基于AT89S52单片机的封装设备温度控制系统的开发与实验研究

基于AT89S52单片机的封装设备温度控制系统的开发与实验研究

姓名：陈铁强申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：李克天

20090501

摘要摘要温度是电子封装设备的一个非常重要的控制参数，例如：微电子封装后工序中的粘片机和焊线机、制造液晶显示模块的ＣＯＧ邦定机、表面组装ＳＭＴ工艺的波峰焊和回流焊等设备都对温度有着很高的要求。温控系统的控制精度、鲁棒性、稳定性，对提高产品焊接质量，减少废品率，提高设备整机性能起着至关重要的作用。因此，开展温度控制理论研究，自主开发合适的温度控制系统，是提高电子封装设备的性能和档次所亟待解决的一个的问题。本文在温度控制理论研究的基础上，针对微电子装备和印制线路板生产设备常用可编程控制器和计算机作为控制器的特点和需求，设计开发了一个温度控制模块。此温控模块集温度信号采集、数据处理、控制算法实现和通信等功能于一体；通过串口通信，温度控制模块可方便的与可编程控制器和计算机组建温度控制系统，实现了上下位机之间数据的实时交换。本文根据温度控制系统的工作原理，完成了温度控制模块硬件电路及整个系统连接线路的设计。运用单片机汇编语言编写了温度控制模块的程序，代码精炼、执行效率高；在程序设计时，采用了模块化设计思想，将各部分程序按功能进行分模块设计，便于后期的维护、改进以及代码的移植。本文运用梯形图编写了ＰＬＣ的通信与控制程序；并在ＶＢ６．０环境下编写了计算机通信程序和计算机操作界面。通过计算机界面，操作者可方便的对控温参数进行在线修改，计算机界面上显示控温参数信息、温度实际值及温度变化曲线，用户可方便的观测系统对温度的控制状况。最后，本文对温控系统进行了整体调试与实验，通过设计正交实验，对实验对象成功的整定出了一组较好的ＰＩＤ控制参数，最终将温度控制在±１℃范围之内，达到了预定的目标。开发的温控系统和参数整定方法为在实际封装设备上的应用提供了坚实的基础。关键词：温度控制系统；单片机；ＰＩＤ；串行通信；封装设备广东工业大学工学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓａｖｅｒｙｉｒｎｔ）０ｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｆｏｒｉｎｓｔａｎｃｅ，ｄｉｅ－ｂｏｎｄｅｒａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｗｉｒｅ－ｂｏｎｄｅｒ，ｗｈｉｃｈｂｏｎｄｅｒｗｈｉｃｈｉｓａｒｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｌａｓｔｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ，ＣＯＧｕｓｅｄｉｎｔｈｅＬＣＤｍｏｄｕｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｒｅｆｌｏｗｓｏｌｄｅｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅａｎｄｗａｖｅｓｏｌｄｅｒｉｎｇｍａｃｈｉＩｌｅｗｈｉｃｈＳＯａｒｅｕｓｅｄｆｏｒＳＭＴｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｑｕａｌｉｔｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｏｎ，ａｌｌｔｈｅｓｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｃａｌｌｆｏｒａｃｃｕｒａｃｙ，ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｈｉ曲ｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆａｌｓｏｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｌａｙｓａｓｙｓｔｅｍｉｓｃｒｕｃｉａｌｔｏｋｎｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｉｓｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｑｕａｌｉｔｙ，ａｎｄｉｔｒｅｊｅｃｔｒａｔｅｖｅｒｙｒｅｄｕ血ｇｆｏｒａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｔｏｕｒｇｅｎｔｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓｏｎｗｈｉｃｈｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｔｈｅｏｒｙｍｉｃｒｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｓｕｉｔａｂｌｅｃａｒｒｙｏｕｔｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｏｆＰＬＣｉｓａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒａｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｎｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ａｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｉｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｍｏｄｕｌｅｔｏｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．ＩｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｔｏｕｓｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈＰＬＣａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒｆｏｒｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄａｔａｅｘｃｈａｎｇｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍａｓｔｅｒｔｈｅｓｌａｖｅｔｈｒｏｕｇｈｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄｔｈｅｍｏｄｕｌｅｉｓａｌｓｏｏｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｏｆｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｔｈｅｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆａｎｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｔｈｅｍｏｄｕｌｅｌａｃｏｎｉｃａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｕｓｉｎｇａｓｓｅｍｂｌｙｌａｎｇｕａｇｅ，ａｎｄｉｔｉｓｖａｒｉｏｕｓｐａｒｔｓｏｆｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｒｅｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｉｎｓｕｂ－ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｆｏｒｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｄｅｍｉｇｒａｔｉｏｎ．ＴｈｅＰＬＣｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍａｒｅｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｂｙｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌａｄｄｅｒｄｉａｇｒａｍ．ＴｈｅｏｎｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｏｐｅｒａｔｏｒｐｒｏｇｒａｍａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅａｒｅｂａｓｅｄＶＢ６．０．ＴｈｅＣａｎｏｆｅａｓｉｌｙｍｏｄｉｆｙｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｗａｔｃｈｔｈｅｓｅｔｔｉｎｇｓ，ｔｈｅｃｕｒｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂｙｕｓｍｇｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｓｏＲｗａｒｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｄｅｂｕｇｇｉｎｇａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｆＰＩＤｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｏｕｔ・Ａｓｅｔｔｕｎｅｄｏｕｔｂｙｕｓｉｎｇｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｉｓｃｏｍｒｏｌｌ。ｄｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ士ｌ＇Ｃ，ｔｈｅｔａｒｇｅｔｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｓｏｌｉｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｎｆｏｒｔｈｅａｐｐｔｙｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｕｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｈｅｍｉｃｒｏ．．ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ；ＳｉｎｇｌｅＣｈｉｐＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ，ＰＩＤ；ＳｅｒｉａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔＩＩＩ广东工业大学工学硕士学位论文独创性声明秉承学校的严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。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作了明确的说明，并表示了谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。指导老师签名：论文作者签名：２００９年月日７４第一章绪论第一章绪论１．１本课题研究的背景和意义芯片是信息时代最重要的基础产品之一，是信息时代ｒｒ产业的“心脏”和“大脑一。印制线路板是承载电子元器件的母体【２】。无论是小到日常生活的电视机、ＶＣＤ机、洗衣机、移动电话、计算机等家用消费品，还是大到传统工业的各类数控机床和国防工业的导弹、卫星、火箭、军舰等都离不开ＩＣ芯片和印制线路板。芯片产业在我国可谓前景诱人，专家预测，２０１０年我国芯片总需求将达到５００亿美元，成为全球最大的集成电路市场之一，到那时，每年进口集成电路将从２００５年的２０１亿块，上升到６００亿块【ｌ】。伴随ＩＣ芯片产业的发展，印制线路板的市场也在不断发展，２００７年世界ＰＣＢ业产值增长最快、也是最大的地区仍是中国内地。２００７年中国内地的ＰＣＢ的产值达到１４３亿美元，年增长率为１８．２％，占世界２００７年总产值的２８．６％，所占的份额比２００６年提升了３．２个百分点【２】。微电子发展的趋势是集成电路（ＩＣ）将发展为系统芯片（ｓｏｃ），集成电路的特征尺寸更加微小化，要求芯片生产设备有更高的工作精度；近年来表面组装技术（ＳＭＴ）发生了巨大的变化，如生产标准、新型无铅焊锡膏的使用、不同的封装材料和芯片本身的设计革新，都给印制线路板工艺提出了新的更高的要求【３】。虽然我国微电子装备和印制线路板生产设备，已取得了巨大进步，但国产设备的品种和水平与市场差距依然很大，技术水平还适应不了大批量高效生产的需求，先进的全自动设备主要依靠进口，例如：美国Ｋ＆Ｓ、日本Ｐａｎａｓｏｎｉｃ、ＮＥＣ、Ｔｏｒａｙ、Ｆｕｊｉ和韩国ＴＳＭ、ＳＥＥ等。因此，为了从根本上摆脱这种状况，必须大力开展微电子制造与封装技术的研究和实用设备的研发，以及先进的印制线路板生产工艺和制造设备的开发，掌握核心技术，研发具有自主知识产权的产品。微电子装备和印制线路板生产设备基本上都由精密机械结构、电气控制及光电检测部件等几个部分组成，包括感知和控制外界信息的传感器（如：位置、速度、力、光、磁、热、气等）和执行器，微电子装备多数都还具有图像识别系统，充分表现出多学科前沿的高度综合和渗透。广东工业大学工学硕士学位论文温度是微电子封装和印制电路板生产过程中一个非常重要的参数，比如用于微电子封装后工序中的粘片机和焊线机、制造液晶显示模块的ＣＯＧ邦定机、用于电路板焊接工艺的波峰焊和回流焊等设备，都对温度有着很高的要求。温控系统的控制精度、鲁棒性、稳定性，对提高产品焊接质量，减少废品率，提高设备整机性能起着至关重要的作用。然而由于温度自身的一些特点，如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等，使控制系统的性能不佳，因此，开展温度控制理论研究，自主开发合适的温度控制系统，对实现微电子装备和印制线路板生产设备追赶并达到世界先进水平具有很大的理论价值和现实意义。１．２温控系统的研究现状计算机技术的发展极大地推动了工业控制系统的进步，而现代控制理论的发展，人工智能技术的深入研究，为控制系统的理论领域增加了新的内容。高效计算机硬件与优秀控制软件的紧密结合已成为现代工业温度控制系统的发展方向。１．２．１温度控制硬件方案目前，微机温度控制系统主要是由微处理器控制电路加各种控制算法组成。其微处理器常用单片机、ＤＳＰ、ＡＲＭ、和ＰＬＣ等，常用的控制算法有ＰＩＤ控制、自适应控制和智能控制算法等。夏大勇等【４】设计的基于ＭＣＳ一５１单片机的温度控制系统，以热电偶为温度检测元件，采用带死区的ＰＩＤ控制方法对电动机线圈浸漆烘干炉温度进行控制。该系统控温范围为１００～３００＂Ｃ时，实际结果表明，系统最大超调量＜５℃，稳态精度为±１℃。郑磊【５】设计的系统由一片ＴＭＳ３２０Ｃ５４９ＤＳＰ芯片和一片ＥＰＲＯＭ构成的ＤＳＰ最小系统是整个系统的核心控制部分。