2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書脈沖熱壓電源控制系統(tǒng)系、部：電氣與信息工程系學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：職稱專業(yè)：電子信息工程技術(shù)班級(jí)：電信0703班完成時(shí)間：2010-5-摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)角落。微連接技術(shù)是決定電子產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，脈沖熱壓焊是微連接技術(shù)之一。本文針對(duì)脈沖熱壓焊機(jī)非線性、滯后和不對(duì)稱的特點(diǎn)，討論了經(jīng)典PID、Fuzzy-PID控制策略在溫度控制中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器。論文完成了以下工作：1.研制了脈沖熱壓焊機(jī)溫度控制電路板，建立控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。該平臺(tái)以熱電偶作為感溫元件，32的STM32F103RB高性能單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)；外圍電路包括溫度信號(hào)放大電路，控制信號(hào)輸出電路，串行通訊接口電路，鍵盤及大尺寸液晶顯示電路；用VisualC++編制上位機(jī)通訊管理軟件，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)控制器實(shí)時(shí)通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、繪制數(shù)據(jù)曲線等功能。關(guān)鍵詞脈沖熱壓焊機(jī)；高精度控溫系統(tǒng)；信號(hào)放大電路；單片機(jī)；線性化處理；ABSTRACTAlongwiththeelectronicstechnicaldevelopment,electronicsproductalreadytheextensivelyappliedworkagricultureproduceandeachcornerofdailylife.Thetinyconjunctiontechniqueisthekeylinkthatdecideselectronicsproductquality,pulseheat'spressingHanisoneofthetinyconjunctiontechniques.ThistextaimsatpulseheatandpressesHanmachinelineandZhinotempressanddissymmetryofcharacteristics,discusstheclassicPIDandFuzzy-PIDcontrolstrategycontrolsamediumapplicationinthetemperatureanddesignsmistyPIDcontroller.Thethesiscompletedafollowingwork:1.DevelopthepulseheatpressesHanmachine,thetemperaturecontrolscircuitboardandbuildsupthehardwareterracethatcontrolssystem.Thatterraceusesthermocoupleasfeelingcomponent,STM32F103RBthehighperformancessinglesliceofmachinesaresystemcores,thecomposingtemperaturecontrolssystem;Theoutercircleelectriccircuitincludestemperaturesignaltoenlargeelectriccircuit,thecontrolsignaloutputselectriccircuit,thestringlinecommunicationconnectsapeople'selectriccircuit,andkeyboardandbigsizeLCDshowelectriccircuit;UseVisualC++drawuptheplaceofhonormachineacommunicationmanagementsoftware,whilecarryingoutwithnextmachinecontrolleractuallycommunication,datasaving,drawdatacurveetc.function.KeywordsHotpressHanofmachine;Thetemperaturecontrolssystem;Thehighaccuracycontrolssystem;Thesignalenlargeselectriccircuit;Thetemperaturesignalcollects;Thecommunicationconnectsapeople'selectriccircuit;ThecalculatewayofPID;Controller;Notline;Singlesliceofmachine;Thelineturnsaprocessing;DoubletocancontrolHuo;Placeofhonormachinecommunication目錄1緒論11.1引言11.2模糊PID控制技術(shù)11.2.1自適應(yīng)控制11.2.2PID控制器的發(fā)展現(xiàn)狀21.2.3模糊PID控制31.2.4模糊自適應(yīng)PID控制41.3脈沖熱壓機(jī)采用模糊PID控制技術(shù)的可行性42設(shè)計(jì)方案和論證62.1總體方案介紹及框圖62.2溫度傳感器選用方案的論證62.3溫度信號(hào)放大調(diào)理電路的論證62.4微控制器選用方案的論證72.5鍵盤方案的論證72.6顯示方案論證82.7繼電器的選用83硬件電路設(shè)計(jì)93.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)93.1.1STM32F103RB單片機(jī)功能簡(jiǎn)介9單片機(jī)電源電路設(shè)計(jì)103.1.3復(fù)位電路設(shè)計(jì)。113.1.4振蕩電路設(shè)計(jì)113.1.5下載接口的設(shè)計(jì)123.2溫度傳感信號(hào)的放大電路設(shè)計(jì)123.3輸出控制電路143.4串口通信電路153.5行列式鍵盤電路164軟件設(shè)計(jì)174.1主程序設(shè)計(jì)174.1.1主程序框圖174.1.2鍵掃描程序184.1.3鍵處理程序184.2沖壓生產(chǎn)程序設(shè)計(jì)194.3溫度測(cè)量程序設(shè)計(jì)204.4模糊PID控制加熱程序214.4.1自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)224.4.2模糊控制規(guī)則表的建立244.4.3逆模糊化處理及輸出量的計(jì)算264.4.4模糊PID流程框圖274.5抗干擾措施274.6結(jié)論28致謝30參考文獻(xiàn)31附錄321緒論引言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子工藝有了很大的改進(jìn)，集成度越來(lái)越高。使得原來(lái)的生產(chǎn)工業(yè)無(wú)法滿足現(xiàn)在產(chǎn)品生產(chǎn)要求。像LCD、PDP、觸摸屏等的扁平電纜熱壓接合及ACF接合，傳統(tǒng)的波峰焊等不能夠用于對(duì)這些器件的焊接。而手工焊則質(zhì)量差、效率低，不能用于工業(yè)批量生產(chǎn)要求。所以急需開(kāi)發(fā)新的生產(chǎn)工具，脈沖熱壓機(jī)隨即應(yīng)運(yùn)而生。脈沖熱壓機(jī)原理:

通過(guò)在熱壓頭上加載一定的電壓,熱壓頭發(fā)熱,將與此相連接的物體升溫,當(dāng)溫度升到焊錫熔點(diǎn)后,將與此相連的物體間錫熔融并將其連接在一起.

