外文文獻(xiàn)翻譯
學(xué) 院
專業(yè)班級(jí)
學(xué)生姓名
指導(dǎo)教師
單片機(jī)溫度控制
摘要
本文所描述的是作者領(lǐng)導(dǎo)由四個(gè)三一大學(xué)高年級(jí)學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一個(gè)跨學(xué)科工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)氣室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的要求是：當(dāng)實(shí)際氣室的溫度階躍響應(yīng)時(shí)，規(guī)定范圍內(nèi)的溫度進(jìn)入氣室后，穩(wěn)定時(shí)的溫度誤差和超調(diào)量必須少于一個(gè)絕對(duì)溫度。本組學(xué)生開發(fā)設(shè)計(jì)是基于摩托羅拉MC68HC05系列單片機(jī)。該問題的教學(xué)價(jià)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(shí)，包括相關(guān)電子、機(jī)械和控制系統(tǒng)工程的知識(shí)。
1 引言
該設(shè)計(jì)項(xiàng)目來自一個(gè)實(shí)際應(yīng)用問題，一個(gè)關(guān)于顯微鏡載玻片干燥劑溫控器——?dú)W米茄CN-390溫度控制器，而這個(gè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是研發(fā)一個(gè)自定義的通用溫度控制系統(tǒng)取代歐米茄系統(tǒng)、一個(gè)以更低的成本實(shí)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(jī)的機(jī)械布局如圖1所示。干燥機(jī)的主體是一個(gè)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(gè)氣筒（電子圍繞元件）設(shè)有一個(gè)電阻加熱器、一個(gè)溫度控制器以及一個(gè)安裝在干燥機(jī)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(jī)的機(jī)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(jí)學(xué)生開展此項(xiàng)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(jì)項(xiàng)目在教學(xué)方面應(yīng)用的問題。這份學(xué)生報(bào)告曾經(jīng)在1997年全國本科畢業(yè)生研討會(huì)上提出過并討論過。第2節(jié)給出該設(shè)計(jì)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(jì)。第4節(jié)是論文的主體，討論該設(shè)計(jì)在教學(xué)應(yīng)用方面的實(shí)施問題。最后，第5節(jié)全文總結(jié)。
2 問題闡述
該項(xiàng)目基本的思想是設(shè)計(jì)一個(gè)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(shí)通常保持在一個(gè)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(duì)空氣室的溫度進(jìn)行設(shè)定，
·同時(shí)顯示設(shè)定值和實(shí)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(shí)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(duì)數(shù)字顯示器在設(shè)定值和實(shí)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(jì)
根據(jù)微控設(shè)計(jì)，數(shù)字溫度顯示和單點(diǎn)輸入的要求可能是最合適的。圖2為學(xué)生的設(shè)計(jì)框圖。
圖2-2 溫度控制器硬件結(jié)構(gòu)圖
摩托羅拉MC68HC705B16（簡(jiǎn)稱6805），是系統(tǒng)的核心。它通過一個(gè)簡(jiǎn)單的4鍵小鍵盤對(duì)溫度進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)使用兩個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)控制7段LED數(shù)碼管來顯示定值和氣室溫度的測(cè)量值。所有這些，輸入和輸出信號(hào)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(cè)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(dòng)一個(gè)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(hào)四鍵鍵盤，通過PA0-PA3端口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。其中一個(gè)重要的功能是進(jìn)行模式切換。兩種模式：固定模式和運(yùn)行模式。在固定模式下，其他兩個(gè)鍵用于設(shè)定溫度，一個(gè)增加，一個(gè)減少，第四個(gè)按鍵暫無作用。LED顯示屏由哈里斯半導(dǎo)體ICM7212進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(dòng)，通過AN0針腳（八個(gè)模擬輸入端口中的一個(gè)）相連。最后，PLMA針腳（兩個(gè)PWM輸出端口中的一個(gè)）驅(qū)動(dòng)加熱繼電器。
圖2-3 單片機(jī)原理圖
圖3單片機(jī)原理圖是關(guān)于用軟件實(shí)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(huì)在本文詳細(xì)討論，因?yàn)檫@并不是本文的重點(diǎn)，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(gè)簡(jiǎn)單的比例控制，比PID算法簡(jiǎn)單。一些控制設(shè)計(jì)的問題將在第四節(jié)討論。
4 設(shè)計(jì)過程
雖然該項(xiàng)目的本質(zhì)是建立一個(gè)恒溫器，但它有許多很好的契機(jī)可以供教學(xué)借鑒。高級(jí)工程本科教育的知識(shí)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(shí)際情況卻和理論有些不同。不過，這些不是問題，參與這個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，將獲得很多設(shè)計(jì)方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)。本節(jié)的其余部分著眼于其他的幾個(gè)方面：4.1節(jié)討論系統(tǒng)的一些特征，簡(jiǎn)化系統(tǒng)熱性能的數(shù)學(xué)模型，以及一些簡(jiǎn)單理論的證明。4.2節(jié)介紹確定實(shí)際控制算法。4.3節(jié)指出控制設(shè)計(jì)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(jī)的一些設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)。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(duì)應(yīng)空氣和箱子的質(zhì)量。
Ca和Cb則分別是其對(duì)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(gè)開環(huán)的熱系統(tǒng)方程。
其中K是一個(gè)常數(shù)，D(s)是一個(gè)二階的多項(xiàng)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(gè)零點(diǎn)。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(diǎn)在兩極之間。開環(huán)零極點(diǎn)如圖5所示。
圖4-2 Gaq(s)的零極點(diǎn)
為了獲取完整的熱模型，從(3)式中除去常數(shù)K和3個(gè)未知的時(shí)間常數(shù)。四個(gè)未知參數(shù)并不少，但由簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單的開環(huán)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，K≈0.14o/W，τ≈295S。
