智能型温度模糊控制仪

1、一种智能型温度模糊控制仪，包括有机壳、控制面板和若干块印刷电路板，在印 刷电路板上设有以单片微机为核心的控制电路及输出、输入接口电路，其特征在于：控制 电路中的单片微机芯片型号为摩托罗拉MOTOLORA公司的MC68HC05C8，其外围接口包括有： 由EEPROM芯片构成的，实现掉电、复位时保存工艺参数数据的存储电路；由分别执行数值 增加、数值减少、数值设定循环左移、设置或修改温度、参数循环功能的多个按键输入电 路；采用专用压频转换芯片和高精度运算放大器配合实现高精度的电压(模)-频(率)数转 换的采样输入电路；由两个数码管显示专用驱动芯片和两排四位七段数码显示管构成的、 分别显示当前实例温度或报警代码与设定温度两个数值的数码显示与驱动电路；由双运 算放大器CA3140与稳压二极管LM336-2.5配合完成PWM-V转换和由双运算放大器CA3140完成 的V-I转换输出电路，以及由多个发光二极管构成的工作状态显示电路；上述输出/输入接 口电路都设有内外两套电源和串接光电隔离器件，以实现内外电气隔离。
2、如权利要求1所述的智能型温度模糊控制仪，其特征在于：上述实现数据掉电保 护的存储器芯片型号为NMC93C。
3、如权利要求1所述的智能型温度模糊控制仪，其特征在于：上述专用压频转换芯 片型号为LM331A，与其配合应用的高精度运算放大器芯片型号为ICL7650。
4、如权利要求1所述的智能型温度模糊控制仪，其特征在于：上述数码管显示专用 驱动芯片型号为MC14499。
5、如权利要求1所述的智能型温度模糊控制仪，其特征在于：上述输出电路可以是 驱动继电器、固态继电器、双向可控硅，也可提供不同电压和电流。
6、如权利要求1所述的智能型温度模糊控制仪，其特征在于：电源电路采用开关式 稳压电源，其中设有可完成输出电平自反馈的光耦器件和加速开关管的截止转换时间的加 速三极管。
7、如权利要求1所述的智能型温度模糊控制仪，其特征在于：印制板的上下两侧设 有可直接与机壳滑槽内对应凹槽卡合固定的凸边。
8、如权利要求1所述的智能型温度模糊控制仪，其特征在于：机壳上设有多个用于 卡固定位印刷电路板的柱状倒钩。

本实用新型涉及一种应用单片微机芯片调节电变量的装置，确切地说，涉及一种应用九 十年代模糊逻辑控制技术的智能型温度模糊控制装置，该装置采用摩托罗拉(MOTOROLA)公司 高性能单片电脑芯片，实时检测温度偏差及其变化，通过高速模糊逻辑推理算法，可细微调 整控温输出，控温精度高，能够自适应调整控制参数，从而实现加热温度的最优控制和节省 能耗、保护设备的发明目的。\n通过加热，改变物质的相态以制造出新产品，是许多诸如塑料、食品、化工、冶金等加 工行业的传统生产工艺，这里温度控制的好坏将直接影响产品的产量、质量、设备的使用寿 命和能耗等经济技术指标，所以控制加热温度就成为这些行业的关键技术和重要工艺参数。 现在常用的温度控制仪主要有两大类：一是采用模拟放大的动圈式温度调节仪，该类仪器只 能进行位置式调节，对于有滞后的设备，所控制的加热温度会在很大范围内(≥±10℃)摆 动，控制精度低。二是采用PID温控仪，该装置需要建立确定的数学模型，要求用户通过长时 间整定以确定比例、积分、微分等系数，而当改变品种或生产工艺而导致系统参数改变时， 控温效果就变差。而事实上，任何一个加热设备在连续工作时，其系统参数(如介质温度、 环境温度、工艺条件等等)都在不断变化，因此，这类装置也难以满足需要。\n模糊逻辑控制是当前最成功、最实用的人工智能控制技术。自本世纪六十年代模糊数学诞 生以来，受到各国控制专家的关注，并从九十年代起，已成为自动控制领域的热点技术之 一。