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1、 PWM;SPWM第1章 绪论1.1 课题背景在化工、塑料、橡胶、纺织、食品加工等行业中都有大量用热设备，有的是化学反应的需要，有的是加工工艺的要求，这些生产环节都需要提供稳定的高温热源。目前在我国工业生产和科研上的用热，大多以采用蒸汽加热方式为主。蒸汽作为传热介质具有潜热大、热交换迅速等优点，但是水蒸气在其产生、传送、热交换过程中存在着严重的能源浪费现象。部分水蒸气与冷凝水一起带着大量的热能在排放过程中被散失。另外，冷凝水回收率低，未回收的冷凝水的热损失就约占蒸汽总量的17% 。 目前国内外的电热油炉普遍采用PID控制算法，但电热油炉是一个非线性、时变和分布参数系统，用准确的数学模型解析式子

2、表示其特性显然十分困难，因而试图用定量数学方法对本系统实施控制有它的局限性。工程实践证明，采用PID控制算法的电热油炉普遍存在升温曲线不理想、温度调节困难、温度控制精度低等缺点，因此，人们尝试采用更先进的控制方法，例如，采用定量和定性相结合的方法。 智能控制是近年发展起来的一类控制方法，它尝试利用人们的定性经验、具有一定逻辑推理能力和记忆学习的能力，在工程实际中已取得很多有价值的成果。模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）是一种新颖的智能控制方法。它以人工经验为基础，无需知道被控对象的精确数学模型，因此构造容易。它具有良好的鲁棒性和适应性，对非线性对象可执行有效的控制。模糊控制

3、特性与传统PID控制特性的比较： 在实际工业过程控制中，许多被控过程机理较复杂，具有高阶非线性、慢时变、纯滞后等特点。在噪声、负载扰动和其它一些环境条件变化的影响下，过程参数甚至模型结构均会发生变化。采用常规PID控制器，以一组固定不变的 PID参数去适应参数变化、干扰等众多的变化因素，显然难以获得满意的控制效果。当参数变化超过一定范围时，系统性能就会明显变差，致使PID控制难以发挥作用而无法适用。模糊控制就是针对这些情况应运而生的。自从1965年L. A. Zadeh提出模糊集合论以来，模糊数学得到了迅猛发展，出现了一种把逻辑规则的语言表达转化为相关控制量的思想，从而为经典模糊控制的形成奠定

4、了理论基础，模糊逻辑控制成为非线性系统建模和控制的一种有效的方法，在实际工程中得到了许多成功的应用。1.2 电热油炉简介1.2.1 电热油炉加热系统中的导热油电热油炉是以电加热元件作为热源，将其直接埋入流动的有机载体之中进行加热升温来提供热量的。随着有机载体加热技术的应用和推广，八十年代初国内一些单位相继研制成功新一代有机载体传热介质，称导热油。导热油的广泛应用取代了旧式有机载体传热介质“道生油”，从而彻底解决了“道生油”所存在的在应用中气味难闻、有毒害、渗透性强、易燃易爆，应用设备制造难度大、维修费用高等缺点。 AOHC- II系列电热油炉采用导热油作为热载体。 1.2.2 电热油炉工作原理

5、电热油炉的供热原理:以电热升温，采用导热油作传热介质。导热油以强制液相循环方式在闭路系统中以低压、高温状态运行，将热能不断输送给用热设备，即加热，循环一再加热再循环。其工艺流程图如图1-1所示。从图中可以看出，电热油炉基本上由四大部分组成:炉本体、循环系统、膨胀槽及控制系统。下面分别加以介绍:1. 炉本体: （1） 因AOHC-II系列电热油炉是采用电能作为主热源对导热油进行加热升温来提供热量的，因此，加热器在设计中其能量转换效率的高低是最重要的指标之一。所以产品设计在参考了大量的国内外资料及实物基础上，炉本体结构采取了“列管式”换热方式。即让电加热元件直接埋入流动的导热油之中，完成换热过程损

6、失非常小，加上先进的保温措施，使AOHC-II系列电热邮路征集效率可达95%以上。（2） 导热油炉内换热表面的油膜温度是决定导热油使用寿命的关键问题，油膜温度超高将迅速破坏导热油品质，使其大量结炭，增加热阻，造成导热油报废，影响系统正常运行，甚至导致全系统报废。而载体在油炉内换热表面上的流动速度及电加热元件的单位表面热负荷又是决定膜温的关键参数。 2. 循环系统 AOHC- II系列油加热器多采用注入式循环方式，即“用热设备油泵加热炉体用热设备”的循环顺序。此种循环方式，油泵在工作中始终处在系统中温度最低点，大大的改善了油泵的工作状态，提高了油泵的使用寿命。热油泵是电热油炉循环系统的关键部件，

