（机械电子工程专业论文）拉丝机温度监控系统的研制.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 拉丝机温度监控系统的研制 机械电子工程 张明 郝迎吉 摘要 ( 签名) 丛。蛆 ( 签名) 盎垒丘 注塑设备多点温度控制是拉丝机系统的重要组成部分，其控制性能的好坏、多点温 度的准确调节、反应速度的快慢等直接影响拉丝机输出产品的质量。本文设计了一种基 于单片机的温度监控系统，用于对拉丝机注塑设备中的温度进行监控。 该温度监控系统的下位机由8 0 5 1 f 与a v r 两种类型的单片机构成，包括温度传感器 组、功率加热系统等部分，远程操作系统由计算机通过c a n 总线来实现。为了实现高精 度温度测量，本系统采用了8 0 5 1 f 3 5 0 内部集成的2 4 位高速率a d 转换器；每路超过2 0 k w 的大功率可控硅控制部分采用高速低功耗、抗干扰性强的a t m e g a 4 8 作为控制芯片，发出 控制脉冲改变可控硅的导通，从而控制加热模块的输出功率以实现恒温控制；因加热系 统是一个具有滞后、热惯性的多变量非线性时变系统，因此在控制过程中使用了p i d ( 比 例、积分、微分) 算法对温度偏差( 即温度给定值和温度过程变量值的差) 进行运算以 得出控制数据。同时，在软、硬件设计中采用的抗干扰措施提高了系统的可靠性。 系统的软件设计包括计算机软件和单片机软件。计算机软件以l a bw i n d o w s c v l 6 0 为开发平台，实现了单片机和计算机之间的可靠通信，并且完成了对数据的处理及实时 显示，同时具有数据存储、曲线显示、打印输出等功能。单片机软件主要实现a d 转换、 p i d 控制算法及输出控制脉冲等功能，编程中将温度采集、p i d 计算过程与计算结果的 处理有机结合，实现了多路温控点的恒温控制。 该系统已按期交付给用户，经过这段时间的实际使用，该系统软、硬件运行良好， 各项技术指标均达到设计要求。 关键词：拉丝机；单片机；温度测量、控制；p i d 算法：l a bw i n d o w s c v i 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho fat e m p e r a t u r ec o l l e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m f o rw i r ed r a w i n gm a c h i n e s s p e c i a l t y ：m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：z h a n gm i n g i n s t r u c t o r ：h a oy i n g - j i a b s t r a c t ( s i g n a t u ( s i g n a t u r e ) t h em u l t i - p o i n tt e m p e r a t u r ec o n t r o lf o rp l a s t i ci n j e c t i o nd e v i c ei st h ei m p o r t a n t c o n s t i t u e n tp a r to fw i r ed r a w i n gm a c h i n e s i t sf u n c t i o n so fc o n t r o l ，m u l t i - p o i n tt e m p e r a t u r e a c c u r a c y - t u n e da n d t h es p e e do fr e s p o n s ei n f l u e n c et h ep r o d u c t sq u a l i t yw h i c hi so u t p u tf r o m w i r ed r a w i n gm a c h i n e s 弧i sa r t i c l ed e s i g n sat e m p e r a t u r ec o l l e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m b a s e do nt h es i n g l e s h i p ，a n di ti su s e dt oc o l l e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r ei nt h e p l a s t i ci n j e c t i o nd e v i c eo f w i r ed r a w i n gm a c h i n e s t h em u l t i 。