外文文獻翻譯
學(xué) 院
專業(yè)班級
學(xué)生姓名
指導(dǎo)教師
單片機溫度控制
摘要
本文所描述的是作者領(lǐng)導(dǎo)由四個三一大學(xué)高年級學(xué)生組成的團隊進行的一個跨學(xué)科工程項目的設(shè)計。該項目的目標(biāo)是設(shè)計一個氣室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的要求是：當(dāng)實際氣室的溫度階躍響應(yīng)時，規(guī)定范圍內(nèi)的溫度進入氣室后，穩(wěn)定時的溫度誤差和超調(diào)量必須少于一個絕對溫度。本組學(xué)生開發(fā)設(shè)計是基于摩托羅拉MC68HC05系列單片機。該問題的教學(xué)價值也通過某些步驟的關(guān)鍵描述在本文中說明。研究結(jié)果表明，解決該方案需要具有廣泛的工程學(xué)科知識，包括相關(guān)電子、機械和控制系統(tǒng)工程的知識。
1 引言
該設(shè)計項目來自一個實際應(yīng)用問題，一個關(guān)于顯微鏡載玻片干燥劑溫控器——歐米茄CN-390溫度控制器，而這個設(shè)計的目標(biāo)是研發(fā)一個自定義的通用溫度控制系統(tǒng)取代歐米茄系統(tǒng)、一個以更低的成本實現(xiàn)相同功能的自定義控制器，就像歐米茄系統(tǒng)一樣，并不需要能夠全方位的處理各種問題。
該載玻片干燥機的機械布局如圖1所示。干燥機的主體是一個足夠大的絕緣充氣室，里面依次存放著薄紙包著的石蠟。為了使石蠟保持適當(dāng)穩(wěn)定性，載玻片氣室的溫度必須維持穩(wěn)定。第二個氣筒（電子圍繞元件）設(shè)有一個電阻加熱器、一個溫度控制器以及一個安裝在干燥機上的風(fēng)扇，是為了把風(fēng)吹過加熱器，把熱量帶到載玻片氣室。
圖1-1 載玻片干燥機的機械布局
自1996-97學(xué)年來，本文作者帶領(lǐng)四位三一大學(xué)工程科學(xué)系的高年級學(xué)生開展此項目的研究。本文的目的說明了提出一些問題并詳細(xì)闡述學(xué)生的一些解決方案，而且討論了這種類型的跨學(xué)科設(shè)計項目在教學(xué)方面應(yīng)用的問題。這份學(xué)生報告曾經(jīng)在1997年全國本科畢業(yè)生研討會上提出過并討論過。第2節(jié)給出該設(shè)計的更多詳細(xì)情況，包括性能規(guī)格。第3節(jié)具體 學(xué)生的設(shè)計。第4節(jié)是論文的主體，討論該設(shè)計在教學(xué)應(yīng)用方面的實施問題。最后，第5節(jié)全文總結(jié)。
2 問題闡述
該項目基本的思想是設(shè)計一個自定義溫度控制系統(tǒng)來取代相關(guān)的歐米茄CN-390溫度控制器。溫度時通常保持在一個穩(wěn)定的常數(shù)，但重要的是階躍變化可以被“合理”的跟蹤。因此主要要求如下：
·可以對空氣室的溫度進行設(shè)定，
·同時顯示設(shè)定值和實際溫度，
·以及在設(shè)定溫度值情況下，可接受范圍內(nèi)的跟蹤階躍變化，穩(wěn)態(tài)誤差，超調(diào)量值。
設(shè)定溫度接口
設(shè)定溫度顯示
室內(nèi)溫度顯示
范圍
精度
準(zhǔn)確度
60-99
1°C
±1°C
室內(nèi)溫度階梯響應(yīng)
范圍（穩(wěn)定狀態(tài)）
精度（穩(wěn)定狀態(tài)）
最大超調(diào)
設(shè)定時間（到±1°）
60-99
±1°C
1°C
120s
表1 精確的規(guī)格說明
盡管表1部分說明并不明確，但是它清楚的反映了人們對數(shù)字顯示器在設(shè)定值和實際溫度的要求和溫度應(yīng)該通過數(shù)值輸入來設(shè)定（而不是，通過電位器設(shè)置）。
3.系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)微控設(shè)計，數(shù)字溫度顯示和單點輸入的要求可能是最合適的。圖2為學(xué)生的設(shè)計框圖。
