際過(guò)程中難以得到系統(tǒng)的精確模型，所以在大多數(shù)情況下，這些優(yōu)化算法不能直接應(yīng)用在實(shí)際過(guò)程。也就是說(shuō)模型不精確直接影響優(yōu)化成敗。模糊控制的主要思想就是針對(duì)那些傳遞函數(shù)未知的或者結(jié)構(gòu)難以辨識(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行控制，這也是模糊控制的性能為什么優(yōu)于傳統(tǒng)方法的原因。同時(shí)，把模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制算法結(jié)合起來(lái)，更能體現(xiàn)這種算法的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗蟠蠛?jiǎn)化實(shí)際過(guò)程的調(diào)整。
參數(shù)集的啟發(fā)式優(yōu)化法也適用于模糊PI控制器，它采用固定的定義域，其參數(shù)的選取和傳統(tǒng)的PI控制器都一樣。我們采用的控制方法是結(jié)合模糊PI算法和PD算法并利用啟發(fā)式優(yōu)化法處理參數(shù)集，特別要注意這里的調(diào)節(jié)器出現(xiàn)了兩個(gè)比例環(huán)節(jié)，所以它的控制可能不同于傳統(tǒng)的PID算法。但是我們調(diào)整的參數(shù)它們本身具有實(shí)際的物理意義，值得一提的是前面所提到的控制可以通過(guò)改變采樣時(shí)間而不改變定義域的范圍實(shí)現(xiàn)調(diào)整。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；熱處理溫度控制；模糊 PID
Abstract:
This paper adopts fuzzy PID control algorithm which combines fuzzy control and PID control according individual characteristic and theory effectively gets over their disadvantage, at the same time, preserving their merits. The methods of the fuzzy-PID controller, system-controlling, failure-detecting，states-displaying are described in details.
A fuzzy PID controllers are physically related to classical PID controller. The settings of classical controllers are based on deep common physical background. Fuzzy controller can embody better behavior comparing with classical linear PID controller because of its non linear characteristics. Well tuned fuzzy controller can be also more stable and more robust for the time varying systems. On the other hand, when the fuzzy controller is tuned badly it can exhibit limit cycle which can decrease lifetime of the actuator. This phenomenon is critical especially when the actuator is valve. Knowing about these problems, more analytical methods of tuning fuzzy controllers can be found. The method with unified universe considerably simplifies the setting and realization of fuzzy controllers. This paper tries to analyze causes of oscillations and it outlines the possibilities how to reduce them. The paper also shows solution how to reduce time needed for computation of control signal by decreasing the number of membership functions and by changing defuzzification method.
1. INTRODUCTION
One of the main drawbacks of fuzzy controllers is big amount of parameters to be tuned. It is especially difficult to make initial approximate adjustment because there is no cookery book how to do it. Also it is very well known that good convergence of optimum method is strongly dependent on initial settings. The adjustment of fuzzy controllers is considerably simplified when fuzzy controller with a unified universe is used. The parameters to be tune then have their physical meaning and fuzzy controller can be approximately adjusted using known rules for classical controllers. Probably the easiest way how to implement fuzzy PID controller is to create it as a parallel combination of basic fuzzy controllers (P+I+D [4] or PI+D [5]). Suitable choice of inference method can ensure behavior which is close to one of classical PID controller for both the tracking problem and the step disturbance rejection. The fuzzy sets are assumed to have initially symmetrical layout and the parameters of both regulators are tuned using for example by Ziegler- Nichols method.
To improve behavior of such designed fuzzy controller it is necessary either to manually change the quantities of fuzzy controller or to use some optimum methods which do this operation. One which can be implied are genetic algorithms. Different quantities can be changed to reach the optimum values. These quantities are fuzzy set layout, number of fuzzy sets, rule base mapping, the parameters of basic fuzzy controllers and their various combinations. Note that all the optimum must be always performed according to the chosen inference and defuzzification method. It is apparent that process of optimum can take a lot of time. Moreover this method is contingent on existence of accurate mathematical model of the process because in vast majority of the cases it is not possible to perform any kind of optimum directly on real process. The model usually does not correspond to real system which limits the success of optimum methods. The prime idea of fuzzy control was to apply it at the place where there is no deep knowledge of transfer function of controlled system and where this knowledge can be hardly identified. These are often the cases where the fuzzy control leads to better performance comparing with classical approach. Also for this instance it seems to be advantageous to have physical connection between fuzzy controller and its classical counterpart because it can significantly simplify the adjustment of regulator for real process.
The heuristic optimum of parameters settings is also suitable for fuzzy PI controller with unified universe where the parameters are the same as the ones of classical PI controller. The parallel combination of fuzzy PI and PD controllers can be used for heuristic optimum of parameters settings but it should be noted that because of the presence of double proportional part in this regulator
the adjusted parameters will differ from the ones of classical PID controller. But important thing is that the adjustment of this parameters is still in the same physical meaning. Note that for all previously mentioned controllers it is also possible to employ time transformation (sample time modification) without having to change the scope of universes.
Keyword：SCM；Temperature control；Fuzzy PID.
3
題 目： MCS-51單片機(jī)智能溫度控制
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摘 要
單片微型計(jì)算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，把單片機(jī)應(yīng)用于溫度控制中，采用單片機(jī)做主控單元，無(wú)觸點(diǎn)控制，可完成對(duì)溫度的采集和控制的要求。所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、機(jī)器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。本文主要介紹單片機(jī)在熱處理爐溫度控制中的應(yīng)用，對(duì)溫度控制模塊的組成及主要所選器件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。并根據(jù)具體的要求本文編寫(xiě)了適合本設(shè)計(jì)的軟件程序。
溫度控制在熱處理工藝過(guò)程中,是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)?？刂凭戎苯佑绊懼a(chǎn)品質(zhì)量的好壞。本文研究的電爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。因此本文將模糊控制算法引入傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)構(gòu)成智能模糊控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；熱處理溫度控制；模糊 PID。
Abstract
The single slice of microcomputers emerges with development of very large scale integration technology, because it has small , the function is strong , high characteristic of cost performance, applies the one-chip computer to temperature control, adopt the one-chip computer to do the top management unit, control contactlessly , can finish the requisition for collection and control of temperature . So apply to such a great deal of fields as electronic instrument , household appliances , energy-conservation fitting , the robot , industrial control ,etc. extensively, make the products miniaturized , intelligented , has already improved the function and quality of the products, have lower costs again, has simplified and designed. This text introduces the application of the one-chip computer in the temperature control of heat-treatment furnace mainly, composition and selecting to introduce the detailed one with device mainly of the temperature control module . And has written the suitable software procedure originally designed according to the concrete demand this text.
Temperature in heat treatment craft is very important. Control precision effect directly the quality of the product. The electric stove is a kind pure great inertia system, and the traditional heat control system is based on some certain model, so is hard to satisfy the technological requirement.This paper will adopt fuzzy control algorithm to build a intelligent fuzzy control system.