p o i n tt e m p e r a t u r ec o l l e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mu s e sah a r d w a r ep a r t w h i c hc o n s i s t so f8 0 51fa n da v rt h et w ok i n d so fs i n g l e s h i p s ，a n d i ti sc o m b i n e db y t e m p e r a t u r es e n s o ra n dp o w e rh e a t i n gs y s t e m t h el o n g d i s t a n c eo p e r a t i n gs y s t e mi sc a r r i e d o u tb yc o m p u t e rt h r o u g hc j 气nb u s 。弧1 i ss y s t e mu s e s2 4b i th i g hs p e e da o c o n v e r t e rw h i c h i si n t e g r a t e di nt h e8 0 51f 3 5 0s oa st or e a l i z ei t sh i g hp r e c i s i o ni nt e m p e r a t u r em e a s u r e n e t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gp a r tu s e ss i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e rt oc o n t r o le v e r yw a y w h i c hi s o v e r2 0 k wh i g h - p o w e r , a n dw ec h o o s ea t m e g a 4 8w h i c hh a sh i g h s p e e d ，l o w - p o w e r , a n d s t r o n ga n t i d i s t u r b a n c e c h a r a c t e ra st h em c u ，c h a n g i n gt h eb r e a k o v e ro ft h es i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e rb ys e n d i n go u tt h ec o n t r o lp u l s et oc o n t r o lt h ee x p o r tp o w e ro ft h e h e a t i n gs y s t e ma n dr e a l i z ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g b e c a u s eo ft h eh e a t i n gs y s t e mi s am u l t i v a r i a b l ea n dn o n l i n e a rs y s t e mw i t hl a r g et i m ed e l a ya n dh e a ti n e r t i a ，i nt h ep r o c e s sw e u s et h ep i dm e t h o d ( p r o p o r t i o n ，i n t e g r a l ，d i f f e r e n t i a l ) t oc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ee r r o r ( t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h eg i v e nt e m p e r a t u r ev a l u ea n dt h ec o l l e c t e dt e m p e r a t u r ev a l u e ) a n dg a i n t h ec o n t r o ld a t a 。a tt h es a m et i m e ，t h ea n t i d i s t u r b a n c em e t h o dw h a tw eh a v eu s e di nt h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ei m p r o v e st h ef a i l s a f en a t u r eo ft h es y s t e m t h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi n c l u d e sc o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h es i n g l e s h i p s o f t w a r e c o m p u t e rs o f t w a r et a k e sl a b w i n d o w s c v l 6 0a st h ed e v e l o p i n gp l a t f o r mt o r e a l i z et h ed e p e n d a b l ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns i n g l e s h i pa n dc o m p u t e r , a n di tc o p e sw i t h t h ed a t aa n dd i s p l a y si ti nt i m e i ta l s oh a so t h e rf u n c t i o n s ，s u c ha s ，m e m o r i e sd a t a , d i s p l a y s c u r v e 。