脈沖熱壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

脈沖熱壓機(jī)主要應(yīng)用在不能使用正常SMT＋回流爐進(jìn)行焊接的器件進(jìn)行焊接操作，而使用烙鐵進(jìn)行焊接時(shí)容易出現(xiàn)焊接外觀不一致、不平整，容易出現(xiàn)虛焊以及容易焊壞產(chǎn)品。而脈沖熱壓機(jī)則不同于恒溫烙鐵，脈沖熱壓機(jī)在通電瞬間即可達(dá)到所要溫度，而一旦焊頭兩端不加電壓，瞬間即可達(dá)到室溫；而且焊頭平整，所以焊接出來(lái)的外觀平整一致，極少出現(xiàn)虛焊不良。

脈沖熱壓機(jī)主要應(yīng)用在如下方面的焊接：LCD、PDP、觸摸屏等的扁平電纜熱壓接合及ACF接合

繼電器、打印機(jī)、眼鏡等的樹(shù)脂熱壓接合手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)使用的CCD、CMOS的焊錫接合電腦、攝像機(jī)內(nèi)的FPC等扁平電纜的焊錫接合硬盤(HDD)等漆包線的焊錫焊接及DVD、AV機(jī)器等家用電器的制造繼電器、打印機(jī)、眼鏡等的樹(shù)脂熱壓接合手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)使用的CCD、CMOS的焊錫接合電腦、攝像機(jī)內(nèi)的FPC等扁平電纜的焊錫接合電腦等通信機(jī)器內(nèi)的線纜并行口的焊錫焊接硬盤(HDD)等漆包線的焊錫焊接及DVD、AV機(jī)器等家用電器的制造微波元件內(nèi)部的金線熱壓結(jié)合模糊PID控制技術(shù)1.2.1自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一個(gè)具有一定適應(yīng)能力的系統(tǒng)，它能夠認(rèn)識(shí)環(huán)境條件的變化，并自動(dòng)校正控制動(dòng)作，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)的控制效果。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1.1所示。圖1.1自適應(yīng)控制系統(tǒng)的原理框圖這一系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)參考輸入r(t)、控制輸入u(t)、對(duì)象輸出c(t)和已知外部干擾n(t)來(lái)測(cè)量對(duì)象性能指標(biāo)，并與給定的性能指標(biāo)進(jìn)行比較，做出決策，然后通過(guò)適應(yīng)機(jī)構(gòu)來(lái)改變系統(tǒng)參數(shù)，或者產(chǎn)生一個(gè)輔助的控制輸入量，累加到系統(tǒng)上，以保證系統(tǒng)跟上給定的最優(yōu)性能指標(biāo)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有如下功能：在線進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的辨識(shí)或系統(tǒng)性能指標(biāo)的度量，以便得到系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的改變情況；按一定的規(guī)律確定當(dāng)前的控制策略；在線修改控制器的參數(shù)或可調(diào)系統(tǒng)的輸入信號(hào)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，許多被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或干擾因素的影響，其對(duì)象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。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)品質(zhì)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)。系統(tǒng)辨識(shí)就是通過(guò)測(cè)量被研究的系統(tǒng)在人為作用輸入下的輸出響應(yīng)，或正常運(yùn)行時(shí)的輸入、輸出數(shù)據(jù)，加以必要的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)運(yùn)算，估計(jì)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，但自適應(yīng)控制效果的好壞取決于辨識(shí)模型的精確度，這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的，因此在工業(yè)生產(chǎn)中，大量采用的仍然是以PID控制算法為基礎(chǔ)的控制策略，PID參數(shù)的整定方法很多，但大多數(shù)都以對(duì)象特性為基礎(chǔ)。1.2.2PID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)。隨著微處理技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用，在控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一系列新的技術(shù)課題之一的被控對(duì)象動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)發(fā)生較大范圍變化的情況下，控制系統(tǒng)仍能滿足給定的品質(zhì)指標(biāo)，這是自適應(yīng)控制的最基本特征，自適應(yīng)PID控制可以在線不斷整定參數(shù)，克服干擾，跟蹤系統(tǒng)的時(shí)變特性，使控制對(duì)象達(dá)到一定的目標(biāo)。同時(shí)隨著現(xiàn)代控制理論(諸如智能控制、自適應(yīng)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等)研究和應(yīng)用的發(fā)展與深入，為控制復(fù)雜無(wú)規(guī)則系統(tǒng)開(kāi)辟了新途徑，逐步弱化或取消了對(duì)受控對(duì)象數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)不變的限制。近年來(lái)，出現(xiàn)了許多新型PID控制器，對(duì)于復(fù)雜對(duì)象，其控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)PID控制。電阻爐溫度控制技術(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。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。Fuzzy-PID混合控制這種控制器的思想是在大偏差范圍內(nèi)采用Fuzzy控制，在小偏差范圍內(nèi)用PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。由于兩種控制作用均包含有積分作用，故穩(wěn)態(tài)精度相同，但Fuzzy-PID控制比PID控制有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，更小的超調(diào)，比模糊控制具有更高的穩(wěn)態(tài)精度。引入積分因子的模糊PID控制器這種控制器或是積分環(huán)節(jié)加在誤差輸入量的模糊化之前和模糊控制器輸出量的解模糊之后，在一定程度上可減少系統(tǒng)余差，但消除系統(tǒng)極限環(huán)振蕩的能力較弱，尤其模糊量化因子取的較大時(shí)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定；或是對(duì)誤差的模糊值進(jìn)行積分，消除了系統(tǒng)余差，但只有使Δumin縮小才能消除零點(diǎn)附近的極限環(huán)振蕩，而要達(dá)到這一要求，必須增加控制規(guī)則數(shù)，也就增加了模糊控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，因此這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前應(yīng)用較少。1.2.4模糊自適應(yīng)PID控制模糊自適應(yīng)PID控制器有多種控制形式，但工作原理基本一致。在線實(shí)時(shí)模糊自整定PID控制模糊自整定PID控制是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。結(jié)構(gòu)中的辨識(shí)機(jī)構(gòu)用來(lái)解決PID控制參數(shù)的初值。在控制的初始階段，采用bang-bang控制作為引導(dǎo)控制，辨識(shí)機(jī)構(gòu)根據(jù)在該階段得到的信息對(duì)對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)。在該階段結(jié)束時(shí)，利用辨識(shí)出的模型參數(shù)整定出PID控制參數(shù)的初值，并切換控制開(kāi)關(guān)，投入模糊自整定PID控制。圖1.2模糊自整定PID控制基于模糊推理的自調(diào)整PID控制器它由PID控制和一個(gè)模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。利用自調(diào)整因子模糊控制器設(shè)計(jì)思想，根據(jù)輸入信號(hào)的大小、方向以及變化趨勢(shì)等特征，通過(guò)模糊推理做出相應(yīng)決策，在線整定PID參數(shù)KP、KI、KD以期獲得滿意的控制效果。