7、八十年代初，多数都是从国外引进。近年来我国也出现了专门用于有机载体加热技术中的热油泵。如:河北省武安水泵厂生产的RY型热油泵和大连屏蔽电泵都与国外同类产品性能相同。AOHC- II系列电热油炉多采用以上两种油泵。 循环系统中还设有特制过滤装置，可防止管路中固体颗粒或杂质在循环中进入油泵或堵塞管路。3. 膨胀槽:膨胀槽是有机载体加热循环系统的特殊装置，它通过膨胀油管与系统相联结，一般安装在循环管路最高点以上1.5-2米处。AOHC-II系列电热油炉的膨胀槽上同时装有排气管、泄油管、液位计及液位控制器等。它具有以下几个功能:（1）因膨胀槽设有对空开口且设置在循环系统最高位置上，所以系统内导热油被加

8、热后体积增大所产生的内压可顺利通过膨胀槽释放，起到保持系统压力稳定的作用，这是膨胀槽的基本功能。（2）在系统热油、排气、脱水及排除轻馏份阶段（俗称注油），空气水分等可由膨胀槽排出系统，起到排气槽的作用。4. 控制系统: AOHC- II系列电热油炉由于是以电能作为主加热源的，而电能具有控制方法简单易行的特点，所以为获得工业、生产和科研用热所需的工艺温度，只要对加热电源施以控制，这是该设备的突出优点。控制系统的硬件部分主要有以下部分:1.2.3 电热油炉主电路及控制方法电热油炉的用电设备主要是注油泵、循环泵、加热炉。加热炉内的加热管采用Y形接法，电热油炉主电路如图1-2所示。本系统三相交流调压电

9、路采用如图1-3所示的Y接法，该电路正常工作时对触发脉冲的要求是：该电路三相中各有一个晶闸管导通时，它就如同对称的三相交流电路。如果只有两相各有一个晶闸管导通，此时所形成的电流是电源的线电压在起作用。如果控制角=0则电路的全工作过程都类似于对称的三相电路情况，此各相的电压和电流对称。每个晶闸管元件每个周期各导通180度，负载上的相电压和相电流均是正弦波。当0后，情况有所不同，此时电路运行出现某段时间只有两相各一个晶闸管导通，另一段时间三相中各有一个元件导通的情况，在只有两相各有一个晶闸管导通的情况下，则每相流过的电流由两相应导通晶闸管所在相之间的电压来决定。如图1-3所示。第2章 系统的硬件设

10、计根据电热油炉的技术要求，选用AT89C52单片机作为控制核心，组成智能控制系统，原理框图如图2-1所示。系统主要可分为采样电路、单片机及其扩展电路、控制电路三部分。2.1 采样电路本系统温度的检测，选用镍铬一镍硅热电偶。这是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。其热电极通常作得较粗，直径一般.2-2.5mm。其正极为90%镍、（9-10）%铬、0.4%的硅合金，负极为90%镍、（2.5-3）%硅、0.6%铬的合金。因热电极中含有大量的镍，故高温下抗氧化和腐蚀能力很强。它广泛用于。0-1300的温度测量。热电偶由两根不同的导线组成，它们的一端焊接在一起，叫做热端（通常称为测量端），放入到被测介质中

11、:不联结的两个自由端叫做冷端（通常称为参比端），与测量引出的导线相连。当热端与冷端有温差时，测量装置便能测出介质的温度。热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化的由式上式可知，热电势是两个接点温度的函数，为此，必须固定其中冷接点的温度，才能确立热电势与测温端的对应关系。目前热电偶统一规定 的条件下，给出热端温度（测量温度）与热电势的数值对照表（称为分度表）。因此，当使用热电偶测温时，若将冷端温度保持在0度，则根据测出的热电势，可通过查对应的分度表，得到所测的温度。在实际使用中。要求冷端保持在0是不方便的，而希望在室温下测定，这需要加冷端补偿。 这里采用电桥补偿法。它是利用不平衡电桥产生的

12、电势来补偿热电偶因冷端温度不在0时引起的热电势变化值。在热电偶与测量装置之间串联一个直流不平衡电桥，电桥中的R1, R2, R3，由电阻温度系很小的锰铜丝制作，另一桥臂的RT由温度系数较大的铜线绕制。电桥的4个电阻均和热电偶的冷端处在同一环境温度，但由于RT的阻值随环境温度变化而变化，使电桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度的变化而变化，从而达到自动补偿的目的。由于热电偶输出的热电势一般都是毫伏级，故本系统选用高精度、低温漂的运算放大器组成放大电路，把测量信号放大成0-5V的直流信号，送入A/D转换器,当A/D转换结束时，输出一个EOC信号（脉冲），经倒相后，向单片机INT1请求中断，请