p r i n t so u ta n d s oo n t h es i n g l e s h i ps o f t w a r ec h i e f l yr e a l i z e sa dc o n v e r s i o n ，p i d c o n t r o lm e t h o d ，a n dt h ec o n t r o l l i n gp u l s eo u t p u tf u n c t i o n sa n ds oo n i nt h ep r o g r a m ，w e r e a l i z em u l t i p o i n tt e m p e r a t u r ec o n t r o lb yc o m b i n i n gt h et e m p e r a t u r ec o l l e c t i n g ，p i d c o m p u t i n gp r o c e s sa n dc o m p u t i n gr e s u l tr e a s o n a b l y t h es y s t e mh a sb e e nd e l i v e r e dt ot h eu s e r so nt i m e a n dh a sb e e nu s e di nap e r i o do ft i m e t l l i ss y s t e mw o r k sw e l la n ds t e a d i l y , s oi tc a l ls a t i s f yt h ed e m a n d sb o t hm a n u f a c t u r e r sa n d l l s l - s 。 k e yw o r d s ：w i r ed r a w i n gm a c h i n e s m c u t e m p e r a t u r ec o l l e c t i n ga n dc o n t r o l l i n g p i dm e t h o dl a bw i n d o w s c v i t h e s i s ：r e s e a r c hf o r a p p l i c a t i o n 娄料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名( 纠日期：伊9 斗多日i 钳司 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：乡趺吼指导教师签名起一 vo 扩年弓月( 1 7 日 1 绪论 l 。l 本课题研究的背景及意义 l 绪论 拉丝机种类繁多，主要有铁丝拉丝机、玻璃纤维拉丝机、塑料拉丝机、光纤拉丝机 等等，各种拉丝机除了各自的具体细节参数要求不一样外，大致的基本构造都是一样。 拉丝机是依靠电机带动卷筒，由卷简产生的摩擦力，将原料经过多级拉模拉伸后，形成 成品丝的一种专用设备。 随着电线电缆行业的蓬勃发展，各种产品像雨后春笋一样出现，可供选择的产品及 设备也越来越多。线缆制造厂在选择设备时不再像以前仅仅只是从价格和功能两方面来 考虑，丽是从高效、低耗、高品质、实用、服务等方面对设备提出了更高的要求。拉丝 机也正是沿着上述几个方面进行不断地更新和发展。拉丝机在欧洲已经发展到不是单纯 的拉丝机，而是根据不同的用途与其它设备组成了不同的生产线，例如连拉连包( 漆包 机) ，连拉连镀( 镀锡机) ，连拉连绞( 绞线机) ，串联线( 电缆绝缘线芯) 等等，减少了中间工 序，提高了劳动效率【l j 。 我囡的塑编制品演变是伴随着塑编设备的探索、开发、改进、提高，而同步发展的。 上世纪七十年代，从西方国家发展起来的用圆织机编织，以聚烯烃为原料的包装布来包 裹入造纤维运输或装盛其它物类时，我国还在广为使用传统的麻袋、布纸袋包装运输物 类。这些包装物，生产工艺复杂，劳动强度大，成本高i _ 2 。随着我国塑编设备的引入， 我国有远见的企业，有了消化意识，在融会贯通的基础上，从仿制开始，自制设备，并 有了可喜的独创。有的企业生产出的拉丝机从螺秆加工形态结构到长径眈；从牵伸技术 配罨结构，到收卷运行技术配置改进，已进入比较先进的水平。特别是拉丝机上的微机 处理，对有关技术参数的自动化调控；圆织机从四棱开始，相继开发出六棱，八棱圆织 机，从这些圆织机上配置的行之有效监控条件、节能方式，已具备了当代国际同类设备 相似的水平。 本课题主要是针对塑料拉丝机。以聚丙烯、聚乙烯为原料( 全再生料都可以) ，经 加热、挤出、拉伸形成扁丝，再经过收卷机，供给圆织机。