多通道智能溫度控制儀的設(shè)計

摘要：本論文中主要介紹了以AT89C52單片機和CPLD為核心，ICL7135為A/D轉(zhuǎn)換電路的多通道溫度控制系統(tǒng)，將其應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，便于及時了解生產(chǎn)過程中的溫度中，可以及時對生產(chǎn)過程進行實時控制。本系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性高和抗干擾能力強的特點，并可以進行遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。這些特點決定了本系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場中具有很強的應(yīng)用性和實用性，如果加以完善，必將具有廣闊的前景。

關(guān)鍵詞：多通道；溫度控制；CPLD；模糊控制

1引言

溫度控制是鋼鐵、化學(xué)、輕工、食品等生產(chǎn)進程中的重要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中的1個主要參數(shù)，特別是大

型企業(yè)的主設(shè)備往往需要測量和控制多個溫度參數(shù)，同時溫度控制的精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。相對于本系統(tǒng)，傳統(tǒng)的溫度控制儀表主要有以下幾個不足：

１.1 傳統(tǒng)溫度控制儀表一次只能測量一路溫度；

1.2 傳統(tǒng)溫度控制儀表采用4~20mV標(biāo)準(zhǔn)電壓傳遞控制量，不能直接作用于控制對象。

因此，我們設(shè)計了一種基于AT89C52和CPLD為核心控制器的多通道智能溫度控制儀，本智能溫度控制儀一次可以監(jiān)視測量４路溫度并給予控制，可以節(jié)省大量的成本。在節(jié)省成本的同時本系統(tǒng)還具有測量精度高，抗干擾能力強，測溫范圍廣，可以遠程通訊的特點。

2 系統(tǒng)分析

智能儀表主要由單片機、人機交互、CPLD、信號輸入、信號輸出以及串口通信這些模塊組成，如圖1所示。

信號處理和A/D轉(zhuǎn)換：工業(yè)現(xiàn)場中的四個通信信號值經(jīng)過八選一模擬開關(guān)CD4051按序進入系統(tǒng)的模擬信號處理部分，模擬電路對信號進行濾波，放大后送入A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135，由于ICL7135為雙積分型芯片，其轉(zhuǎn)換精度非常高，在本系統(tǒng)中，可達到0.1℃的設(shè)計要求。

PID算法設(shè)計：利用智能儀表內(nèi)部的單片機編制計算PID的程序，將對象溫度與設(shè)定溫度之差作為誤差，從而計算出控制量。并交給CPLD定時器，CPLD內(nèi)部編程產(chǎn)生4路定時器，定時器根據(jù)控制量輸出占空比可變的方波，控制可控硅導(dǎo)通角，由此可以控制四路通道。

功率控制電路：采用MOTOROLA 公司生產(chǎn)的MOC3081 過零觸發(fā)雙向可控硅輸出光耦， 通過它的導(dǎo)通與關(guān)斷的時間比值來調(diào)節(jié)送給加熱器件的功率。

單片機及CPLD電路：單片機負(fù)責(zé)對RS485通信及鍵盤輸入、液晶顯示和過零檢測進行處理。CPLD模塊用于產(chǎn)生4路PWM控制信號。

3 CPLD設(shè)計分析

系統(tǒng)核心控制芯片采用的是ALTERA 公司MAX7000系列CPLD來產(chǎn)生PWM信號。CPLD減輕了單片機的負(fù)擔(dān)，且集成度高，省去了外部D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模擬比較器，另外還可以改善普通數(shù)字電路產(chǎn)生PWM是的干擾問題。本系統(tǒng)中采用計數(shù)器法產(chǎn)生PWM波形。

PWM發(fā)生器原理

全數(shù)字PWM電路占空比數(shù)據(jù)載入D[ n : 0]中n的位寬決定PWM輸出信號占空比的精度：ΔD = 1/ 2 n (1)

PWM輸出信號占空比：D=Value/M(2)

若設(shè)PWM輸出信號頻率為fpwm ， 則時鐘信號頻率fclk與fpwm有如下關(guān)系：

fclk=2n·fpwm(3)