测量部分使用数字温度计ＤＳｌ８８２０，加热部分使用固态继电器（ＳＳＲ）控制。ＤＳＰ的高速运算能力从硬件上保证了ＰＩＤ控制策略的可靠性、精度和实时性。美国国家标准技术研究院（ＮＩＳＴ）于１９８７年在Ｔｅａｇｕｅ博士［６１的领导下开始进行研究分子测量机（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＭｅａｓｕｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ，ＭＭＭ）的计划，主要是希望建２第一章绪论立国家级线栅尺的校正标准。希望达到分辨率小于Ｉｎｍ及总体精度１０ｎｍ的指标。其内核测试环境温度控制达到２０＂（２士０．００５℃。控制系统采用了基于ＶＭＥ总线的以ＤＳＰ为核心的高精度多通道测控系统，以保证高精密的纳米测量环境。赵成等【．７】设计的系统以温度作为被控对象，采用ＡＲＭ微控制器ＬＰＣ２２１０作ＣＰＵ，通过双向端口与数字温度传感器ＤＳｌ８８２０连接，将采样得到的数据经过模糊自整定的ＰＩＤ算法的运算，由电机驱动模块控制打开或关闭热风门、冷风门及循环风机，使温度按预设定的曲线变化。黄柱深掣８１设计的基于ＰＬＣ的高精度温度控制系统，由ＦＸ２Ｎ型ＰＬＣ与温度转换模块ＦＸ２Ｎ＿４ＡＤ／ＴＣ组成的温控系统，用“斜坡一时间脉宽一调节方式，可方便的实现对Ⅳ点的温度进行巡回检测与控制或实现对一炉数点Ⅳ段温度段的运行控制。实践表明，在通道式加热炉中能获得±３℃左右控温精度，在密闭加热炉中能获得±０．５℃左右，甚至±Ｏ．１℃的控温精度。１．２．２温度控制的控制算法１．ＰＩＤ控制早期的温度控制大多是采用ＰＩＤ控制算法，它原理简单、直观，控制性能和鲁棒性良好，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统中。ＰＩＤ控制在理论上非常成熟，为了适应不同的情况，出现了很多改进算法，其中像大林算法【９ｌ，Ｓｍｉｔｈ预估器【１０，１１１等，对温度控制这样的纯滞后系统还是比较有效的。所以ＰＩＤ控制器至今仍在工业控制过程中被广泛使用。但是，ＰＩＤ控制器的参数整定繁琐，需要寻求较有效地参数整定方法。２．现代控制理论现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，以状态空间法为基础来分析和设计控制系统。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和提示了系统的内部状态和性能。基于现代控制理论的设计方案是建立在对系统内部模型的描述之上的。它是通过数学方法对控制系统进行分析综合。控制律的确定是通过极小化预先确定的性能指标函数或使控制系统满足希望的响应而推导出来的。此类设计方案主要有：系统辨识、最优控制、自适应控制等。这类设计方案适用范围广，适合于多输入多输出系统、某些非线３广东工业大学工学硕士学位论文性时变系统和一些具有随机扰动的系统。该方法理论严谨，控制系统的稳定性问题可以严格证明，性能指标能定量分析，得到的控制品质较好。但这类方法需要知道精确的被控对象的数学模型。对于许多结构复杂，随机因素多而不易获取对象模型的系统，这类方法的使用受到了限制。３．智能控制智能控制是一种无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道对象精确模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。由文献［１２，１３，１４］可知，目前智能控制中的模糊控制技术和神经网络控制技术在温度控制领域中的应用己经相当成熟，且取得了比较好的控制效果。模糊控制（ＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒ０１）是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机控制。模糊控制最突出的特点就是：在设计系统时，不需要建立被控对象的数学模型，只要求掌握现场操作人员或者有关专家的经验、知识或者操作数据，模糊控制规则是以语言的形式进行定性的描述。模糊控制的优点是鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，但容易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。神经网络是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。人工神经网络以其高度的非线性映射、自组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快，抗干扰能力强、算法简单，且易于用硬件和软件实现。因此，在温度控制系统中引入神经网络控制技术的研究是非常有发展前途的。ＰＩＤ控制、现代控制理论、智能控制各有自己的优势，也各有不足和局限性。近年来，人们在不断的理论研究和生产实践过程中发现，把不同的控制方案相结合，可以相互弥补各自的缺点，得到更好的控制效果。于是出现了大量的复合控制算法。例如将ＰＩＤ控制与自适应、智能控制相结合，产生了自校正ＰＩＤ控制【１５】，模糊ＰＩＤ控制【１６】以及模糊自适应ＰＩＤ控制【１７＇１８垮；模糊自适应ＰＩＤ控制是一种很新的控制思路，它能够结合模糊控制与ＰＩＤ控制的各自优点，在ＰＩＤ算法的基础上，通过计算当前系统误差和误差变化率，利用模糊规则进行模糊推理在线调整ＰＩＤ的三个参数，来进一步完善ＰＩＤ控制器的自适应性，这种控制器对环境的变４第一章绪论化具有很强的适用能力，提高了系统的控制精度和鲁棒性。将模糊控制与神经网络控制相结合，产生了模糊神经网络控制【１例等。这种多个控制方案相结合的控制策略，可以大大改善控制器的性能。目前，在日本、美国、德国、瑞典等一些技术领先的国家里，诸如自适应、模糊控制、神经网络等先进的控制理论以及多种控制方案相结合的控制策略在温控产品中已经得到了广泛的应用。生产出的温度控制仪器仪表，普遍具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。比较有代表性的如：美国博软公司生产的无模型自适应控制器，采用了神经网络作为核心技术，适用于复杂的温控过程，在工业过程控制中得到广泛应用；日本富士生产的ＰＩＤ温度控制器，带有模糊调节和自适应调节功能等。这些温控器大都具有适应于难以建立受控系统数学模型的大惯性、大滞后、参数时变等复杂温度控制系统的能力；且多数温控器都具有参数自整定功能，有的还具有自学习能力，能根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证其优良的控制性能。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化的方向快速发展，而我国在这方面发展缓慢。虽然生产厂家众多，但总体水平不高。成熟产品主要以“点位”控制及常规的ＰＩＤ控制器为主，只能适应一般温度系统控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统。对适用于较高控制要求的智能化、自适应、自整定控制器，在技术上还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的也较少。１．３本课题来源及主要研究内容课题来源：本课题来自“粤港关键领域重点突破招标项目＂（玻璃板上芯片封装（ＣＯＧ）的关键装备的研制开发２００７Ａ０１０３０１００２），以及该项目合作企业一日东电子发展（深圳）有限公司的委托。目前，微电子装备和印制线路板生产设备常用的控制器主要为可编程控制器（ＰＬＣ）和工控机（ＰＩＣ）两种。但是ＰＬＣ和工控机内部都不具有Ａ／Ｄ转换器，因此在进行温度信号的采集时，仍需扩展相应的模拟量转换模块，而这些模块价格都很高，且模块一般只具有Ａ／Ｄ转换功能，不具有信号的采集、处理和驱动控制部件的功能，采集信号、处理信号和驱动控制部件的重任仍落在ＰＬＣ或工控机上，这５广东工业大学工学硕士学位论文不仅要额外占用控制器的运算时间，还要占用一些控制接口，无疑会增加设备的总体成本。当然市面上也有一些商品化的温控器可供选择，但这些温控器自成系统，独立存在，与上位主控机（ＰＬＣ或工控机）缺乏数据的实时交换，不便于上位机对被控对象的实时监控。本课题旨在针对微电子封装设备的应用需求，开发一个高性价比、便于操作、可靠性高，且各组成部分能进行实时通信的温度控制系统，为了达到以上目的，有必要开展温度控制相关理论的研究，以理论研究为基础，完成温控系统的软硬件设计。本论文的主要研究内容：１）针对温度惯性大、滞后现象严重的特点，开展控制理论方面的研究，并结合Ｍａｔｌａｂ仿真软件对控制算法的控制性能进行仿真分析，以指导控制器的设计。２）设计温控系统硬件电路，包括上位机与下位机通信接口电路的开发等。为开展温控实验提供平台支持。３）完成温控系统上位机与下位机的串行通信及下位机系统子程序软件设计。编写简洁、方便、友好的界面。４）开展温控实验，分析温控系统的控制效果，并对其进行改进，以保证其有更好的性能。６第二章温控对象的一般模型及ＰＩＤ控制算法第二章温控对象的一般模型及ＰＩＤ控制算法２．１温控对象的一般模型温度是表征物体内部分子热运动活跃程度的一个物理量。温度的变化过程实际上是能量的获得和损失的过程。温控对象具有大滞后、大惯性的特点，因此，可近似将温控对象简化为一个带有纯滞后的一阶惯性环节，其传递函数为【２１＇２２１Ｇ（Ｊ）＝丽Ｋｅｎ２．２Ｐｌ（２．１）Ｄ控制基本原理ＰＩＤ（比例、积分和微分）控制方法是经典控制算法中的典型代表。在过程控制和运动控制中，ＰＩＤ家族占有相当的地位【２３１，工业控制器中ＰＩＤ类占９０％以上。ＰＩＤ控制策略由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，所以适用面很广，使用也很方便。尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。２．２．１模拟ＰＩＤ控制原理模拟ＰＩＤ控制系统的原理框图如图２．１所示，系统由模拟ＰＩＤ控制器和被控对象组成。图２－１ＰＩＤ控制系统原理图Ｆｉｇ．２－１ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｃｈａｒｔｏｆＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ７广东工业大学工学硕士学位论文理想的ＰＩＤ控制器根据给定值，（ＪＯＩ与实际输出值ｙ（Ｏ构成的控制偏差：Ｐ（力＝Ｋｔ）－ｙ（Ｏ（２．２）将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律为：∞）＝Ｋｖ【ｅ（卅吉船）ａｔ＋乙警】其中：ｕ（Ｏ为控制器的输出控制信号；Ｋ。正（２．３）为控制器的比例系数；为控制器的积分时间常数；为控制器的微分时间常数。瓦在ＰＩＤ控制器中，它的数学模型由比例环节、积分环节和微分环节三部分组成。这三部分的作用分别是：１．比例环节比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号ｅ（力，以最快速度产生控制作用，使偏差向着减小的趋势变化。提高比例系数足。，可以减小系统的稳态误差，从而提高控制精度。对于一阶系统，提高Ｋ。，还可以降低系统的惯性。但是，比例系数Ｋ。过大会使系统产生较大超调，甚至导致不稳定；若Ｋ。取的过小，能使系统减少超调量，稳定裕度增大，但会降低系统的调节精度，使调节时间延长。故而，比例系数Ｋ。选择必须适当，才能取得过渡时间短、静差小而又稳定的效果。２．积分环节积分环节的作用是消除静差，提高系统的无差度。积分时间乃对积分部分的作用影响极大。当乃较大时，则积分作用较弱，这时，系统的过渡过程不易产生振荡。但是消除偏差所需的时间较长。当Ｌ较小时，则积分作用较强。这时系统过渡过程中有可能产生振荡，但消除偏差所需的时间较短。３．微分环节微分环节能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前引入一个修正信号，从而减小系统的超调，从而减小调节时间。微分部分的作用强弱由微分时间乃决定。％越大，则它抑制“力变化的作用越强，％越小，它反抗８（Ｄ变化的作用越弱。它对系统的稳定有很大的影响。由此可见，比例系数、积分系数、微分系数是ＰＩＤ控制中的三个非常重要的参数，它们是影响ＰＩＤ控制系统控制性能的重要因素，ＰＩＤ的三个参数是相互耦合的，只有达到合适的配比，才能使系统获得良好的控制品质。第二章温控对象的一般模型及ＰＩＤ控制算法２．２．２数字ＰＩＤ控制原理模拟ＰＩＤ控制器的输入输出量均为模拟量，如电压、电流。而当便用微计算机实现控制时，其输入输出必须为数字离散量。所以必须将上述的ＰＩＤ控制规律的连续形式变成离散形式，才能编程实现。数字ＰＩＤ控制分为位置式ＰＩＤ控制和增量式ＰＩＤ控制。１．位置式ＰｌＤ控制若采样周期为Ｌ第ｎ次采样输入的偏差为ｅ。且口。＝ｒ（ｎ）－ｙ（ｎ），输出为“。，ＰＩＤ算法用的微分李由差分挚代替，积分ｆｅ（ｔ）ｄｔ由∑ｑ丁代替，则ＰＩＤｄｔ控制器算法的离散形式可写为：．１，ｉ＝０＝ｆ’ｄＯ。。Ｕｎ＝巧［巳＋軎窆巳丁＋％华】上（２．４）２．增量式ＰＩＤ控制将位置式ＰＩＤ算式（２．４），写成递推形式为：Ａｕ＾＝“ｎ一“＾一下ｎｎ－１个＝ＫＰ［（巳一巳一１）＋争（∑巳－Ｚｅ，）＋等（巳－２ｅｎ－ｌ－Ｉ－ｅｎ一２）】１，１－－ｏｉ＝ｏ１＝Ｋｅ［（ｅ。－－ｅｎ＿Ｉ）＋百Ｔ”等（ｅ，，－２ｅｎ＿Ｉ＋ｅｎ＿２）】＝Ｋｌ，（ｅｎ－ｅｎ＿！）＋ＫｐｉＴｅ．＋Ｋｐ争（ｅｎ－２ｅｎ＿１＋ｅｎ＿２）】（２．５）＝Ｋ尸（Ｐ。一ｅｎ＿１）＋Ｋ，ｅ。＋ＫＤ（Ｐ。一２巳一ｌ＋ｅｎ一２）】则可得增量式ＰＩＤ算式：“。＝“。一ｌ＋ＫＰ（ｅ。一ｅ。－ｔ）＋Ｋ，ｅ。＋ＫＤ（ｅ。一２ｅ。＿ｌ＋ｅｎ－２）】舯ｇＩ－－ｇｐ百Ｔ，Ｋｏ喝等显然，ＰＩＤ计算△“。只需要保留现时刻Ｐ。以及以前的两个偏差值ｅ剃和气一２。初始化程序置初值ｅ剃＝ｅ柚－ｏ，通过采样，并根据参数Ｋ—Ｋ，、ＫＤ以及ｅ—ｅ¨、９广东工业大学工学硕士学位论文％．２计算△“。。３．位置式与增量式ＰＩＤ控制的比较与选择采用增量式ＰＩＤ算法时，计算机输出的控制量△＂。对应的是本次执行机构位置的增量。对应实际控制量可由式（２．５）计算得出。对整个系统而言，位置式与增量式控制算法并无本质区别。增量式控制虽然只是对算法做了一点改进，却带来不少优点１２４］：（１）由于计算机输出增量，所以误动作时影响较小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。（２）手动／自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。（３）算式中不需要累加。控制增量Ｕ。的确定仅与最近几次采样有关，所以较容易通过加权而获得比较好的控制效果。由上面的介绍可知，增量式算法具有许多位置式算法不及的优点，因此，本文选择增量式ＰＩＤ控制算法。４．积分分离ＰｌＤ控制算法采用标准ＰＩＤ控制算法，实现控制的过程中，只要系统的偏差没有消除，积分作用就会继续增加或减少。最后使控制量达到上限或者下限，系统进入饱和范围。而且当有扰动或改变设定值时，若有较大的偏差存在，特别是有惯性和滞后的系统，在积分项的作用下，往往产生较大的超调和较长时间的波动，对温度这种变化缓慢的过程尤为严重【２５１。为了克服这个缺点，可采用一种积分分离手段，即在被控量开始跟踪时，取消积分作用，而当被控量接近新的给定值时才将积分作用投入。