4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(jiǎn)化的閉環(huán)系統(tǒng)框圖鑒于這種簡(jiǎn)單情況，前面所指的線性控制設(shè)置，例如，根軌跡法設(shè)計(jì)法可以使C(s)中符合要求的階躍響應(yīng)對(duì)應(yīng)的上升時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量符合表格1所示。當(dāng)然，一個(gè)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(shí)間的。不幸的是，如果要獲得足夠增益，需要生產(chǎn)超過實(shí)際生產(chǎn)能力的大容量加熱器。這是本系統(tǒng)的實(shí)際問題，將會(huì)致使上升時(shí)間不符合要求。這要求學(xué)生們?nèi)绾卫眠@個(gè)經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算的簡(jiǎn)化模型，在整體性能上達(dá)到最佳控制。
4.3 模型仿真
該設(shè)計(jì)的大部分性能和限制功能，應(yīng)該可以使用圖6簡(jiǎn)化模型來完成。但有一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)其他方面的影響并非能夠如此簡(jiǎn)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(cè)量溫度和使用PWM控制加熱器。
這兩種都是非線性的、時(shí)變的。所以唯一切實(shí)可行的方法就是通過仿真（或?qū)嶒?yàn)）加以研究。
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(gè)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(duì)設(shè)計(jì)的影響以及適當(dāng)參數(shù)的選擇中特別有用。（即時(shí)間越長，PWM調(diào)制會(huì)產(chǎn)生更多溫度誤差。另一方面，時(shí)間越長，繼電器抖動(dòng)機(jī)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(cè)試運(yùn)行和明顯的影響。
4.4單片機(jī)
簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制、鍵盤輸入和顯示控制是經(jīng)典單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，這個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目包含上述三個(gè)方面。因此這是一個(gè)優(yōu)秀的全面的單片機(jī)應(yīng)用練習(xí)。
此外，由于該項(xiàng)目是來源于現(xiàn)實(shí)，它不會(huì)是一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入輸出設(shè)計(jì)就能完成的。相反，這個(gè)項(xiàng)目需要制定一個(gè)完整的嵌入式應(yīng)用。這需要從大量的單片機(jī)型號(hào)中選取適當(dāng)?shù)男酒W(xué)著使用一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的開發(fā)環(huán)境。最后，必須設(shè)計(jì)和選取印刷電路板和單片機(jī)，以及外接元件。
單片機(jī)選擇
從現(xiàn)有的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看，經(jīng)常選用摩托羅拉公司的單片機(jī)。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(jī)。這對(duì)學(xué)生很困難，因?yàn)樗麄內(nèi)狈α己玫慕?jīng)驗(yàn)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(jī)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(dòng)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(shí)用性的連接方法以及單片機(jī)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(gè)數(shù)字I/O線。這樣選擇是有必要的，因?yàn)榇隧?xiàng)目需要一個(gè)A/D通道、一個(gè)PWM通道和11個(gè)I/O引腳（見圖3）。該決定為了安全方面，因?yàn)檫x擇一個(gè)完整的開發(fā)系統(tǒng)是有必要的，該項(xiàng)目預(yù)算中沒有足夠的資金再次購買元件。
單片機(jī)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(jī)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(jī)本身，一個(gè)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(shí)。摩托羅拉三級(jí)發(fā)展環(huán)境，包括從簡(jiǎn)單的評(píng)估板（在約100美元）到全面的實(shí)時(shí)在線仿真器（在大約7500元）。中間選項(xiàng)被選為本項(xiàng)目的MMEVS，其中包括：
·平臺(tái)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(jiǎn)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(jiǎn)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?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界的微控制器應(yīng)用獲得的經(jīng)驗(yàn)大大超過了第一使用典型的簡(jiǎn)單評(píng)估板的經(jīng)驗(yàn)。
印刷電路板
一個(gè)簡(jiǎn)單的（雖然布局絕對(duì)不平凡）印刷電路板是這個(gè)工程提供的另一個(gè)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。圖8顯示最后的板布局與包輪廓（50%實(shí)際大小）。相對(duì)簡(jiǎn)單的電路使手工安置和路由實(shí)踐方面更實(shí)際，它有可能提供更好的結(jié)果比一個(gè)這樣的應(yīng)用程的自動(dòng)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(jì)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(jī)印刷版布局
5 結(jié)論
本文的目的是描述一個(gè)跨學(xué)科的本科工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目：一個(gè)基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，包括設(shè)定點(diǎn)輸入數(shù)字與設(shè)定值/實(shí)際溫度顯示。本文已描述了這樣系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)計(jì)，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(shí)，尤其是在老師的建議和監(jiān)督下，實(shí)際上可以促進(jìn)大學(xué)生發(fā)展。
從教學(xué)方法觀點(diǎn)看，問題的理想特征包括微控制器和外圍設(shè)備的簡(jiǎn)單使用，有效地運(yùn)用導(dǎo)論水平的物理系統(tǒng)建模和設(shè)計(jì)閉環(huán)控制。并需要相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)和模擬（詳細(xì)的性能
預(yù)測(cè)）。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(shí)脈寬調(diào)制和校準(zhǔn)技術(shù)）的實(shí)際使用、單片機(jī)選擇和開發(fā)系統(tǒng)的使用以及并印制電路設(shè)計(jì)。
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