模糊逻辑控制可以在难于或无法建立数学模型的场合，模拟人工控制思想，依经验对控 制对象进行直接、迅速、有效的控制。当科技人员根据操作工人的经验，总结出一组 “若……则……”形式的条件语句，并将利用这种模糊逻辑推理的算法语句编制成的过程控 制软件，放入以单片机为基础的模糊逻辑控制器里，该控制器就可以经过模糊逻辑推理而具 备操作工人操作机器的全部本领，而且该控制器不会出现操作工人的主观差错而使生产过程 控制更加优化、有效。\n模糊逻辑控制的优良特性还在于其无需建立数学模型(而在复杂系统中数学模型又往往 难以建立或根本无法建立)就能实现对系统或设备的闭环自动控制。且模糊控制器结构简 单，硬件实现容易，成本低廉；特别适宜于凭借人的直觉或经验进行手工操作的场合，模拟 人的操作实现自动控制。因此，近年来模糊逻辑控制获得蓬勃发展：一大批模糊控制的家电 产品(如空调器、电饭煲、电冰箱、摄像机等)相继问市并受到普遍欢迎；在工业领域中的 冶金、化工、建材等行业，模糊逻辑控制的应用也取得了令人瞩目的成绩。\n本实用新型的目的是提供一种智能型温度模糊控制仪，该装置利用CPU电脑芯片模拟人的 操作经验，自动动态识别温控系统各参数变化情况，连续调节加热输出大小，实现智能温 控，保证温度控制精度。\n本实用新型是这样实现的：包括有机壳、控制面板和若干块印刷电路板，在印刷电路板 上设有以单片微机为核心的控制电路及输出、输入接口电路，其特征在于：控制电路中的单 片微机芯片型号为摩托罗拉MOTOLORA公司的MC68HC05C8，其外围接口包括有：由EEPROM芯片 构成的，实现掉电、复位时保存工艺参数数据的存储电路；由分别执行数值增加、数值减 少、数值设定循环左移、设置或修改温度、参数循环功能的多个按键输入电路；采用专用压 频转换芯片和高精度运算放大器配合实现高精度的电压(模)-频率(数)转换的采样输入 电路；由两个数码管显示专用驱动芯片和两排四位七段数码显示管构成的、分别显示当前实 测温度(或报警代码)与设定温度两个数值的数码显示与驱动电路；由双运算放大器CA3140 与稳压二极管LM336-2.5配合完成PWM-V转换和由双运算放大器CA3140完成的V-I转换输出电 路，以及由多个发光二极管构成的工作状态显示电路；上述输出/输入接口电路都设有内外两 套电源和串接光电隔离器件，以实现内外电气隔离。\n上述实现数据掉电保护的存储器芯片型号为NMC93C。\n上述专用压频转换芯片型号为LM331A，与其配合应用的高精度运算放大器芯片型号为 ICL7650。\n上述数码管显示专用驱动芯片型号为MC14499。\n上述输出电路可以是驱动继电器、固态继电器、双向可控硅，也可提供不同电压和电 流。\n电源电路采用开关式稳压电源，其中设有可完成输出电平自反馈的光耦器件和加速开关 管的截止转换时间的加速三极管。\n印制板的上下两侧设有可直接与机壳滑槽内对应凹槽卡合固定的凸边。\n机壳上设有多个用于卡固定位印刷电路板的柱状倒钩。\n本实用新型是以摩托罗拉MOTOLORA公司的MC68HC05C8型单片机为CPU构成的智能型模糊逻 辑温度控制装置。该CPO内部设有EPROM和RMA，抗干扰性能强，外围配套芯片种类多，可实现 采样、计算、监控、存储、键盘、显示和多种输入/输出的温度控制功能，辅以串行EEPROM芯 片，可在停机、意外掉电等情况下保存用户设定的各种工艺参数；该装置配有专用开关电 源，可适应AC100V-242V电压波动而正常工作。