采取这一措施后，可以充分发挥积分作用在消除静差、提高精度方面的优点［２６，２７］，避免由于加强积分作用而带来的系统稳定性变差和最大偏差增大的缺点。积分分离的基本思想是ｔ根据系统情况设置分离用的门限值Ｅ０。当偏差大于规定的门限值时，删除积分作用，以使ｙｅｉＴ不至于过大；只有偏差较小时，方引入积分作用，来消除静差。这样控制量不易进入饱和区，可使系统的输出特性得到改善。积分分离ＰＩＤ算法为：Ｕ。＝Ｋ，（巳一ｅ。－１）＋Ｋ厂Ｋ，巳＋ＫＤ（巳－２ｅ，，一ｌ＋巳一２）其中Ｋ，为逻辑系数１０（２．６）第二章温控对象的一般模型及ＰＩＤ控制算法巧＝＇ｌｌｅ．］ｑＥＯ：（２．７）在实际应用中可以对积分分离ＰＩＤ控制算法进行改进，采用分段积分分离的形式，即根据误差绝对值的不同，采用不同的积分强度。２．３ＰｌＤ控制器参数的整定设计ＰＩＤ控制器的关键是控制器参数的整定，控制器的参数直接影响系统的控制质量，整定ＰＩＤ参数的方法大体上可分为两大类，即理论计算法和工程整定法。理论计算法主要有根轨迹法、频率特性法等，这类整定方法基于被控对象数学模型（传递函数、频率特性），通过计算方法直接求得控制器参数。工程整定法适用于现场应用，它以实验为基础，不依赖被控对象的数学模型，简便易行。下面介绍几种常用的工程整定法。２．３．１试凑法试凑法也叫经验法，是根据控制器参数ＫＰ、局和如对系统响应的作用，反复凑试，直到达到满意的输出响应。试凑法的步骤就是先调试比例系数Ｋ。，再调积分系数Ｋ，，最后调微分系数ＫＤ。将控制器的各个参数进行逐个凑试，各个参数的调整均按由小向大的顺序进行。增大比例系数Ｋ。一般会加快系统的响应，在有静差的情况下，有利于减小静差。但是，会使系数有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间乃利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但是系统静差的消除将随之减慢。增大微分时间死有利于加快系统的响应，使超调量减小，稳定性增加。但是，系统对扰动的抑制能力减弱。２．３．２ＺｉｅｇＩｅｒ－ＮｉｃｈｏｌＳ（齐格勒一尼柯尔斯）整定法则齐格勒一尼柯尔斯法则是在实验阶跃响应的基础上，或者是在仅采用比例控制广东工业大学工学硕士学位论文作用的条件下，根据临界稳定性中的ＫＰ值建立起来的。当控制对象的数学模型未知时，采用齐格勒一尼柯尔斯法则是很方便的。齐格勒一尼柯尔斯法则有两种方法，分别为阶跃响应法和临界比例度法。１．阶跃响应法首先对被控对象进行测试实验，若被控对象的阶跃响应如图２．２所示，则被控对象的传递函数可近似为：Ｇ∽＝篙则可利用延时时间ｒ、放大系数Ｋ和时间常数Ｌ根据表２．１中的公式确定Ｋｐ、乃和％的值。ｙ（ｔ）ＫＯ图２－２被控对象阶跃响应Ｆｉｇ．２－２Ｓｔｅｐｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｃｈａｒｇｅｄｏｂｊｅｃｔ表２－１阶跃响应法参数整定公式Ｔａｂ．２－１ＦｏｒｍｕｌａｏｆｓｔｅｐｒｅｓｐｏｎｓｅｔｕｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄＫｐＰＰＩＰＩＤｒＫ×ｆＯ．９．７’Ｋ×ｆ１．２．７’Ｋ×ｆ乃％ｆ０．３２．２ＴＯ．５Ｔ２．临界比例度法这是一种基于系统的临界振荡参数的闭环整定方法。在闭环控制系统中，将控制器置于纯比例作用下，从小向大逐渐改变控制器的比例值，得到等幅振荡的１２第二章温控对象的一般模型及ＰＩＥ）控制算法过渡过程。此时的比例值称为临界比例值Ｋｕ，相邻的两个波峰问的时间间隔称为临界振荡周期孤，如图２．３所示，求得Ｋｕ和死后，根据临界振荡整定计算公式就可以确定ＰＩＤ参数。Ｙ（ｔ）图２－３临界震荡响应Ｆｉｇ．２－３Ｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｕｌｔｉｍａｔｅｓｈｏｃｋ表２—２临界比例度法参数整定公式Ｔａｂ．２—２ＦｏｒｍｕｌａｏｆｕｌｔｉｍａｔｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｔｕｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄＫＰＰＩＰＩＤｐ乃％Ｏ．５胁Ｏ．４５ｊ【ｈ０．８５死Ｏ．５死０．１２５Ｔｕ０．例勖２．３．３正交实验法以上是工程上常用的ＰＩＤ参数整定方法。试凑法操作简单易行，但选取的参数具有一定的盲目性，对控制器品质指标的评价也是未知的，只是一些经验评价。采用齐格勒一尼柯尔斯法则可方便的整定出控制器的参数，但采用此种方法整定出的参数一般不能获得好的控制效果，仍需在后续的操作中，不断的对参数进行调整，才能使得被控过程获得满意的控制效果。能否找到一种方法，在不知道被控对象数学模型的情况下，能方便而有效地决定ＰＩＤ控制器的参数，使控制系统的品质指标最好，这对于工业控制系统的设计是十分有意义的。对此，本文对这一问题进行了探索，用数理统计的方法优化ＰＩＤ控制器的参数。１３广东工业大学工学硕士学位论文正交实验设计（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｓｉｇｎ）是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比＂的特点，正交试验设计是一种高效率、快速、经济的实验设计方法郾】。本文实验阶段整定ＰＩＤ控制器参数时，首先采用齐格勒一尼柯尔斯法则得出一组ＰＩＤ初始参数，然后通过设计正交实验的方法，得出了控制器最终参数，并获得了较好的控制效果，具体实现方法见第五章。因此，本文所使用的方法对于工业控制系统的设计具有一定的参考价值。２．４采样周期的选择采样周期的选择是设计ＰＩＤ数字控制器的另一个关键的问题，采样周期过大不仅会降低系统稳定性，还会因不能满足采样定理而丢失部分信息，使控制质量变差，但采样周期过小将增加计算机负担，且不一定对提高控制质量有明显效果。通常采样周期应根据下述一些具体情况来合理选择。１）当系统给定值变化频率较高时，采样频率也应较高，以使给定值的变化得到迅速响应。２）３）采样周期应比对象的时间常数小很多，否则采样信号无法反映瞬变过程。当被控对象是缓慢变化的热工或化工过程时，采样周期可以取得较大；当被控对象是快速系统时，采样周期应取得较小。４）５）当执行机构惯性较大时，采样周期可以取得大一些。当系统的控制回路较多时，采样周期可以取得大一些。由上面的分析可知，采样周期受各种因素的影响，有些是互相矛盾的，必须视具体情况而定。而且有些调节控制过程是在定时中断程序中进行的，采样周期ｒ必须保证中断服务程序的正常运行。１４第二章温控对象的一般模型及ＰＩＤ控制算法２．５仿真分析２．５．１仿真工具的选择ＭＡＴＬＡＢ（ＭａｔｒｉｘＬａｂｏｒａｔｏｒｙ矩阵实验室）是Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ公司的产品，它把科学计算、程序编写以及结果的显示等都集中在一个使用非常方便的环境中。ＭＡＴＬＡＢ语言是以复数矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言，具有简洁紧凑，语法限制不严格，程序设计自由度大，程序可移植性好等特点。它提供各种矩阵的运算和操作，并有很强的绘图功能。目前，ＭＡＴＬＡＢ已经成为国际上最流行的控制系统计算机辅助设计的软件工具［２９１。２．５．２仿真条件的选取本节仿真将比较常规ＰＩＤ算法和积分分离ＰＩＤ算法在被控对象相同的情况下的控制效果。根据温控对象大滞后的特性，结合温控对象的一般模型，取仿真对象的传递函数为：Ｇ（ｓ）：兰Ｇ（ｓ）＝Ｌ６０＋１即：胙ｌ，芦６０，ｒ＝８０ｓ。（２．８）（２・８）本文通过在ＭＡＴＬＡＢ编程环境下编写Ｍ文件的方式进行仿真。为仿真结果分析方便起见，把输入设为单位阶跃信号。２．５．３仿真结果分析本文在仿真时，先用Ｚｉｅｇｌｅｒ—Ｎｉｃｈｏｌｓ整定法则，在线整定出常规ＰＩＤ控制器的参数，以确保ＰＩＤ闭环控制系统稳定。常规ＰＩＤ控制器参数整定为ＫＰ＝０．８、蜀＝０．００６、％＝４．８，积分分离ＰＩＤ控制器的初始参数也取为砟＝０．８、Ｋ，＝０．００６、ＫＤ＝４．８。当选择采样周期为２０ｓ时，常规ＰＩＤ控制器和积分分离ＰＩＤ控制器的仿真曲线分别如图２－４、２－５所示。１５广东工业大学工学硕士学位论文图２－４ＰＩＤ控制器阶跃响应Ｆｉｇ．２－４ＳｔｅｐｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆＰＩＤ图２—５积分分离ＰＩＤ控制器阶跃响应Ｆｉｇ．２・５ＳｔｅｐｒｅｓｌｘｍｓｅｏｆｉｎｔｅｇｒａｌｓｅｐａｒａｔｉｏｎＰＩＤ通过仿真结果，可以看出，虽然两种方法的稳态误差都为零，但是常规ＰＩＤ控制器超调量很大，到达稳定状态所需的时间长；积分分离ＰＩＤ控制器较常规ＰＩＤ１６第二章温控对象的一般模型及ＰＩＤ控制算法控制器性能有了大幅的提高，系统的超调量更小，调节时间更短。鉴于积分分离ＰＩＤ算法以上优点，本文采用积分分离ＰＩＤ控制算法，并依据式（２．６）编写ＰＩＤ控制程序。２．６本章小结本章给出了温控对象的一般模型，详细讨论了ＰＩＤ控制算法的基本原理，并依据各种ＰＩＤ控制器的特点，针对温度控制对象大滞后、大惯性、非线性等特点，选择了合适的控制器形式和控制器算法。介绍了几种工程上常用的整定ＰＩＤ参数的方法和合理选择采样周期的依据，为随后开展实验工作，提供了理论支持。运用ＭＡＴＬＡＢ软件对常规ＰＩＤ和积分分离ＰＩＤ算法进行仿真分析，并依据仿真结果选择积分分离ＰＩＤ控制算法作为本文的控制算法。１７广东Ｉ业大学Ｉ学硕士学位论文第三章系统硬件的设计３．１温控系统的整体构架本文设计开发了一种温度控制系统，温控系统主要由单片机采集模块、ＰＬＣ、计算机和通信接口组成。温控系统的整体结构框图如图３—１所示。剧３ｌ温控系统整体结构筒国Ｆｉｇ３－１ｌｌｌｍｗａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｍｌ坩ａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ３１１温控系统各组成部分单片机主要完成温度信息的采集和控温运算任务。单片机采集数据后，将采集到的数据转换为温度信息，根据控温参数进行相应的控温运算，然后将温度信息和控温运算结果存入内部ＲＡＭ。上位机通过串口通信取得温度数据和控温运算结果，并把新的控温参数传递给单片机。ＰＬＣ主要起控制和报警作用。ＰＩＪｃ利用自身的输出触点可以直接驱动加热装置，并依据从单片机读取的控温运算结果决定ＰＷＭ占空比进行控温。当ＰＬＣ的控制任务多，输出触点不足时，可直接利用单片机模块的驱动电路通过ＰＷＭ方式驱动加热装置，完成控温任务。当温度超过限定值时，ＰＬｃ也可以通过自身所接的报警灯或蜂鸣器进行声光报警。幂三荦ｉ‰硬件的设计计算机主要完成控制参数设置、温度信息显示、温度曲线的绘制等任务。本文编写了计算机软件，可方便的实现控温参数的在线调整、温度信息的显示、温度曲线的绘制等任务。控制人员可直观的根据温度曲线对系统进行分析和谲整，以使系统达到更好的控制效果。通信接口是连接系统各组成部分的纽带。系统各组成部分通过串口通信方式实现数据的交换，以保证系统的正常运行。３１２系统的工作方式本系统可很方便的根据需要组建三种工作方式，分别为：单片机采集模块、ＰＬＣ和计算机组建控制系统的方式；单片机采集模块和ＰＬＣ（配触摸屏等显示终端）组建控制系统：单片机采集模块和计算机组建控制系统。单片机采集模块、ＰＬＣ和计算机组建控制系统的方式。是最典型的工作方式，上面已做过介绍。单片机采集模块和ＰＬＣ（配触摸屏等显示终端）组建控制系统，其结构图如如图３—２所示。单片机主要完成温度信息的采集，ＰＬＣ主要起控制和搬警作用，控制参数的设置和温度等信息的显示由显示终端来实现。《《终端图３２单片机采集楔块和ＰＬＣ组建控制系统结构简图Ｆｉｇ，３－２ｌｌｌｕｓｌｒａｆｉｏｎ０ｆｔｈｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｍａｋｅｕｐｏｆＳＣＭａｎｄＰＬＣ单片机采集模块和计算机组建控制系统，其结构图如图３－３所示。单片机主要完成温度信息的采集、控温运算和驱动控制任务，计算机主要完成控制参数设置、温度信息显示、温度曲线的绘制等任务。［至士兰銮主三兰墨圭兰竺兰三圈３－３单片机采集模块和计算机组建控制系统结构简图Ｆｉｇ．３－３ｆｌｌｕｓｔｒａｔｉ衄ｏｆｔｔ”ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｍａｋｅｕｐｏｆＳＣＭａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ３２微处理器的选择本温控系统选择ＡＴ８９Ｓ５２单片机作为单片机采集模块主控ＣＰＵ。ＡＴ８９Ｓ５２单片机是由美国ＡＴＭＥＬ公司开发生产的一种低功耗、高性能ＣＭＯＳ８位微控制器，具有８Ｋ在系统可编程Ｆｌａｓｈ存储器。使用ＡＴＭＥＬ公司高密度非易失性存储器技术制造，与８０Ｃ５１产品指令和引脚完全兼容。片上Ｆｌａｓｈ允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的８位ＣＰＵ和在系统可编程Ｆｌａｓｈ，使得ＡＴ８９Ｓ５２为众多嵌入式控制应用系统提供高灵括、超有效的解决方案。ＡＴ８９Ｓ５２具有以下标准配置：８ｋ字节Ｆｌａｓｈ，２５６字节ＲＡＭ，３２位Ｉ／Ｏ口线，看门狗定时器，２个数据指针，三个１６位定时器／计数器，一个６向量２级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路哪】。ＡＴ８９Ｓ５２单片机调试方便，运行速度快，抗干扰能力强，可吐满足温控系统的应用需求。３３温度信号的采集３３１温度传感器的选择及其工作原理本温控系统选用Ｋ型热电偶作为测温元件。Ｋ型热电偶具有线性度好、响应速度快、价格便宜、测量范围宽等良好特性，在工业温度测控场合得到广泛的使第三章系统硬件的设计用。将两种不同的导体或半导体材料Ａ、Ｂ连接成闭合回路，将它们的两个接点分别置于温度为ｒ和册（设ｐ㈣的热源中，则在Ａ、Ｂ组成的回路中将产生热电势ＥＡｓ（Ｔ，ＴＯ，此即热电效应。热电偶就是利用热电效应制成的温度传感器。其中，Ａ和Ｂ称为热电极，温度高的接点（丁端）称为热端，温度低的接点（册端）称为冷端。在实际使用时，可以先求得热端相对０＂Ｃ的热电势值以正∞，然后查热电偶分度表，即可求得热端的温度值。３．３．２Ｋ型热电偶冷端温度补偿方法由于在实际使用时，热电偶的冷端一般处于现场环境中，为求得热端相对于０＂Ｃ的热电势值以ＺＤ），必须对热电偶的冷端进行温度补偿。补偿的方法主要有以下几种：１．冰浴法将热电偶的冷端置于冰水混合物中，使冷端保持０＂Ｃ，可直接根据热端的电动势值查分度表。这种方法精度最高，但使用不方便，一般在实验室使用，在实际使用中很少采用。２．补偿电桥法在热电偶的冷端串入补偿电桥，使电桥产生的不平衡电压正好补偿由于冷端温度引起的冷端热电势。由于补偿电桥中的铜电阻阻值一般根据２０。Ｃ条件下选定，这种方法适用于现场温度在２０＂Ｃ左右的情况，当现场温度与２０℃相差较大时，测量产生的误差比较大。３．软件补偿方法由于热电偶热端相对Ｏ＇Ｃ的热电势值以正∞可以由式（３．１）求得：以正Ｄ）＝段瓦聊斗目册，∞（３．１）因此，可以通过测量现场温度，然后查热电偶分度表求得冷端相对０＂Ｃ的热电势值以Ｔ０，０），从而求得热端相对０＂Ｃ的热电势值以Ｚ回，最后查表获得热端的温度值。４．