拉丝机自动控制系统由电源 控割部件、工控计算枫、多路转换器、数据采集卡、注塑模块、电机调速模块、拉丝厚 度检测模块、信号调理电路及智能测控软件组成，拉丝机与拉丝机自动控制系统的交联 关系如图1 1 所示。 西安科技大学硕士学位论文 图1 1 拉丝撬自动羧制系统整体框图 注塑模块单元多点温度控制是注塑设备的重要组成部分，其控制性能的好坏、多点 温度准确调节、反应速度等直接影响拉丝机输出产品的质量。本课题着重解决塑料拉丝 机中注塑模块单元温度控制器的硬件电路的设计、下位机软件设计和有关上位机软件设 计。温度控制是注塑模块中必要的环节，根据注塑工艺，塑化阶段，要求加热料筒纵向 温度分成3 8 段加热段，各段温度不同，由于加温系统存在大惯性，各段之间又很接 近，相互耦合严重，所以加热系统是一个纯滞后、大惯性、强耦合的多变量的非线性时 变系统。注塑设备中温度监控系统包括两个方面：即温度的测量和系统对加热器的控制； 每种机器所要求的控制点数均不相同。控制器的温度控制系统不仅要考虑温控点数，而 且要考虑到温度控制的精度和响应速度。要有足够快的温升速度，以满足注塑工艺，保 证制品质量，提高生产力的要求。 目前，在大规模生产中拉丝机的加热单元是采用电加热方式，优点是加热能力强、 功率大、加热温度容易控制且稳定。除此之外，还有一种加热方式也是被人们较早所采 用的。那就是通过气体火焰进行加热。美国b e l l 实验室在光纤研究初期就曾采用过氢氧 焰加热的气体炉。氢氧气的热值较高，温度可以达到很高。但由于燃气气流的不稳定性， 使得丝径的控制精度难以提高，火焰的随机跳动会导致瞬间的丝径跳变。本系统的加热 方式主要还是选用电加热方式。 本系统可以扩震多路输入和输出，因此可以用于各种类型的披丝机中；并且该温度 系统融入了现代控制理论，其温度控制效果显著，大大提高了生产出的产品质量；另外 该系统具有通用性，只需改变子模块而无需改动主c p u 模块就可完成不同的功能，其 2 1 绪论 灵活性大大提高，软件工作量也可大大降低，新产品控制器的开发周期也大大缩短。 【2 温度监控系统的发展历史、现状及趋势 在人类社会中，无论工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度 旨着密切的关系。在工业生产自动化流程中、温度测量点一般要占全部测量点的一半左 右，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切棚关，几乎没有不要求温度检测的生产 吐程和科学研究。越来越多的生产部门和生产环节对温度控制精度的可靠性和稳定性等 有了更高的要求，温度的控制成了产品质量的重要保证之一。拉丝机的注塑设备中温度 睦高时渣! 料会发生降解，温度过低时，塑料塑化不良，流动性差，制晶成型性能不好。 对温度测量和控制的好坏直接会影响到塑料丝制晶的质量。 温度测量方法的分类很多，从测量时传感器中有无信号可以划分为非电测量和电测 量两大类：从测量时传感器与被测对象的接触方式不同可以划分为接触式和非接触式。 丽每种测量方法中温度测量仪器又有许多种类，如膨胀式温度计、金属热电偶温度计、 热点阻温度计、光学温度计、红外温度计等1 2 刚。 可以认为，最简单的温度测量系统是由温度传感器及温度显示仪表组成的；较完善 约系统是由传感器、温度显示仪表组成，或者还将温度信号经变送器转换为同等的温度 后号。 温度控制是自动控制经常讨论的课题之一，它代表了一类自动控制的方法。而且其 受用十分广泛，可以说在生产生活中无处不在，例如锅炉，电冰箱等。丽由温度控制带 来的时滞效应难题始终困扰着实际应用。随着科学技术的高速发展，温度控制技术得到 了很大的进步，其应用的领域也不断的扩大。目前温度控制系统已是现代工业生产中最 誊用的一种控制系统，也是现代自动化控制中经常用的控制手段。温度控制可大致分为 畴类：动态温度跟踪控制号匾值温度控制。动态温度控制要求实现的控制目标是使被控 对象的温度值按照预先给定的方式变化；恒值温度的控制目标是要实现使被控对象的温 变值恒定在某一点上，控制精度要求较高，并且要有较小的超调量f 9 】。本课题设计的温 交控制器属恒温控制范畴1 3 j 。 我圈的温度控制系统的发展大概经历了三个阶段1 2 8 】： 第一阶段：基地式仪表。 霾十年代初，当时由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了将测量、 记录、调节仪表组装在一个表壳旱的基地式仪表。基地式仪表般结构篱单，价格低廉， 它们的功能仪限于单回路控制且控制精度低。 第二阶段：单元组合式仪表。 随着大型工业企业的出现，生产向综合自动化和集中控制的方向发展，人们发现基 地式仪表的结构不够灵活，不如将仪表按功能划分，制定若干种能独立完成一定功能的 3 西安科技欠学硕士学位论文 标准单元，各单元之间以规定的标准信号相互联系，这样仪表的精度可以提高。积木式 地把仪表组合起来，构成各种复杂程度不同的自动控制系统。 第三阶段：微机控制阶段。隧着微电子技术的发展，大规模集成电路制造的成功和 微处理器的问世，计算机性能价格比明显提高以及微型计算机在工业控制领域中的应 用，使得温度控制系统发展到微机控制阶段。 垦前一般来说，湿度控制系统至少由如图1 2 的几个模块组成。 i 传感器卜密 a d 转_ 数据 罗j 换器处理一数据显示 图1 2 温度控制系统 对于一些生产过程或控制对象来说，难以用一般的物理或化学方面的规律来建立数 学模型。