單參數(shù)模糊自適應(yīng)PID控制器單參數(shù)模糊自適應(yīng)PID控制器是通過(guò)對(duì)控制目標(biāo)分類，考慮用戶最關(guān)心的系統(tǒng)特性，來(lái)決定調(diào)整KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)中對(duì)系統(tǒng)影響最大的那一個(gè)；或是控制器根據(jù)系統(tǒng)的誤差及誤差變化率，利用模糊邏輯推理規(guī)則，產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于e和ec的控制量h(t)，再由h(t)計(jì)算出與KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)都有一定關(guān)系的α(t)，從而得到KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)，然后由常規(guī)控制算式確定控制u(t)。1.3脈沖熱壓機(jī)采用模糊PID控制技術(shù)的可行性在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，脈沖熱壓機(jī)隨著環(huán)境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。脈沖熱壓機(jī)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)存入單片機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后單片機(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)變類似于脈沖熱壓這樣特點(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控制脈沖熱壓焊接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。而今，單片機(jī)技術(shù)又有了新的發(fā)展?；贏RM核的單片機(jī)有著非常高的性能，極低的功耗和極快的處理速度使得它成為單片機(jī)領(lǐng)域的主流。使用ARM單片機(jī)和較少的外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖熱壓機(jī)的控制是非常不錯(cuò)的選擇。其一，ARM單片機(jī)處理速度快，提高了生產(chǎn)效率，也保證了產(chǎn)品質(zhì)量。其二，其獨(dú)特的核結(jié)構(gòu)，提高了抗干擾能力，使得機(jī)器能長(zhǎng)久有效的投入生產(chǎn)運(yùn)行。其三，其獨(dú)特的性能，使得能夠?qū)崿F(xiàn)更友好的界面和龐大的功能。設(shè)計(jì)方案和論證2.1總體方案介紹及框圖脈沖熱壓電源控制系統(tǒng)主要由溫度傳感采樣系統(tǒng)，單片機(jī)微控制系統(tǒng)，顯示器，鍵盤，電源系統(tǒng)組成。其系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。圖2.1總體方案框圖用溫度傳感器測(cè)量熱壓脈沖頭的溫度反饋給單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)根據(jù)實(shí)際情況控制繼電器來(lái)控制脈沖熱壓頭的焊接。位了系統(tǒng)測(cè)試和升級(jí)以及其他功能增加了與上位機(jī)通信接口。鍵盤和顯示器用作人機(jī)交互通道。2.2溫度傳感器選用方案的論證溫度傳感采樣系統(tǒng)是脈沖熱壓電源控制系統(tǒng)的“眼睛”。它的工作性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，甚至影響機(jī)器所完成產(chǎn)品的質(zhì)量。溫度傳感采樣系統(tǒng)須滿足：溫度傳感器能工作在0~500攝氏度范圍內(nèi)，并且能保持一定的精度；溫度傳感器靈敏度高，轉(zhuǎn)換值要能基本與環(huán)境溫度同步；溫度傳感信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，失真??；具有溫度傳感特性的器件有一般熱敏電阻，鉑電阻，熱電偶，半導(dǎo)體傳感器，熱紅外傳感器等。而基本能夠滿足要求的有鉑電阻和熱電偶，但鉑電阻價(jià)格較貴。工業(yè)中一般使用熱電偶。這里使用熱電偶作為溫度傳感器不僅能滿足性能的要求，還具有安裝靈活等特點(diǎn)2.3溫度信號(hào)放大調(diào)理電路的論證根據(jù)熱電偶的特性，溫度信號(hào)要放大、濾除噪聲、溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償?shù)裙ぷ鞑拍艿玫接杏玫臏囟刃盘?hào)。方案一：采用專用的熱電偶Maxim公司新近推出的MAX6675即是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。將在有關(guān)章節(jié)系統(tǒng)的介紹該芯片。使用該芯片時(shí)只需要將熱電偶和與單片機(jī)通信的SPI接口連接到芯片上，不需任何外圍器件，單片機(jī)就可讀出相應(yīng)的溫度值來(lái)。方案二：由于涉及到放大，濾波?？梢赃\(yùn)用有關(guān)的知識(shí)使用分立元件和集成運(yùn)放搭建一個(gè)有效的電路。對(duì)于溫度補(bǔ)償可以使用其他溫度傳感器測(cè)量冷端溫度的辦法。非線性補(bǔ)償用基于單片機(jī)查表得方法解決。對(duì)于方案一，既簡(jiǎn)單又高效，但該芯片較貴，可運(yùn)用于中高端溫度采集領(lǐng)域。方案二考驗(yàn)了一個(gè)人的專業(yè)設(shè)計(jì)能力，具有一定的挑戰(zhàn)性，但降低了成本，也鍛煉自己的動(dòng)手設(shè)計(jì)能力。經(jīng)過(guò)分析，最終挑戰(zhàn)使用方案二。2.4微控制器選用方案的論證而今單片機(jī)市場(chǎng)是百家爭(zhēng)鳴，各個(gè)公司又都推出了各種各樣的型號(hào)系列。盡管單片機(jī)型號(hào)非常的多，但可以分為幾類，從處理核位數(shù)上分8位、16位、32位，其中有衍生出了8位與16位并存的核和16位與32位并存的核。目前8位核市場(chǎng)最流行的核是51核?，F(xiàn)在又開(kāi)始流行了ARM的核。方案一：使用ARM核的單片機(jī)，ARM具有低功耗、速度快、處理性能好等等特點(diǎn)。由于本人正在學(xué)習(xí)一款意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RB的芯片。該芯片時(shí)鐘速度可達(dá)72MHz，而且高達(dá)90DMIPS。還具有高性能的豐富的片上外設(shè)。主要應(yīng)用領(lǐng)域有無(wú)線通信、汽車電子和工業(yè)控制等。在后面的有關(guān)章節(jié)將會(huì)介紹這款單片機(jī)。方案二：使用51核的單片機(jī)，51核的單片機(jī)既是應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛的單片機(jī)，又是單片機(jī)愛(ài)好者入門的單片機(jī)。資料齊全，容易開(kāi)發(fā)。使用C8051F020單片機(jī)來(lái)開(kāi)發(fā)是非常合適的。該單片機(jī)處理速度達(dá)25DMIPS，并且具有AD、DA、比較器、溫度傳感器等模擬外設(shè)還具有其他豐富的數(shù)字外設(shè)接口。方案一是使用一款極具發(fā)展前景的單片機(jī)，如果學(xué)會(huì)了使用這款單片機(jī)對(duì)將來(lái)都是有好處的，它在同性能的單片機(jī)里面也是極具性價(jià)比優(yōu)勢(shì)的。但是真正要學(xué)會(huì)用它還需要點(diǎn)時(shí)間學(xué)習(xí)它；方案二是51的核，比較容易上手。只要懂相關(guān)原理，使用它是不難的。短期內(nèi)就可完成設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)。由于還有點(diǎn)時(shí)間，先學(xué)習(xí)方案一。如果能成功的話，對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)和將來(lái)的設(shè)計(jì)都是有好處的。2.5鍵盤方案的論證鍵盤方案一：使用觸摸屏?，F(xiàn)在的觸摸技術(shù)較為成熟，使用較廣泛的有電阻式的有電容式的。電阻式的是以點(diǎn)接觸方式，即使用時(shí)觸摸點(diǎn)不能太大，否則會(huì)超出感應(yīng)界限而感應(yīng)不到。這在手機(jī)等手持設(shè)備上應(yīng)用較多，使用時(shí)需用觸摸筆。所以這種不適合生產(chǎn)時(shí)使用。在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，由于機(jī)器震動(dòng)較大或者其它原因容易使觸摸損壞而導(dǎo)致不能使用，同時(shí)更換起來(lái)也比較困難，所以也不適合使用觸摸屏。 鍵盤方案二：使用機(jī)械按鍵組成行列式鍵盤。之所以要使用行列式鍵盤是因?yàn)榭刂茣r(shí)需要十個(gè)數(shù)字鍵和幾個(gè)功能鍵，行列式鍵盤可以減少占用單片機(jī)的口線。2.6顯示方案論證顯示器必須要直觀友好地進(jìn)行人機(jī)交互。傳統(tǒng)的12864LCD不能夠滿足這些要求?？捎腥缦路桨高x擇。 方案一：使用大尺寸320240單色液晶。較大的尺寸有5.7寸的，能夠直觀地反映很多交互信息。 方案二：使用大尺寸TFT真彩液晶?，F(xiàn)在TFT屏技術(shù)較為成熟。價(jià)格也越來(lái)越低。