Keyword：SCM；Temperature control；Fuzzy PID.
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 控制器發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.1 PID 控制器的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2 模糊 PID 控制 2
1.2.3 模糊自整定 PID 控制 2
1.3 電爐采用模糊自整定 PID 控制的可行性 2
第2章 模糊自整定 PID 控制器的設(shè)計(jì) 4
2.1 模糊推理機(jī)的設(shè)計(jì) 4
2.1.1 模糊推理機(jī)的結(jié)構(gòu) 4
2.1.2 模糊推理機(jī)的設(shè)計(jì) 4
2.1.2.1 精確量的模糊化 5
2.1.2.2 建立模糊控制規(guī)則和模糊關(guān)系 5
2.1.2.3 輸出信息的模糊決策 6
2.2 模糊自整定 PID 控制器 6
2.2.1 PID 參數(shù)對(duì) PID 控制性能的影響 6
2.2.2 模糊自整定 PID 控制器 7
2.3 模糊自整定 PID 控制器性能的研究 8
2.3.1 Matlab 仿真結(jié)構(gòu)圖 8
2.3.2 慣性時(shí)間常數(shù)的影響 9
2.4 仿真結(jié)果分析 10
第3章 系統(tǒng)硬件和電路設(shè)計(jì) 11
3.1引言 11
3.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 11
3.3 溫度檢測(cè)電路 12
3.3.1 溫度傳感器 12
3.3.2 測(cè)量放大器的組成 12
3.3.3 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方法 13
3.4 多路開(kāi)關(guān)的選擇 13
3.5 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及連接 14
3.6 單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展 15
3.6.1 系統(tǒng)擴(kuò)展概述 15
3.6.2 常用擴(kuò)展器件簡(jiǎn)介 16
3.7 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 17
3.7.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 17
3.7.1.1只讀存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介 17
3.7.1.2 EPROM2764簡(jiǎn)介 17
3.7.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 18
3.7.2.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器概述 18
3.7.2.2靜態(tài)RAM6264簡(jiǎn)介 19
3.7.2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展舉例 19
3.8 單片機(jī)I/O口的擴(kuò)展（8155擴(kuò)展芯片） 20
3.8.1 8155的結(jié)構(gòu)和引腳 20
3.8.2 8155的控制字的及其工作方式 21
3.8.3 8155與8031的連接 22
3.9 看門(mén)狗、報(bào)警、復(fù)位和時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 23
3.9.1看門(mén)狗電路的設(shè)計(jì) 23
3.9.2報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 23
3.9.3復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 24
3.9.4 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 25
3.10 鍵盤(pán)與顯示電路的設(shè)計(jì) 25
3.10.1 LED數(shù)碼顯示器的接口電路 25
3.10.2鍵盤(pán)接口電路 26
3.11 DAC7521數(shù)模轉(zhuǎn)換接口 27
3.12 隔離放大器的設(shè)計(jì) 28
3.13 可控硅調(diào)功控溫 29
3.13.1過(guò)零觸發(fā)調(diào)功器的組成 29
3.13.2主要電路介紹 30
3.14 單片機(jī)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 31
第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 32
4.1 主要程序的框圖 32
4.1.1主程序框圖 32
4.1.2鍵盤(pán)中斷服務(wù)子程序 33
4.1.3恒溫及升溫測(cè)控子程序 34
4.1.4降溫測(cè)控子程序 35
4.2 模糊自整定 PID 控制算法 36
參考文獻(xiàn) 39
致謝 41
附錄 42
第1章 緒論
1.1 引言
工業(yè)生產(chǎn)中使用的熱處理設(shè)備種類繁多，如窖爐、鼓風(fēng)爐、烘爐、退火爐、鍋爐等。如果按加溫方法分類，可將熱處理設(shè)備分為兩大類
(1) 電熱爐 這類設(shè)備通過(guò)電熱元件通電發(fā)熱而升溫，調(diào)節(jié)加入爐子的電功率則改變爐內(nèi)的溫度。電功率調(diào)節(jié)一般采用接觸器通斷控制、晶閘管移相觸發(fā)或通斷控制。這一類設(shè)備在工廠占有相當(dāng)大的比例。
(2) 燃料爐 這類設(shè)備通過(guò)燃燒燃料發(fā)熱而升溫，調(diào)節(jié)加入爐子的燃料量則改變爐內(nèi)的溫度。如鍋爐、焦?fàn)t等。常用燃料有煤、煤氣、重油等。燃料量的調(diào)節(jié)通常利用閥門(mén)、翻板等實(shí)現(xiàn)。這類設(shè)備在工廠中也占有較大比例
熱處理設(shè)備雖然種類繁多，控制方法各有差異，但對(duì)他們采用微機(jī)控制時(shí)，控制原理和方法是基本相同的。
電爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通過(guò)布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能,借助輻射與對(duì)流的傳熱方式加熱工件。通常可用以下公式定性描述
（1-1）
式中 X——電爐內(nèi)溫升（指爐內(nèi)溫度與室溫溫差)
K——放大系數(shù)
t——加熱時(shí)間
T——時(shí)間系數(shù)
V——控制電壓
τ0——純滯后時(shí)間
但在實(shí)際熱力過(guò)程中，由于被加熱金屬的導(dǎo)熱率、裝入量以及加熱溫度等因素的不同，直接影響著 K 、T 、τ0等參數(shù)的變化，因此電爐本身具有很大的不確定性[2-3]?！?