有的对象影响因素很多且各影响因素之闻存在交叉耦合，使得其模型十分复杂丽 不易建立，有时即使求出也没有实际意义。对于诸如此类的生产过程或被控对象，如采用 经典控制理论和现代控制理论方法来设计控制系统，显而易见很难有理想的控制效果。 但实际上对这一类难以进行国动控制的生产过程或被控对象，有经验的操作入员通过手 动控制却常常可以达到令人满意的控制效果【8 】。因此，对于无法构建数学模型的控制对象， 使用计算机来模仿人的思维决策方式和控制行为，使直接数字控制器( d d c ) 系统的控制 效果达到或超过人工控制的水平，成为控制理论发展的新领域p 。 随着自动化程度的提高，最近几年快速发展的p i d 温控，模糊控制，以及神经网络，遗 传算法在温度控制中的应用越来越广泛。 1 3 本课题的主要工作和技术路线 本课题进行的是拉丝机中注塑模块单元的温度监控系统的研制工作，根据既定的技 术路线方案，完成了系统整体设计。在研制过程中主要作了以下几个方面的工作，其中 包括遇到的技术难题及其解决方案。 ( 1 ) 研究设计了温度监控系统的总体方案。整个温度控制系统主要由单片机测控 系统、计算机控制系统、温度传感器组、功率加热系统等部分组成。 ( 2 ) 温度传感器及主控芯片的选型。温度测量模块采用了高性能、功能强大、内 部集成2 4 位高速a d 的8 0 5 1 f 3 5 0 单片机作为主控芯片，温度控制模块以高性价冼、低 功耗、抗干扰强的a t m e g a 4 8 单片机为控制核心。 ( 3 ) 数据通信方案。本监控系统测量的数据结果的显示要通过上位计算机进行， 因此必须考虑上下位杌的通信问题。温度测量模块根据采集到的实时溢度数据与设定的 4 1 绪论 温度数据比较计算后须发送控制数据给温度控制模块，实现控制功能，因此两个板卡主 控芯片之闻也要实现数据通信。 ( 4 ) 利用p r o t e l9 9 s e 软件完成各模块的硬件电路设计。 ( 5 ) 控制算法的选择和确定。p i d 控制算法因其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等 优点广泛应用工业过程控制中。 ( 6 ) 主控芯片8 0 5 1 f 3 5 0 利用s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 软件开发单片枫程序，主要 包括对采集到的温度信号进行a d 转换、控制算法、与计算机通信部分，采用c 语言编 写。a t m e g a 4 8 单片机应用a v r s t u d i o 进行仿真调试实现数据接收和控制脉冲输出功能， 采用汇编语言编写。 ( 7 ) 利用n i 公司生产的虚拟仪器软件l a bw i n d o w s c v i 编写上位机控制程序，完 成数据的处理并实时显示，同时实现数据存储、曲线显示、打印输出等功能，向用户提 供了一个良好的入机交互界瑟。 最后，对该测试系统进行现场调试，完成整套测试系统的研制，交付给用户使用。 5 西安科技是学硕士学位论炙 2 系统总体设计 根据拉丝机温度监控系统的特点，系统的总体设计思路是围绕着如何实现低成本、 低功耗、高精度、高可靠性展开的。 2 1 系统的功畿要求 ( 1 ) 多点测量：分别在6 各温区设置温度传感器，各测量点可以单独测量、控制 和设置，方便调节。 ( 2 ) 软件设计要求在w i n x p 平台用测控软件编程，图形化人机交互界面。 ( 3 ) 具有温度数据自动采集与实时显示功能。 ( 4 ) 温度控制值设定：用户可以囊行设定任何一个测量点的温度，在上位机孛输 入设置。 ( 5 ) 具有实验数据储存功能，并可根据数据绘制数据曲线。 ( 6 ) 在脱离上位机的情况下，系统仍然可以根据事先设定好的溢度控制点，独立 工作，控制各温区的温度。 ( 7 ) 要求可持续工作，高可靠性和较低的生产成本性能。 2 2 系统环境工作条件 ( 1 ) 环境温度：5 - 4 0 。 ( 2 ) 相对湿度：2 0 - - 9 0 。 ( 3 ) 室内固定式安装、微尘、连续工作方式。 ( 4 ) 最高海拔高度1 5 k m 。 2 3 温度监控系统的主要技术参数 ( 1 ) 湿度测量范围：一4 0 3 0 0 。 ( 2 ) 温度测量精度达n + o 1 5 。 ( 3 ) 温度控制精度达n + 0 5 。 2 4 系统总体方案设计 根据系统功能要求、系统环境工作条件和主要技术参数设计了该温度监控系统。拉 丝机温度监控系统硬件设计主要由单片视测控系统( 分为温度测量模块和温度控铡模 块) 、计算机控制系统( 上位机) 、温度传感器组、加热功率控制系统四部分组成。因为 系统需要控n - 十多千瓦的加热模块负载，所以设计时候把温度测量模块和温度控制模 6 2 系统总体设计 ；i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i 宣i 暑i 宣i i i i ；i ；i i i 葺暑 块分开制作布板，减少相互间的干扰；并根据不同模块的性能要求选用了不同品牌的单 片机，做针对性的设计。该控制器采用了模块化的设计思想，组建方式灵活，并具有良 好的可扩展性。 软件设计主要包括下位单片机软件和上位计算机数据处理软件两部分。