真彩顯示技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越融入了我們的生活。大尺寸TFT真彩液晶有3.5寸的240*320的分辨率和4.3寸的480*272的分辨率。在此使用3.5寸的TFT真彩液晶較為合適。繼電器的選用繼電器有機(jī)械式的繼電器固態(tài)繼電器。機(jī)械式的繼電器只能使用在開(kāi)關(guān)頻率很低的場(chǎng)合，而且導(dǎo)通時(shí)容易損壞觸點(diǎn)而容易損壞。脈沖熱壓機(jī)的繼電器開(kāi)關(guān)頻率較高通電電流大不適合使用這種繼電器。使用固態(tài)繼電器較為方便。固態(tài)繼電器無(wú)觸點(diǎn)，通電電流大，導(dǎo)通時(shí)沖擊電流小。3硬件電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路是單片機(jī)運(yùn)行時(shí)所必須的電路。本系統(tǒng)以STM32F103RBT6為微控制處理單片機(jī)，其最小系統(tǒng)包括電源電路，復(fù)位電路，振蕩電路、下載電路等。3.1.1STM32F103RB單片機(jī)功能簡(jiǎn)介核心ARM32位的Cortex?-M3CPU72MHz，高達(dá)90DMips，1.25DMips/MHz單周期硬件乘法和除法——加快計(jì)算b)存儲(chǔ)器128K字節(jié)閃存程序存儲(chǔ)器20K字節(jié)SRAM多重自舉功能c)時(shí)鐘、復(fù)位和供電管理2.0至3.6伏供電和I/O管腳上電/斷電復(fù)位(POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測(cè)器(PVD)、掉電監(jiān)測(cè)器內(nèi)嵌4至16MHz高速晶體振蕩器內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的8MHz的RC振蕩器內(nèi)嵌40kHz的RC振蕩器內(nèi)嵌PLL供應(yīng)CPU時(shí)鐘內(nèi)嵌使用外部32kHz晶體的RTC振蕩器d)低功耗3種省電模式：睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式VBAT為RTC和后備寄存器供電e)2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1u轉(zhuǎn)換時(shí)間(16通道)轉(zhuǎn)換范圍是0至3.6V雙采樣和保持功能溫度傳感器f)調(diào)試模式串行線調(diào)試(SWD)和JTAG接口g)DMA7通道DMA控制器支持的外設(shè)：定時(shí)器、ADC、SPI、C和USARTh)多達(dá)51個(gè)快速I/O口i)多達(dá)7個(gè)定時(shí)器多達(dá)3個(gè)同步的16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PW或脈沖計(jì)數(shù)的通道j)16位6通道高級(jí)控制定時(shí)器多達(dá)6路PWM輸出死區(qū)控制、邊緣/中間對(duì)齊波形和緊急制動(dòng)2個(gè)看門狗定時(shí)器(獨(dú)立的和窗口型的)系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器：24位的、帶自動(dòng)加載功能的k)多達(dá)9個(gè)通信接口多達(dá)2個(gè)I2C接口(SMBus/PMBus)多達(dá)3個(gè)USART接口，支持ISO7816，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制多達(dá)2個(gè)SP同步串行接口(18兆位/秒)CAN接口(2.0B主動(dòng))USB2.0速接口單片機(jī)電源電路設(shè)計(jì)STM32F103RBT6是一款功耗超低的單片機(jī)，根據(jù)芯片生產(chǎn)公司提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)，供電方案要求如下：VDD=2.0至3.6V：VDD管腳提供I/O管腳和內(nèi)部調(diào)壓器的供電。VSSA，VDDA=2.0至3.6V：為ADC、復(fù)位模塊、RC振蕩器和PLL的模擬部分提供供電。使用ADC時(shí)，VDD不得小于2.4V。VBAT=1.8至3.6V：當(dāng)(通過(guò)電源開(kāi)關(guān))關(guān)閉VDD時(shí)，為RTC、外部32kHz振蕩器和后備寄存器供電。由于5V電源為其它外圍芯片所常需要的電源，以及為了方便調(diào)試時(shí)用電腦USB電源供電，本系統(tǒng)由5V電壓供電，再經(jīng)專用的電源穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3V將5V電壓轉(zhuǎn)為3.3V為單片機(jī)供電。AMS1117-3.3V是一款低壓差穩(wěn)壓芯片。其輸入電壓范圍為4.75V~12V，輸出電壓為3.3V±0.033V，輸出電流可達(dá)800mA。而且基本不需要其它外圍器件，就能得到穩(wěn)定的輸出。設(shè)計(jì)電路如圖3.1所示。圖3.1單片機(jī)電源供電電路電容C1、C2、C3是為保證AMS1117-3.3V有較好的直流輸出而設(shè)置的濾波電容。C4~C9是安裝在芯片電源引腳旁的濾波電容以增強(qiáng)抗干擾性能。3.1.3復(fù)位電路設(shè)計(jì)。小巧穩(wěn)定的復(fù)位電路既能保證單片機(jī)的正常運(yùn)行，又能方便調(diào)試。STM32F103RBT6單片機(jī)的復(fù)位為低電平有效，復(fù)位電路如圖3.2所示。圖3.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)振蕩電路設(shè)計(jì)STM32F103RBT6單片機(jī)可以通過(guò)設(shè)置時(shí)鐘源為內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器和外部振蕩器，并且可以通過(guò)內(nèi)部倍頻電路得到各種時(shí)鐘，最高可倍頻到72MHz。在一般使用時(shí)不需要外部晶振提供時(shí)鐘，但在本系統(tǒng)中為了提供更精確地時(shí)鐘，使用8M的晶振提供精確地時(shí)鐘信號(hào)。晶振Y1為單片機(jī)提供系統(tǒng)時(shí)鐘。晶振Y2為單片機(jī)RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）模塊提供時(shí)鐘。在外部供電不足的情況下，該模塊由電池供電并繼續(xù)時(shí)間的更新。圖3.3振蕩電路設(shè)計(jì)3.1.5下載接口的設(shè)計(jì)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)通過(guò)需要下載接口下載程序和調(diào)試命令圖3.4下載接口3.2溫度傳感信號(hào)的放大電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)溫度傳感器選用鎳鉻－鎳硅熱電偶，其測(cè)溫范圍適中，線性度較好，價(jià)格便宜，有較強(qiáng)的抗氧化性和抗腐蝕性，輸出熱電勢(shì)較大，便于測(cè)量放大器選配。熱電偶是由兩種不同金屬焊接在一起組成的，當(dāng)熱端與冷端存在溫差時(shí)，兩金屬的自由端間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其大小決定于組成熱電偶的材料和冷熱兩端的溫差。所以要用熱電偶首先要使冷端溫度固定不變，也即進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。同時(shí)，熱電偶是由貴重金屬制作的，而一般熱端和冷端有相當(dāng)?shù)木嚯x，為了降低成本，實(shí)際使用時(shí)熱電偶自身很短，而選用與熱電偶性能相近，價(jià)格低廉的導(dǎo)線來(lái)延伸中間距離。測(cè)量放大電路實(shí)際電路中，從熱電偶輸出的熱電勢(shì)信號(hào)最多不過(guò)幾十毫伏(一般為0～56mV)，信號(hào)需經(jīng)運(yùn)放放大100倍左右；且其中包含工頻、靜電和磁耦合等共模干擾，對(duì)這種電路放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此宜采用測(cè)量放大電路。測(cè)量放大器的輸入阻抗高，易與各種信號(hào)源匹配，并且輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流及輸入偏置電流小，溫漂也較小，因而其穩(wěn)定性好。電路如圖3.5所示。圖3.5熱電偶信號(hào)放大電路由兩個(gè)運(yùn)放組成測(cè)量放大器，熱電偶差動(dòng)輸入端分別接到A1和A2的同相端。輸入阻抗很高，采用對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測(cè)信號(hào)直接加到輸入端，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。在此電路中，只要運(yùn)放A1和A2性能對(duì)稱(主要指輸入阻抗和電壓增益)，其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗和共模抑制比，對(duì)微小的差模電壓很敏感，適宜于測(cè)量遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用。RW2是用來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，在此用多圈電位器，參數(shù)應(yīng)滿足AV大于100。