1 引言

真空冷凍干燥技術(shù)在低壓、真空的條件下使物料水分升華，是干燥技術(shù)領(lǐng)域中科技含量高、涉及知識(shí)面廣的一種技術(shù)，由于其干燥產(chǎn)品具有復(fù)水性能佳、色澤保持好、營養(yǎng)成分損失少、產(chǎn)品重量輕、便于攜帶運(yùn)輸、易于長期保存等優(yōu)點(diǎn)，在品質(zhì)上遠(yuǎn)優(yōu)于其它干燥制品，使其成為干燥技術(shù)研究和發(fā)展的前沿。

真空冷凍干燥技術(shù)對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合有不同的試驗(yàn)及溫度要求。本系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)象為某種生物材料，采用液態(tài)氮作為冷卻液，要求溫度的控制設(shè)定值為-60℃，溫度的最小分辨率為0.5℃，偏差要求≤2℃。要求能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前與設(shè)定的溫度值，并且可通過鍵盤調(diào)整設(shè)定溫度值。

2 系統(tǒng)硬件體系設(shè)計(jì)及關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)分析

硬件系統(tǒng)采用atmel公司的at89c52單片機(jī)為控制核心，其內(nèi)部含有8kb的e2prom和256b的ram，能滿足一般需求，而無需擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，系統(tǒng)時(shí)鐘采用12mhz?？刂破鞯闹饕布Y(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制器的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 溫度傳感器電路

考慮要求的控制精度較高，溫度傳感器選用pt100型鉑熱電阻溫度傳感器。pt100測(cè)溫精度高、穩(wěn)定性好，非常適合-200～+650℃溫度范圍的精確測(cè)量，由于傳感器電阻rt和溫度t之間的關(guān)系是非線性的，為消除非線性對(duì)測(cè)溫精度的影響，設(shè)計(jì)非線性的校正電路，且考慮采用四線制接法來消除引線電阻的影響。如圖2所示，圖中互導(dǎo)放大器的互導(dǎo)為g，可以使輸出帶電壓得到一個(gè)1/(1-grt)的比例系數(shù)，適當(dāng)?shù)倪x取g值就可以將非線性誤差降到一個(gè)很小的范圍內(nèi)。g值可以通過校正試驗(yàn)來確定，本設(shè)計(jì)中通過試測(cè)取g=0.38ma/v，測(cè)量誤差可達(dá)到小于0.1℃的精度。

圖2 pt100溫度變送器模型電路

圖2中，4根導(dǎo)線的電阻為ra，rb，rc，rd。則rb可以看作是a1差模輸入阻抗的一部分，而rc可看作是a1輸出阻抗的一部分。閉環(huán)后，rb和rc的影響均可消除。采用電壓緩沖器，使從d點(diǎn)向左方看進(jìn)去的輸入阻抗ri為極大，又采用電流源電路使從c點(diǎn)向左方向看進(jìn)去的輸出阻抗rd為極大，這樣就消除了引線電阻對(duì)測(cè)溫的影響。

2.2 a/d轉(zhuǎn)換

由于真空干燥試驗(yàn)儀是液氮傳導(dǎo)輻射冷卻，是典型的大滯后的溫度系統(tǒng)，同時(shí)試驗(yàn)要求有很高的精度控制要求，所以選用雙積分型的a/d轉(zhuǎn)換器，雙積分型由于兩次積分的時(shí)間比較長，所以a/d轉(zhuǎn)換速度慢，但精度很高，而且對(duì)周期變化的干擾信號(hào)積分為零，抗干擾性能很好。十分適合本系統(tǒng)所面對(duì)的控制狀況。

選用位雙積分a/d轉(zhuǎn)換器mc14433（精度相當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù)），具有精度高，抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)，速度約為1～10次/s，mc14433 a/d轉(zhuǎn)換器的被轉(zhuǎn)換電壓量程為199.9mv。轉(zhuǎn)換完后以bcd碼的形式分4次送出。mc14433電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 mc14433電路結(jié)構(gòu)圖

mc14433的a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出的bcd碼，q3～q0為千、百、十、個(gè)位bcd碼，而ds1～ds4引腳輸出分別為千、百、十、個(gè)位的選通信號(hào)。

圖4中mc14433為+2.5v精密集成電壓基準(zhǔn)源，經(jīng)電位器分壓后作為a/d轉(zhuǎn)換用基準(zhǔn)電壓。du端與eoc端相連，即選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，每次轉(zhuǎn)換結(jié)果都送至輸出寄存器。eoc是a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束的輸出標(biāo)志信號(hào)。at89c52讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果采用中斷方式。

圖4 mc14433與at89c52連接的硬件接口

2.3 鍵盤/顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顯示功能和輸入功能是單片機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)接口，是其最基本的組成部分。由于單片機(jī)at89c52本身的i/o口數(shù)量有限，同時(shí)要考慮必須的數(shù)據(jù)總線和地址總線，因此i/o口資源緊張，要實(shí)現(xiàn)顯示和輸入功能必須擴(kuò)展i/o口。常用的i/o擴(kuò)展芯片有ttl、cmos鎖存器、緩沖器芯片和8255a、8155等，考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率的影響，選用8155進(jìn)行擴(kuò)展，選用共陰極led數(shù)碼管顯示溫度，實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)溫度的實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)能顯示初始設(shè)定溫度值。設(shè)定溫度值由鍵盤中斷輸入，并實(shí)時(shí)顯示。