该装置结构设计精致巧妙，全部三块印刷电路 板采用其上下两侧凸边与机壳滑槽上对应凹槽卡合固定或直接由机壳的柱状倒钩卡固，毋需 紧固连接件，拆卸简捷方便，可进行带电插拨整个机芯，便于安装、维护。本装置应用模糊 逻辑控制技术，实时检测加热温度偏差及其变化，在线自动识别系统参数，通过高速模糊逻 辑推理算法，适时、合理调整控温输出，温控精度高、超调小，控温性能优于智能型PID控温 仪表。总之，本实用新型也是单片微机在工业控制中的新应用，硬件结构简单，工作可靠， 能在工艺、环境参数变化时实现温度稳定控制，特别适用于需要高精度温控的诸加工行业。\n图1是本实用新型控制电路方框示意图；\n图2是本实用新型控制电路中单片机及其存储器、键盘输入电路、数码显示、驱动和发 光二极管工作状态输出电路的电原理图；\n图3是本实用新型控制电路中压一频转换输入及控制选通接口电路的电原理图；\n图4是本实用新型控制电路中各种输出接口电路的电原理图；\n图5是本实用新型控制电路中电源电路的电原理图；\n图6是本实用新型的机壳外型立体示意图；\n图7是本实用新型的机壳与印刷电路板安装结构示意图；\n参见图1、图2，本实用新型是以摩托罗拉公司的8位CPU单片微机为核心组成控制电路， 其型号为MC68HC05C8。该芯片无外部总线，抗干扰能力强，特别适用工业环境使用，且功耗 比intel系列CPU芯片约小一个数量级，其自身设有8KEPROM和176～300字节的RAM，可精简外 围电路结构，且可选用的配套外围芯片较多，尤其适用于串行控制信号。图1展示了以 68HC05C8型号CPU为核心的控制电路及输出、输入接口电路的结构组成。其外围接口电路包括 有由EEPROM芯片构成的，实现掉电、复位时保存工艺数据的存储电路(其型号为NMC93C46)； 由分别执行数值增加UP、数值减少DOUN、数值设定循环左移LEFT、设置或修改温度SET、参数 循环PAR功能的多个按键输入电路；采用专用压频转换芯片和高精度运放配合实现的电压一频 率模数转换的采样输入电路。\n本装置温度采样输入可以接配多种感温体，如热电偶PC、热敏电阻Pt100或多种标准电 压、电流输入信号，键盘输入除用于设置加热温度外，还可设置不同类型的报警，例如温度 超上下限、断热电偶、断加热器等。其输出电路包括有由两个数码显示专用驱动芯片MC14499 和两排四位七段数码显示管构成的数码显示与驱动电路，可分别显示当前实测温度(报警代 码)与设定温度两个数值。由多个发光二极管构成的工作状态显示电路，继电器报警输出电 路，通过继电器带动水泵、风机等的快速冷却降温输出电路，以及具有继电器、固态继电 器、双向可控硅、电压、电流等多种输出方式电路。\n本实用新型的控制电路电原理图可详见图2、图3、图4和图5所示，为了保证在工业环境 上能够正常稳定工作，本实用新型在抗干扰上采取了一些特殊措施。首先是输出/输入接口电 路都采用内外两套隔离电源和使用光电偶合隔离器件，使本实用新型控制电路内外完全电气 隔离，以排除外界电磁干扰。此外，采用专门设计的开关电源，可承受大范围电源电压波动 (AC100～242V)而正常工作。\n为了提高控制温度的精确度，本实用新型采用压频转换技术进行温度采样(参见图3)，热 电偶的MV级信号经R22和C5组成的低通滤波器进入模拟开关U24，由CPU控制的数字量输出信号 (CH0、CH1、CH2)控制选通，经U25射极跟随和U26放大成为0～10V信号，再经C13和U27构成的 反相积分输入器，输出的电压通过和压频转换专用芯片U28(LM331)的6脚阈值电压的相互作 用，改变定时周期，LM331的3脚经上拉电阻R36形成0～10K的频率信号，完成电压/频率转 换，再经光耦U23隔离和斯密特触发器U22整形输入CPU的TCAP端。