专用集成电路法２１将热电偶应用于微控制系统领域时，往往存在着以下几方面的问题：（１）非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系并非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。（２）冷补偿：采用电桥补偿法，电路较复杂，调试比较麻烦；采用软件补偿方法，则计算量较大，且要建立查询表，导致耗费的资源比较多。（３）数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟量小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求。因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，必须进行复杂的信号放大、Ａ／Ｄ转换、查分度表、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。３．３．３Ｋ型热电偶放大与数字转换芯片ＭＡＸ６６７５ＭＡＸＩＭ公司生产的Ｋ型热电偶专用芯片ＭＡＸ６６７５，是一个集成了模拟信号放大器、冷端补偿信号产生电路、非线性校正电路、断线检测电路、Ａ／Ｄ转换器及ＳＰＩ串口数字控制电路的热电偶信号放大器与数字转换器【３１１。它不但可将模拟信号转换成１２位数字量，而且对其内部元器件的参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正。其温度分辨能力达Ｏ．２５℃，采用ＳＯ一８封装，体积小，可靠性高，可以满足绝大多数工业应用场合。ＭＡＸ６６７５的引脚排列如图３—４所示，引脚功能如表３—１所示。ｇＮＯＴ－Ｔ＋ＶＣＣＭＣ。Ｓ０ＣＳ∞Ｋ图３－４ＭＡＸ６６７５弓Ｉ脚｛４｝列图Ｆｉｇ．３－４Ｐｉｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆ１㈣６６７５第三章系统硬件的设计表３－ｌＭＡＸ６６７５引脚功能表Ｔａｂ．３－１ＴｈｅｐｉｎｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＭＡＸ６６７５引脚ｌ２３４５６７８名称ＧＮＤＴ—Ｔ＋ＶＣＣＳＣＫＣＳＳＯＮＣ功能接地端Ｋ型热电偶负极Ｋ型热电偶正极正电源端串行时钟输入片选端，ＣＳ为低时，启动串行接口串行数据输出空引脚１．ＭＡ）（６６７５工作原理ＭＡｘ６６７５是一种复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构如图３—５所示。主要包括：低噪声电压放大器Ａｌ、电压跟随器Ａ２、冷端温度补偿二极管、基准电压源、１２位ＡＤ转换器、ＳＰＩ串行接口、模拟开关及数字控制器。Ｋ型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器Ａ１和电压跟随器Ａ２放大、缓冲后，得到热电势信号Ｖｏｕｔ，再经过Ｓ４送至ＡＤＣ。对于Ｋ型热电偶，电压变化率为４ｌｐｖ／℃，电压可由式（３．２）来近似求得。Ｖｏｕｔ＝（４１ｐＶ／。Ｃ）ｘ（ＴＲ－枷（３．２）上式中，／／ｏｕｔ为热电偶输出电压（ｍＶ），办是测量点温度，ＴＡＭｓ是环境温度。广东工业大学工学硕士学位论文图３－５ＪｄＡＸ６６７５的内部结构图Ｆｉｇ．３—５ＴｈｅｉｎｎｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＭＡＸ６６７５２．ＭＡ）（６６７５的工作时序ＭＡＸ６６７５采用标准的ＳＰＩ串行外设总线与ＭＣＵ接口，且ＭＡＸ６６７５只能作为从设备。ＭＡＸ６６７５ＳＯ端输出温度数据的格式如表３－２所示，ＭＡＸ６６７５ＳＰＩ接口时序如图３—６所示。ＫＡＸ６６７５从ＳＰＩ串行接口输出数据的过程如下：ＭＣＵ使ＣＳ变低并提供时钟信号给ＳＣＫ，由ＳＯ读取测量结果。Ｃｓ变低将停止任何转换过程；ＣＳ变高将启动一个新的转换过程。ＭＡＸ６６７５进行一次完整的转换约需要０．１７＂－＇０．２２秒；一个完整串行接口读操作需１６个时钟周期，在时钟的下降沿读１６个输出位，第ｌ位和第１５位是伪标志位，并总为低电平；第１４位到第３位为以ＭＳＢ到ＬＳＢ顺序排列的转换温度值；第２位为检测热电偶断线标志，平时为低电平，为１表示热电偶断开；第１位为低电平，以提供ＭＡＸ６６７５器件身份码，第０位为三态。２４第三章系统硬件的设计表３＿２ＭＡＸ６６７５ＳＯ端输出数据格式Ｔａｂ．３－２Ｉ＞ａｔａｆｏｒｍｏｆＳＯｏｕｔｐｕｔ空标１２位温度数据志位１５０１４ＭＳＢ１３１２ｌｌ１０９８７６５４３ＬＳＢ断线检测２设备状态身份１Ｏ０三态气！！矩Ⅺ涎Ⅺ＊涎ⅪⅪⅪⅪＸ嬲竺—Ｌ图３－６ＭＡＸ６６７５ＳＰＩ接口时序Ｆｉ辱３—６ＳｅｒｉａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｔｏｃｏｌｏｆＩＶＩＡＸ０６７５Ｄ１４－－一Ｄ３表示１２位转换值，转换值的范围是０＂－＇４０９５，对应表示实际温度值为０℃＂－＇１０２３．７５℃。由于ＭＡＸ６６７５内部经过了激光修正，因此，其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为：温度值＝１０２３．７５×转换后的数字量／４０９５（３．３）以上内容是ＭＡＸ６６７５的工作时序和１６位数据格式，是编写单片机温度采集程序的依据。在利用单片机从ＭＡＸ６６７５读取温度信息的过程中，一般应使得两次读取温度数据的时间间隔大于２５０ｍｓ，即大于ＭＡＸ６６７５进行一次完整的转换所需的时间，否则，读取的温度数据将会产生错误。３．ＭＡＸ６６７５与ＡＴ８９Ｓ５２单片机接口ＭＡＸ６６７５与ＡＴ８９Ｓ５２单片机接口电路原理图如图３－７所示。Ｋ型热电偶接在ＭＡＸ６６７５的Ｔ＋、Ｔ一端，热电偶的冷端接地。由于ＡＴ８９Ｓ５２不具备ＳＰＩ总线接口，故采用模拟ＳＰＩ总线的方法来实现其与ＭＡＸ６６７５的接口。其中Ｐ１．０模拟ＳＰＩ的数据输入端（ＳＯ），Ｐ１．１模拟ＳＰＩ的串行时钟输出端ＳＣＫ，Ｐ１．２模拟ＳＰＩ的从机选择端ＣＳ。广东工业大学工学硕士学位论文ＶＣＣｌＬ－仉ｌ¨ＰＶＣＣ广ＬＣＮＤＭＡＸ６６７５Ｔ＋Ｔ－ＣＳＳＯＳｃＫＡＴ８９Ｓ５２Ｐ１．０Ｐ１．１Ｐ１．２，图３—７ＡＴ８９Ｓ５２单片机与１１ＰＪ（６６７５接口电路Ｆｉｇ．３－７ＩｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆＡＴ８９Ｓ５２ａｎｄＭＡＸ６６７５４．提高测量精度的措施１）ＭＡＸ６６７５的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声的影响，可在ＭＡＸ６６７５的电源引脚附近接入１只０．１ｕＦ陶瓷旁路电容。２）ＭＡＸ６６７５芯片Ｔ一必须接地，并使接地点尽可能接近ＧＮＤ脚，否则读出数据为无规律的乱码。３）ＭＡＸ６６７５是通过冷端补偿来校正周围温度变化的。该器件将周围温度通过内部的温度检Ｎ－极管转换为温度补偿电压，该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到ＡＤＣ中转换，以计算热电偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时，ＭＡＸ６６７５可获得最佳的测量精度。因此在实际测温应用时，应尽量避免在ＭＡＸ６６７５附近放置发热器件或元件。４）尽量采用大截面积的热电偶导线，长距离传输时，可采用双绞线作为信号传输线。５）根据应用场合的不同，可通过相应的数字滤波器进行数据处理，以提高测量数据的准确性。３．４功率驱动电路本系统可选择通过ＰＬＣ的输出触点驱动加热装置实现温度控制，也可以直接利用单片机模块上的驱动电路来驱动加热装置实现温度控制的目的。它们都是通过调节加热装置的功率来实现对温度的控制。单片机模块驱动电路采用可控硅调功方式来实现对加热装置的控制。可控硅调节功率的方法分为调节可控硅的导通角和调节单位时间内交流电压信号出现的第三章系统硬件的设计次数两种，就可控硅的触发方式而言，又称为移相触发和过零触发。移相触发方式中，在每个交流电周期都相应的调节可控硅在该交流电周期内的导通角，所以移相触发方式对加热装置的调功较为均匀、连续，调节精度较高。但移相触发方式会使负载上的电压波形发生畸变，产生高次谐波，对电网造成公害【３２１。过零触发方式指在交流电过零点时触发可控硅，可以通过控制在单位时间内可控硅导通周期和截止周期的个数即占空比开关方式来调节加热装置的功率。过零控制则能使负载上产生较完整的正弦电压波形，同时由于过零时通断，防止了过大的电流冲击，是目前在工业控制广为使用的方法。本系统采用ＭＯＣ３０６１光耦过零触发驱动器实现对可控硅的过零触发。通过改变给定控制周期内加热装置的导通和关断时间，达到调节温度的目的。加热装置的导通和关断时间可通过单片机定时器中断方式实现，具体实现见第四章相关内容。ＭＯＣ３０６１是带过零检测电路的双向可控硅输出型的光电耦合器，可以用来驱动工作电压为２２０Ｖ的交流双向可控硅，峰值输出浪涌电流为１Ａ，最大隔离电压为７５００Ｖ，最大触发电流为１５ｍＡ，ＭＯＣ３０６１的作用是隔离单片机系统和触发外部的双向可控硅。ＭＯＣ３０６１系列采用双列直插６引脚封装形式，其引脚排列和内部电路如图３－８所示。器件由输入、输出部分组成。１、２脚为输入端，输入极是一个砷化镓红外发光二极管（ＬＥＤ），该二极管在５－－－，１５ｍＡ正向电流作用下，发出足够的红外光，触发输出部分。３、５脚为空脚，４、６脚为输出端，输出极为具有过零检测的光控双向可控硅。当红外发光二极管发射红外光时，光控双向可控硅触发导通。正极负极图３—８ＭＯＣ３０６１弓１脚排列和内部结构电路Ｆｉｇ．３—８ＰｉｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｉｎｎｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＭＯＣ３０６１功率输出电路如图３－９所示。当单片机的Ｐ１．７Ｄ输出低电平时，同向驱动器７４０７输出低电平，ＭＯＣ３０６１的输入端有电流输入，在ＭＯＣ３０６１的输出端６脚和４脚之间的电压稍过零，内部双向可控硅导通，触发外部的双向可控硅ＢＴＡｌ２导通，加热２７广东工业大学工学硕士学位论文装置通电；当Ｐ１．７端输出高电平时，ＭＯＣ３０６１输出端的双向可控硅关断，外部的双向可控硅ＢＴＡｌ２也关断，加热装置断电。＋Ｔｌ一愆１＂２Ｌ黼１２靠ｌＪ？竺。凇兰５ｌＰ瓤图３—９功率驱动电路Ｆｉｇ．３－９ＰｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔｃｉｒｃｕｉｔＲ１的作用是限制流过ＭｏＣ３０６１输出端的电流不超过其允许的峰值重复浪涌电流。Ｒ１的大小可由下式估算：Ｒ１＝Ｖｐ／Ｚｐ式中：场为工作电压的峰值，为２２０√ｒ２Ｖ；印为ＭＯＣ３０６１输出端的最大允许电流，为ｌＡ。（３．４）Ｒ１：！芝：—２２０—，／２：３１ｌＱ勿ｌＲｌ取３６０Ｑ。由于串入电阻Ｒ１，使得触发电路有一个最小的触发电压，低于这个电压时，双向可控硅不能导通。最小触发电压巧由下式计算：％＝Ｒ１・ＩＧｒ＋％，．＋巧Ｍ式中：Ｉｏｒ为双向可控硅的最大触发电流；圪ｒ为双向可控硅的的最小触发电压；（３．５）‰为ＭＯＣ３０６１输出端压降，取为３Ｖ巧＝Ｒ１・Ｉｏｒ＋％ｒ＋巧Ｍ＝３００ｘ０．０５＋１．５＋３＝１９．５Ｖ对应的最小控制角为：口＝ａｒｃｓｉｌｌｌ＝３．９４。％矿（３．６）即控制角耋３．９４。时，双向可控硅才能导通。当外接的双向可控硅功率较大时，Ｌｒ需要较大，此时，最小控制角比较大，可能会超出使用要求。解决的方法是在大功率双向可控硅和ＭＯＣ３０６１之间加入一个触发用的可控硅，触发用的可控硅的限流电阻可以用得比较小，所以最小控制角也可以做得比较小。２８第三章系统硬件的设计在实际使用中，太大的电压上升率对外部的可控硅ＢＴＡｌ２是不允许的，特别是负载为感性或功率较大时，必须加保护回路。由于在应用中Ｂ１’Ａ１２一般只承受换相过电压，开关时没有太大的ｄＶ／ｄｔ，因此一般采用ＲＣ吸收电路即可。其中电容用来吸收尖峰过电压，电阻主要用来防止电容器产生震荡以及减少双向可控硅导通时的电流上升率ｄＶ／ｄｔ，防止可控硅在上电和断电时击穿。Ｒ２和Ｃｌ的大小根据负载电流和电感大小决定，在一般场合下，当工作电流小于２０Ａ时，可以取Ｃ均．０１￣０．１５ｕＦ，本文取ＣＩ＝０．０１ＩＩＦ，Ｒ２＝３９Ｑ。１１ＭＯＣ３０６１在输出关断的状态下，也有小于或等于５００Ａ的漏电流，加入Ｒ３可以消除漏电流对可控硅ＢＴＡｌ２的影响，尺３取３６０Ｑ，以防止ＢＴＡｌ２的误触发。３．５三菱ＦＸ系列ＰＬＣ３．５．１ＦＸ系列ＰＬＣ的结构特点三菱ＦＸ系列ＰＬＣ属于小型可编程控制器，可以单机运行，也可以进行输入／输出和功能模块的扩展，它的价格低廉，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，其性价比非常高，所以它在各行各业的应用中得到迅速的推广，在规模不大的控制领域是较为理想的控制设备。三菱Ｆｘ系歹ＩＪＰＬＣ硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的Ｉ／Ｏ接口，同时还可以扩展Ｉ／ｏ模块和各种功能模块，使用方便。一个完整的系统结构如图３－１０所示。图３－１０Ｆｘ系列ＰＬＣ系统结构简图Ｆｉｇ．３－１０ＩｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆＦＸＰＬＣｓｙｓｔｅｍ２９广东工业大学工学硕士学位论文３．５．２ＦＸ系列ＰＬＣ的工作原理ＰＬＣ是一种工业控制计算机，工作原理是建立在计算机工作原理的基础之上，是通过执行用户程序来实现对工业设备的控制。但ＣＰＵ是以分时来处理各项任务，计算机在每一瞬时只能做一件事，所以执行程序是按顺序依次完成相应的动作，亦即串行工作方式。它与继电器的控制系统的并行工作方式不同。程序的编写要注意先后顺序。概括而言，ＰＬＣ的工作方式是一个不断循环的顺序扫描的工作方式。每完成一次扫描所用的时间称为扫描周期。ＣＰＵ从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户的程序，直到程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。ＰＬＣ就是这样周而复始地重复上述循环扫描工作。３．６系统的通信通信是联系上位监控机和下位数据采集机的纽带和桥梁。本系统采用ＲＳ一２３２Ｃ通信标准总线，实现上位监控机和下位数据采集机之间的数据通信与交流任务。３．６．１单片机采集模块与计算机的串行通信由前面的介绍可知，本系统的其中一种工作方式是由单片机采集模块和计算机组建测控系统，其中单片机负责数据采集、数据处理、和功率驱动控制任务；计算机完成控制参数设置、温度信息显示、温度曲线的绘制等任务。因此要考虑单片机与计算机之间的通信，可通过串行通信来实现。ＲＳ－２３２是微机系统中最通用的串行数据传输总线，ＲＳ－２３２标准是按负逻辑定义的，它的“１’’电平在一３Ｖ～一１５Ｖ之间，它的“Ｏ＂电平在＋３Ｖ～＋１５Ｖ之间。微机系统中常采用９线（ＤＢ）接口，主要信号有保护地（屏蔽地）、发送数据（ＴＸＤ）、接收数据（ＲＸＤ）、请求发送（ＲＴＳ）、允许发送（ＣＴＳ）、信号地等。由于发送器和接收器之间具有公共信号地，不可能使用双端信号，因此使用较高传输电压来抑制共模噪声的干扰。５１系列单片机有一个采用ＵＡＲＴ工作方式的全双工的串行通信接口，可以同时第三章系统硬件的设计发送数据、接收数据，以实现其与外部设备连接。单片机串口通信的逻辑电平为１ｖｒＬ电平，因此，要想完成单片机与其它具有ＲＳ－２３２Ｃ通信口的设备的正常通信，必须进行二者之间的电平转换。