V1-V2=2R6(V+-V-)/(300+RW2)3-1Av=2*R6/(300+RW2)3-2本文電路中A1、A2采用低漂移高精度運(yùn)放OP-07芯片，其輸入失調(diào)電壓溫漂和輸入失調(diào)電流溫漂都很小，廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密加法、比校檢波和微弱信號(hào)的精密放大等。OP-07要求雙電源供電，使用溫度范圍0～70℃，一般不需調(diào)零，如果需要調(diào)零可用RW1進(jìn)行調(diào)整。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。特點(diǎn)：超低偏移：150μV最大。低輸入偏置電流：1.8nA。低失調(diào)電壓漂移：0.5μV/℃。超穩(wěn)定，時(shí)間：2μV/month最大高電源電壓范圍：±3V至±22V3.3輸出控制電路固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路組成，在輸入電路控制端加入信號(hào)后，IC1光電耦合器內(nèi)光敏三極管呈導(dǎo)通狀態(tài)，R1串接電阻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限流，以保證光耦合器不致?lián)p壞。LED發(fā)光二極管指示輸入端控制信號(hào)，VD1可防止當(dāng)輸入信號(hào)正負(fù)極性接反時(shí)以保護(hù)光耦I(lǐng)C1。圖3.6交流固態(tài)繼電器原理圖V1在線路中起到交流電壓檢測(cè)作用，使固態(tài)繼電器在電壓過(guò)零時(shí)開(kāi)啟、負(fù)載電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷。當(dāng)IC1光敏三極管截止時(shí)(控制端無(wú)信號(hào)輸入時(shí))，V1通過(guò)R2獲得基極電流使之飽和導(dǎo)通,從而使SCR可控硅門極觸發(fā)電壓UGT被箝在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)，最終導(dǎo)致BTA雙向可控硅在門極控制端R6上無(wú)觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)IC1光敏三極管導(dǎo)通時(shí)(控制端有信號(hào)輸入時(shí))，SCR可控硅的工作狀態(tài)由交流電壓零點(diǎn)檢測(cè)三極管V1來(lái)確定其工作狀態(tài)。如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓大于過(guò)零電壓時(shí)(VA＞VBE1)，V1處飽和導(dǎo)通狀態(tài)，SCR、BTA可控硅都處于關(guān)斷狀態(tài)；如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓小于過(guò)零電壓時(shí)（VA＞VBE1）V1處截止?fàn)顟B(tài)，SCR可控硅通過(guò)R4獲得觸發(fā)信號(hào)而導(dǎo)通,從而使BTA在R6上也獲得觸發(fā)信號(hào)也呈導(dǎo)通狀態(tài),對(duì)負(fù)載電源進(jìn)行關(guān)斷控制。如此時(shí)控制端信號(hào)關(guān)斷后,負(fù)載電流也隨之減小至BTA雙向可控硅的維持電流IH時(shí)可自行關(guān)斷,切斷負(fù)載電源。交流過(guò)零型固態(tài)繼電器，因有其電壓過(guò)零時(shí)開(kāi)啟，負(fù)載電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷的特性。它的最大接通、關(guān)斷時(shí)間是半個(gè)電源周期，在負(fù)載上可得到一個(gè)完整的正弦波形。也相應(yīng)的減少了對(duì)負(fù)載的沖擊。而在相應(yīng)的控制回路中產(chǎn)生的射頻干擾也大大減少。圖3.7輸出控制電路其它控制輸入輸出口如圖3.8所示。圖3.8其它輸入輸出口3.4串口通信電路單片機(jī)的串口通信接口電平為0-3V左右，而計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口的電平為-15V-+15V。所以需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能使二者正常通信，使用專用的串行通信接口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232設(shè)計(jì)電路，MAX3232由二個(gè)線性驅(qū)動(dòng)，二個(gè)接收器，帶±15kVESD保護(hù)的雙速電荷泵電路組成。該器件可以滿足TIA/EIA-232要求，提供異步通信控制器和串口連接器之間的接口。電荷泵和四個(gè)小型外部電容可以在3V到5.5V電壓下工作。數(shù)據(jù)信號(hào)速度可達(dá)120kbps。圖3.8串口通信電路行列式鍵盤電路鍵盤主要由數(shù)字鍵0～９、確認(rèn)、設(shè)置鍵、返回鍵、沖壓鍵、+（或左移）鍵、-（或右移）鍵等組成。按鍵識(shí)別時(shí)需進(jìn)行行掃描和列掃描才能得到鍵值。行掃描時(shí)將PC0～PC3置0，PC4～PC7設(shè)為上拉輸入。列掃描時(shí)則相反。圖3.9行列式鍵盤電路4軟件設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)主程序框圖圖4.1主程序流程圖本系統(tǒng)程序相對(duì)較為復(fù)雜，所以采用模塊化設(shè)計(jì)程序。各模塊可能又由很多子模塊組成，每個(gè)模塊都設(shè)計(jì)成一個(gè)函數(shù)，并設(shè)計(jì)一個(gè)有意義的函數(shù)名，通過(guò)函數(shù)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)整個(gè)程序的功能。這樣，只要閱讀函數(shù)名即可知道函數(shù)的功能，閱讀各個(gè)函數(shù)即可知道程序設(shè)計(jì)思路。不僅方便他人閱讀，也方便程序的移植和調(diào)試。本系統(tǒng)主程序包括系統(tǒng)配置程序化SysConfigInit，液晶初始化LcdInit、應(yīng)用程序初始化AppInit、鍵掃描KeyScan、鍵處理KeyDispose、顯示更新LcdUpdate等幾個(gè)模塊程序組成。所以主程序只有幾條語(yǔ)句。部分主程序源碼如下：…//文件包含等內(nèi)容Intmain(void){ SysConfigInit(); LcdInit(); AppInit();while(1){KeyDispose(KeyScan());LcdUpdate(); }}4.1.2鍵掃描程序圖4.2鍵掃流程圖本系統(tǒng)使用的是4*4的行列式鍵盤，占用8根口線得到16個(gè)鍵。這里注意的是行掃描和列掃描時(shí)口線工作方式的變化。4.1.3鍵處理程序圖4.3鍵功能處理流程圖應(yīng)用程序初始化包括歡迎界面顯示2秒、進(jìn)入默認(rèn)的工作界面、配置默認(rèn)的參數(shù)等此時(shí)按下確認(rèn)鍵即可開(kāi)始生產(chǎn)，或者按下設(shè)置鍵可進(jìn)入設(shè)置界面進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。設(shè)置時(shí)可按一次設(shè)置鍵將光標(biāo)移到下一個(gè)要設(shè)置參數(shù)處，按下數(shù)字鍵設(shè)置數(shù)值。所有設(shè)置項(xiàng)設(shè)置完畢后按下確認(rèn)鍵將修改相關(guān)參數(shù)并進(jìn)入工作界面；若按下返回鍵則不修改參數(shù)并進(jìn)入工作界面。在按下沖壓鍵開(kāi)始沖壓后，如有緊急情況需停止，可按下返回鍵結(jié)束本次工作回復(fù)為上次正常完成后的狀態(tài)。4.2沖壓生產(chǎn)程序設(shè)計(jì)圖4.4沖壓主流程圖4.5加熱流程圖4.3溫度測(cè)量程序設(shè)計(jì)圖4.6溫度測(cè)量主流程圖圖4.7熱電偶溫度測(cè)量流程圖考慮到生產(chǎn)車間里主要干擾來(lái)自50Hz的強(qiáng)電的正弦波干擾較大，單次采樣會(huì)引入不小干擾誤差。而采取50*4=200Hz采樣取平均值時(shí)可有效消除這種干擾。熱電偶測(cè)量溫度的電壓是非線性的，根據(jù)熱電偶溫度電壓轉(zhuǎn)換特性，在進(jìn)行冷端補(bǔ)償時(shí)要先將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)于熱電偶溫度-電壓特性表中的電壓值。鍵測(cè)量的熱電偶電壓值減去該值，在通過(guò)熱電偶溫度-電壓特性表求得熱電偶測(cè)量的溫度值。測(cè)量溫度采用中斷方式可方便描畫溫度曲線等技術(shù)。模糊PID控制加熱程序