2.4 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)需要和上位pc機(jī)進(jìn)行通訊。選用較為普及的串行通訊。串行通訊分為同步通訊和異步通訊兩種通訊方式。由于同步通訊方式對(duì)通訊雙方的時(shí)鐘頻率要求相同，而對(duì)于單片機(jī)和pc機(jī)之間難以保證這一點(diǎn)，因此系統(tǒng)通信采用異步通訊方式。另外pc機(jī)串口的電平為rs-232電平，而mcs-51單片機(jī)串口的電平是ttl電平，要想實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信，需要在它們之間加電平轉(zhuǎn)換電路，使用中很不方便。故使用max232代替。pc機(jī)串行口與單片機(jī)之間的連接方式一般為3線零moderm方式，即只采txd、rxd和gnd等3根基本的數(shù)據(jù)線直接相連。單片機(jī)將實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)換的溫度送顯示的同時(shí)，每隔5分鐘將當(dāng)前溫度值送pc機(jī)存儲(chǔ)，提供打印溫度變化曲線。作為擴(kuò)展，設(shè)置并且可以由pc機(jī)發(fā)送初始設(shè)定溫度，由單片機(jī)接收顯示。

2.5 輸出控制及報(bào)警

單片機(jī)的輸出控制電機(jī)工作，為避免強(qiáng)干擾，選用帶有光電隔離功能的晶閘管mc3041。另外，為了保證制件質(zhì)量，在電路設(shè)計(jì)中考慮到加設(shè)報(bào)警電路，當(dāng)溫度低于-80℃時(shí)，綠色發(fā)光二極管被點(diǎn)亮；當(dāng)溫度高于-30℃時(shí)，紅色發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。

2.6 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

抗干擾技術(shù)主要是硬件和軟件上的抗干擾技術(shù)，在硬件上采用良好的接地，選用合適的元器件等方面。本系統(tǒng)在充分考慮硬件上的抗干擾后，設(shè)計(jì)了一系列軟件抗干擾措施：（1）在傳感器數(shù)據(jù)采集處理上，采用中值法數(shù)字濾波；（2）設(shè)置軟件陷阱，用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲到的亂飛程序引向復(fù)位入口地址，在此處將程序轉(zhuǎn)向?qū)ｉT對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌。（3）“看門狗”技術(shù)：采用程序監(jiān)視技術(shù)，又稱“看門狗”技術(shù)(watch-dog)，避免程序進(jìn)入“死循環(huán)”?！翱撮T狗”不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過已知的設(shè)定時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”，然后強(qiáng)迫程序返回到0000h入口，在0000h處安排一段出錯(cuò)處理程序，使系統(tǒng)運(yùn)行納入正軌。設(shè)計(jì)2個(gè)定時(shí)器，一個(gè)為短定時(shí)器，一個(gè)為長定時(shí)器，并各自獨(dú)立，短定時(shí)器像典型看門狗一樣工作，它保證一般情況下看門狗有快的反應(yīng)速度，長定時(shí)器近定時(shí)大于cpu執(zhí)行一個(gè)主循環(huán)程序的時(shí)間，用來防止看門失效。

3 控制算法設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)的溫度控制精度≤0.5℃，并考慮誤差積累對(duì)控制系統(tǒng)的影響，選用增量式pid控制算法，即指單片機(jī)數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量，其控制算式為：

（1）式中:、、分別為比例、積分、微分系數(shù)；為基本偏差，表示當(dāng)前測(cè)量值和設(shè)定目標(biāo)間的差。

該算法的優(yōu)點(diǎn)有：（1）計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作比較小。（2）算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近的3次(系統(tǒng)采用恒定的采樣周期時(shí)，k取3次)的采樣值有關(guān)，因而比較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由主程序模塊，功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊等三大模塊組成。

4.1 主程序模塊　

在程序中首先給定pid算法的參數(shù)值，然后通過循環(huán)顯示當(dāng)前溫度，以等待中斷，并且設(shè)定鍵盤外部中斷為高優(yōu)先級(jí)，使主程序能實(shí)時(shí)響應(yīng)鍵盤處理，軟件設(shè)定定時(shí)器t0為10s定時(shí)，在無按鍵時(shí)，應(yīng)每隔10s響應(yīng)1次，用來采集溫度傳感器經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換的溫度信號(hào)。設(shè)置定時(shí)器t1為t0的嵌套中斷，初值由pid算法子程序來提供。用來執(zhí)行對(duì)電機(jī)控制以及報(bào)警電路等。流程圖如圖５所示。

圖5 主程序流程圖

4.2 功能實(shí)現(xiàn)模塊

功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由a/d轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序和顯示子程序等組成。其中主要的中斷子程序?yàn)?（1）t0中斷子程序　由于溫度變化的滯后性，單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定8s定時(shí)中斷，低優(yōu)先級(jí)，在該中斷響應(yīng)時(shí)，單片機(jī)完成以下工作：a/d轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、判斷溫度是否超出范圍、顯示溫度、計(jì)算溫度偏差、調(diào)用增量pid算法并輸出控制量。（2）t1中斷子程序t1定時(shí)中斷嵌套在t0中斷之中，為高優(yōu)先級(jí)中斷。t1的定時(shí)初值由pid算法子程序提供，t的中斷響應(yīng)時(shí)間用于輸出對(duì)電機(jī)的控制信號(hào)。

4.3 運(yùn)算控制模塊

子程序框圖如圖６所示。主要完成增量式pid算法的運(yùn)算，計(jì)算出輸出控制增量，并根據(jù)輸出控制增量△u(k)設(shè)定t1的定時(shí)值，控制電機(jī)的動(dòng)作?！?/FONT>