可采用ＭＡＸ２３２芯片配接五个０．１ＩｌＦ瓷片电容完成１ＩＴＬ／ＲＳ２３２电平之间的转换，ＡＴ８９Ｓ５２单片机与计算机之间的接口电路如图３－１１所示。０．１ｐｆ０．１ｌＩｆ计算机（上位机）缸Ｆ臣４ｌｌ１２７８ｌＣＩ＋ＣＩ—１６ＶＣＣ２ｖ＋６ｖ．ＴｌＯｂ＇ｒＲＩｌＮ１０Ｔ２０ＵＴＴ２ＩＮｉｏ．１ｌｌｆ＝圭１ｐ１Ｃ２＋ＭＹ—３２Ｃ２－ＴＩＩＮＲＩＯＩＪＴＡＴ８９￥５２旦下．二ｆ１３（下位机）ｌｌｌＯＲＸＤ２０ＧＮＤ占ＴｘＤ２ＲＸＤ３’ⅨＤＧＮＤ５眩ＩＮＧ№１５ｌＲ２０Ｕｒ９图３－１１ＡＴ８９ｓ５２与计算机之间的接口电路Ｆｉｇ．３－１１ＩｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆＡＴ８９Ｓ５２ａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ３．６．２三菱ＦＸ系列ＰＬＣ的串行接口三菱ＦＸ系歹ＵＰＬＣ与ＰＣ或其它带串口的外部设备之间的通信可以通过扩展串行通信扩展板或直接通过ＰＬＣ的编程口两种方式来实现。１．扩展串行通信扩展板方式三菱ＦＸ系列ＰＬＣ有多种通信扩展板可供选择，如ＦＸＩ（２）Ｎ一２３２一ＢＤ、ＦＸ，（２）Ｎ－４２２一ＢＤ和ＦＸ，（２）Ｎ－４８５－ＢＤ，分别用来实现ＲＳ－２３２通信口、ＲＳ－４２２通信口和ＲＳ－４８５通信口的扩展。这些通信功能扩展板都可以安装在ＦＸ系ｙｔＪＰＬＣ的内部，实现ＰＬＣ与外部设备的数据通信。本文选择ＦＸ，（２）Ｎ－２３２－ＢＤ实现ＰＬＣ通信口的扩展。ＲＳ－２３２Ｃ的传输距离为１５ｍ，最大传输速率为１９２００ｂｉｔ／ｓ。ＦＸ系列ＰＬＣ可通过专用协议或无协议方式与各种ＲＳ－２３２Ｃ设备通信。２．编程口通信方式三菱Ｆｘ系歹ＩＪＰＬＣ的编程口一般采用ＲＳ－４２２通信格式，对于８针座编程口，可直接用ＳＣ一０８编程电缆将ＰＬＣ的编程口和微机或其他设备的ＲＳ－２３２口连接起来。通过ＰＬＣ的编程口进行通信，可以降低系统的成本及复杂性，同时可以降低ＰＬＣ方面软３ｌ广东Ｉ业大学工学厦±学位论文件的复杂程度和编程量。采用此种方式通信时，由于外部设备与ＰＬＣ之间的信息传送是通过ＰＬＣ编程口实现的，采用的是ＰＬｃ专用协议通信指令。因此，在外部设备编程方面需要严格的遵循ＰＬＣ编程口通信协议。３６．３三菱Ｆｘ系列ＰＬＢ与单片机采集模块的通信当采用单片机采集模块和ＰＬＣ组建测控系统或者采用单片机测控模块、ＰＬＣ和计算机三者组建测控系统时，就要解决单片机与ＰＬＣ的通信问题。单片机可阻通过通信扩展板与ＰＬＣ通信，也可以直接通过ＰＩＺ的编程口与ＰＬＣ通信，由于要使用手持编程器或者通过安装了编译软件的计算机对ＰＬＣ进行程序的录入读出工作，为了减少插拔线的麻烦，同时也为了简化单片机通信程序的编写，所以．不管采用何种方式组建测控系统时，单片机和ＰＬＣ之间的通信都通过通信扩展板来实现。单片机经过ＭＡＸ２３２电平转换后，可通过ＦＸ，ｏ）ｒ－２３２一ＢＤ通信扩展扳和ＰＬＣ相连，单片机与通信扩展板之间的连线同单片机与计算机连接方式。３６４三菱Ｆｘ系列ＰＬＣ与计算机的通信当采用单片机测控模块、ＰＬＣ和计算机三者组建测控系统时，单片机、ＰＬＣ和计算机三者之间要进行数据信息的交换，因此要设计它们之唰的接口。由耵面介绍知，采用单片机采集模块通过通信扩展板与ＰＬＣ相连，ＰＬＣ通过自身的编程口与计算机相连的方式来实现它们之问的通信。ＰＬｃ与计算机之间的接线原理图如图３一１２所示。》竺髀ｃ砌Ｄｕｌ日图３－１２ＰＬＧ与计算机之间的接线原理圈Ｆｉｇ．３—１２ＴｈｅＩＸｉａｃｌｐｌｅｃＩｉａｇｒａｍｏｆ血ｅｅｏｍｏａｉ皿ｂｃｔｗｅｏｎＰＬＣａｎｄ第三章系统硬件的设计３．７测控系统硬件抗干扰设计干扰就是有用信号以外的噪声，在信号输入、传输和输出过程中出现的一些有害的电气变化现象。这些变化迫使信号的传输值、指示值或输出值出现误差，出现假象。干扰对测控系统的影响，轻则降低信号的质量，影响系统的稳定性；重则破坏电路的正常功能，造成逻辑关系混乱，控制失灵。因此，在设计测控系统时，必须采取一些抗干扰措施，以提高系统的可靠性和环境适应性。３．７．１干扰的来源干扰的来源一般可以分为内部干扰和外部干扰。内部干扰是应用系统本身引起的干扰，是系统设计不合理、制造工艺的缺陷等造成的，比如系统分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，对点接地造成电位差引起的干扰等。而外部干扰是由系统外部窜入到系统内部的干扰。诸如输电线和电气设备发出的电磁场，通信广播发出的无线电波，太阳或其它天体辐射出的电磁波，空中雷电，弧光放电、辉光放电等放电现象，甚至气温、湿度等气象条件。３．７．２测控系统的硬件抗干扰措施１．接地抗干扰措施接地技术是抑制噪声干扰的重要手段，良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。一般来说，电路的工作频率在１ＭＨｚ以下时屏蔽线可使用一点接地方式，当频率高于ＩＯＭＨｚ时应采用多点接地方式，工作频率在１－～ＩＯＭＨｚ之间，如果采用一点接地，则其地线长度不得超过信号波长的１／２０，否则应用多点接地。印刷电路板上要一点接地是非常困难的，在系统的设计时，可将地线适当加宽，围绕电路板的周边布置一圈。２．隔离抗干扰措施采用光电耦合器件来隔离开关量的输入输出与微机系统电气上的联系，使测３３控系统与外部电路仅保持信号联系，不直接发生电的联系，即实行强、弱电隔离。广东工业大学工学硕士学位论文光电耦合器件是以光为媒介进行间接耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。原因有如下：①光耦器件输入阻抗较低，而干扰源的内阻一般很大，那么分压到光耦器件输入端的干扰电压就很小了。②光耦器件的输入输出间的电容很小，绝缘电阻又非常大，因而被控设备的干扰很难反馈到输入系统中。３．配置去耦电容数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击尖峰电流，并在传输线和供电电源内阻上产生较大的压降，使供电电压波动，形成一个干扰源，即所谓的开关噪声。欲降低尖峰电流的影响，一种办法是在布线上采取措施，使杂散电容降至最低；另一种方法是降低供电电源的内阻，使尖峰电流不至于引起过大电源电压波动。但较为常见的办法是在门电路和集成电路芯片的电源线端和地线端加接去耦电容。去耦电容一方面提供和吸收了门电路开门和关门瞬间的充放电能量，另一方面可旁路该器件的高频噪声。去耦电容选择并不严格。可按ｃ＝Ｉ／Ｆ选用，其中Ｆ为电路频率，即１０姗ｚ取０．１ｐＩｌＦ，ＩＯＯＭＨｚ取０．０１ｕＦ。对微机系统取０．１ｕＦ，－一Ｏ．０１Ｆ之间即可。４．印刷电路板抗干扰措施在印刷电路板结构布局上，数字电路、模拟电路、大电流器件和噪声源器件等分开放置；对于频率很高的ＣＰＵ时钟电路，晶振尽量靠近管脚放置，使其与ＣＰＵ引脚之间的连线尽量短；另外，在布线层采用地线大面积铺铜，同时使印制线之间的距离尽可能的大，使顶层和底层的布线相互垂直，从而最大限度地减小印制线之间的耦合干扰，尽量加粗各种印制线，减小印制线本身的阻抗；布线时，电源线、地线的走向与数据线传递的方向一致；增强系统抗噪声的能力，尽量避免长距离的平行走线，以防它们之间相互串扰；拐角处应为斜线，避免直角等。３．８本章小结本章详述了温控系统的硬件设计。硬件电路是实现其功能的基础，它主要完成数据的采集与转换、通信接口的实现、功率驱动等任务。本章就温控系统的工作方式和各部分功能分别作了详细的叙述，其中包括电路的设计和单片机、Ｋ型热电偶信号放大器与数字转换器ＭＡＸ６６７５、光电耦合器ＭＯＣ３０６１和同向驱动器７４０７等芯片型号的选择，并提出了系统的抗干扰设计。第四章系统软件的设计第四章系统软件的设计本文软件的设计包括：单片机测控软件、ＰＬＣ通信与控制软件和计算机软件的设计。本文在软件设计时，将模块化设计思想引入到程序的设计中，当用到某个模块时，仅需调用即可，使得程序条理更加清晰，便于后期的维护与调整。单片机测控软件部分主要包括系统初始化模块、数据采集和数字滤波模块、控制算法模块、驱动控制模块和串行通信模块；ＰＬＣ控制软件部分主要包括串行通信模块和驱动控制模块；计算机软件设计主要包括控制界面设计、串行通信程序设计。４．１单片机软件的设计４．１．１初始化模块初始化模块要完成设置堆栈、定时器工作方式以及初值的设定、串行口工作方式以及串行口通信参数的设置、定时器中断、串行口中断的开启和中断优先级的设置等工作。为了保证串行通信数据的完备性和准确性，将串口中断优先级设为最高。初始化流程图如图４－１所示。３５广东工业大学工学硕士学位论文设置堆栈●全局变量初始化士定时器初始化＋串口初始化◆中断优先级设置０总中断开启士返回主程序图４－１初始化流程图Ｆｉｇ．４－１Ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ４．１．２数据采集和数字滤波模块１．数据采集程序由前面对硬件的介绍可知，ＭＡＸ６６７５是一个集成了模拟信号放大器、冷端补偿信号产生电路、非线性较正电路、断线检测电路、Ａ／Ｄ转换器及ＳＰＩ串口数字控制电路的热电偶信号放大器与数字转换器。根据ＭＡＸ６６７５的工作时序和输出数据格式，可以编写单片机温度采集程序，其流程图如图４－２所示。３６第四章系统软件的设计图４—２温度采集程序流程图Ｆｉｇ．４—２Ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ２．数宇滤波程序单片机从ＭＡＸ６６７５读取表示当前温度值的数字信号时，由于干扰的存在，此数值的大小会出现随机波动现象，为了在一定程度上消除干扰的影响，本文在软件上采用了滤波算法。随着单片机运算速度的提高，数字滤波法在实时数据采集系统中的应用越来越广。常用方法有中位值滤波法、限幅法、算术平均值滤波法等。１）中位值滤波法是对某一被测参数连续采样Ⅳ次（一般Ⅳ取奇数），将Ｎ次采样值按从小到大顺序排列，取中间值为本次采样值。中位值滤波法能有效地克服偶然因素引起的波动或因采样器不稳定引起的误码等脉冲干扰。对温度、液位等慢速系统的被测参数采用此法极为有效，而对于流量、压力等快速系统一般不宜３７广东工业大学工学硕士学位论文采用。２）如果随机干扰信号比较强，造成信号不稳定，使得部分采样值偏离实际值比较大，可以采用限幅法。假设采样值为Ｓ［ｆ】，信号的最大值限制为ＳＨ，最小值限制为龀，则：当ｓ［ｉ】＞ＳＨ时，取ＳＥｉ】－ＳＨ；当ＳＬ＜ｓ［ｉ】＜ＳＨ时，取Ｓ［ｉ】＝Ｓ［ｉ】。ｓ［ｉ】＜乩时，取ＳＥｉ】＿ＳＬ；３）算术平均值滤波法就是对一点数据连续采样多次，计算其平均值，以平均值作为该点的采样结果。算术平均值法适用于具有随机干扰的信号滤波。这种信号的特点是信号本身在某一数值范围上下波动。另外，还有很多数字滤波方法，在实际应用中，根据现场干扰情况选择合适的滤波方法，如对周期性干扰，可以采用平均值法，对偶然的脉冲干扰，可以采用中位值法和限幅法。当然也可以同时采用多种滤波方法，在采用多种滤波方法时，一般先用中位值法或限幅法滤波，再用平均值滤波法等。针对温度系统为慢系统的特点，可以采用中位值滤波法。假若对温度信号采样了Ⅳ次，采样值存放在单片机５０Ｈ单元开始的内存中，将５０Ｈ传送到寄存器尺ｌ中，将循环次数Ⅳ一１传送到寄存器Ｒ２和寄存器尺３中，则中位值滤波程序流程图如图４－３所示。３８第ｐｌｊ章系统软件的设计图４－３中位值滤波程序流程图Ｆｉｇ．４—３Ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｍｅｄｉａｎｆｉｌｔｅｒｐｒｏｇｒａｍ４．１．３控制算法模块采用标准ＰＩＤ控制算法，实现控制的过程中，由于偏差的存在，积分作用就会继续增加或减少，最终将导致系统进入饱和范围。而且当有扰动或改变设定值时，在积分项的作用下，往往产生较大的超调和较长时间的波动。为了克服这个缺点，本文采用积分分离ＰＩＤ控制算法，即在被控量开始跟踪时，取消积分作用，广东工业大学工学硕士学位论文而当被控量接近新的给定值时才引入积分作用。积分分离ＰＩＤ控制算法，可以充分发挥积分作用在消除静差、提高精度方面的优点，避免由于加强积分作用而带来的系统稳定性变差和最大偏差增大的缺点。因此，本文按式（２．６）编写积分分离控制算法控制程序。积分分离ＰＩＤ控制算法流程图如图４．４所示。图４－４积分分离ＰＩＤ控制算法流程图Ｆｉｇ．４－４ＴｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｉｎｔｅｇｒａｌｓｅｐａｒａｔｉｏｎＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍ４．１．４驱动控制模块本温度控制系统采用ＰＷＭ占空比开关方式来控制温度，即通过改变给定控制周期内加热装置的导通和关断时间，达到调节温度的目的。ＰＷＭ波的产生可通过定时／计数器Ｔ０中断的方式来产生。１．定时／计数器Ｔ０参数的设置８９Ｓ５２单片机内部集成有三个１６位可编程定时／计数器，它们分别是定时／计数器０、定时／计数器１和定时／计数器２，都具有定时和计数功能。在设计驱动控制程序时，可通过Ｔ０定时器中断的方式来产生采样周期及调节双向可控硅的通断时间。４０第四章系统软件的设计定时／计数器Ｔ０的工作方式可由特殊功能寄存器ＴＭｏＤ和ＴＣＯＮ进行设置，ＴＯ中断可由中断控制寄存器ＩＥ控制。定时／计数器Ｔ０的方式控制寄存器ＴＭＯＤ的格式如表４—１所示。表４－１方式控制寄存器１１ｔＯＤ的格式ｍｌｂ√４－ｌ１１圮ｆｏｒｍａｔｏｆＴＭｏＤ位含义Ｄ７ＧＡＴＥＤ６Ｄ５Ｍ１Ｄ４ＭＯＤ３ＧＡＴＥＤ２Ｄ１ｌｄｌＤＯＭＯＣ／ＴＣ／Ｔ高４位用于对定时器Ｔ１的方式控制，而低４位用于对定时器ＴＯ的方式控制。ＧＡＴＥ：门控制位。ＧＡＴＥ和软件控制位ＴＲ、外部引脚信号ＩＮＴ的状态，共同控制定时器／计数器的打开或关闭。Ｃ／Ｔ：定时器／计数器选择位。Ｃ／Ｔ＝ｌ，为计数器方式；Ｃ／Ｔ－－Ｏ，为定时器方式。Ｍ１ＭＯ：定时器工作方式选择位，定时器／计数器的４种工作方式由Ｍ１ＭＯ设定。其控制方式真值表如表４－２所示。表４—２定时／计数器的工作方式ＴａｂＡ－２Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｔｉｍｅｒ／ｃｏｕｎｔｅｒＭ１ＭＯ０００１１０工作方式工作方式０工作方式１工作方式２工作方式３功能描述１３位的定时／计数工作方式１６位的定时／计数工作方式８位自动重装方式ＴＯ．－两个８位计数器１１Ｔ１：停止工作ＴＣＯＮ是定时／计数器Ｔ０的控制寄存器，字节地址为８８Ｈ，可位寻址。高４位为定时／计数器的运行控制和溢出标志位，低４位与外部中断有关，其格式如表４—３所示。表４－３控制寄存器ＴＣｏＮ的格式ｍｌｂ．４．３ＴｈｅｆｏｒｍａｔｏｆＴＣｏＮ位含义Ｄ７ＴＦｌＤ６ＴＲｌＤ５ＴＦＯＤ４ＴＲＯＤ３ＩＥｌＤ２ＩＴｌＤ１ＩＥＯＤＯＩＴＯＴＦｌ／ＴＦＯ：Ｔ１／ＴＯ溢出标志位。当Ｔ１或ＴＯ产生溢出时由硬件自动置位中断触４１广东工业大学工学硕士学位论文发器ＴＦｌ／ＴＦＯ，并向ＣＰＵ申请中断。如果用中断方式，则ＣＰＵ在响应中断进入中断服务程序后，ＴＦｌ／ＴＦＯ被硬件自动清Ｏ。如果用软件查询方式对ＴＦｌ／ＴＦＯ进行查询，则在定时／计数器回０后，应当用指令将ＴＦｌ／ＴＦＯ清０。ＴＲｌ／ＴＲＯ：Ｔ１／ＴＯ运行控制位。用指令对ＴＲｌ或ＴＲＯ进行置位或清Ｏ，也可启动或关闭Ｔ１或ＴＯ的运行。ＩＥ中各位的定义和功能如表４—４所列。表４＿４中断允许控制寄存器ＩＥ的格式１；出４４１１１ｅｆ０『加舱ｔｏｆＩＥＩＥＤ７ＥＡＤ６Ｄ５ＥＴ２Ｄ４ＥＳＤ３ＥＴｌＤ２ＥＸｌＤ１ＥＴＯＤＯＥＸＯ含义ＩＥ各位的功能描述如下：ＥＡ：ＣＰＵ中断允许标志位。