下位机软件 采用c 语言编程，在s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 仿真环境下调试运行，使各个硬件模块的 功能得到实现，并且使程序达到简洁和优化；包括多路温度信号采集子程序、a d 转换 子程序、与上位机通信子程序、单片机之问通信子程序、p i d 控制算法子程序等。计算 机数据分析软件以微软的w i n d o w s 系统为软件平台，采用l a bw i n d o w s c v i 虚拟仪器 语言编程。工程技术人员通过使用该软件可以方便的对采集到计算机中温度数据进行查 看、设置和处理，通过对面板上的控件的操作可以实现温度数据接收、温度控制点设定、 数据储存、曲线显示以及打印输出等功能。整个软件的功能的实现是建立在硬件基础上 的，通过硬件给软件提供必要的资源，实现该软件预期要求的功能。 分布在各温区的温度传感器组为系统采集温度信号，采用高精度温度传感器p t l 0 0 作为温度传感器；温度测量模块单片机选用8 0 51 f 3 5 0 ，利用其自带的2 4 位高速率a d 把采集到的温度信号转化为数字量并发送给上位机，经标定成实际温度后实时显示出 来；同时接收上位机发来的设定温度数据，把采集到的实时数据与设定数据比较得出温 度偏差，温度偏差经过p i d 算法计算出控制数据，利用i o 口实现单向通信功能把控制 数据发送给温度控制模块的a t m e g a 4 8 单片机，a t m e g a 4 8 根据收到的控制数据判断通道 后发出控制脉冲导通可控硅，从而改变加热系统的输出功率，达到控制温度的目的。具 体系统结构如图2 1 所示。 一 塑医堡蜃趟! 一 鲎崖堡蜃链呈 一温度传感器3 6 路6 路 一温度传感器4 a d 采集放大电路 一温度传感器5 一温度传感器6 i 皿往南瓜 一。 a 1 0 a 1 5 l c a n 2 5 0 设定温度 。一 8 0 5 i f 3 5 0 通信接口 撼山 当前温度值 k 寺雾i i 出 p i o 、p l l 把p i d 控制算法计 p b l p b 2 算得到的控制数据 p c p c ：fa t m e g a 4 8 p b 3 利用m c l 4 1 3可控硅功率 利用光耦t l p 5 2 1 2 p d 3 做选择开关 控制模块 发送给a t m e g a 4 8 p d 4 p d 5 图2 1 系统总体结构框图 7 西安科技大学硕士学位论炙 2 。5 温度监控系统的主要特点 ( 1 ) 控制精度高。 由于采用了高精度的温度传感器、由低输入失调电压、线性度好的运算放大器组成 信号调理电路、同时采用2 4 位的a d 采集模块，实际系统温度测量分辨率达到了 士0 0 5 ，动态带负载控制温度圭o 。1 5 ，控制精度达到圭0 。5 ，满足了用户对温度控制 的要求。 ( 2 ) 可靠性高。 温度监控系统的工作环境恶劣，高滚、振动等不良因素会严重影响着系统的讴常工作。 因此，温度控傣4 器是否可靠安全，我们进行了重点研究。从系统设计中就对可靠性进行了充 分地考虑，采取了硬件抗干扰技术，例如硬件看门狗，光电耦合器、变压器隔离等，再加上 软件看门狗加数字滤波等一系歹l 措施，使得整个系统地可靠性大大提高，运行安全、可靠。 ( 3 ) 可控点多，扩展性好。 温度监控系统采用了多点测温的方法，单片机利用内部的模拟多路开关来选择测控 点，从而使用户根据自己的需要，分别对各个通道进行监测，了解各个温区的加热状态。 同时，也方便用户今后对本控制系统的扩展，利用多块单片机测控系统组合的方法增加 测量点，因而具有良好的扩展性。 ( 4 ) 系统故障复位。 利用外部看门狗( w a t c h d o g ) 电路与芯片内部看f l 狗相结合的方法，使系统具有故 障复位功能。当系统出现故障死机或者程序跑飞进入死循环后，可以利用看门狗电路向 单片机发出复位信号，使系统复位。 ( 5 ) 数据永久保存。 利用单片机内部的f l a s h 存储器，把各通道设定的温度、系统参数存储起来，当 系统断电或复位后，可以继续运行，增强了系统的抗干扰能力。同时在没有上位机运行 的情况下，温度监控系统仍然能对各个温区温度进行控制。 ( 6 ) 成本低。 温度测量模块采用了功能强大的8 0 5 1 f 3 5 0 单片机作为控制核心，它集成了构成一 个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，不但 简化了外圈电路，提高了系统可靠性，恧且还降低了系统戒本。 2 6 本章小结 本章根据系统功能要求，给出了整体结构设计图，总体上介绍了该系统的硬件设计、 软件设计、主要功能要求和主要技术参数等等；其中着重介绍了温度控制器的构成，软 硬件设计及本系统的优越性能特点。 8 3 系统硬件电路的设计 3 系统硬件电路的设计 3 。l 概述 系统硬件电路设计是一个系统的核心和根本，硬件电路的优劣直接影响到系统的可 靠性和稳定性，这也是软件编程的基础。 本系统的硬件电路采用双单片机结构，以v o 团实现单总线通信方式进行协同工作， 分工完成温度测量和控制的功能。