溫度控制在熱處理工藝過(guò)程中,是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)?？刂凭戎苯佑绊懼a(chǎn)品質(zhì)量的好壞。根據(jù)不同的目的，將材料及其制件加熱到適宜的溫度。
1.2 控制器發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 PID 控制器的發(fā)展現(xiàn)狀
在過(guò)去的 50 年，調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)的方法獲得了極大的發(fā)展。其中有利用開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)信息，如 Coon-Cohen 響應(yīng)曲線法；還有使用Nyquist 曲線法的，如Ziegler-Nichols 連續(xù)響應(yīng)法。然而這些調(diào)節(jié)方法只識(shí)別了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息的一小部分，不能理想的調(diào)節(jié)參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整 PID 參數(shù)。這樣能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整、短的整定時(shí)間、簡(jiǎn)便的操作，改善響應(yīng)特性而推動(dòng)了自整定 PID控制技術(shù)的發(fā)展。
自整定技術(shù)可追溯到 50 年代自適應(yīng)控制處于萌芽時(shí)期，60 年代國(guó)外有人設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)式的過(guò)程控制器，因其價(jià)格高、體積大、可靠性差而未能商品化。80 年代由于適用的控制理論的完善以及高性能微機(jī)的使用，才使得自整定控制器得以開(kāi)發(fā)，PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)設(shè)想已慢慢實(shí)現(xiàn)。
電爐溫度控制技術(shù)發(fā)展日新月異，從模擬 PID、數(shù)字 PID 到最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在現(xiàn)有的電加熱爐溫度控制方案中，PID 控制和模糊控制應(yīng)用最多，也最具代表性。
1.2.2 模糊 PID 控制
模糊控制的概念是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授 L.A.Zaden 首先提出的，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，模糊控制取得了矚目的成就。模糊控制適用于非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的控制對(duì)象，對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)噪聲也有較強(qiáng)的抑制作用，即魯棒性較好。但模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度。而 PID 控制正好可以彌補(bǔ)其不足，近年來(lái)已有不少將模糊技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)模糊邏輯控制的先例。在文獻(xiàn)中介紹了多種能提高 PID控制精度的模糊 PID 混合控制方案，例如：引入積分因子的模糊 PID 控制器；混合型模糊 PID 控制器；另外將其與其它先進(jìn)控制技術(shù)結(jié)合又有模糊自適應(yīng) PID 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊 PID 控制等。[6]
1.2.3 模糊自整定 PID 控制
模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，加上一個(gè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)參數(shù)自整定的要求。它將模糊控制和 PID 控制器兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有 PID 控制無(wú)靜差、穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。
圖1-1 模糊自整定 PID 控制
1.3 電爐采用模糊自整定 PID 控制的可行性
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，電爐隨著負(fù)荷變化或干擾因素的影響，其對(duì)象特性或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。電爐溫控具有升溫單向性、大時(shí)滯和時(shí)變的特點(diǎn)，如升溫靠電阻絲加熱，降溫依靠自然冷卻，溫度超調(diào)后調(diào)整慢，因此用傳統(tǒng)的控制方法難以得到更好的控制效果。另外對(duì)于 PID 控制，若條件稍有變化，則控制參數(shù)也需調(diào)整。自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)。但由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，控制過(guò)程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量表示，而模糊理論正是解決這一問(wèn)題的有效途徑。
人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件操作用模糊集表示并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息(如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始 PID 參數(shù)等)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì) PID 參數(shù)的最佳調(diào)整。
從以上的分析可知模糊自整定 PID 控制應(yīng)用在具有明顯的純滯后、非線性、參數(shù)時(shí)變類似于電爐這樣特點(diǎn)的控制對(duì)象可以獲得很好的控制性能。大量的理論研究和實(shí)踐也充分證明了用模糊自整定 PID 控制電爐溫度是一非常好的解決方法。它不僅能發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快和超調(diào)小的特點(diǎn)，又具有 PID 控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。因此在溫度控制器設(shè)計(jì)中，采用 PID 參數(shù)模糊自整定復(fù)合控制，實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)的在線自調(diào)整功能，可以進(jìn)一步完善 PID 控制的自適應(yīng)性能，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。[8]
第2章 自整定 PID 控制器的設(shè)計(jì)
模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)參數(shù)自整定的要求。它將模糊控制和 PID 控制器兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有 PID 控制精度高的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。[9]
2.1 模糊推理機(jī)的設(shè)計(jì)
模糊控制器是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)知識(shí)，模擬人的思維方法，把人用自然語(yǔ)言描述的控制策略改造成模糊控制規(guī)則，由模糊控制規(guī)則構(gòu)造出模糊關(guān)系，而把模糊關(guān)系作為模擬變換器，把輸入、輸出的模糊向量按模糊推理方法處理，進(jìn)而確定控制量。
2.1.1 模糊推理機(jī)的結(jié)構(gòu)
在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式。這類控制器都是以系統(tǒng)誤差 E和誤差變化率 EC為輸入語(yǔ)句變量，基本模糊控制器構(gòu)成原理圖如圖 2-1所示。
圖2-1 基本模糊控制器結(jié)構(gòu)原理圖
圖中：EK、CEK、UK 是量因子；、、 差e、誤差變化率ec及控制量u的模糊語(yǔ)言變量；E、EC、U 分別是與e、ec及u成比例的變量，其中E = EK×e，EC= CEK ×ec ，U =u/ UK 。
2.1.2 模糊推理機(jī)的設(shè)計(jì)
依據(jù)模糊控制的基本原理，基本模糊控制器設(shè)計(jì)概括起來(lái)包括如下內(nèi)容：
(1) 精確量的模糊化；
(2) 建立模糊控制規(guī)則和模糊關(guān)系；
(3) 輸出信息的決策。
2.1.2.1 精確量的模糊化
過(guò)程參數(shù)的變化范圍即模糊控制器輸入量的實(shí)際范圍稱為基本論域，它是一個(gè)連續(xù)域，在模糊控制中需要將語(yǔ)言變量的基本論域轉(zhuǎn)換成指定的有限整數(shù)的離散論域。假設(shè)某一語(yǔ)言變量的實(shí)際變化范圍為[a1，b1]，經(jīng)過(guò)量化因子 k 變換后的范圍為[a,b]=[ka1,kb1]。設(shè)論域取為離散論域[-n，n]之間變化的變量 Y為
(2-1)
按 Y 值大小，查隸屬度賦值表，將其歸類于某一模糊子集(如正大、負(fù)小等)。模糊子集通?？勺魅缦聞澐郑贺?fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。
模糊變量的模糊集和論域確定后，需對(duì)模糊語(yǔ)言變量確定隸屬函數(shù)，即所謂對(duì)模糊變量賦值，就是確定論域內(nèi)元素對(duì)模糊語(yǔ)言變量的隸屬度。對(duì)于同一個(gè)模糊概念，確定隸屬函數(shù)的方法多種多樣，沒(méi)有統(tǒng)一的模式。盡管形式上不完全相同，只要反映同一模糊概念，在解決和處理模糊問(wèn)題中仍然殊途同歸。隸屬函數(shù)形式有多種，可根據(jù)實(shí)際要求來(lái)確定。在實(shí)際應(yīng)用中為方便起見(jiàn)，常采用三角形、正態(tài)形、梯形。隸屬度賦值表是先根據(jù)實(shí)際問(wèn)題人為確定，再通過(guò)“學(xué)習(xí)”和實(shí)踐檢驗(yàn)逐步加以修正和完善的。在給定論域上確定模糊子集的隸屬函數(shù)要注意下面 3 個(gè)問(wèn)題：