ＥＡ＝Ｉ，ＣＰＵ开放总中断；ＥＡ＝Ｏ，ＣＰＵ禁止所有中断。ＥＴ２．－定时器Ｔ２中断允许位。ＥＳ．－串行口中断允许位。ＥＴｌ：定时器Ｔｌ中断允许位。ＥＸｌ：外部中断ｌ中断允许位。ＥＴＯ：定时器ＴＯ中断允许位。ＥＸＯ：外部中断Ｏ中断允许位。对ＩＥ中各位的状态，可利用指令分别进行置位或清０，实现对所有中断源的中断开放控制和对各中断源的独立中断开放控制。当ＣＰＵ复位时，ＩＥ中的各位都被清０。设置ＴＯＩ作于方式１定时器模式，ＴＯ定时器溢出时产生中断，则可用以下汇编语句对其进行设置：ＭＯＶＴＭＯＤ，＃０１ＨＳＥＴＢＴＲＯＳＥＴＢＥＴＯＳＥＴＢＥＡ定时器ＴＯＩ作方式ｌ为１６位定时器，当使用１１．０５９２ＭＨｚ的晶振时，其最大定时时长为７１．１１ｍｓ，而温度采样周期要远远大于其最大定时周期，可以通过累积定时的方式来实现。４２第四章系统软件的设计假如采样周期为８ｓ，可以对８ｓ进行２５０等分，计算出Ｔ０基本定时单位的时长：Ｔ０基本定时时长＝８０００／２５０＝３２ｍｓ（４．１）在单片机内存中开辟一个单元作为计数器用，将其命名为Ｃｏｕｎｔｅｒ，在每一个定时中断发生时，Ｃｏｕｎｔｅｒ内的值加１，当加至ＩＪ２５０时，确认８ｓ时间到，并将Ｃｏｕｎｔｅｒ清Ｏ，以产生下一个采样周期。由于Ｔ０和Ｔ１都是增量计数器，因此，不能将实际要计数的值作为初值放入计数寄存器中，而是将其补数（计数的最大值减去实际要计数的值）放入计数寄存器中。当Ｔ０的基本定时周期为３２ｍｓ时，则计数次数为：计数次数＝丝兰坐警＝２９４９１ＭＯＶＴＨＯ，＃８ＣＨＭＯＶＴＬＯ，＃ＯＣＤＨ（４．２）贝ｌＪＴＯ的计数初值为６５５３６－２９４９１＝３６０４５，转化为１６进制数即８ＣｃＤＨ。通过以下指令完成ＴＯ的初始化：ＣＰＵ每响应一次Ｔ０中断，在中断程序结束前要完成一次ＴＯ初始化工作，以保证定时的准确性。２．驱动控制模块程序的编写采样周期可依据第一章所介绍的原则，结合控制对象进行选取，本文实验阶段，选择采样周期为８Ｓ。可控硅的通断周期和采样周期相同，ＰＩＤ运算结束后，输出控制增量娴，由于导通时间不可能为负数，在利用＂∞进行控制输出前，对“（ｐ进行限幅处理，限幅处理算式如式（４．３）所示，使其成为０－２５０之间的数。假设可控硅的通断周期为８ｓ，则某一周期可控硅的导通时间（加热时间）为材（后）・８／２５０，剩余的时间为可控硅的关断时间。Ｔ０中断服务程序的流程图如图４－５所示。１０，“（尼）≤０材（七）＝｛ｕ（Ｄ，０＜ｕ（ｋ）≤２５０Ｉ２５０，“（后）＞２５０（４．３）４３广东工业大学工学硕士学位论文图４－５ＴＯ中断服务子程序Ｆｉｇ．４・５ＴｈｅｆｌｏｗＧｈａｒｔｏｆｌｎ０ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｐｒｏｇｒａｍ４．１．５串行通信模块１．传输约定若要实现单片机和其它设备的通信，首先要满足的条件是它们的数据通信格式应一致。另外，通信双方还要遵守相同的通信协议：起始位、通道号、数据内容、校验码、结束符。在单片机与ＰＬＣ或计算机的通信过程中，单片机为从机，ＰＬＣ和计算机为上位机。为防止数据丢失，单片机串行通信采用中断方式来接收和发送数据，在串行通信启动后采用查询方式来接收和发送数据。由于工业现场的干扰可能影响数据的正常通信，本文针对单片机系统特点，采用偶校验，并对发送的数据进行求累加和校验。单片机根据接收到的“校验和＂判断已接收到的数据是否正确。若接收正确，则将接收的数据转存，否则将接收到的数据舍弃。当上位机接收单片机数据时，上位机根据收到的“校验和”判断已收到的数据是否正确，从而决定是否让单片机重新发送数据。由于单片机系统发送和接收的都为单字节数据。为了进一步提高抗干扰能力，本文将通信数据都转换为ＡＳＣＩＩ码后进行传输。第四章系统软件的设计由于本文最终要能实现单片机、ＰＬＣ和计算机三方的通信，三方若要实现通信，则单片机、ＰＬＣ和计算机的数据传输格式必须相同，而ＰＬＣ编程口的数据传输格式是固定的，因此单片机、ＰＬＣ和计算机都采用ＰＬＣ编程口的数据传输格式。传输速率为９６００ｂｉｔ／ｓ，数据传输格式如图４－６所示。起始位７位数据位奇偶位停ｌｋ位图４－６串口通信数据传输格式Ｆｉｇ．４－６Ｔｈｅｆｏｒｍａｔｏｆｓｅｒｉａｌｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ单片机数据流格式如图４－７所示。图４—７单片机与ＰＬＣ通信的数据流格式Ｆｉｇ．４－７Ｔｈｅｆｏｒｍａｔｏｆｓｅｒｉａｌｄａｔａｆｌｏｗ２．传输参数的设定本文采用定时／计数器Ｔ２作为波特率发生器，可以通过设置ＳＣＯＮ寄存器和Ｔ２ＣＯＮ相应的位来选择串行通信的工作方式和相应控制功能。串行口控制寄存器ＳＣＯＮ用于选择串行通信的工作方式和一些控制功能。其格式及各位含义如表４－５所示。表４—５串行口控制寄存器ＳＣＯＮ的格式１’ａｂ．４．５ＴｈｅｆｏｒｍａｔｏｆＳＣｏＮＳＣｏＮＳＭＯ９ＦＳＭｌ９ＥＳＭ２９ＤＲＥＮ９ＣＴＢ８９ＢＲＢ８９ＡＴＩ９９ＲＩ９８位地址其中：ＲＥＮ．－允许／禁止串行接收控制位。由软件置位ＲＥＮ＝Ｉ，则为允许串行接收状态，可启动串行接收器ＲＸＤ，开始接收信息。如果用软件将ＲＥＮ清０，则禁止接收。ＴＩ：发送中断请求标志位。ＲＩ：接收中断标志位。ＳＭＯ和ＳＭｌ：串行口工作方式选择位。可选择４种工作方式，如表４—６所列。４５广东工业大学工学硕士学位论文表螂串行口工作方式ＴａｂＡ－６ＴｈｅｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｓｅｒｉａｌｐｏｒｔＳＭＯＯ０ｌｌＳＭｌＯｌ０ｌ方式Ｏｌ２３功能说明移位寄存器工作方式（用于Ｉ／Ｏ扩展）８位ＵＡＲＴ，波特率可变（Ｔ１溢出率／ｎ）９位ＵＡＲＴ，波特率为ｆ／６４或ｆ／３２９位ＵＡＲＴ，波特率可变（Ｔ１溢出率／ｎ）由于串行发送中断标志和接收中断标志ＴＩ和ＲＩ是同一中断源，因此，在向ＣＰＵ提出中断申请时，必须由软件对ＲＩ或ＴＩ进行判别，以进入不同的中断服务。Ｔ２ＣＯＮ是定时／计数器２的控制寄存器，其格式如表４—７所列。表４－７定时／计数器控制寄存器Ｔ２ＣＯＮ的格式ｍ山．４－７啊１ｅｆｏｒｍａｔｏｆＴ２ＣＯＮ位含义Ｄ７ＴＦ２Ｄ６ＥＸＦ２Ｄ５ＲＣＬＫＤ４ＴＣＬＫＤ３ＥＸＥＮ２Ｄ２ＴＲ２Ｄ１ＤＯＣ／Ｔ２ＣＰ／ＲＬ２其中：ＲＣＬＫ：串行口接收数据时钟标志位。若ＲＣＬＫ＝Ｉ，串行口将使用定时器２溢出脉冲作为串行口工作方式ｌ和３的串口接收时钟；ＲＣＬＫ＝Ｏ，将使用定时器ｌ计数溢出作为串口接收时钟。ＴＣＬＫ：串行口发送数据时钟标志位。若ＴＣＬＫ＝Ｉ，串行口将使用定时器２溢出脉冲作为串行Ｎ－Ｆ作方式１和３的串口发送时钟；ＴＣＬＫ＝Ｏ，将使用定时器１计数溢出作为串口发送时钟。ＴＲ２：Ｔ２运行控制位。ＴＲ２＝Ｉ，Ｔ２开始工作。Ｃ／Ｔ２：Ｔ２定时／计数选择位。Ｃ／Ｔ２＝Ｏ，为定时器方式；Ｃ／Ｔ２＝Ｉ为计数器方式。通过设置Ｔ２ＣＯＮ中的ＴＣＬＫ和ＲＣＬＫ可选择Ｔ２作为波特率发生器。寄存器对ＲＣＡＰ２Ｈ和ＲＣＡＰ２Ｌ是Ｔ２的捕捉和自动重载寄存器，它们的字节地址为ＯＣＢＨ和ＯＣＡＨ，通过设置ＲＣＡＰ２Ｈ和ＲＣＡＰ２Ｌ的不同的值，可以使Ｔ２得到不同的波特率。波特率计算公式如下：方式ｌ和方式３的波特率２夏ｉ匠聂菇＝琢乏各西ｉ丽（４以）第四章系统软件的设计其中允为晶振频率，（ＲＣＡＰ２Ｈ，ＲＣＡＰ２Ｌ）是ＲＣＡＰ２Ｈ和ＲＣＡＰ２Ｌ组成的１６位无符号整数。取晶振频率为１１．０５９２ＭＨｚ，波特率为９６００ｂｉｔ／ｓ，可由式（４．４）计算得寄存器对ＲＣＡＰ２Ｈ和ＲＣＡＰ２Ｌ中的值为ＯＦＦＤＣＨ。串口通信采用中断方式，中断优先级为高级，串口工作于方式ｌ，波特率为９６００ｂｉｔ／ｓ，则串口通信初始化可用以下指令完成：ＭＯＶＴ２ＣＯＮ，＃３４ＨＭＯＶＲＣＡＰ２Ｈ，＃ＯＦＦＨＭＯＶＲＣＡＰ２Ｌ，＃ＯＯＤＣＨＭＯＶＳＣＯＮ，＃５０ＨＳＥＴＢＥＳＳＥＴＢＰＳ３．单片机串行通信程序的编写根据传输约定可以编写单片机通信模块程序，单片机通信程序流程图如图４—８所示。４７广东工业大学工学硕士学位论文图４＿８单片机通信程序流程图Ｆｉｇ．４－８ＴｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＳＣＭｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ４．２ＰＬＣ通信与控制程序的设计４．２．１ＦＸ系列ＰＬＣ的通信格式ＰＬＣ通信程序的设计要同时考虑ＰＬＣ与单片机以及ＰＬＣ与计算机的通信。ＦＸ系列ＰＬＣ有两个可用的通信口：通过在ＰＬＣ内部扩展通信模块所得到的通信口和ＰＬＣ本身的编程口。本文单片机和ＰＬＣ的通信通过ＰＬＣ通信功能扩展板，按照无协议通信格式来实现，ＰＣ与ＰＬＣ的通信通过ＰＬＣ的编程口来实现。第四章系统软件的设计表４－８Ｆ）【系列ＰＬＣ！）８１２０通信格式ｍＩｂ．４－８１１地ｆｏｒｍａｔｏｆＤ８１２０位名称号ｂＯ内容０（位ＯＦＦ）数据长ｂ２，ｂ１１（位ＯＮ）８位７位ｂｌ（０，０）－无奇偶性（Ｏ，１）：奇（ＯＤＤ）ｂ２（１，１）：偶（ＥＶ删）ｂ３停止位ｌ位ｂ７，ｂ６，ｂ５，ｂ４２位ｂ７，ｂ６，ｂ５，ｂ４Ｍ（０，Ｏ，ｌ，１）：３００ｂ５ｂ６ｂ７（０，１，１，１）：４８００（１，Ｏ，０，０）－９６００（１，０，０，１）：１９２００传送速率（０，１，０，０）－６００（ｂｉｔ／ｓ）（Ｏ，ｌ，Ｏ，１）：１２００（Ｏ，１，１，Ｏ）：２４００ｂ８ｂ９起始符终止符无无ｂ１２，ｂ１１，ｂｌＯ有（Ｄ８１２４）初始值：ＳＴＸ（０２Ｈ）有（Ｄ８１２５）初始值：ＥＴＸ（０３Ｈ）（Ｏ，０，Ｏ）：未用控制线，ＲＳ－２３２Ｃ接口（Ｏ，０，１）：终端方式，ＲＳ－２３２Ｃ接口无协议方式ｂｌＯｂｌｌｂ１２（Ｏ，１，０）：互锁方式，ＲＳ－２３２Ｃ接口控制线（Ｏ，１，１）：正常方式ｌ，ＲＳ－２３２Ｃ、ＲＳ一４８５接口（１，０，１）：正常方式２，ＲＳ－２３２Ｃ接口（仅对ＦＸ和ＦＸ２Ｃ）ｂ１２，ｂ１１，ｂｌＯ计算机链接通信（Ｏ，０，Ｏ）：ＲＳ－４８５（４２２）接口（Ｏ，１，Ｏ）：ＲＳ一２３２Ｃ接口ｂ１３ｂ１４和校验协议控制顺序不附加不使用方式１附加使用方式４ｂ１５４９广东工业大学工学硕士学位论文ＦＸ系列ＰＬＣ与其它设备进行通信的时候首先要用一个１６位的特殊数据格式寄存器Ｄ８１２０来设置通信格式，Ｄ８１２０的设置方法见表４．８所示【３３１，表中的ｂｏ为最低位，ｂ１５为最高位。设置好后需关闭ＰＬＣ电源，然后重新接通电源，才能使设置生效。４．２．２ＦＸ系列ＰＬＣ通信程序的设计１．ＦＸ系列ＰＬＣ与单片机通信程序的设计ＦＸ系列ＰＬＣ有一种串行口无协议通信指令，Ｉ≥Ｊ］ＲＳ指令，用于ＰＬＣ与计算机、单片机、条形码阅读器或其它ＲＳ－２３２Ｃ设备的无协议数据通信。这种通信方式灵活性大，适应能力强，ＰＬＣ与ＲＳ－２３２设备之间可以使用用户自定义的通信规约。ＲＳ串行通信指令（１）ＲＳ串行通信指令是通信功能扩展板发送和接收串行数据的指令，如图４－９所示，指令中的［Ｓ］和ｍ用来指定发送数据的地址和字节数（不包括起始字符与结束字符），［Ｄ］和ｎ用来指定接收数据的地址和可以接收的最大数据字节数。ｍ和ｎ为常数或数据寄存器Ｄ。④稿④ｎ发送黼静超黼艚ＪＴＴ飞送Ｘ２黼（ＦＸ），钧ＦＸ点茏数，Ｆ：Ｘｍ。，一ＦＸ麟ｚｓ，Ｆ翩．Ｆ龇巾为。。嘲发送数据的点数：０“螋＝＿■二＿—■＿（ＦＸ２ｆｉｘ）。ＦＸｍ．ＦＸｍ．Ｆｘｌｓ．ＦＸ臻．Ｆｘｌ鬻中隽Ｏ一２５６》。Ｌ——一像存接彀散撮的起蟾软元件图４－９Ｒｓ指令Ｆｉｇ．４－９Ｒｓｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ（２）ＲＳ传送的数据有指定的格式，此格式通过特殊数据寄存器Ｄ８１２０设定。一般用初始化脉冲Ｍ８００２驱动的ＭＯＶ指令将数据的传输格式（例如数据位数、奇偶校验、停止位、传输速率、是否有调制解调等）写入至ＵＤ８１２０中，如图４－１０所示。系统不需要发送数据时，应将发送数据字节数设置为０；系统不需要接收数据时，应将最大接收数据字节数设置为０。本文ＰＬＣ通信格式如下：数据长度为７位，偶校验，１个停止位，传输速率为９６００ｂｉｔ／ｓ，无校验和，未用控制线方式，对照表４－８，可以确定Ｄ８１２０的二进制值为００００，００１ｌ，１０００，０１１０，对应的十六进制数位０３８６Ｈ。口｝—＿［团三吲磊挺式图４＿１０Ｄ８１２０的设置Ｆｉｇ．４－１０ＴｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｅｔｏｆＤ８１２０第四章系统软件的设计。（３）无协议通信方式有两种数据处理格式：当Ｍ８１６１设置为“ＯＦＦ＂时，为１６位数据处理格式；反之当Ｍ８１６１设置为“ｏＮ’’时，为８位数据处理格式。两种处理模式的区别在于是否使用１６位数据寄存器的高８位。１６位数据处理模式下，先发送或接收数据寄存器的低８位，然后是高８位；８位数据模式时，只发送或接收数据寄存器的低８位，未使用高８位。当采用１６位数据处理格式时，Ｍ８１６１的设置格式如图４－１ｌ所示。王６位模式图４一ｌｌ鹏１６１的设置格式Ｆｉｇ．４－１１ＴｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｅｔｏｆＭ８１６１（４）用ＲＳ指令发送和接收数据的过程①通过向特殊数据寄存器Ｄ８１２０写数据来设置数据的传输格式。如果发送的数据长度是一个变量，需设置新的数据长度。②驱动ＲＳ指令，ＲＳ指令被驱动，ＰＬＣ被置为等待接收状态。ＲＳ指令规定了ＰＬＣ发送的数据的存储区的首地址和字节数，以及接收数据的存储区的首地址和可以接收数据的最大字节数。ＲＳ指令应总是处于被驱动状态。③在发送请求脉冲驱动下，向指定的发送数据区写入指定数据；并置位发送请求标志Ｍ８１２２。发送完成后，Ｍ８１２２被自动复位。④当接收完成后，接收完成标志Ｍ８１２３被置位。用户程序利用Ｍ８１２３，将接收到的数据存入指定的存储区。若还需要接收数据，需要用户程序将Ｍ８１２３复位。在程序中可以使用多条ＲＳ指令，但同一时刻只能有１条ＲＳ指令被驱动。在不同的ＲＳ指令之间切换时，应保证ＯＦＦ时间间隔大于等于１个扫描周期。根据以上原则，可以编写ＰＬＣ与单片机的通信程序，其流程图如图４－１２所示。５１广东工业大学工学硕士学位论文置位Ｍ８１２２等待发送和接收完毕通信入口复位Ｍ８１２３通信格式写入Ｄ８１２０Ｒ接收到的彗通过Ｍ８１６１设置数据处理格式求欲发送数据的累加和Ｙ据的累加和Ｎ校验正确？驱动ＲＳ指令转存接收到的数据返回图４－１２ＰＬＣ与单片机通信程序流程图Ｆｉｇ．４—１２ＴｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＰＬＣｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ２．ＦＸ系歹ＩＪＰＬＧ与计算机的通信程序的设计ＦＸ系列ＰＬＣ与计算机的通信通过ＰＬＣ的编程口来实现，ＦＸ系列ＰＬＣ的编程口是编程器向ＰＬＣ烧写应用程序的通道，因此ＰＬＣ的编程口有其固定的通信协议。在采用编程口实现ＰＬＣ与计算机通信时，用户不用编写ＰＬＣ程序，ＰＬＣ会自动产生应答信息，计算机程序的编写，必须遵循ＰＬＣ编程口的通信协议格式，以保证双方能正常收到指令和数据。Ｆｘ系列ＰＬＣ的编程口通信格式为：１个起始位、１个停止位、７个数据位、偶校验、波特率为９６００ｂｉｔ／ｓ，帧校验为累加和校验，采用ＡＳＣＩＩ码数据格式【３４１。每个ＡＳＣＩＩ码字符按图４－６所示的格式传送。字节操作命令码如表４—９所示。表４—９ＦＸ系］／ｆＪＰＬＣ编程口命令码Ｔａｂ．