其中主微处理器采用实时处理的方式主要负责系统的 温度数据采集和p i d 控制算法计算，控制系统总线输出控制数据；而从微处理器主要负 责接收、判断控制数据从而对各个温度区发出控制脉冲，通过选通可控硅控制加热功率 的输出功率。 3 1 1 电路设计原则 在进行硬件电路设计时，为了提高系统的抗干扰性、可靠性及系统安全性，一般依 据以下几个原则1 7 j ： ( 1 ) 硬件电路结构要结合软件方案一并考虑。考虑的原则是软件能实现的功能尽 可能的由软件来实现，以便简化电路。同时必须考虑到由软件实现硬件功能时，其响应 时间要比直接用硬件实现来得长，并且占用c p u 的时阆。 ( 2 ) 尽可能选用典型电路和集成电路，为硬件系列化、标准化和模块化打下基础。 ( 3 ) 在进行微机系统的扩展与外围芯片的配置时，应充分考虑到测试系统的功能 要求，并整有适当的余地，以便进行二次开发。 ( 4 ) 把设计好的单元电路与别的单元电路相连时要考虑它们是否可以直接相连， 模拟电路连接时要不要加电压跟随器进行阻抗隔离，数字电路连接和微机接口要不要逻 辑电平转换，要不要加驱动器、锁存器和缓冲器等。 ( 5 ) 模拟信号传送距离较远时要考虑以电流或频率信号传输代替电压信号传输， 在数字信号传送距离较远时，要考虑采用“线驱动器”。 ( 6 ) 抗干扰的设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括去耦滤波、印制电 路板奄线、通道隔离等。 3 。1 2 温度传感器的选择及性纰匕 拈j i e i 标 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感 器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。温度监控系统主要采集温度这一物理参数， 所以温度传感器的选择对于系统的精度起着决定性的影响【4 】。 9 西安科技大学硕士学位凳文 传感器的选择要根据具体的应用场合、性价比、测试对象的要求等条件选用最适宜 的传感器，一般依据以下凡个原则： ( 1 ) 高的可靠性、强的适应性 选用传感器时，要考虑传感器的精度、稳定性、响应速度、输出量及其电平、被测 对象特性的影响、校准瘸麓、过输入保护等其他各种不同的参数，同时传感器应用现场 的环境复杂程度直接影响到测控系统的可靠性。因此，传感器应用系统的设计特别要考 虑现场干扰、机械振动、噪声、粉尘、温度变化的影响。 ( 2 ) 测量或控制的范围和精度 不同的测量帮控制对象，以及不同的应用场所，所要求的测量或控制的范围和精度 是不一样的，所以设计时应确定最大测量范围，并保证在达到最大测量范围时，系统具 备测量和控制精度。 ( 3 ) 高性价院 根据系统的功能及性能要求，合理选择器材、元器件及相关的设备，以保证系统有 极高的性能价格比。 ( 4 ) 结构简单，便于安装，使用和维护方便。 热电偶与热电阻都是最常用的温度传感器，适合大多数工业测温场合，但是它们两 有着本质的区别4 1 。 ( i ) 信号的性质，热电阻本身是电阻，温度的变化，使电阻产生正的或者是负的 阻傻变化；恧热电耦，是产生感应电压的变化，他随温度的改变两改变。 ( 2 ) 两种传感器检测的温度范围不一样，热阻一般检测o 1 5 0 度温度范围，最高 测量范围可达6 0 0 度左右( 当然可以检测负温度) 。热耦可检测0 - - 一1 0 0 0 度的温度范围 ( 甚至更高) 所以，前者是低温检测，后者是高温检测。 ( 3 ) 从材料上分，热阻是一种金属材料，具有温度敏感变化的金属材料，热耦是 双金属材料，既两种不同的金属，由于温度的变化，在两个不同金属丝的两端产生电势 差。 ( 4 ) 热电偶有j 、t 、k 、k 、s 等型号，有比电阻贵的，也有比电阻便宜的，但是 算上补偿导线，综合造价热电偶就高了。 ( 5 ) 热电阻是电阻信号，热电偶是电压信号。 ( 6 ) 热电阻测温原理是根据导体( 或半导体) 的电阻隧温度变化的性质来测量的， 测量范曝为负1 0 0 5 0 0 度，常用的有铂电阻( p t l 0 0 、p t l 0 ) 、铜电阻c u 5 0 ( 负5 0 1 5 0 度) 。 热电偶测温原理是基于热电效应来测量温度的。将两种不同材料的导体或半导体a 和b 焊接超来，构成一个闭合回路，当导体a 和b 的两个执着点之间存在温差对，两者之 间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应。 根据系统的设计，选用铂电阻p t l0 0 作为本温度监控系统的温度传感器采集温度。 l o 3 系统硬件电路的设计 只需根据铂电阻阻值和温度之间的关系，将已知电流流过该电阻就可以得到与温度成正 比的输出电压。根据测量得到的电压就可以计算出此时铂电阻的电阻值，并换算出被测 的温度值。实现起来简单、可靠，并且铂金属还具有较高的精度、长期稳定性、可重复 操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等多种优越性能。 