脈沖熱壓機(jī)工作是一次次進(jìn)行的，一次從冷卻溫度加熱到指定的穩(wěn)定度，這個(gè)過(guò)程的溫度變化較大，而且需要迅速達(dá)到，并且能恒定一段時(shí)間。由于受環(huán)境和機(jī)器性能的差異影響，加熱時(shí)很難建立精確地模型，一套固定PID參數(shù)在這種情況下無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。所以本系統(tǒng)采用模糊自適應(yīng)整定PID控制算法進(jìn)行控制。應(yīng)用模糊控制的最大的優(yōu)勢(shì)是不依賴被控對(duì)象的精確模型，并且能克服非線性兇素的影響，達(dá)到很好的控制效果。4.4.1自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的模糊推理思想是：根據(jù)不同時(shí)刻的誤差值e和誤差變化率值△e，對(duì)PI控制器的參數(shù)KP、KI和KD進(jìn)行在線整定。其原理結(jié)構(gòu)由兩個(gè)部分組成即常規(guī)PID控制器部分和模糊控制的參數(shù)校正部分。原理框圖如圖4.8所示。圖4.8自整定模糊PID控制器原理框圖由原理框圖可知，給定量是k時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的溫度值，即設(shè)定的該段溫度值，c(k)是k時(shí)刻實(shí)際測(cè)量溫度值，e(k)是k時(shí)刻輸入誤差信號(hào)，其PID控制器離散表現(xiàn)形式：4-1針對(duì)電阻爐溫度控制，將采樣得到的溫度信號(hào)與系統(tǒng)的溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，得到溫度誤差e、溫度誤差變化ec，根據(jù)電阻爐溫度變化實(shí)際情況參考上一章的模糊自整定PID控制器設(shè)計(jì)方法，將它們變化到模糊論域。溫度誤差e、溫度誤差變化ec和KP、KI、KD的修正系數(shù)的模糊子集為e=ec＝{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}ΔKP=ΔKI=ΔKD={負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}并將溫度誤差e、溫度誤差變化ec的大小量化為13個(gè)等級(jí)，分別表示為-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，則論域E和EC為E=EC={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}將ΔKP、ΔKI、ΔKD的大小量化為11個(gè)等級(jí)，ΔKP的論域?yàn)閧-1.5，-1.25，-1.0，-0.75，-0.5，0.25，0，0.25，0.5，0.75，1.0，1.25，1.5}。ΔKI、ΔKD的論域?yàn)椋?0.3，0.25，0.2，0.15，0.10，0.05，0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.3｝。上述變量的隸屬函數(shù)曲線圖如圖4.9如示，隸屬度函數(shù)按三角分布，三角函數(shù)解析式如4-2公式。圖4.9隸屬函數(shù)曲線4-2模糊變量E、EC的賦值表如下表所示。表4.1模糊變量E、EC的賦值表圖4.10模糊變量ΔKP的賦值圖4.11模糊變量ΔKI、ΔKD的賦值PID參數(shù)的整定需要考慮在不同時(shí)刻3個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的關(guān)系。對(duì)于脈沖熱壓加熱溫度的控制，由PID控制器3個(gè)參數(shù)的控制特點(diǎn)，被控過(guò)程對(duì)參數(shù)的自整定要求建立模糊控制規(guī)則表。模糊控制規(guī)則表的建立(1)Kp控制規(guī)則設(shè)計(jì)在PID控制器中，Kp值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度。增大Kp能提高響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是，Kp值過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小Kp可以減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性，但Kp過(guò)小會(huì)減慢響應(yīng)速度，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間。因此，調(diào)節(jié)初期應(yīng)適當(dāng)取較大的Kp值以提高響應(yīng)速度，而在調(diào)節(jié)中期，Kp則取較小值，以使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)并保證一定的響應(yīng)速度；而在調(diào)節(jié)過(guò)程后期再將Kp值調(diào)到較大值來(lái)減小靜差，提高控制精度。Kp的控制規(guī)則如表4.2所列。表4.2Kp的控制規(guī)則（2）Ki控制規(guī)則設(shè)計(jì)在系統(tǒng)控制中，積分控制主要是用來(lái)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由于某些原因(如飽和非線性等)，積分過(guò)程有可能在調(diào)節(jié)過(guò)程的初期產(chǎn)生積分飽和，從而引起調(diào)節(jié)過(guò)程的較大超調(diào)。因此，在調(diào)節(jié)過(guò)程的初期，為防止積分飽和，其積分作用應(yīng)當(dāng)弱一些，甚至可以取零；而在調(diào)節(jié)中期，為了避免影響穩(wěn)定性，其積分作用應(yīng)該比較適中；最后在過(guò)程的后期，則應(yīng)增強(qiáng)積分作用，以減小調(diào)節(jié)靜差。依據(jù)以上分析，制定的Ki控制規(guī)則表如表4.3所列。表4.3Ki的模糊規(guī)則表(3)Kd控制規(guī)則設(shè)計(jì)微分環(huán)節(jié)的調(diào)整主要是針對(duì)大慣性過(guò)程引入的，微分環(huán)節(jié)系數(shù)的作用在于改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。系統(tǒng)的微分環(huán)節(jié)系數(shù)能反映信號(hào)變化的趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，消除振蕩．最終改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，Kd值的選取對(duì)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)特性影響很大。Kd值過(guò)大，調(diào)節(jié)過(guò)程制動(dòng)就會(huì)超前，致使調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；Kd值過(guò)小，調(diào)節(jié)過(guò)程制動(dòng)就會(huì)落后，從而導(dǎo)致超調(diào)增加。根據(jù)實(shí)際過(guò)程經(jīng)驗(yàn)，在調(diào)節(jié)初期，應(yīng)加大微分作用，這樣可得到較小甚至避免超調(diào)；而在中期，由于調(diào)節(jié)特性對(duì)Kd值的變化比較敏感，因此，Kd值應(yīng)適當(dāng)小一些并應(yīng)保持固定不變；然后在調(diào)節(jié)后期，Kd值應(yīng)減小，以減小被控過(guò)程的制動(dòng)作用，進(jìn)而補(bǔ)償在調(diào)節(jié)過(guò)程初期由于Kd值較大所造成的調(diào)節(jié)過(guò)程的時(shí)間延長(zhǎng)。依據(jù)以上分析，制定的Kd控制規(guī)則表如表4.4所列。表4.4Kd的模糊規(guī)則表4.4.3逆模糊化處理及輸出量的計(jì)算對(duì)經(jīng)過(guò)模糊控制規(guī)則表求得的Kp、Ki、Kd采用重心法進(jìn)行逆模糊化處理(重心法在此就不做詳細(xì)介紹)的公式如下：4-3式中，u(k)為k采樣周期時(shí)的輸出，e(k)為k采樣周期時(shí)的偏差，T為采樣周期，通過(guò)輸出u(k)乘以相應(yīng)的比例因子Ku就可得出精確的輸出量u。其公式如下：4-44.4.4模糊PID流程框圖圖4.12模糊PID控制加熱流程圖抗干擾措施在實(shí)際的生產(chǎn)中，由于系統(tǒng)運(yùn)行的外界環(huán)境條件和系統(tǒng)內(nèi)部自身產(chǎn)生的故障，如環(huán)境溫度的異常、電磁干擾、機(jī)械的沖擊和振動(dòng)、元器件的失效、短路等等，微機(jī)控制系統(tǒng)能否在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，關(guān)鍵在于抗干擾能力強(qiáng)弱。本系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)的可靠性采用了一系列的抗干擾措施：(1)接地技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)恰當(dāng)?shù)慕拥厥且种聘蓴_的有效措施之一，接地既可以抑制干擾，使計(jì)算機(jī)穩(wěn)定可靠，又可以保護(hù)計(jì)算機(jī)機(jī)器設(shè)備和操作人員的安全。(2)屏蔽技術(shù)屏蔽一般分為三種：靜電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽?？沟皖l電磁波干擾的最有效方法是選用高導(dǎo)磁材料的屏蔽體；屏蔽電場(chǎng)或輻射場(chǎng)時(shí)，選銅、鋁、鋼等電導(dǎo)率高的材料作屏蔽體；選用磁鋼、坡莫合金鐵等導(dǎo)磁率高的材料屏蔽低頻磁場(chǎng)；選用電導(dǎo)率高的銅、鋁屏蔽高頻磁場(chǎng)。(3)隔離技術(shù)隔離分為兩類：空間隔離和器件性隔離。空間隔離大多指屏蔽技術(shù)的延伸和功能部件之間的合理布局。器件性隔離中的光電耦合器是智能儀表中常用的器件，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。光電隔離可以切斷公共阻抗環(huán)路，避免長(zhǎng)線感應(yīng)和共模干擾，較長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線可采用屏蔽與光電耦合配合使用的方法。