13、求80C51读取A/D转换器的结果。同时，EOC信号输入到MC 14433的DU端，使其保持数据不变。采样得到的数字量经处理后作为神经网络控制算法的输入量，计算后得出一控制电压值，预先编制移相控制电压和控制角间的关系表，表中实际存放的是个时间量，作为定时器T1的定时时间，此时间是与触发器的控制角相对应的。2.2 放大电路与系统的整体电路测量电路由电桥采样电路和精密稳压电路组成。电路中供桥电源的精度会直接影响信号采集的精度，所以我们采用AD580构成精密稳压电路作为供桥电源，以提高精度。桥臂电阻是经过严格筛选的，温度系数很小的，阻值相同的精密金属膜电阻。精密放大电路如图2-3所示。电路中包括一级

14、放大、二级放大、调零电路等。其中一级放大采用仪表放大器AD620，该放大器具有较高的精度和较高的共模抑制比，只需调节RG即可将增益调节在1-1000之间。同时在AD620的输入端加入滤波电容和限幅电路，用来进一步抑制突发的干扰信号。二级放大采用LM358运算放大器，通过调节RF来确定该级放大器的增益，以满足较宽的温度设置范围。调零电路由精密电压源MC 1403及LM358组成的2.3放大电路构成由于标准油槽要求使用温度范围宽（0-200度）,控制精度高（0.01度） ,A/D电路必须达到很高的分辨率才能满足要求。我们选用AD公司的AD976 AN，该芯片具有16位转换精度，200K的采样速率，

15、并行输出接口。A/D转换的量化误差为:2000C/65536=0.0030C，基本可以满足控制精度的要求。输入电压信号经A/D变换后送到单片机。AD976是一种采样高速、单电源5V工作的AID转换器。输入信号范围为-10Vl0V，内含时钟、2.5 V参考电源和误差校准电路。使用时，用户可选择外部参考电源亦可选择内部参考电源。AD976引脚如下：2.4 单片机（89C52） 控制系统以ATMEL 89C52单片机为核心，其组成引脚如图2-5所示。AT89C52属于MCS-51单片机的改进型，是一种高性能的微控制器。由于内置8K FLASH ROM，大大简化了单片机系统的结构。1. AT89C52

16、的主要性能特点：（1） 兼容MCS-51产产品（2） 8KB可改变程序Flash存储器（3） 可经受1,000次的写入/擦除周期（4） 全静态工作:0H-24MH另外，AT是用静态逻辑来设计的，并提高两种可用软件来选择的省电方式空闲方式（Idle Mode）和掉电方式（Power Down Mode） ，在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM,定时器/计数器，串行口和中断系统都进行工作。在掉电方式中，片内震荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保持片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。2. 外接晶体引脚XTAL 1和XTAL2 （1） XTAL 1接外部晶体的一个引脚。在

17、单片机内部，它是构成片内震荡器的反向放大器 的输入端。当采用外部震荡器事，该引脚接受震荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 （2） XTA12接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述震荡器的反相放大器的 输出端。采用外部震荡器时，此引脚应悬浮不连接。3. 控制或与其他引脚 （1） RST复位输入端。当震荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。（2） ALEIPROG当访问外部存储器时，ALEIPROG（地址封锁存允许）的输出用于所存址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALEIP1tOG端仍以不变的频率（此频率为震荡器频率的1/6周期性的出现正脉冲信

18、号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是;每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE/PROG脉冲。在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的DO位至数，可禁止ALE/PRG操作。该位置数后，只要在执行一条MOVX或MOVC指令期间ALE顾6石才会被激活。另外，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALEIPROG位无效。4. 输入/输出（PO.O-P0.7, PLO-P1.7, P2.0-P2.7H和P3.0-P3.7）（1） PO端口（P0.0-P0.7） P。是一个8位双向v0端口。作为输出口用时，每

19、位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可以做高阻抗输入端用。在访问外部程序存储器和外部数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线。在Flash编程时，PO端口接收指令字节;而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。（2） P1端口（P1.O-P1.7） P1是一个双向的八位1/0端口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输出。在对Flash编程和程序验证时，PI接收低8位地址。2.5 D/A转换电路（DAC0832）D/A电路精度的选择应满足，在达到稳态时，D/A电路输出的一个增加量或一个减小量而引起温度的升高或降低应小于0.0