圖2-2 溫度控制器硬件結(jié)構(gòu)圖
摩托羅拉MC68HC705B16（簡稱6805），是系統(tǒng)的核心。它通過一個簡單的4鍵小鍵盤對溫度進行設(shè)定，同時使用兩個顯示驅(qū)動控制7段LED數(shù)碼管來顯示定值和氣室溫度的測量值。所有這些，輸入和輸出信號與6805的并行口相連。氣室的溫度值使用預(yù)校準(zhǔn)熱敏電阻的測量，并通過6805的數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入。最后，6085的脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出用來驅(qū)動一個繼電器，以控制線性電阻加熱器的閉合和斷開。
圖3更詳細(xì)的顯示了6805的接口和電子器件。使用暴風(fēng)3K041103型號四鍵鍵盤，通過PA0-PA3端口進行數(shù)據(jù)輸入。其中一個重要的功能是進行模式切換。兩種模式：固定模式和運行模式。在固定模式下，其他兩個鍵用于設(shè)定溫度，一個增加，一個減少，第四個按鍵暫無作用。LED顯示屏由哈里斯半導(dǎo)體ICM7212進行驅(qū)動，通過PB0-PB6端口與芯片相連，作為輸出。熱敏電阻由電壓分頻器驅(qū)動，通過AN0針腳（八個模擬輸入端口中的一個）相連。最后，PLMA針腳（兩個PWM輸出端口中的一個）驅(qū)動加熱繼電器。
圖2-3 單片機原理圖
圖3單片機原理圖是關(guān)于用軟件實現(xiàn)溫度控制算法、保持溫度顯示以及改變鍵盤輸入響應(yīng)，這將不會在本文詳細(xì)討論，因為這并不是本文的重點，也沒有編譯完成。軟件部分還沒有確定控制算法，但很可能是一個簡單的比例控制，比PID算法簡單。一些控制設(shè)計的問題將在第四節(jié)討論。
4 設(shè)計過程
雖然該項目的本質(zhì)是建立一個恒溫器，但它有許多很好的契機可以供教學(xué)借鑒。高級工程本科教育的知識只是能夠讓學(xué)生們具有解決問題的能力。然而，很多情況下，實際情況卻和理論有些不同。不過，這些不是問題，參與這個項目的設(shè)計，將獲得很多設(shè)計方面的寶貴經(jīng)驗。本節(jié)的其余部分著眼于其他的幾個方面：4.1節(jié)討論系統(tǒng)的一些特征，簡化系統(tǒng)熱性能的數(shù)學(xué)模型，以及一些簡單理論的證明。4.2節(jié)介紹確定實際控制算法。4.3節(jié)指出控制設(shè)計程序的一些不足，并通過模擬環(huán)境，指出怎樣克服問題。4.4節(jié)給出單片機的一些設(shè)計相關(guān)概述，以及出現(xiàn)問題和值得借鑒之處。
4.1數(shù)學(xué)模型
集總元件的熱系統(tǒng)符合線性控制，適用于載玻片干燥機的問題。圖4顯示了二階集總元件熱量模型的載玻片干燥機。狀態(tài)變量是溫度，Ta是箱內(nèi)空氣的溫度，Tb是箱子本身的溫度。該系統(tǒng)輸入功率等于q(t)的熱量和環(huán)境溫度T的和。ma，mb分別對應(yīng)空氣和箱子的質(zhì)量。
Ca和Cb則分別是其對應(yīng)熱量。m1和m2分別是空氣與箱子間以及箱子與外界間的傳熱系數(shù)。
圖4-1 集總元件熱模型
由圖4可以推出（線性）狀態(tài)方程
拉普拉斯變換(1)和(2)等式，并整理Ta(s)。有趣的是，可以推出一個開環(huán)的熱系統(tǒng)方程。
其中K是一個常數(shù)，D(s)是一個二階的多項式。K,tz,以及系數(shù)D(s)和在(1)和(2)等式中出現(xiàn)的系數(shù)功能相近。當(dāng)然，在(1)和(2)等式中各種參數(shù)在未知的情況下，不難證明D(s)與其他參數(shù)的值無關(guān)，具有兩個零點。因此傳遞函數(shù)可以寫成（我們假設(shè)環(huán)境溫度為常數(shù)）