(1) 任意兩個(gè)相鄰模糊子集的交集的最大隸屬度在 0.4～0.7 之間。這個(gè)值取的較小時(shí)控制作用比較靈敏；較大時(shí)，對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。
(2) 若 A 是一個(gè)模糊子集，如果 較大，則控制特性比較平緩，系統(tǒng)較為穩(wěn)定；若 較小，則控制作用的靈敏度較高。
(3) 為了保證控制作用的隸屬函數(shù)是單峰的，諸模糊子集必須正規(guī)突。
2.1.2.2 建立模糊控制規(guī)則和模糊關(guān)系
模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)原則是：當(dāng)誤差較大時(shí)，控制量的變化應(yīng)盡力使誤差迅速減小；當(dāng)誤差較小時(shí)，除了要消除誤差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)，甚至振蕩。[20]
模糊控制規(guī)則的一般形式為
ifis , is then is (=1,2,…;=1,2,…)
其中：,, 是模糊子集；表示被控量的設(shè)定值 Rf 對(duì)其實(shí)際值 Y的偏差 所對(duì)應(yīng)的模糊子集； 和 表示偏差變化率 ec和輸出控制量的模糊子集；m1 和 m2 分別是 和 的模糊子集劃分?jǐn)?shù)目。[11]
上述模糊條件語(yǔ)句可歸結(jié)為一個(gè)模糊關(guān)系 R，即
(2-2)
式中 符號(hào)“×”表示“Cartesian”積
如果偏差、偏差變化率分別取為 和 ，根據(jù)模糊推理合成規(guī)則，輸出的控制量是模糊子集 ，那么
(2-3)
即 (2-4)
式中 X，Y，Z——，，模糊子集的論域
“”和“”——“取大”和“取小”運(yùn)算
2.1.2.3 輸出信息的模糊決策
模糊控制器的輸出是模糊子集，它反映控制語(yǔ)言的不同取值的一種組合。但被控對(duì)象只能接受一個(gè)精確的控制量，因此需要從輸出的模糊子集中判決出一個(gè)控制量，將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，也就是說(shuō)推導(dǎo)出一個(gè)由模糊子集到普通集合的映射，這個(gè)映射稱之為判決?，F(xiàn)在的解模糊判決方法通常有以下三種：最大隸屬度法、取中位數(shù)法、隸屬度加權(quán)平均法等。最大隸屬度法是直接選擇模糊子集中隸屬度最大的元素(或該模糊子集隸屬度最大處的真值)作為控制量。它能突出主要信息，計(jì)算簡(jiǎn)單，但丟失了很多次要的信息，比較粗糙，適應(yīng)于控制性能要求一般的控制系統(tǒng)。
論域 U 上把隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積平分為兩部分的元素Z*稱為模糊集的中位數(shù)。中位數(shù)法就是把模糊集中位數(shù)作為系統(tǒng)控制量。與最大隸屬度法相比教，中位數(shù)法概括了更多的信息，但計(jì)算復(fù)雜，特別是在連續(xù)隸屬函數(shù)時(shí)，需求解積分方程，因此應(yīng)用場(chǎng)合比加權(quán)平均法少。
加權(quán)平均法是糊模控制系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛的一種判決方法。這一方法有三種形式，即普通加權(quán)平均法，權(quán)系數(shù)加權(quán)平均法和μ≥ 0.5加權(quán)平均法。[10]
本設(shè)計(jì)采用普通加權(quán)平均法
設(shè)
模糊集，取各隸屬度為加權(quán)系數(shù)，則控制量U 由下式?jīng)Q定
(2-5)
2.2 模糊自整定 PID 控制器
這種智能 PID 模糊控制器分兩步整定 PID 參數(shù)。第一步，初始 PID 參數(shù)的整定：先測(cè)定被控對(duì)象參數(shù)的粗略值，應(yīng)用初值整定規(guī)則確定 PID 的初始值；第二步，PID 參數(shù)的在線整定：監(jiān)測(cè)控制系的響應(yīng)過(guò)程，將其模糊化，綜合用戶期望、控制目標(biāo)類型、對(duì)象參數(shù)等，運(yùn)用模糊推理自動(dòng)進(jìn)行 PID 參數(shù)的在線整定。[9]
2.2.1 PID 參數(shù)對(duì) PID 控制性能的影響
PID 控制器時(shí)域內(nèi)的控制模型為
(2-6)
計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，PID 控制作用的離散化形式一般表示為
(2-7)
增量形式為
(2-8)
式中 KP －－比例系數(shù)
KI －－積分系數(shù)，KI = KPT/TI
KD －－微分系數(shù)，KD = KPTD/T ，T 為采樣周期
TI －－積分時(shí)間
TD －－微分時(shí)間
e(k)－－第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值
由于KP、KI、KD是表征 PID 控制器在控制過(guò)程中的比例、積分、微分作用的程度，因此從系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和控制精度等各方面特性來(lái)考慮 PID 控制器三個(gè)參數(shù)對(duì) PID 控制品質(zhì)的影響。
比例控制的特點(diǎn)是：誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP，比例系數(shù)KP的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。KP越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；KP取值過(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使系統(tǒng)動(dòng)作緩慢，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)特性變壞。
積分作用系數(shù)KI能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但它的不足之處在于積分作用具有滯后特性。KI越大，靜態(tài)誤差消除越快，但KI過(guò)大，在響應(yīng)初期會(huì)產(chǎn)生積分過(guò)飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。若KI太小，系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。
微分作用系數(shù)KD是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，主要在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但KD過(guò)大，會(huì)引起較大的超調(diào)，使被調(diào)量激烈振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，降低系統(tǒng)的抗干擾性能；若KD太小，微分作用太弱，調(diào)節(jié)質(zhì)量改善不大。
綜上所述，PID 三個(gè)參數(shù)取值大小，對(duì)控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)性能影響很大，KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)的整定要根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型G(s)的參數(shù)來(lái)確定。對(duì)于非線性負(fù)載和時(shí)延、時(shí)變負(fù)載，以及難以用 G(s)描述的負(fù)載，這三個(gè)參數(shù)的整定就很困難，因此我們?cè)诨谄渌椒?例如SPAM 法等)整定出來(lái)的KP、KI、KD初值的基礎(chǔ)上，采用模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)在線調(diào)整 PID 參數(shù)，從而達(dá)到抑制大范圍的擾動(dòng)，改進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的目的。
2.2.2 模糊自整定 PID 控制器
模糊自整定 PID 控制器原理圖如圖2-2所示。[10]
圖2-2 模糊自整定 PID 控制
模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)參數(shù)自整定的要求。它將模糊控制和 PID 控制器兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有 PID 控制無(wú)靜差、穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。
2.3 模糊自整定 PID 控制器性能的研究
為了便于比較模糊自整定 PID 控制器與常規(guī) PID 控制器的性能差別，選擇典型二階純滯后對(duì)象作為模型，改變模型參數(shù)，利用 Matlab 仿真，觀察分析二種控制方式的階躍響應(yīng)曲線及二者之間差異。
二階純滯后慣性環(huán)節(jié)的模型為
(2-9)
其中，增益系數(shù) K=4。分別改變模型的慣性時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間，分析在三種控制方式下，它們對(duì)系統(tǒng)特性的影響。取設(shè)定值 SP=50 ，KP0 = 0.4， KI0 = 0.07 ， KD0 =0.06，這組調(diào)節(jié)系數(shù)是在常規(guī) PID 控制方式下，被控對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)T1 =1、T2 = 4，純滯后時(shí)間Td = 0時(shí)系統(tǒng)的整定參數(shù)。
2.3.1 Matlab 仿真結(jié)構(gòu)圖
在SIMULINK中，建立PID控制器仿真圖如圖2-3所示，并將它封裝為PID子模塊。
圖 2-3 PID控制器仿真結(jié)構(gòu)圖
利用模糊控制工具箱中的Fuzzy Logic Controller模塊，將它和PID子模塊連接