p t l 0 0 传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来 进行测温，其温度阻值对应关系如下： ( 1 ) - 2 0 0 * c t 0 * c 时，i 冲t 1 0 0 = 1 0 0 1 + a t + b t 2 + c t 3 ( t - 1 0 0 ) 】 ( 3 1 ) ( 2 ) 0 t 8 5 0 时，r p t l 0 0 = 1 0 0 ( 1 + a t + b t 2 )( 3 2 ) 式中，a = 3 9 0 8 0 2 x 1 0 3 ；b = 5 8 0 x 1 0 7 ；c = 4 2 7 3 5 x 1 0 1 2 。 铂电阻p t l 0 0 温度传感器如右图所示，主要技术参数如下： 测量范围：2 0 0 + 8 5 0 ；允许偏差值：a 级4 - ( o 1 5 + o 0 0 2lt1 ) ，b 级4 - ( o 3 0 + 0 0 0 5it1 ) ；热响应时间 3 0 s ；最小置入深度：热电阻的最小置入深度2 2 0 0 m m ；允通 电流 5 m a 。另外，p t l 0 0 温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优 点。 图3 1p t l 0 0 温度传感器实物图 3 2 温度测量电路的设计 数据采集就是将被测对象的各种参量通过各种传感元件做适当的转换后，先经信号 调理把需要的信号放大，然后将连续变化的模拟量转换成计算机可以处理的离散数据序 列，即采样由连续信号得到离散信号，再通过a d 转化得到数字信号，最后送到控制器 进行数据处理或存储记录的过程l l 3 1 。 本系统的温度测量模块主要负责对温度信号进行采集，信号采集系统是整个系统的 最前端，它工作的可靠性和稳定性对温度测量精度就温度控制的精度都起着致关重要的 作用，是整个系统的核心。由于计算机只能接收数字信号，而现场采集的温度信号是连 续的模拟信号，所以采集的温度数据经过电压放大电路后送入8 0 5 1 f 3 5 0 内部2 4 位模 数转换器进行转换。图3 2 是温度测量模块的电路板实物图。 西安科技大学硕士学位论文 一 羼渤 图3 2 温度测量模块电路板 在本温度测量系统中，信号采集模块主要由信号调理电路和8 0 5 1 f 3 5 0 内部集成的 a d c 组成。利用信号调理电路把温度传感器p t l 0 0 随温度变化而改变的电阻值转换为 电压信号的改变，并把实时采集到的电压信号传输给8 0 5 1 f 3 5 0 内部集成的a d c 转换器 进行a d 转换。 3 2 1 主控芯片的介绍 本系统采用高性能、功能强大的8 0 5 1 f 3 5 0 单片机作为主控芯片。在一个芯片内集 成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功 能部件。 c 8 0 5 1 f 3 5 0 微控制器采用独特的c i p 8 0 5 1 结构，对指令运行实行流水作业，大大 提高了指令的运行速度；c 8 0 5 1 f 3 5 0 微控制器采用开关网络以硬件方式实现i o 端口的 灵活配置，可将内部资源定向到p o 、p l 、和p 2 端口的i o 引脚；内部设置了一个可编 程的时钟振荡器，可进行可变时钟的设定，外部的振荡器可选择4 种方式；配置了标准 的j t a g 接口，通用性强；多源复位系统，提高了系统的安全性和操作的灵活性；片内 模拟和数字电路3 v 供电，大大降低了系统的功耗；配置了全面的系统驱动控制、前向 后向通道接口，构成了较全面的通用型s o c 3 3 1 。 c 8 0 51 f 3 5 0 单片机的特点： 1 2 熏 3 系统硬件电路的设计 ( 1 ) 与标准8 0 5 1 完全兼容。c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片机采用c i p s l 内核，与m c s 5 1 指令系统 全兼容，可用标准的a s m 5 1 、k e i lc 高级语言开发编译c 8 0 5 1 f 系列单片机的程序。 ( 2 ) 高速指令处理能力。标准的8 0 5 l 一个机器周期要占用1 2 个系统时钟周期，执 行一条指令最少要一个机器周期。c 8 0 5 1 f 8 5 0 单片机指令处理采用流水线结构，机器周 期由标准的1 2 个系统时钟周期降为1 个系统时钟周期，指令处理能力比m c s 5 1 大大提高。 ( 3 ) 增加了中断源。标准的8 0 5 1 只有7 个中断源。c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片机扩展了中断处 理，这对于时实多任务系统的处理是很踅要的。扩展的中断系统向c i p 5 1 提供2 2 个中断 源，允许大量的模拟和数字外设中断。一个中断处理需要较少的c p u 干预却有更高的执 行效率。 ( 4 ) 增加了复位源。标准的8 0 5 1 只有外部引脚复位。c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片机增加了7 种 复位源，使系统的可靠性大大提高，每个复位源都可以由用户用软件禁止。复位源包括： 片内电源监视、w d t 看门狗定时器、时钟丢失检测器、比较器0 输出电平检测、软件强 制复位、c n v s t r a d 转换启动和外部引脚r s t 复位可双向复位。 ( 5 ) 提供内部时钟源。标准的8 0 5 1 只有外部时钟。c 8 0 5 1 f 3 5 0 单