(4)濾波技術(shù)以往大多是采用硬件進(jìn)行濾波，但隨著計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展以及在測(cè)量?jī)x表中的應(yīng)用，同時(shí)為了簡(jiǎn)化硬件，逐漸采用了軟件算法的數(shù)字濾波方法。數(shù)字濾波可以抑制有效信號(hào)中的干擾成分，消除隨機(jī)誤差，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的平滑處理，以保證測(cè)得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，由此，近年來(lái)數(shù)字濾波受到相當(dāng)?shù)闹匾?，得到了廣泛的應(yīng)用。除了采用上述一般抗干擾措施，本系統(tǒng)還采用了如下一些措施：使用固態(tài)繼電器，其內(nèi)部可控硅采用過(guò)零觸發(fā)導(dǎo)通非移相方式，輸出了完整正弦波，這本身就減少了干擾。系統(tǒng)有硬件故障自診斷程序，并有上電自檢、定時(shí)自檢、鍵控自檢3種工作方式。它能自動(dòng)診斷指令系統(tǒng)、片內(nèi)RAM、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、片外RAM/EPROM及I/O通道等故障。系統(tǒng)還能檢查溫度超限及升溫速度不符要求等故障。出現(xiàn)故障后，自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警及自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換。結(jié)論本系統(tǒng)主要提出了一種基于模糊的自適應(yīng)PID控制原理的脈沖熱壓機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路，給出了數(shù)據(jù)處理的方法、軟件流程。本課題主要完成了以下幾方面的工作：(1)為了達(dá)到滿意的控制效果，研究具有在線學(xué)習(xí)功能的控制算法。(2)根據(jù)脈沖熱壓的控制特點(diǎn)，提出模糊自整定PID控制原理，并以此為理論基礎(chǔ)結(jié)合應(yīng)用設(shè)計(jì)了靈活性較高的智能控制器。以此智能控制器為主體的脈沖熱壓溫度控制系統(tǒng)的控制精度可達(dá)5％，并在出現(xiàn)故障時(shí)可以保存數(shù)據(jù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(3)設(shè)計(jì)了熱電偶溫度檢測(cè)電路，兩路熱電偶檢測(cè)信號(hào)融合后由控制算法得到固態(tài)繼電器工作方式的可控硅過(guò)零觸發(fā)調(diào)功控溫方式的觸發(fā)電壓?？煽毓枋褂霉怆姼綦x過(guò)零觸發(fā)雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)器，消除了多方面的環(huán)境條件影響。(4)單片機(jī)與上位機(jī)的串行通信，增強(qiáng)了檢測(cè)系統(tǒng)的智能性與交互性。(5)研究熱處理件的透燒檢測(cè)判據(jù)，控制制件的奧氏體化及組織均勻化的程度和狀態(tài)。本課題將模糊、自適應(yīng)、PID控制三者結(jié)合起來(lái)，根據(jù)脈沖的實(shí)時(shí)特性在線調(diào)整整定PID參數(shù)，提高了系統(tǒng)的控制精度。實(shí)驗(yàn)表明，基于模糊自整定PID控制的脈沖爐溫度控制系統(tǒng)具有真正的智能化和多態(tài)性，系統(tǒng)具有自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、處理及溫度曲線顯示等功能，測(cè)量精度高，為高質(zhì)量熱處理件的生產(chǎn)提供了指導(dǎo)，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)角度還是從技術(shù)角度都具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。在今后的研究中，本文作者建議主要工作有：進(jìn)一步加強(qiáng)線路的穩(wěn)定性以保證測(cè)得溫度的準(zhǔn)確性；加強(qiáng)算法程序的穩(wěn)定性；單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與串行通信全過(guò)程的編程實(shí)現(xiàn)；完善測(cè)試系統(tǒng)的軟面板，引入數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，完善控制性能。致謝本次設(shè)計(jì)非常感謝雷軍老師的指導(dǎo)。使得我在編程和硬件設(shè)計(jì)上都有所提高。非常感謝學(xué)校能提供實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，給我硬件調(diào)試帶來(lái)極大地方便。感謝王實(shí)銘等同學(xué)的幫助。感謝其他網(wǎng)友的支持和幫助。參考文獻(xiàn)[1]謝自美.電子線路綜合設(shè)計(jì)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,2007.[2]何立明.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)（系統(tǒng)配置與接口技術(shù)）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2003.[3]李廣弟,朱月秀,王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2001.7.[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）（第五版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,2007.[5]王毅.單片機(jī)器件應(yīng)用手冊(cè)[M].人民郵電出版社,1995.[6]李朝青.單片機(jī)抗干擾技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)（簡(jiǎn)明修訂版）.杭州：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.[7]李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ)[Ｍ］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.[8]馬忠梅.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序（第四版）.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.[9]李寧.基于MDK的STM32處理器開(kāi)發(fā)應(yīng)用[Ｍ］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.附錄1、部分源程序清單/*****************************************************************************************函數(shù)名稱:TargetInit**功能描述:應(yīng)用程序初始化**參數(shù):None**返回值:None****************************************************************************************/voidTargetInit(void) { /*PLL=8M*9=72M,SysTick值=9(倍頻值)*1000*/ SysTick_Init(9000); /*初始化OSTick(1MS)*/}/*****************************************************************************************函數(shù)名稱:RCC_Configuration**功能描述:stm32f10x時(shí)鐘系統(tǒng)配置**參數(shù):None**返回值:None****************************************************************************************/staticvoidRCC_Configuration(void) { ErrorStatusHSEStartUpStatus; //定義外部晶振啟動(dòng)狀態(tài)枚舉變量 RCC_DeInit(); //復(fù)位RCC外部設(shè)備寄存器到默認(rèn)值 RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON); //打開(kāi)外部晶振 HSEStartUpStatus=RCC_WaitForHSEStartUp(); //等待外部時(shí)鐘準(zhǔn)備完成 if(HSEStartUpStatus==SUCCESS) //外部高速時(shí)鐘就緒 { RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1); //配置AHB(HCLK)時(shí)鐘等于==SYSCLK RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div2); //配置APB2(PCLK1)鐘==AHB1/2時(shí)鐘 RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2); //配置APB1(PCLK1)鐘==AHB1/2時(shí)鐘 FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2); //FLASH延時(shí)2個(gè)周期 FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable); //使能FLASH預(yù)取緩沖區(qū) RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1,RCC_PLLMul_2); //配置PLL時(shí)鐘==8M*9=72MHz RCC_PLLCmd(ENABLE); //使能PLL時(shí)鐘 while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY)==RESET); //等待PLL時(shí)鐘就緒 RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK); //配置系統(tǒng)時(shí)鐘=PLL時(shí)鐘 while(RCC_GetSYSCLKSource()!