此外,可以推出1/tp1<1/tz<1/tp2,即，零點在兩極之間。開環(huán)零極點如圖5所示。
圖4-2 Gaq(s)的零極點
為了獲取完整的熱模型，從(3)式中除去常數(shù)K和3個未知的時間常數(shù)。四個未知參數(shù)并不少，但由簡單的實驗表明，1/tp1<<1/tz，1/tp2統(tǒng)基本上是一階函數(shù)，且tz,tp2近似為0。因此，開環(huán)系可以寫成：
(下標(biāo)p1已經(jīng)被去掉了)
過初始溫度和熱量值大范圍內(nèi)的設(shè)置，簡單的開環(huán)階躍響應(yīng)實驗結(jié)果表明，K≈0.14o/W，τ≈295S。
4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計
使用(4)式的一階開環(huán)傳遞函數(shù)Gaq(s)，并且假定加熱器的輸出函數(shù)q(t)為線性，圖6是系統(tǒng)框圖代表閉環(huán)系統(tǒng)。Td(s)是設(shè)定溫度的函數(shù)，C(s)是傳遞函數(shù)，Q(s)是熱量輸出，單位是瓦特。
圖6簡化的閉環(huán)系統(tǒng)框圖鑒于這種簡單情況，前面所指的線性控制設(shè)置，例如，根軌跡法設(shè)計法可以使C(s)中符合要求的階躍響應(yīng)對應(yīng)的上升時間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量符合表格1所示。當(dāng)然，一個有足夠增益的比例控制器就可以滿足各種要求。超調(diào)量改變是不可能既增加增益又減少穩(wěn)態(tài)誤差和上升時間的。不幸的是，如果要獲得足夠增益，需要生產(chǎn)超過實際生產(chǎn)能力的大容量加熱器。這是本系統(tǒng)的實際問題，將會致使上升時間不符合要求。這要求學(xué)生們?nèi)绾卫眠@個經(jīng)過仔細(xì)計算的簡化模型，在整體性能上達到最佳控制。
4.3 模型仿真
該設(shè)計的大部分性能和限制功能，應(yīng)該可以使用圖6簡化模型來完成。但有一個數(shù)據(jù)對閉環(huán)系統(tǒng)其他方面的影響并非能夠如此簡單的仿真。其中最主要的是：
·量化誤差的模擬和數(shù)模轉(zhuǎn)換，
·測量溫度和使用PWM控制加熱器。
這兩種都是非線性的、時變的。所以唯一切實可行的方法就是通過仿真（或?qū)嶒灒┘右匝芯俊?
圖7Simulink仿真閉環(huán)系統(tǒng)框圖顯示了Simulink情況下的閉環(huán)系統(tǒng)框圖，其中包括A/D轉(zhuǎn)換和使用標(biāo)準(zhǔn)Simulink量化飽和塊建立的飽和量化模型。建立PWM調(diào)制模型比較復(fù)雜，需要一個自定義的S函數(shù)來表示。
圖4-3 仿真閉環(huán)系統(tǒng)框圖
這種仿真模型已經(jīng)被證明在衡量不同的PWM基本參數(shù)對設(shè)計的影響以及適當(dāng)參數(shù)的選擇中特別有用。（即時間越長，PWM調(diào)制會產(chǎn)生更多溫度誤差。另一方面，時間越長，繼電器抖動機率越小。）PWM調(diào)制方法往往很難讓學(xué)生掌握，并且仿真模型允許研究測試運行和明顯的影響。
4.4單片機
簡單的閉環(huán)控制、鍵盤輸入和顯示控制是經(jīng)典單片機應(yīng)用技術(shù)，這個設(shè)計項目包含上述三個方面。因此這是一個優(yōu)秀的全面的單片機應(yīng)用練習(xí)。
此外，由于該項目是來源于現(xiàn)實，它不會是一個簡單的輸入輸出設(shè)計就能完成的。相反，這個項目需要制定一個完整的嵌入式應(yīng)用。這需要從大量的單片機型號中選取適當(dāng)?shù)男酒W(xué)著使用一個相當(dāng)復(fù)雜的開發(fā)環(huán)境。最后，必須設(shè)計和選取印刷電路板和單片機，以及外接元件。
單片機選擇