20、10C，这样才能将稳态保持下去。在电路调试过程中，我们采用了NS公司的DAC0832，即8位D/A电路便能满足要求。. DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片。它具有与微机连接简单、转换控制方便、价格低廉等特点，在微机系统中得到广泛的应用。1. 结构和引脚。 DAC0832的结构引脚图如图2-6所示，它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DAC 转换器及转换控制电路构成。封装为20脚双列直插式。引脚功能如下：DI0-DI7：8位数据输入端。 ILE：输入寄存器允许信号，输入，高电平有效。WR1：输入寄存器写信号，输入，低电平有效。由ILE, CS, WR:的逻辑组合产生输入寄存器控

21、制信号LE1当LE1为低电平时，输入寄存器内容随数据线变化，LE1的正跳变将输入数据锁存。2. 主要性能指标。 分辨率为8位。 输出电流稳定时间为11u S。非线性误差为0.20%F SR 。温度系数。3. 工作方式。DAC0832内部有两个寄存器，能实现三种工作方式：双缓冲、单缓冲和直通方式。 双缓冲工作方式是指两个寄存器分别受到控制。当1LE ,CS ,WR1信号均有效时，8位数字量被写入输入寄存器，此时并不进行D/A转换.当WR2,XFER信号均有效时，原来存在输入寄存器中的数据被写入DAC寄存器，并进入D/A转换器后进行D/A转换。在一次转换完成后到下一次转换开始之前，由于寄存器的锁存

22、作用，8位D/A转换器的输入数据保持恒定，因此D/A转换的输出也保持恒定。在双缓冲工作方式下，利用输入寄存器暂存数据，给使用带来方便，可以实现多路数字量的同步转换输出。 单缓冲工作方式是指只有一个寄存器受到控制。这时将另一个寄存器的有关控制信号预先设置成有效，使之开通;或者将两个寄存器的控制信号连在一起，两个寄存器作为一个来使用。本设计就采用了这种单缓冲工作方式。4. DAC芯片与微机的连接。线的连接。主机位数等于或大于DAC芯片位数的连接。对于DAC来说，当待转换的数字量加到其数据输入端时，在模拟输出端随之建立相应的电流或电压。随着输入数据的变化，输出电流或电压也随之变化。待转换的数字量通常

23、来自微处理机数据总线。由于微处理机要进行各种信息的加工处理，它输出的任何数据都只在输出指令OUT执行的极短时间内出现在数据总线上，所以主机与DAC之间必须接入数据锁存器。锁存器把主机输给DAC的数据锁存起来，在模拟输出端建立相应的电流或电压，直到输入新的数据。锁存器的控制信号，则来自微处理机的输出控制信号和地址译码器产生的端口地址信号。2.6 键盘/显示器接口电路本系统键盘/显示器接口采用8279芯片。8279用硬件完成键盘与显示器扫描。键盘由09数字键、控制曲线键、控制参数设置键、定时打印时间设置键、打印键、自检键、自动/手动键、选用健、启动键、复位键等24个键组成。如图2-7所示。用户可通

24、过键盘，直接送入控制曲线和参数，也可由“选用健”把固化在EPROM中常用参数或上次输入保存的参数调出使用，以节省输入时间和简化操作。显示器由8位LED数码管组成，用来显示温度值。DB7DB8为双向外部数据总线，用于传送8279与CPU之间的数据、控制指令和状态信息。2.7 控制电路系统的控制电路图如图2-8所示。电热器件由双向晶闸管KS1-KS3控制，其触发电路如图所示，该触发电路不需要另外的触发电源，使用双向晶闸管的工作电源作为触发电源。MOC3021是双向晶闸管输出型的光电祸合器，输出端的额定电压是 7500V输入端控制电流小于15rnAe MOC3021的作用是隔离单片机和触发外部的双向

25、晶闸管。单片机AT89C52的P1.0端输出低电平时，7407输出低电压，MOC3021的输入端有电流输入。输出端的双向晶闸管导通，触发外部的双向晶闸管KS导通。当P1.0端输出高电平时，MOC3021输出端的双向晶闸管关断，外部双向晶闸管KS也关断。电阻R，的作用是限制流过MOC3021输出端的电流不要超过晶闸管控制过程中，需要由电源电压过零时开始计算控制角，因此本系统采用一个过零检测电路如图2-9所示。它由变压器B，二极管Dl,D2和晶体管T组成。当电源电压为零时，晶体管T截止，INT0而端输入为高电平，不产生中断。当电源电压过零后，晶体管T导通，集电极为低电平，产生而而中断，使单片机AT89C52得知电源电压过零的时刻。INT0而中断工作在跳变沿方式，即只在INT0而的输入电平由高变低时产生中断。2.8 本章小结本章主要对控制系统中的单片机进行了硬件设计，其中包括键盘与显示电路，A/D及D/A转换器的设计，并介绍了单片机89C52的一些主要性性