４・９Ｔｈｅｏｒｄｅｒｃｏｄｅｏｆｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｐｏｒｔ命令ＤＥＶＩＣＥＲＥＡＤＤＥＶＩＣＥ、ⅣＲｒｒＥ命令码（ＣＭＤ）“０，，“１”目标设备Ｘ，Ｙ，Ｍ，Ｓ，Ｔ，Ｃ，ＤＸ，Ｙ，Ｍ，Ｓ，Ｔ，Ｃ，Ｄ５２命令帧格式１）ＤＥＶＩＣＥＲＥＡＤ（读出软设备状态值）计算机向ＰＬＣ发送数据格式为：起始位ＳＴＸ命令首地址ＧＲＯＵＰＡＤＤＲＥＳＳ位数ＢＹＴＥＳ终止符ＥＴＸ校验和ＳＵＭＣ粕例如：从Ｄ１２３开始读取４个字节数据地址算法：ａｄｄｒｅｓｓ＝１２３×２＋１０００Ｈ＿ｌＯＦ６Ｈ再转换成ＡＳＣＩＩ为：３１Ｈ，３０Ｈ，４６Ｈ，３６Ｈ则计算机向ＰＬＣ发送的命令为：ＰＬＣ返回的数据格式为：假若从指定的存储器单元读至］３５８４这个数据，贝ｔＪｐＬｃ发送的数据为：２）ＤＥＶＩＣＥＷＲＩＴＥ（向ＰＬＣ软设备写入值）起始符ＳＴＸ命令ＣＭＤ首地址ＧＲＯＵＰＡＤＤＲＥＳＳ位数ＢＹＴＥＳ－ｓＴＤＡＴＡ数据终止符ＬＡＳＴＤＡＴＡＥＴＸ校验和ＳＵＭＩ…・・・Ｉ例子：向Ｄ１２３开始的两个存储器中写入１２３４，ＡＢＣＤＰＬＣ接收正确，返回ＡＣＫ（０６Ｈ），ＰＬＣ接收错误，返回ＮＡＫ（１５Ｈ）。说明：１．帧中的ＢＹＴＥＳ表示需要读取或者写入的字节数；２．累加和是从ＳＴＸ后面第一个字节开始累加到ＥＴＸ的和。４．２．３Ｐ／Ｃ控制温度程序的设计ＰＬＣ也采用ＰＷＭ占空比开关方式来控制温度，通过改变给定控制周期内加热装置的导通和关断时间，达到调节温度的目的。ＰＬＣ的Ｔ０定时器为１００ｍｓ通用定时器，用于产生控制周期，Ｔ２００为１０ｍｓ通用定时器，Ｔ２００依据控制量来控制加热装置导５３广东工业大学工学硕士学位论文通与关断时间，Ｙ０触点驱动加热装置。本文ＰＬＣ控制程序流程图如图４－１３所示。图４＿１３ＰＬＣ控制程序流程图Ｆｉｇ．４－１３１＂ｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＰＬＣｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍ４．３计算机软件的设计４．３．１温控系统计算机界面的设计本文计算机软件采用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ（简称ＶＢ）编写。目前，ＶＢ已成为ＷＩＮＤＯＷＳ系统开发的主要语言，以其高效、简单易学及功能强大的特点越来越为广大程序设计人员及用户所青睐。ＶＢ支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式并可以使用无限扩增的控件，而且可以十分方便地编写良好的人机界面。本文用ＶＢ６．０设计的温控系统计算机界面如图４－１４所示。第口章系统软件的设计ＰＩＤ参数设誊区图４—１４温控系统计算机界面Ｆｉｇ．４・１４Ｃ０ｎｌ¨ｔＨｌｍｎｃｅｏｆｔｈｅｔｅｍｐ目ａｔｕｔｅｃｏｎｔｔｏｌｓｙｓｔｅｍ４３２温控系统计算机通信程序的设计在标准串口通信方面，ｖＢ提供了具有强大功能的通信控件ＭＳＣｏ哪，该控件可醍置串行通信的数掘发送和接收，对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置。这是个标准的十位串口通信，包括８位标准数据和数据的起始位和停止位。在发送或接收数据过程中触发ＯｎＣｏ．ｍ事件，通过编程访问ＣｏｍｍＥｖｅｎｔ属性了解通信事件的类型，分别进行各自的处理。ＭＳＣｏ哪控件属性众多，其重要属性说明如下：ｉ）ＣｏｍｍＰｏｒｔ。设置并返回通信端口号。有效端口号为１§Ｕ１６的任何整数，必须在打丌端口前设置Ｃｏｍｐｏｒｔ属性。设置方法：ＯｂｊｅｃｔＣｏｍｐｏｒｔ＝１。２）Ｓｅｔｔｉｎｇｓ。设黄并返回波特率、奇偶校验、数据位和停止位参数。波特率：一般取１１０、３００、６００、１２００、２４００、９６００、１４４００、１９２００、２８８００、３８４００等：奇偶校验：Ｅ＿偶校验、Ｏ一奇校验、Ｎ一无校验；数据位数：４、５、０、７、８；停止位数：１、１．５、２。设置格式：Ｏｂｊｅｃｔ．ｓｅｔｔｌｎｇｓ９６００，Ｅ，７。ｌ３）ＩｎｐｕｔＭｏｄｅ。设置和返回Ｉｎｐｕｔ属性取回的数据类型。ＩｎｐｕｔＭｏｄｅ设为ｃｏｍｌｎｐｕｔＭｏｄｅＴｅｘｔ时．取回数据的格式为字符串，设为ｃｏｍｌｎｐｕｔＭｏｄｅＢｔａｒｒｙ时，取回数据的格式为一个二进制数据的数组。广东工业大学工学硕士学位论文４）ＲＴｈｒｅｓｈｏｌｄ。设置并返回要接收的字符数。ＲＴｈｒｅｓｈｏｌｄ设为０时，不产生ＯｎＣｏ姗事件，设为一个整数时，接收缓冲区每收到这一整数个字符都会产生ＯｎＣｏｍｍ事件。５）ＳＴｈｒｅｓｈｏｌｄ。设置并返回传输缓冲区中允许最小字符数。ＳＴｈｒｅｓｈｏｌｄ属性为０时，数据传输事件不会产生ＯｎＣｏｍｍ事件；如果ＳＴｈｒｅｓｈｏｌｄ属性为６，当在输出队列中字符数从６降到５时，产生Ｏｎｃｏ姗事件。６）Ｉｎｐｕｔｌｅｎ。设置并返回Ｉｎｐｕｔ属性接收缓冲区读取的字符数。７）Ｉｎｐｕｔ。返回并删除接收缓冲区中的数据流。Ｉｎｐｕｔ属性可以传输文本数据或二进制数据。８）Ｏｕｔｐｕｔ。向传输缓冲区写数据流。Ｏｕｔｐｕｔ属性可以传输文本数据或二进制数据。９）ＯｕｔＢｕｆｆｅｒｓｉｚｅ。以字节的形式设置并返回传输缓冲区的大小，缺省值为５１２字节。１０）ＩｎＢｕｆｆｅｒｓｉｚｅ。设置并返回接收缓冲区的字节数，即整个接收缓冲区的大小。缺省值为１０２４字节。可以在窗体ＬＯＡＤ事件中对ＭＳＣｏｍｍｌ控件属性进行初始化，初始化语句如下：ＭＳＣｏｒｍｌ．ＣｏｍｍＰｏｒｔ＝１’选用ＣＯＭＩ端口ＭＳＣｏｍｌ．Ｓｅｔｔｉｎｇｓ＝”９６００，Ｅ，７，１”ＭＳＣｏｍｌ．ＩｎｐｕｔＭｏｄｅ＝ｃｏｍＩｎｐｕｔＭｏｄｅＢｉｎａｒｙＭＳＣｏｍｍｌ．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ＝０ＭＳＣｏｍｍｌ．ＯｕｔＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ＝０’采用二进制传输’清空接受缓冲区’清空传输缓冲区’接收１个字节产生ＯｎＣｏｎⅡｎ事件’不产生ＯｎＣｏｍｍ事件’打开端口ＭＳＣｏｍｌ．ＲＴｈｒｅｓｈｏｌｄ＝１ＭＳＣｏｍｍｌ．ＳＴｈｒｅｓｈｏｌｄ＝０ＭＳＣｏｒｍｌ．ＰｏｒｔＯｐｅｎ＝Ｔｒｕｅ计算机与ＰＬＣ、单片机的通信程序依照前述的通信协议和数据传输格式进行编写。４．４小结本章主要完成了温控系统单片机测控软件、ＰＬＣ通信与控制软件和计算机软５６第四章系统软件的设计件的设计。在软件设计时，将模块化设计思想引入到程序的设计中，当用到某个模块时，仅需调用即可，使得程序条理更加清晰，便于后期的维护与调整。通过计算机操作界面，操作者可方便的对控温参数进行在线修改，并实现计算机与单片机、ＰＬＣ的通信。计算机操作界面上显示控温参数信息、温度实际值及温度变化曲线，用户可方便的观测系统对温度的控制状况。５７广东工业大学工学硕士学位论文第五章系统的调试与实验前述几章对温控系统的控制算法、硬件设计和软件设计进行了详细的论述。本章针对一个实际的控制对象对系统进行调试，并通过正交实验法，整定出了针对此控制对象的ＰＩＤ控制参数。５．１实验平台的搭建实验平台硬件系统由计算机、单片机实验板、自制采集与控制板、Ｋ型热电偶、２５０Ｗ加热棒和被控对象组成。为了方便实验，单片机实验板选用深圳市学林电子有限公司的ＸＬｌ０００型实验板，该实验板配有ＩＳＰ下载线，可方便的对单片机进行程序的在线下载，以便于程序的修改与调试。本文针对微电子装备常用工作温度场进行实验，比如焊线机金线焊接时２００℃＂－－＇２２０℃，铜线焊接用２３０＂Ｃ一＇－－２５５＂Ｃ，ＣＯＧ邦定机热压头温度２４０＂Ｃ左右，ＳＭＴ无铅波峰焊锡炉２７０。Ｃ左右等，由于微电子装备工作温度相对不高，实验时运用铝合金块（熔点６００＂Ｃ左右）模拟被控对象的加热炉，以２７０℃为控制目标，进行实验。各硬件部件之间的连接结构图如图５－１、５－２所示。采集／１计算通信，１卜＼厂—］／机单线机实验板控制卜＼＼采集与控制板／仁趣辩＝痤端被控对象图５－１温控实验硬件结构图Ｆｉｇ．５・１Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ５８单片机实验板串口通信酗５２温控实验硬什实物图Ｆｉｇ５・２Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆ恤ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ５．２控制实验５２１采样周期的确定实验平台搭建好之后，便可以进行温控系统功能和控制参数的调试工作。数字ＰＩＤ控制器参数的整定是一项十分复杂的工作，必须依靠经验和现场调试来确定控制器的参数ＫＰ、髟，、符。。合理的选择采样周期正是数字ＰＩＤ控制系统的关键问题之一，从理论上说，采样频率越高，失真越小，但是从控制器本身而言，是依靠偏差信号ｅ进行调节计算的，当采样周期，过，ｊ、，币但增加计算机负担，而且不一定对提高控制质量有明显效果，采样周期，过长，又会引起误差。由于温度为响应慢、滞后较大的被控对象，依据第二章介绍的采样周期选取原则．本次实验选取采样周期，为８ｓ，双向可控硅控制周期与采样周期一样为８ｓ。广东工业大学工学硕士学位论文５．２．２ＰＩＤ控制器初始参数的确定由于被控对象的精确数学模型难以建立，因此，采用工程整定法对控制器参数进行整定。由第四章可知，在控温时，控制器是根据ＰＩＤ运算结果，通过调整０一－－２５０的加温比例数据来确定加热时间的。假定只考虑比例环节的作用，当ＰＩＤ控制范围为２７０＂Ｃ时，则设定温度与实际温度的差的最大值是２７０。Ｃ，要达到２５０的加温比例数据，则ＫＰ＝２５０／２７０＝０．９３，因此，取ＫＰ＝０．９３即可。但为了提高加热速度，可根据被控对象的热惯性，适当的缩小受ＰＩＤ控制的温度区域。本文在实验时，温度上升阶段只控制２０℃范围，当目标温度设定为２７０。Ｃ，则２５０。Ｃ以下为全功率加热阶段，温度超过２５０。Ｃ时，ＰＩＤ控制器才开始作用，因此，取Ｋ。＝２５０／２０＝１２．５。Ｋ，和ＫＤ初始值按Ｚｉｅｇｌｅｒ—Ｎｉｃｈｏｌｓ提出的方法确定，令７－－０．１砌，乃＝ｏ．５ｍ％＝ｏ．１２５Ｔｕ，由式巧＝砟争，％＝酢等，可得：』，』Ｋ，２０．２＊Ｋｐ２０．２．１２．５＝２．５％：１．２５，Ｋｐ２１．２５，１２．５２１５．６２５运用以上方法得出的参数并不一定能获得好的控制效果，仍需做大量的实验，直到获得好的控制品质为止。为了提高系统的反应速度，减小超调量，降低系统震荡的可能性，在实验时，将ＫＰ和ＫＤ适当的加大，Ｋ，适当的减小，取砟、Ｋ，和ＫＤ三个因素的水平数都为３，则初始实验的各因素的水平取值为：Ｋ尸２｛１４．０，１６．０，１８．０）；蜀＝｛Ｏ．５，１．０，１．５）；ＫＤ＝｛１６．０，１８．０，２０．０｝；列成表格为：表５—１实验的因素及其水平磊Ｎ苎１２３Ｔａｂ．５・ｌＦａｃｔｏｒｓａｎｄｌｅｖｅｌｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔＫＰ１４．Ｏ１６．Ｏ１８．０ＫＩ０．５１．０１．５ＫＤ１６．Ｏ１８．Ｏ２０．Ｏ第五章系统的调试与实验实验时以超调量、稳态误差和响应速度为考核指标。也就是说，在实验条件相同的情况下，使得控制系统超调量小，稳态误差小，响应速度快的一组参数为优选方案。５．２．３正交实验的设计、实施和结果Ｋ，、Ｋ，和ＫＤ是影响ＰＩＤ控制性能的三个因素，而实验的因素水平数也为３，如果每个因素的每个水平都互相搭配着进行全面实验，就必须做３３＝２７次实验，既浪费时间，又增加实验工作量，而通过设计正交实验，可以很好的解决这个问题。１．正交表的选取正交实验设计的主要工具是正交表，用正交表安排实验是一种较好的方法，在实践中已得到广泛应用ｆ３５１。已经规范化的正交表常用符号ｋ（Ｐ，）表示，其意义是：卜安排实验方案的正交表；卜实验方案或实验条件的个数，即具有Ⅳ个不同的各因素水平的组合，Ⅳ为正交表的行数；卜参加实验因素的水平数；产正交表的列数，表示可安排因素的最多数目不能超过工常用的３水平正交表有岛（３４），厶，（３１３），两张表所需做的实验次数分别为９和２７，最多可安排的因素分别为４和１３。本文实验时，为了简化实验，不考虑因素的交互作用。根据三因素三水平的条件，优先选用厶（３４），因为它的行数少，实验次数可以减少。运用“因素顺序上列，水平对号入座’’的方法来确定实验方案。因不考虑交互作用因子，实验时，可以自行安排因素的列位，即在厶（３４）上可任选一列作为空列，用以计算实验误差。２．实验指标的选取ＰＩＤ参数整定的目的是找到一组使温控系统的超调值小、响应快、稳态精度高的参数值，应对这三个指标进行综合评定，对这些指标的综合评定可通过设定值，（力与实际值灭力偏差ｅ＝ｒ（ｔ）－ｙ（ｔ）的绝对值对时间的积分间接的体现出来。因此，本文实验时，选取设定值＾力与实际值灭力偏差的绝对值对时间的积分作为实验指６１：§：：：：：塑：：：：：标，即：肌坤由于采用的是数字ＰＩＤ控制器，将上式改为离教的形式，即：（５．１）∑ｌ她阻ｆｍ（５２）因实验中将？ｔ取值相等．相当于一个常数，去掉不会影响结果分析．所以将指标改写为：∑Ｉ血，（５．３）理论上卜∞，但实际工程中，只要控制系统进入稳定状态即可。本文实验时，温度设定值为２７０４Ｃ．当温度超过２５０＇Ｃ时，ＰＩＤ控制器才开始作用．因此，将被控对象温度达到２５０＇Ｃ作为偏差运算的起始点，当９次实验都达到稳态（２７０±１℃）后，选取从２５０＂Ｃ开始到系统进入稳态的一个时间段．对此时间段内温度偏差的累积量进行考核。本文在具体操作时，首先将计算机接收到的温度信息输出到计算机磁盘中，然后将９次实验的温度信息值，共９组数据都导入到Ｅｘｃｅｌ文档中，从２５０＂Ｃ开始，连续选取相等数目的温度值，共９组，并对其分别进行偏差绝对值的求和运算，将运算结果填入正交表中，并对其进行进一步的处理。初始的９次实验的温度曲线图如图５—３所示。第ｉ章系境的调试与实验（３）（５）（６）（８）／９）圈５－３扔始实验温度曲线剐Ｆｉｇ５－３Ｔ锄ｐ口ａｍｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔ％ｐｅ№Ｂ３实验数据的处理和结果分析经实验和数据处理，可得初始实验的数据统计表，见表５—２。正交表最后一列与实验号对麻的是在此实验条件下的实验结果，即偏差的绝对值对时『日Ｊ的积分，为了统计方便和直观分析．将正交表向下延伸，增加一部分６３广东工业大学工学硕士学位论文统计量。为了数据处理的方便，将大数指标值作了适当的简化和变换，将本实验指标变换为姆，ｆ－２０００，变换对实验分析结果本身是没有影响的。数据统计表左下方的统计量可依照下式计算得出：，以，＝∑‰ｌ‰＝詈ｃ辜彬＝墨跏＝车吾ｃ弘）２．车‰其中：朋咄Ｂ，Ｃ；尚；矿３；ｎ＝ｔｘｐ＝９减ｌ，即：（５．４）表格最下一行妫各因素的变差平方和。实验总变差的自由度为总实验次数忍厶＝ｌｉｔ－－１＝９—１＝８各因素的自由度为其水平数减ｌ，由于三个因素是等水平的，则：无＝厶＝尼＝３—１＝２空列即实验误差的自由度为总变差自由度与全体因素自由度代数和之差，因（５・５）只有一个空列，所以无＝厶一（六＋厶＋厶）＝８－６＝２由方差定义可知，方差的计算公式为：（５・６）可：导，（５．７）兵甲：Ｓ相ｆ分别＿为谷凼系或误左：坝酮父左干力利及头目田厦ａ由式（５．７）可求得各因素及实验误差项的方差分别为：ｊＪ｜：丛：—６５１２—５４．５：３２５６２７．３．，彳－ｉ占：譬：芈：２４０６５８５ＪＢ＿珏砉＝半瑙ｍ６．４ｊ。：曼：—３２１４—６．６：１６０７３．３．，ｅｏ表５＿２初始实验的数据统计表Ｔａｂ．５－２Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ实验号１ｌ２３４５６７８９Ｋｌ２ｌ２３１２３１２３１８６０．２１６９２．３２１２７．７１１５３４４８９５４６２６．４１５０９０３６３６１７１ｌＯ３２１４６．