起來(lái)可以封裝成為Fuzzy-PID控制器，結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。
圖2-4 Fuzzy-PID仿真結(jié)構(gòu)圖
將Fuzzy-PID控制器加入到控制系統(tǒng)的模型中，并對(duì)其運(yùn)用Smith預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)
償校正，從而得到整個(gè)控制系統(tǒng)的模型，如圖2-5所示。然后就可以根據(jù)輸出結(jié)果
來(lái)判斷控制器的性能。通過(guò)對(duì)輸出結(jié)果的分析，可以對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和模糊控制器的控
制規(guī)則進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使控制系統(tǒng)的性能達(dá)到最佳。
圖2-5 參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)
在MATLAB環(huán)境中運(yùn)行該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以利用示波器觀察輸出的情況，也可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MATLAB的工作空間的指定變量中，再利用繪圖命令將曲線輸出到單獨(dú)的窗口中。[19]
2.3.2 慣性時(shí)間常數(shù)的影響
保持對(duì)象增益和純滯后時(shí)間不變，分別取三組慣性時(shí)間常數(shù)作特性比較，觀察系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象慣性時(shí)間變化的能力。
純滯后時(shí)間Td=2
圖2-6 常規(guī)PID控制特性曲線
圖2-7 模糊自整定PID控制特性曲線
圖中，曲線1、2、3 分別為被控對(duì)象慣性時(shí)間常數(shù)T1=1，T2=4；T1=3，T2=8；T1=5，T2=12的特性曲線
對(duì)比圖2-6和2-7可以看出：
① 模糊自整定PID控制特性曲線的超調(diào)很小，控制精度和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于常規(guī)PID控制，但上升時(shí)間改善不多。
② 對(duì)于對(duì)象的性時(shí)間常數(shù)的變化，模糊自整定PID控制器明顯比常規(guī)PID控制器適應(yīng)能力比強(qiáng)。
③ 慣性時(shí)間常數(shù)T1=1，T2=4的被控對(duì)象的特性曲線不理想。
2.4 仿真結(jié)果分析
根據(jù)前面的仿真實(shí)驗(yàn)和仿真分析，可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
(1) 模糊自整定PID控制對(duì)慣性時(shí)間常數(shù)變化的適應(yīng)能力比常規(guī)PID控制強(qiáng)；
(2) 模糊自整定PID控制的動(dòng)態(tài)特性、控制精度比常規(guī)PID控制好；
(3) 模糊自整定PID控制系統(tǒng)比常規(guī)PID控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。
第3章 系統(tǒng)硬件和電路設(shè)計(jì)
3.1 引言
電爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，其本身是一個(gè)較為復(fù)雜的被控對(duì)象，雖然可用以下模型定性描述它
（3-1）
式中 K －－放大系數(shù)
T －－時(shí)間系數(shù)
τ－－純滯后時(shí)間
但在實(shí)際熱力過(guò)程中，由于實(shí)際工況的復(fù)雜性(加工工件的材質(zhì)、初溫、升溫、幅度規(guī)格、裝爐量以及電氣環(huán)境等因素)，使得上述數(shù)學(xué)模型偏離實(shí)際情況相當(dāng)嚴(yán)重，本文將在具有在線自調(diào)整功能模糊自整定PID控制器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)爐溫控制系統(tǒng)，以期較理想地解決被加熱物件透燒過(guò)程的測(cè)量與控制。
3.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)組成框圖如圖3-1所示。
圖3-1 電爐溫度控制系統(tǒng)
3.3 溫度檢測(cè)電路
溫度檢測(cè)是溫度控制系統(tǒng)的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到系統(tǒng)性能。在微機(jī)溫度控制系統(tǒng)中，溫度的檢測(cè)不僅要完成溫度到模擬電壓量的轉(zhuǎn)換，還要將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)值量送計(jì)算機(jī)。其一般結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。
圖3-2 溫度數(shù)字檢測(cè)的一般結(jié)構(gòu)
3.3.1 溫度傳感器
溫度傳感器將測(cè)溫點(diǎn)的溫度變換為模擬電壓，其值一般為mV級(jí)，需要放大為滿足模/數(shù)轉(zhuǎn)換要求的電壓值。微機(jī)通過(guò)控制把電路電壓送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，得到表示溫度的電壓數(shù)字量，再用軟件進(jìn)行標(biāo)度變換與誤差補(bǔ)償，得到測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)際溫度值。
溫度傳感器種類繁多，但在微機(jī)溫度控制系統(tǒng)中使用得傳感器，必須是能夠?qū)⒎请娏孔儞Q成電量得傳感器，此次設(shè)計(jì)中選用的是熱電偶傳感器，熱電偶傳感器是工業(yè)溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛得一種傳感器，具有精確度高、測(cè)量范圍廣、構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。熱電偶是由兩種不同材料得導(dǎo)體A和B連接在一起構(gòu)成得感溫元件，如圖3-3所示。A和B得兩個(gè)接點(diǎn)1和2之間穿在溫度差時(shí)，回路中便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，形成一定大小得電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，也叫溫差效應(yīng)。熱電偶就是利用這個(gè)原理測(cè)量 溫度的[5]。
圖3-3 熱電偶測(cè)溫原理圖
3.3.2 測(cè)量放大器的組成
測(cè)量放大器的基本電路如圖3-4所示。
圖3-4 測(cè)量放大器的原理圖
測(cè)量放大器由三個(gè)運(yùn)算放大器組成，其中A1、A2兩個(gè)同相放大器組成前級(jí)，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào)加在A1、A2的同相輸入端從而具有高抑止共模干擾的能力和高輸入阻抗。差動(dòng)放大器A3為后級(jí),它不僅切斷共模干擾的傳輸,還將雙端輸入方式變換成單端輸出方式,適應(yīng)對(duì)地負(fù)載的需要。
測(cè)量放大器的放大倍數(shù)用下面公式計(jì)算
（3-2）
式中，為用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的外接電阻，通常采用多圈電位器，并靠近組件，若距離較遠(yuǎn)，應(yīng)將聯(lián)線膠合在一起，改變可使放大倍數(shù)在1～1000范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
3.3.3 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方法
用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，熱電偶的工作端（熱端）被放置在待測(cè)溫場(chǎng)中，而自由端（冷端）通常被放在0℃的環(huán)境中。若冷端溫度不是0℃，則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，此時(shí)要進(jìn)行冷端補(bǔ)償。冷端補(bǔ)償方法較多，在本次的設(shè)計(jì)中我們采用的冷端溫度補(bǔ)償為電橋式冷端補(bǔ)償。[35]
對(duì)與冷端溫度補(bǔ)償器，在工業(yè)上采用如圖3-5所示補(bǔ)償電橋的冷端補(bǔ)償電路。
圖3-5 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電橋
圖中所示的補(bǔ)償電橋橋臂電阻R1、R2、R3和RCu通常與熱電偶的冷端置于相同的環(huán)境中。取，用錳銅線繞成；RCu是用銅導(dǎo)線繞制成的補(bǔ)償電阻。RS是供橋電源E的限流電阻，RS由熱電偶的類型決定。若電橋在20℃時(shí)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)冷端溫度升高時(shí)，RCu補(bǔ)償電阻將隨之增大，則電橋a、b兩點(diǎn)間的電壓Vab也增大，此時(shí)熱電偶溫差電勢(shì)卻隨冷端溫度升高而降如果Vab的增加量等于熱電偶溫差電勢(shì)的減小量，則熱電偶輸出電勢(shì)VAB的大小將保持不變，從而達(dá)到冷端補(bǔ)償?shù)哪康?。[36]
3.4 多路開(kāi)關(guān)的選擇
在本次的設(shè)計(jì)中，我們的溫度傳感器有5個(gè)，因此，我們采用了一種16的多路開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)溫度傳感器的巡回檢測(cè)。
CC4067是單片. CMOS.16通道.模擬多路轉(zhuǎn)換器。該電路包括16選1的譯碼器和譯碼器的輸出分別控制的16個(gè)CMOS雙向開(kāi)關(guān)，通道的輸出狀態(tài)由電路外部輸入的地址A.B.C.D所決定。
CC4067可用模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)去控制模擬開(kāi)關(guān)的接通或斷開(kāi)，具有低的導(dǎo)通電阻和高的斷開(kāi)電阻，所控制的模擬信號(hào)最大峰值為15V，而數(shù)字信號(hào)的幅度3V-5V .