從現(xiàn)有的實際經(jīng)驗來看，經(jīng)常選用摩托羅拉公司的單片機。不過，芯片的選擇不應(yīng)該局限于此。研究表明，系統(tǒng)要求符合工作需求的單片機。這對學(xué)生很困難，因為他們?nèi)狈α己玫慕?jīng)驗與判斷能力，只能通過制造商的產(chǎn)品選擇指南決定單片機的選擇。部分問題是各種外圍設(shè)備（例如，應(yīng)該使用哪種顯示驅(qū)動程序？）連接方法的選擇。摩托羅拉的相關(guān)應(yīng)用研究[2,3,4]中的證明是非常有用的，基本闡述了可實用性的連接方法以及單片機和外圍連接的組合方式。在最終要求的基礎(chǔ)上，選擇MC68HC705B16，其現(xiàn)有A/D輸入和PWM輸出以及24個數(shù)字I/O線。這樣選擇是有必要的，因為此項目需要一個A/D通道、一個PWM通道和11個I/O引腳（見圖3）。該決定為了安全方面，因為選擇一個完整的開發(fā)系統(tǒng)是有必要的，該項目預(yù)算中沒有足夠的資金再次購買元件。
單片機應(yīng)用開發(fā)
外圍設(shè)備的電路硬件、軟件的開發(fā)、最終調(diào)試、單片機的自定的印刷電路板和外設(shè)都需要某種形式的發(fā)展環(huán)境。
如同單片機本身，一個開發(fā)環(huán)境的選擇是令人困惑并需要一些教師的專業(yè)知識。摩托羅拉三級發(fā)展環(huán)境，包括從簡單的評估板（在約100美元）到全面的實時在線仿真器（在大約7500元）。中間選項被選為本項目的MMEVS，其中包括：
·平臺板（支持所有6805-family部分），
· 模擬器模塊（具體到B系列部分），和
· 電纜頭和目標(biāo)適配器（簡明包裝）。
總體而言，該系統(tǒng)的成本為900美元，并且在一定局限下，提供了在線仿真能力。它還配備了簡單但足夠的軟件開發(fā)環(huán)境RAPID[5]。
學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)使用這類系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。但他們在現(xiàn)實世界的微控制器應(yīng)用獲得的經(jīng)驗大大超過了第一使用典型的簡單評估板的經(jīng)驗。
印刷電路板
一個簡單的（雖然布局絕對不平凡）印刷電路板是這個工程提供的另一個現(xiàn)實學(xué)習(xí)的機會。圖8顯示最后的板布局與包輪廓（50%實際大?。Ｏ鄬唵蔚碾娐肥故止ぐ仓煤吐酚蓪嵺`方面更實際，它有可能提供更好的結(jié)果比一個這樣的應(yīng)用程的自動性。學(xué)生因此接觸到基本印刷電路布局問題和基本的設(shè)計規(guī)則。本排版軟件使用的是非常漂亮的包裝印刷電路板，板制作是在內(nèi)部電子技術(shù)員的幫助下完成的。
圖4-4 單片機印刷版布局
5 結(jié)論
本文的目的是描述一個跨學(xué)科的本科工程設(shè)計項目：一個基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，包括設(shè)定點輸入數(shù)字與設(shè)定值/實際溫度顯示。本文已描述了這樣系統(tǒng)的一個設(shè)計，并且討論了許多來自工程的問題。這些問題的解決通常需要入門課程要求的知識，尤其是在老師的建議和監(jiān)督下，實際上可以促進大學(xué)生發(fā)展。
從教學(xué)方法觀點看，問題的理想特征包括微控制器和外圍設(shè)備的簡單使用，有效地運用導(dǎo)論水平的物理系統(tǒng)建模和設(shè)計閉環(huán)控制。并需要相對簡單的實驗和模擬（詳細(xì)的性能
預(yù)測）。并可取的是一些技術(shù)相關(guān)方面的問題，包括熱敏電阻和溫度傳感器（分別需要知識脈寬調(diào)制和校準(zhǔn)技術(shù)）的實際使用、單片機選擇和開發(fā)系統(tǒng)的使用以及并印制電路設(shè)計。
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