工作原理：高頻時鐘clk 經(jīng)脈沖序列發(fā)生器產(chǎn)生2nd個滿足要求的脈沖信號，即各脈沖信號頻率均為2nd·fpwm且互差一個波頭，以保證在一個PWM輸出周期內(nèi)有2nd·2nc(即2n) 個塊，Q 2nd - 1 進入nc 位計數(shù)器得到cnt[nc-1:0]，cnt與高位部分nc進行比較，若相等輸出‘1’，不相等則輸出‘0’， 以控制復(fù)位信號Reset ; 另外cnt 與地( nc個零) 進行比較，若相等輸出‘1’， 不相等則輸出‘0’， 以控制置位信號Set。因此， 在開關(guān)周期的起始時刻， RS 觸發(fā)器置位， PWM輸出為高電平， 直到計數(shù)器輸出cnt 與高位部分nc 相等， 且由根據(jù)nd 代表的十進制數(shù)所選擇的脈沖信號出現(xiàn)高電平時，RS 觸發(fā)器復(fù)位， PWM輸出變低，從而完成脈寬調(diào)制功能。

4PID算法設(shè)計

溫度系統(tǒng)是一個大慣性、純滯后系統(tǒng)，用普通PID控制不可避免地出現(xiàn)系統(tǒng)的超調(diào)，并且響應(yīng)時間緩慢，當(dāng)溫度給定值變化時需較長時間的調(diào)節(jié)才能達到穩(wěn)定，不能很好地滿足控制系統(tǒng)的要求。

因此，控制系統(tǒng)可以采用模糊控制和PID控制相結(jié)合的控制方案:即在溫度給定值發(fā)生變化導(dǎo)致溫度大范圍變化時采用模糊控制;在溫度趨于穩(wěn)定時采用PID控制。模糊控制器的設(shè)計采用雙輸入- 單輸出型兩個輸入量分別為溫度偏差e和溫度偏差變化率Δe ，輸出可直接控制可控硅。

采用L. A. Zadh的模糊推理算法，根據(jù)已知控制系統(tǒng)輸入溫度偏差和溫度偏差變化率的論域值，分別查表求出其隸屬度;再根據(jù)控制規(guī)則狀態(tài)表推出對應(yīng)控制規(guī)則并由此確定溫度偏差和溫度偏差變化率的最小隸屬度，利用輸出控制量的模糊變量真值表求出控制量的模糊控制截集;最后再按重心法則，對輸出模糊量進行模糊判決，求出控制量。最后得到相應(yīng)表格即為模糊控制器的控制規(guī)則表。實際操作中，采用模糊控制對系統(tǒng)的控制具有很好的超調(diào)抑制作用，并且具有更快速的響應(yīng)。

5軟件設(shè)計

控制量的選擇

對象的溫度是由對象的功率所決定的，而功率又是由加在對象兩端的交流電壓決定，所以要改變溫度就要改變對象的電壓。交流調(diào)壓是指交流電壓幅值的變換（其頻率不變），相對于交流調(diào)功方式（過零觸發(fā)方式）而言，其負(fù)載電壓的交流有效值平穩(wěn)，有利于溫度穩(wěn)定。而要做到這一點就需要交流過零信號的配合，使可控硅的控制周期與交流電同步。交流電的頻率為50Hz，而交流正弦波在一個周期內(nèi)過零兩次，所以過零脈沖信號的頻率為100Hz，即周期為10ms。要控制加在對象上的電壓值，就要控制在這10ms內(nèi)可控硅BT136的通斷占空比，這可以用單片機的定時/計數(shù)器來實現(xiàn)。給計數(shù)器賦一定的初值，一旦檢測到交流過零脈沖信號就開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器計滿溢出時會產(chǎn)生溢出中斷，此時發(fā)送指令將可控硅接通，這樣就實現(xiàn)了在不改變交流電周期的情況下通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)電壓。調(diào)節(jié)占空比只要改變計數(shù)器初值即可（計時時間不可超過10ms）。下圖為過零檢測及可控硅輸出的波形圖。

通過以上的分析，可以將計數(shù)器的初值認(rèn)為是系統(tǒng)的控制量，將PID計算的結(jié)果轉(zhuǎn)換為計數(shù)器的初值即可對對象的功率進行調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)溫度控制。