CC4067芯片具有禁止端inh。當(dāng)禁止時(shí)，inh=1，這時(shí)所有的雙向開(kāi)關(guān)均不接通，在公共端呈現(xiàn)高阻抗。
1、主要性能
CMOS工藝制造；直接驅(qū)動(dòng) DTL/TTL/CMOS電平；單路、16選1模擬多路轉(zhuǎn)換器；具有雙向轉(zhuǎn)換功能；單電源供電；標(biāo)準(zhǔn)24引腳DIP封裝；功耗：1.5mW；開(kāi)關(guān)接通電阻：180歐（typ）;開(kāi)關(guān)接通時(shí)間：1.5us(max);開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)間：1us(max).
2、CC4067引腳圖示與圖3-6。
圖3-6 CC4067引腳圖
3、 CC4067功能框圖如圖3-7所示。
圖3-7 CC4067功能框圖
3.5 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及連接
5G14433是我國(guó)制造的31/2位模/數(shù)變換器，是目前市場(chǎng)上廣泛流行的最典型的雙積分模/數(shù)變換器。該芯片具有抗干擾性能好、轉(zhuǎn)換精度高、自動(dòng)校零、自動(dòng)極性輸出、自動(dòng)量程控制信號(hào)輸出、外接元件少、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。因此廣泛應(yīng)用在低速微控制器應(yīng)用系統(tǒng)，智能儀表和數(shù)字三用表等領(lǐng)域。5G14433與國(guó)外型號(hào)MC14433兼容。
5G14433的外部連接電路，盡管5G14433外部連接元件很少，但為使其工作于最佳狀態(tài)，也必須注意外部電路的連接和外接元件的選擇，其實(shí)際連接電路如圖3-8所示。為了提高電源抗干擾的能力，正，負(fù)電源分別通過(guò)去耦電容0.047uF、0.02uF與Vss（VAG）相連。圖中DU端和EOC端短接，以選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，使每一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果都輸出。
圖3-8外部連接電路
當(dāng)C1=0.1uF，VDD=5V，fCLK=66KHz時(shí)，若Vxmax=+2V，則R1=480KΩ；若Vxmax=+200mV，則R1=28KΩ。外接失調(diào)補(bǔ)償電容固定為0.1uF。外接時(shí)鐘電阻Rc=470KΩ時(shí)，fLCK≈66KHz;當(dāng)Rc=200KΩ時(shí)，fLCK=140KHz。實(shí)際電路中一般取Rc=300KΩ。
3.6 單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展
3.6.1系統(tǒng)擴(kuò)展概述
MCS—51系列單片機(jī)的功能較強(qiáng)，從一定意義上說(shuō)，一塊單片機(jī)就相當(dāng)于一臺(tái)單片機(jī)的功能。這就使得在智能儀器、儀表、小型檢測(cè)及控制系統(tǒng)、家用電器中可直接應(yīng)用單片機(jī)而不必再擴(kuò)展外圍芯片，使用極為方便。但對(duì)于一些較大的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單片機(jī)片內(nèi)所具有的功能將顯得不足，這時(shí)就必須在片外連接一些外圍芯片。這些外圍芯片，既可能是存儲(chǔ)器芯片，也可能是輸入/輸出接口芯片。
系統(tǒng)的擴(kuò)展一般有以下幾方面的內(nèi)容：
①外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展；
②外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展；
③輸入/輸出接口的擴(kuò)展；
④管理功能器件的擴(kuò)展（如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、鍵盤(pán)/顯示器、中斷優(yōu)先編碼等）。
3.6.2常用擴(kuò)展器件簡(jiǎn)介
一、總線驅(qū)動(dòng)器74LS244
總線驅(qū)動(dòng)器74LS244經(jīng)常用作三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器，74LS244為單向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器，而74LS244為雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器。單向的內(nèi)部有8個(gè)三態(tài)驅(qū)動(dòng)器，分成兩組，分別由控制端1G和2G控制；雙向的有16個(gè)三態(tài)驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)方向8個(gè)。在控制端G有效時(shí)（G為低電平），由DIR端控制驅(qū)動(dòng)方向；DIR為“1”時(shí)方向從左到右（輸出允許），DIR為“0”時(shí)方向從右到左（輸入允許）。74LS244的引腳如圖3-9所示。
圖3-9 74LS244的引腳
二、地址鎖存器74LS373
74LS373是一種帶輸出三態(tài)門(mén)的8D鎖存器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-10所示。
圖3-10 74LS373的結(jié)構(gòu)圖
其中：1D～8D為8個(gè)輸入端。1Q～8Q為8個(gè)輸出端。G為數(shù)據(jù)打入端:當(dāng)G為1時(shí),鎖存器輸出端狀態(tài)(1Q～8Q)同輸入狀態(tài)(1D～8D)；當(dāng)G由1變0時(shí),數(shù)據(jù)打入鎖存器中。OE為輸出允許端;當(dāng)OE＝0時(shí),三態(tài)門(mén)打開(kāi);當(dāng)OE＝1時(shí),三態(tài)門(mén)關(guān)閉,輸出呈高阻。
在MCS－51單片機(jī)系統(tǒng)中,經(jīng)常采用74LS373作為地址鎖存器使用,其連接方法如圖3-11所示。其中輸入端１Ｄ～８Ｄ接至單片機(jī)的Ｐ０口，輸出端１Ｑ～８Ｑ提供的是地址的低８位，Ｇ端接至單片機(jī)的地址鎖存器信號(hào)ＡＬＥ。輸出允許端OE接地表示輸出三態(tài)門(mén)一直打開(kāi)。
圖3-11 74LS373的結(jié)構(gòu)圖
3.7存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
3.7.1程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
3.7.1.1只讀存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介
半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory）和只讀存儲(chǔ)器（Read Only Memory）兩大類，前者主要用于存放數(shù)據(jù)，后者主要用于存放程序。只讀存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是信息一旦寫(xiě)入之后就不能隨意跟更改，特別是不能在程序運(yùn)行過(guò)程中寫(xiě)入新的內(nèi)容，而只能讀出其中的內(nèi)容，故稱之為只讀存儲(chǔ)器；只讀存儲(chǔ)器的另一個(gè)特點(diǎn)是斷電以后信息不會(huì)消失，能夠長(zhǎng)久保存。