这种压频转换，相当于14位 模/数转换精度，线性度可达0.05％，对于K型热电耦(1～400℃)，采样灵敏度可达0.025℃。 图3还展示了采用热敏电阻R-A、R-B、R-C和各种不同标准电压、电流作为输入信号的输入电 路。例如，0～5V电压信号输入时，应将开关J2断开，经R49和C19组成的低通滤波电路和由 R50、R51、R47、R46形成电压平移/展缩电路，可将不同形式的电压信号转换成统一的标准信 号，再经U31、U33放大反相，就变换成压频转换电路所需的电压信号，从而完成V/F转换。如 是电流信号输入时，则将开关J2合上，使之转化为电压信号，仍按上述电压信号流程进行V/F 转换。\n为了满足工业控制的现场需要，本实用新型提供了多种不同形式的输入/输出接口信号， 调理方便而电路结构简单易行。其中输入接口信号除了是从热电偶、热敏电阻上采集的信号 外，还可以是0～100MV、0～5V、1～5V和0～10V的标准电压信号，也可以是0～100mA、4～ 20mA和0～20mA的标准电流信号。同样输出接口电路也可提供多种方式让用户选用，具体电路 参见图4。CPU输出接口有一路可以输出脉宽可调的PWM信号(TCMP)，该PWM信号先经光耦U37内 外电路隔离，再经晶体管N16和稳压管Z1(LM336-2.5)形成0V～2.5V的PWM信号，再经由U38、 U39组成的有源二级滤波电路，使PWN信号经平滑、放大后成为0～5V电压信号输出。两个运放 的反馈电阻R75、R81及电位器W2可调整放大倍数，可实现多种电平范围的不同输出。这里的 R78、R79、R80和电位器W3也是实现电压平移/展缩。\n上述电压输出信号Vout经U40、U41两级运放和R87反馈，可形成电流信号供输出。其它输 出形式(如固态继电器SSR、双向可控硅和继电器等)电路如图所示，不再一一赘述。\n参见图5，本实用新型专门设计了开关电源给控制电路馈电，该电路可在AC100～242V范 围正常供电。当其输出电压变化时，输出电路上串接的光耦4N25上的发光二极管电流也随之 改变发光亮度，使光耦4N25内部光敏三极管阻抗也随之变化，动态调节三极管C1815基极电 压，改变开关电源开关周期，从而稳定输出电压。三极管C1815的另一作用是当开关电源的开 关管D1575出现截止趋势时，C1815能迅速导通，使D1575的基极发射极之间电压小于0.7伏， 使该开关管加速截止，减少无用功耗，还保护了该开关管。\n参见图6、图7，本实用新型是由机壳1、控制面板2和三块印刷电路板3所组成。其中机壳 1采用国际标准尺寸整体注塑制成。为方便安装拆卸，有两块印刷电路板3在其上下两侧设有 凸边31，可直接与机壳1的滑槽11、12内对应的凹槽110、120卡合固定；另一块安装在控制面 板2后侧的印刷电路30则靠机壳1上设置的多个柱状倒钩13卡合固定(参见图7)。在控制面板2 上设置有两排四位七段数码管21、22，其中上排数码管21用于显示设定温度或报警代码；下 排数码管22则显示设定温度；上下排结合可显示各种系统参数。中间五个发光管23分别用于 显示各种工作状态。下部右下侧设有四个显式按键外：数值增加键、数值减少键、 数值设定循环左移键、SET设定或修改工艺温度控制键；左下侧还设有一个隐式按键25，用于 设定系统循环参数。本实用新型的结构设计精巧，可以带电插拔作业，印刷板装卸简便，不 需工具和紧固件，便于安装使用。\n本实用新型已研制出样机若干，经在单螺杆及双螺杆塑料挤出机上试验实施，利用模糊 逻辑控制多路加热温度，可使控温偏差小于±1℃，实现了发明目的。