６３４Ａ（ＫＰ）误差项ｅＢ（Ｋ，）ｃ（ＫＤ）ｘ／＝ｙ／－２０００ｌ（１４．０）１（１４．Ｏ）１（１４．０）２（１６．０）２（１６．０）２（１６．０）３（１８．０）３（１８．０）３（１８．０）１２８２．４１３６４．１３０３３．７５４８１８３．３６２０２５６．３３０６７７７９４２３６２１８６５１２５４．５ｌ（Ｏ．５）２（１．ｏ）３（１．５）２（１．０）３（１．５）１（０．５）３（１．５）ｌ（０．５）２（１．Ｏ）１０９６．９１７９５．５２７８７．８４０１０６３．２１０７４６０７２５９０６１０４０６６２８０４８１３１６ｌ（１６．Ｏ）２（１８．０）３（２０．０）３（２０．Ｏ）ｌ（１６．Ｏ）２（１８．Ｏ）２（１８．０）３（２０．０）ｌ（１６．Ｏ）２８７７．７１２３３．１１５６９．４２７６０３８６９４７９１０７．７６９５．７３０３１０１３．９４７．２１０７８．２５７０．７１３８４．８船Ｋ３ｋｌ产∑＿＝５６８０．２ｉ＝ｌＸ＝——６３１．１＝Ｕ３１勉ｋ３５０６８４５．２８２１００５．５４０８８２３６５０３２７２．９９ｃ严！：３５８４９６３．６９ＱＳ＝Ｑ－ＣＴ方差的大小可反映该因素对实验指标均值的偏离程度，数值越大，表明该因素水平的微小变动会导致指标值的较大波动，即所谓的灵敏度高［３６，３７１。因此，方差值最大的称为主要因素，相反，方差值很小，说明该因素水平值的很大变动所导致实验指标值的波动很微弱，是非主要因素。根据各因素的方差计算结果，可知影响ＰＩＤ品质指标最为显著的是ＫＰ，然后是ＫＤ，最后是Ｋ，。根据船、勉、格的计算结果，绘制因素水平关系图，如图５－４所示，从图中可以直观地观察出，各因素水平的走向对控制系统性能指标的影响程度。根据以上分析，可得出本轮实验ＰＩＤ参数最佳组合是Ｋｐ＝１４．０，ｘｉ＝Ｏ．５，Ｋｎ＝１８．０。广东Ｉ业大学Ｉ学两±学位论文＾ｉ４１６１８Ｂ０５ｉＩ．５Ｃ１６１８２０因素承平图５－４因素水平关系图Ｆｉｇ５－４ｍ＂ｌａｔｉｏｒａｈｉｐｃｈａｒｔｏｆｆａｃｔｏｔｓａｎｄｌｅｗｅｌｓ５，根据以上实验过程，在第一轮实验得出的ＰＩＩ）参数最佳组合的基础上改变各个因素的水平值．继续实验。经过反复实验，晟终将本系统的参数定为Ｋ。＝１４芷，＝０．６，置。＝１８．３，温控曲线如图５－５所示。用此参数控制实验对象，系统超调量小，过渡过程时Ｉ白】短。当温度偏离设定的温度值时，由于ＰＩＤ的控制作用，温度总在设定值做卜下波动，误差很小，可以将温度控制在±１℃以内。由此可见，整个温控系统方案正确，方法可行，控制性能达到了设计要求。蚓５５温度控制曲线图Ｆｉｇ５－５Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ第五章系统的调试与实验５．３小结本章对整个温控系统进行了调试，并做了温控实验，通过设计正交实验，成功的整定出了一组较好的控制参数，最终将温度控制在±１１２范围之内，达到了预定的目标。６７广东工业大学工学硕士学位论文总结与展望本文针对微电子封装设备的应用需求，开发了一个高性价比、便于操作、可靠性高，且各组成部分能进行实时通信的温度控制系统。并通过对温控系统的调试与参数的整定工作，取得了较好的控制效果。论文主要完成了以下研究工作：１．针对微电子封装设备控制系统的特点，设计了温控系统的硬件电路，主要包括单片机最小系统、温度信号采集、功率输出和串行通信等电路的设计。２．在硬件电路的基础上编写了与硬件相配套的软件模块，针对现场干扰源较多的情况，采用了一系列硬件、软件抗干扰设计，减少干扰对温控系统的影响。３．运用梯形图编写了ＰＬＣ的通信与控制程序；并在ＶＢ６．０环境下编写了计算机程序和计算机操作界面。通过计算机界面，操作者可方便的对控温参数进行在线修改，计算机界面上显示控温参数信息、温度实际值及温度变化曲线，用户可方便的观测系统对温度的控制状况。４．开展了温控系统的调试与控温实验工作。通过设计正交实验，成功的整定出了一组较好的控制参数，最终将温度控制在±Ｉ‘Ｃ范围之内，达到了预定的目标。鉴于作者的时间、精力、能力有限，实验条件等其他客观因素的制约，本系统尚有一些不全面的地方，亟待迸一步的完善和加强。今后可以在以下几个方面进一步开展工作：１．利用传热学理论，针对温度控制对象开展热力学方面的研究，建立温控对象较为精确的数学模型，为控制算法提供更加精确的模型参数。２．本文所采用的控制算法还是传统的ＰＩＤ算法，虽然可以达到较好的控制精度，但是，温控系统的适应性并不是很强，控制对象改变时，需要重新整定ＰＩＤ参数，可寻找其他智能控制算法，来提高控制系统的适应性和稳定性。３．本文所开发的温控系统是单路的，可在此基础上开发多路温度控制系统，以提高系统的应用范围。４．实际应用时，通信的及时可靠将是控制系统的一个关键问题，在硬件上可采用４８５通信接口。结论及展望５．计算机监控软件界面可进一步改进，目前监控软件界面比较单一，而监控画面作为人机交互的途径，应该具有人性化的特点。广东工业大学工学硕士学位论文参考文献［１３我国微电子产业现状和前景．ｈｔｔｐ：／／ｔｅｃｈ．ｔｏｍ．ｃｏｍ／［２］２００９－２０１Ｏ年印制电路板市场研究与投资分析报告．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｄｃｍｒ．ｃｏｍ／［３］波峰焊接技术现状及绿色化设计方向．电子工艺技术，２０００，２１（２）：５３—５６［４］夏大勇，周晓辉，赵增等．ＭＣＳ－５１单片机温度控制系统．工业仪表与自动化装置，２００７年，（１）：４３—４６［５］郑磊．基于ＤＳＰ的ＰＩＤ温度控制系统．舰船电子工程，２００７，２７（２）：１８８—１９０．［６］王佳．纳米计量与分子坐标测量机系统设计．航空计测技术，１９９６，１６（２）：３７－４０［７３赵成，荆立帅．基于ＡＲＭ的模糊自整定ＰＩＤ温度控制系统．电脑知识与技术，２００７（１８）：１６８１—１６８２［８］黄柱深，黄超麟．基于ＰＬＣ的高精度温度控制系统．机电工程技术，２００６，３５（２）：６５—６６［９］赵德元．电阻炉温度的大林算法控制．成都大学学报，２００４，２３（２）：２５—２９［１０］冯立川，戴凌汉．基于Ｓｍｉｔｈ预估补偿的自适应模糊ＰＩＤ控制在换热器出口温度控制中的应用．化工之友，２００６，１１：６０—６ｌ［１１］曹国庆，娄承芝，安大伟．基于Ｓｍｉｔｈ预估器的换热器温度控制系统的研究．暖通空调，２００５，３５（４８）：１２５－１２８［１２３Ｈａｉｓｓｉｇ．Ｃ．Ａｄａｐｔｉｖｅｆｕｚｚｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｈｙｄｒｏｎｉｃｈｅａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ．ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｓＭａｇａｚｉｎｅ．ＩＥＥＥＶｏｌｕｍｅ２０，Ｉｓｓｕｅ２，Ａｐｒｉ１２０００Ｐａｇｅ（ｓ）：３９—４８［１３３ＺｈｉｑｉｎｇＧａｏ：Ｔｒａｕｔｚｓｃｈ，Ｔ．Ａ；Ｄａｗｓｏｎ．Ｊ．Ｇ．Ａｓｔａｂｌｅｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ２００２ＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｏｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌｕｍｅ３８，Ｉｓｓｕｅ２，Ｍａｒｃｈ—ＡｐｒｉｌＰａｇｅ（Ｓ）：４１４—４２４ＹｏｕｎｇＣｈｏｉ；ＨｙｕｎＭｉｎＤｏ．ＡＬｅａｒｎｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｏｆｗａｆｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［１４］Ｊｉｎ７０参考文献ｃｏｎｔｒｏｌｉｎａｒａｐｉｄｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｎＬＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．ＶｏｌｕｍｅＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎ１，Ｆｅｂ．ｏｎＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ１４，Ｉｓｓｕｅ２００１Ｐａｇｅ（Ｓ）：１一ｌＯ．［１５］Ｙｍｎａｍｏｔｏ．Ｔ；Ｓｈａｈ．Ｓ．Ｌ．ＤｅｓｉｇｎｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｓｅｌｆ—ｔｕｎｉｎｇＩＥＥＥＰＩＤａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｖａｌｕａｔｉｏｎＴｈｅｏｒｙｏｆａｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．Ｖｏｌｕｍｅ１５１，Ｉｓｓｕｅ５，２３Ｓｅｐｔ．２００４Ｐａｇｅ（ｓ）：６４５—６５２［１６］Ｕｎ－ＣｈｕｌＭｏｏｎ；Ｌｅｅ．Ｋ．Ｙ．ＨｙｂｒｉｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｗｉｔｈｆｕｚｚｙｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＰＩｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆＴＶｇａｌｓｓｆｕｒｎａｃｅ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｖｏｌｕｍｅ１１，Ｉｓｓｕｅ４，Ｊｕｌｙ２００３Ｐａｇｅ（Ｓ）：５４８—５５４［１７］Ｚｈｉ—ＷｅｉｗｉｔｈＷｏｏ：Ｈｕａｎｇ－ＹｕａｎＣｈｕｎｇ：Ｊｉｎ—ＪｙｅＬｉｎ．ＡＰＩＤｔｙｐｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇｓｃａｌｉｎｇｆａｃｔｏｒｓ．Ｆｕｚｚｙｓｅｔａｎｄｓｙｓｔｅｍ．２０００，１１５（２）：３２１—３２６［１８］屠乃威，付华，阎馨．参数自适应模糊ＰＩＤ控制器在温度控制系统中的应用．微计算机信息，２００４，２０（６）：２０－２１．［１９］Ｌｉｕ．Ｘ．Ｊ；Ｃｈａｎ．Ｃ．Ｗ．Ｎｅｕｒｏ－ＦｕｚｚｙＢｏｉｌｄｅｒＳｔｅａｍＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｏｎｏｆＥｎｅｒｇｙＣｏｎｂｅｒｓｉｏｎ．Ｖｏｌｕｍｅ２１，Ｉｓｓｕｅ４，Ｄｅｃ．２００６Ｐａｇｅ（Ｓ）：９００—９０８［２０］ＫａｎｇｌｉｎｇＦａｎｇ；ＺｈｏｎｇｊｉｅＳｈｅｎ．Ａｎｅｕｒａｌ—ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｉｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．ｏｎＩＥＥＥｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ，１９９７，５１（６）：２００－２０４［２１］刘学君，张永强，于荣金．Ｓｍｉｔｈ－Ｆｕｚｚｙ自整定ＰＩＤ聚合反应釜温度控制系统．聚氯乙烯，２００５，ｌ：３１—３３［２２］申月霞，胡晓光．电锅炉温度控制系统中的混沌优化ＰＩＤ控制器设计．工业仪表与自动化，２００５，２：１２－１４［２３］Ａ．Ｖｉｓｉｏｌｉ．ＯｐｔｉｍａｌｔｕｎｉｎｇｏｆＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｆｏｒｉｎｔｅｇｒａｌａｎｄｕｎｓｔａｂｌｅｐｒｏｃｅｓｓ．１ＥＥ．Ｐｒｏｃ．一ＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙＡｐｐｌ，２００１，１４８（１）：１８０—１８４［２４］陶永华．新型ＰＩＤ控制及其应用．第二版．北京：机械工业出版社，２００２：６－７李素敏，王杰，宋北光．一种改进的ＰＩＤ控制算法．微计算机信广东工业大学工学硕士学位论文息，２００６，２２（９—１）：４０—４ｌ［２６］刘汉敏．积分分离ＰＩＤ控制算法在炉温控制系统中的应用．武汉船舶职业技术学院学报，２００６，５（６）：３０－３１［２７】胡祝兵，易江，王娟．积分分离ＰＩＤ控制在控制系统中的仿真研究．承德石油高等专科学校学报，２００６，８（４）：１７－１９［２８］沈邦兴，文昌俊．实验设计及工程应用．第一版．北京：中国计量出版社，２００５．１１７－１２２［２９］张静．ＭＡＴＬＡＢ在控制系统中的应用．第一版．北京：电子工业出版社，２００７．１０４一ｉ０５［３０３ＡＴ８９Ｓ５２ｄａｔａｓｈｅｅｔ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｖ．ａｔｍｅｌ．ｃｏｍ／Ｋ－Ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ—ｔｏ—ＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ．［３１］Ｃｏｌｄ—Ｊｕｎｃｔｉｏｎ－Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｈｔｔｐ：／／ｗｗｖ．ｍａｘｉｍ－ｉｃ．ｃｏｍ．ａｎ［３２３王幸之．ＡＴ８９系列单片机原理与接口技术．第一版．北京航空航天大学出版社，２００４：４９０－４９１［３３］刘守操．可编程控制器技术与应用．第一版．北京：机械工业出版社，２００６［３４］宋伯生．ＰＬＣ编程实用指南．第一版．北京：机械工业出版社，２００７［３５］郑少华，姜奉华．试验设计与数据处理．第一版．北京：中国建材工业出版社，２００４．６７［３６］李云，黎彰．正交实验法优选铁泥制备纳米四氧化三铁．沈阳化工学院学报，２００３，２２（４）：３０４—３０７［３７］ＬｕｓｕＧｕｏ．；ＰａｒｓａＬ．Ｔｏｒｑｕｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｌｕｃｔａｎｃｅｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ．ｍａｃｈｉｎｅｓｂｙｕｔｉｌｉｚｉｎｇｏｒｔｈｏｇｏｎａｌＩｎｄｕｓｔｒｉａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｓｉｇｎＥｌｅｃｔｒｉｃｓ，ＩＥＣＯＮ，２００８，Ｐａｇｅ（ｓ）：１４２７—１４３２攻读学位期间发表的论文攻读学位期间发表的论文【ｌ】陈铁强，李克天，刘吉安等．基于ＡＴ８９Ｓ５２单片机的ＰＩＤ恒温控制系统的开发和实验研究．机电工程技术（已录用，将于２００９年第９期发表）７３致谢致谢本论文是在导师李克天教授的悉心指导下完成的。三年来，无论在学习和生活上，李老师都给予了我热心的关怀和帮助，孜孜不倦地指导我的学习和研究，并为我提供了良好的学习和研究环境。李老师严谨的治学作风、渊博的知识和丰富的实践经验使我终身受益。在此，我谨向李老师致以衷心的感谢和崇高的敬意。同时感谢王晓初老师在论文研究中给予的热心指导和帮助。衷心感谢刘吉安老师在学习和生活上对我的关心和帮助。感谢何捷老师给予提供的实验环境。最后感谢印波、蔡召虎、谭柄桉、张林海等同学和师弟何伟、常舟同学在研究课题上给我的帮助，在此向他们表示诚挚的谢意。特别感谢我的家人和朋友在学习和生活上对我的理解和支持。最后，向参加论文评审和论文答辩的各位老师表示衷心的感谢１陈铁强２００９年４月７５