只讀存儲(chǔ)器是由MOS管陣列構(gòu)成的，以MOS管的接通或斷開(kāi)來(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息。按照程序要求確定ROM存儲(chǔ)陣列中各MOS管狀態(tài)的過(guò)程叫做ROM編程。
3.7.1.2 EPROM2764簡(jiǎn)介
1） 2764的引腳
自從EPROM276芯片被逐漸淘汰后，目前比較廣泛采用的是2764芯片為雙列直插式28引腳的標(biāo)準(zhǔn)芯片，容量為8K×8位，其管角如圖3-12所示。
圖3-12 2764的引腳
其中：A12～A0：13位地址線。D7～D0：8位數(shù)據(jù)線。CE：片選信號(hào)，低電平有效。OE：輸出允許信號(hào)，當(dāng)OE=0時(shí)，輸出緩沖器打開(kāi)，被尋址單元的內(nèi)容才能被賣(mài)出。
Vpp：編程電源，當(dāng)芯片編程時(shí)，該端加上編程電壓（+25V或+12V）；正常使用時(shí)，該端加+5V電源。（NC為不用的管腳）。
2） 2764的工作時(shí)序
2764在使用時(shí)，只能將其所存儲(chǔ)的內(nèi)容讀出，其過(guò)程與RAM的讀出十分類似。即首先送出要讀出的單元地址，然后使CE和OE均有效（低電平），則在芯片的D0～D7數(shù)據(jù)線上就可以輸出要讀出的內(nèi)容。其過(guò)程的時(shí)序關(guān)系如圖3-13所示
圖3-13 2764的工作時(shí)序
EPROM的一個(gè)重要特點(diǎn)就是在于它可以反復(fù)擦除，即在其存儲(chǔ)的內(nèi)容擦除后可通過(guò)編程（重新）寫(xiě)入新的內(nèi)容。這就是用戶調(diào)試和修改程序帶來(lái)很大的方便。EPROM的編程過(guò)程如下：
（1）擦除：如果EPROM芯片是第一次使用的新芯片，則它是干凈的。干凈的標(biāo)志通常是一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都是FFH。若芯片是使用過(guò)的，則它需要利用紫外線照射其窗口，以便將其內(nèi)容擦除干凈。一般照射擊15～20min即可擦除干凈。
（2）編程：EPROM的編程有兩種方式：標(biāo)準(zhǔn)編程和靈巧編程。標(biāo)誰(shuí)編程的過(guò)程為：將Vcc接+5V電源，Vpp接+21V電源（注意：不同廠家的芯片其編程電壓Vpp是不一樣的），然后輸入需編程的單元地址，在數(shù)據(jù)線上加上要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，使CE保持低電平，OE為高電平。當(dāng)上述信號(hào)穩(wěn)定后，在PGM端加上50±5ms的負(fù)脈沖。這樣就將1個(gè)字節(jié)的數(shù)居寫(xiě)到了相應(yīng)的地址單元中。重復(fù)上述過(guò)程，即可將要寫(xiě)入編程過(guò)程。
標(biāo)準(zhǔn)編程中，每寫(xiě)入1個(gè)字節(jié)需要50ms左右的時(shí)間，對(duì)于2764來(lái)說(shuō)共需7～8分鐘時(shí)間。而且芯片容量愈大，所需的時(shí)間就愈多。另一方面，編程脈沖愈寬，芯片功耗愈大，芯片愈容易損壞。這此，人們提出了另一個(gè)編程方式靈巧編程。[40]
2764與單片機(jī)的連接圖如圖3-14示。
圖3-14 2764與單片機(jī)的連接圖
3.7.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
3.7.2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器概述
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器即隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory），簡(jiǎn)稱RAM，用于存放可隨時(shí)修改的數(shù)據(jù)信息。它與ROM不同，對(duì)RAM可以進(jìn)行讀、寫(xiě)兩種操作。RAM為易失性存儲(chǔ)器，斷電后所存信息立即消失。按半導(dǎo)體工藝，RAM分為MOS型和雙極型兩種。MOS型集成度高、功耗低、價(jià)格便宜，但速度較慢。雙極型的特點(diǎn)恰好相反。在單片機(jī)系統(tǒng)中多數(shù)采用MOS型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，使得輸入輸出信號(hào)能與TTL相兼容，擴(kuò)展后的信號(hào)連接也很方便。
按工作方式，RAM分為靜態(tài)（SRAM）和動(dòng)態(tài)（DRAM）兩種。靜態(tài)RAM只要電源加上，所存信息就能可靠保存。而動(dòng)態(tài)RAM使用的是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元，需要不斷進(jìn)行刷新以便周期性地再生，才能保存信息。動(dòng)態(tài)RAM的集成密度大，如集成同樣的位容量，那么動(dòng)態(tài)RAM所占芯片面積只是靜態(tài)RAM的四分之一。此外動(dòng)態(tài)RAM的功耗低，價(jià)格便宜。由于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器要增加刷新電路，因此只適用于較大的系統(tǒng)，而在單片機(jī)系統(tǒng)中則很少使用。
3.7.2.2 靜態(tài)RAM6264簡(jiǎn)介
6264是8K×8位的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片，采用CMOS工藝制造，為28引腳雙列直插式封裝，其引腳圖如圖3-15所示。
圖3-15 RAM6264引腳圖
需要說(shuō)明的是，6264有兩個(gè)片選信號(hào)CE1和CE2，只有當(dāng)CE1＝0，CE2＝1時(shí)，芯片才被選中。在實(shí)際應(yīng)用中，往往只用其中1個(gè)，而將另一個(gè)接成常有效；也可以將系統(tǒng)片選信號(hào)以及取反后的信號(hào)分別接至CE1和CE2端。
3.7.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展舉例
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展與程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展相類似，不同之處主要在與控制信號(hào)的接法不一樣，不用PSEN信號(hào)，而用RD和WR信號(hào)，且直接與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的OE端和WE端相連即可。
圖3-16為外擴(kuò)1片6264的連接圖。采用線選法，將片選信號(hào)CE1與P2.7相連，片選信號(hào)CE2與P2.6相連。其地址譯碼關(guān)系為：
A15 A14 A13 A12 A11 A10
0
1
·
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
所占用的地址為:
第一組 4000H～5FFFH (A13＝0) 第二組 6000H～7FFFH (A13＝1)
圖3-16 擴(kuò)展一片RAM6264的連接圖
3.8 單片機(jī)I/O口的擴(kuò)展（8155擴(kuò)展芯片）
3.8.1 8155的結(jié)構(gòu)和引腳
Intel 8155是一種多功能的可編程的可編程接口芯片，它具有3個(gè)可編程I/O（A口和B口是8位，C口是6位）、1個(gè)可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和256B的RAM，能方便地進(jìn)行I/O擴(kuò)展和RAM擴(kuò)展，其組成框圖及引腳如圖3-17所示。