=0x08); //等待PLL時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘 } /*打開(kāi)GPIOC和AFIO時(shí)鐘*/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);}/*****************************************************************************************函數(shù)名稱:NVIC_Configuration**功能描述:stm32f10x配置基本向量中斷**參數(shù):None**返回值:None****************************************************************************************/staticvoidNVIC_Configuration(void){ NVIC_DeInit(); NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH,0x000); /*重映射向量表*/ NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); /*主從優(yōu)先級(jí)配置(4*4)*/}/*****************************************************************************************函數(shù)名稱:GPIOX_Configuration**功能描述:特殊的GPIO管腳配置**參數(shù):None**返回值:None****************************************************************************************/staticvoidGPIOX_Configuration(void){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);/***配置320240端口***/ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0| GPIO_Pin_1| GPIO_Pin_2| GPIO_Pin_3| GPIO_Pin_4| GPIO_Pin_5| GPIO_Pin_6| GPIO_Pin_7| GPIO_Pin_8| GPIO_Pin_9| GPIO_Pin_10| GPIO_Pin_11| GPIO_Pin_12| GPIO_Pin_13; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_OD; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure); }staticvoidUSART_Configuration(void){ USART_InitTypeDefUSART_InitStructure; USART_InitStructure.USART_BaudRate=9600; USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b; USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1; USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No; USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None; USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx; USART_InitStructure.USART_Clock=USART_Clock_Disable; USART_InitStructure.USART_CPOL=USART_CPOL_Low; USART_InitStructure.USART_CPHA=USART_CPHA_2Edge; USART_InitStructure.USART_LastBit=USART_LastBit_Disable; USART_Init(USART1,&USART_InitStructure); USART_Cmd(USART1,ENABLE);}/*****************************************************************************************函數(shù)名稱:TargetResetInit**功能描述:目標(biāo)板基本初始化**參數(shù):None**返回值:None****************************************************************************************/voidTargetResetInit(void){ /*系統(tǒng)時(shí)鐘配置*/ RCC_Configuration(); /*向量中斷默認(rèn)配置*/ NVIC_DeInit(); /*向量中斷配置*/ NVIC_Configuration(); /*GPIO端口配置*/ GPIOX_Configuration(); USART_Configuration();}/******************寄存器地址*******************************CS \________________________________/RS \_____________________________________RD WR \_____/DAT |DAT|*********************************************************/voidwrite_command(u8addr1,u8addr2){ RS=0; CS=0; RD=1; DAT_H=addr1; DAT_L=addr2; WR=0; WR=1; CS=0; RS=1;}/*****************寫數(shù)據(jù)**********************************CS \__________________________________/RS RD WR \_____/DAT |DAT|*********************************************************/voidwrite_data(u8data_1,u8data_2){ RS=1; CS=0; RD=1; DAT_H=data_1; DAT_L=data_2; WR=0; WR=1; CS=1;}/*****************初始化寄存器*******************/voidINIT_tft(void){略}/******************************************************名稱 ：設(shè)置坐標(biāo)*參數(shù) ：橫坐標(biāo) X* 豎坐標(biāo) Y*返回 ：無(wú)*說(shuō)明 ：*時(shí)間 ：*********************************************************/voidset_addr(u8X,u16Y){ u8h; h=Y>>8; write_command(0x00,0x21); //行坐標(biāo) write_data(h,Y); write_command(0x00,0x20);//列坐標(biāo) write_data(0,X);}/*********************************************************名稱 :XSZF*功能 :在指定的位置顯示單個(gè)字符*參數(shù) :X:x坐標(biāo)*Y:y坐標(biāo)* C :字符數(shù)據(jù)地址* ZT :字符的字體*YS:字符的顏色* BJ:字符背景顏色**返回值 :無(wú)*說(shuō)明 ：*時(shí)間 ：***********************************************************************/voidXSZF(u8X,u16Y,u8*C,u8SX,u16YS,u16BJ){u8datai,j,l,m,n,nbj,h_s,zt;u8str;u8*sta; nbj=SX&0x80; h_s=SX&0x40; zt=SX&0x0f;sta=AsciiLib+(*C-32)*24;for(i=0;i<24;i++) //字的高度{ n=0; if(h_s)