圖3-17 8155引腳和結(jié)構(gòu)圖
8155為40腳雙列直插式封裝，其引腳的功能及特點(diǎn)說(shuō)明如下：
RESET：復(fù)位端，高電平有效。當(dāng)RESET端加入5us左右寬的正脈沖時(shí)，8155初始化復(fù)位。把A口、B口、C口均初始化為輸入方式。
AD0～AD7：三態(tài)地址數(shù)據(jù)總線。采用時(shí)方法區(qū)分地址及數(shù)據(jù)信息。通常與MCS-51單片機(jī)的P0口相連。其地址碼可以是8155中RAM單元地址或I/O地址。地址信息由ALE的下降沿鎖存到8155的地址鎖存器中，與RD和WR信號(hào)配合輸入或輸出數(shù)據(jù)。
CE：片選信號(hào)端，低電平有效。它與地址信息一起由ALE信號(hào)的下降沿鎖到8155的鎖存器中。
IO/M：RAM和I/O接口選擇端。IO/M=0時(shí)，選中8155的片內(nèi)RAM，AD0～AD7為RAM地址（00H～FFH）；IO/M=1時(shí)，選中8155片內(nèi)3個(gè)I/O接口以及命令/狀態(tài)寄存器和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。AD0～AD7為I/O接口地址，見(jiàn)下表3-1。
表3-1 8155口地址分配
AD7-AD0
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
選中的寄存器
X x x x x 0 0 0
X x x x x 0 0 1
X x x x x 0 1 0
X x x x x 0 1 1
X x x x x 1 0 0
X x x x x 1 0 1
命令/狀態(tài)寄存器
A口（PA0-PA7）
B口（PB0-PB7）
C口（PC0-PC7）
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器低B位寄存器
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器高B位寄存器及工作方式2位
RD：讀選通信號(hào)端。低電平有效。當(dāng)CE=0、RD=0時(shí)，將8155片內(nèi)RAM單元或I/O接口的內(nèi)容傳送到AD0～AD7總線上。
WR：寫(xiě)選通信號(hào)端，低電平有效。當(dāng)CE=0、WR=0時(shí)，將CPU輸出送到AD0～AD7總線上的信息寫(xiě)到片內(nèi)RAM單元或I/O借口中。
ALE：地址鎖存允許信號(hào)端。ALE信號(hào)的下降沿將AD0～AD7總線上的地址信息和CE及IO/M的狀態(tài)信息都鎖存到8155內(nèi)部鎖存器中。
PA7～PA0：A口通用輸入/輸出線。它由命令寄存器中的控制字來(lái)決定輸入/輸出。
PA7～PB0：B口通用輸入/輸出線。它由命令寄存器中的控制字來(lái)決定輸入/輸出。
PC5～PC0：可用編程的方法來(lái)決定C口作為通用輸入/輸出線或作A口、B口數(shù)據(jù)傳送的控制應(yīng)答聯(lián)絡(luò)線。
TIME IN：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器脈沖輸入端。
TIME OUT：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器矩形脈沖或方波輸出端（取決于工作方式）。
Vcc：+5電源端。
Vss：接地端。
3.8.2 8155的控制字的及其工作方式
1）、命令/狀態(tài)字的格式及功能
8155的I/O接口的工作方式選擇是通過(guò) 對(duì)8155內(nèi)部寄存器送命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，命令寄存器由8位鎖存器組成，只能寫(xiě)入、不能讀出。命令字每位的定義如下所示：
AINTR：A口中斷請(qǐng)求信號(hào)
ABF：B口緩沖器信號(hào)
ASTB：A口選通信號(hào)
BINTR：B口中斷請(qǐng)求信號(hào)
BBF：B口緩沖滿信號(hào)
BSTB：B口選通信號(hào)
8155的狀態(tài)寄存器口地址和命令寄存器相同。與控制字相反，狀態(tài)字寄存器只能讀出、不能寫(xiě)入，其格式及定義如圖3-18，3-19所示：
圖3-18 8155狀態(tài)字格式
圖3-19 8155狀態(tài)字定義
3.8.3 8155與8031的連接
如圖3-20所示為8155與8031的連接
圖3-20 8155與8031的連接
3.9 看門(mén)狗、報(bào)警、復(fù)位和時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)
3.9.1 看門(mén)狗電路的設(shè)計(jì)
為提高系統(tǒng)的可靠性,由硬件的 “看門(mén)狗”。由NE555定時(shí)器構(gòu)成的看門(mén)狗電路如圖3-21所示R3、C6為定時(shí)元件，由單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生的正脈沖寬度為，C5用于濾除高頻干擾。下面分析看門(mén)狗電路的工作原理：
1、當(dāng)系統(tǒng)工作正常時(shí)，看門(mén)狗電路不起作用。
2、當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行不正常時(shí)，8031不能給定時(shí)器送去觸發(fā)脈沖，NE555中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就輸出脈寬大于4us的負(fù)脈沖，經(jīng)F6反相后加至80C31的復(fù)位端，使系統(tǒng)能可靠地復(fù)位，迅速恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。
圖3-21 看門(mén)狗電路
3.9.2 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)
當(dāng)溫度過(guò)大地超了給定的溫度時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在這方面的設(shè)計(jì)中我們采用了如圖3-22所示的報(bào)警電路。其工作原理是：溫度過(guò)高時(shí)，單片機(jī)就從P1.5口發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)，經(jīng)反向后使發(fā)光二極管發(fā)光，同時(shí)使蜂鳴器發(fā)音，從而達(dá)到報(bào)警的日的。
圖3-22 報(bào)警電路
3.9.3復(fù)位電路的設(shè)計(jì)
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。另外，單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)與應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)位狀態(tài)又是密切相關(guān)的，因此，必須熟悉單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)。
一、復(fù)位
單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖（2個(gè)機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RST引腳保持10ms以上的高電平。只要RST保持高電平，則MCS-51單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)要注意以下幾點(diǎn)：