全自动冷饮机控制器外文资料翻译(2)

只是这种模式适用于载玻片干燥机的问题。

图4显示了载玻片干燥机的第二阶集总元件的热模型。状态变量是箱子和盒子本身的空气温度Ta。输出功率Q（t）和环境温度T∞。ma和mb是空气和盒子的质量，Ca和Cb是他们的比热容。μ1和μ2分别是从空气到盒子中和从盒子到外部世界的传热系数。

图4.集成原件的热模型

我们不难发现，图4对应的状态方程

以拉普拉斯变换（1）和（2）并解出TA（S），这是利益输出，给出如下的开环模型的热力系统：

其中，K是一个常数，Δ（s）是一个二阶多项式。K，τz，和Δ（s）的系数是出现在（1）和（2）中。

当然，在各种参数（1）和（2）是完全未知的，但它并不难证明，不论其价值，Δ（S）有两个实零点。因此，利益主体的传递函数可以写成

此外，开环的零极点图如图5

图5.Gaq(s)的零极点图

获得一个完整的热模型，然后，降低识别常数K和(3)中的三个未知的时间常数。四个未知参数是相当多的，但是简单的实验表明，1/τp1≤1/τz，1/τ2，这样τz，τp2≈0是很好的近似值。因此，开环系统本质上是一阶，因此可以写成

简单的开环阶跃响应实验表明，对于宽范围的初始温度和热输入，K≈0.14°/ W和τ≈295s。

4.2控制系统的设计

采用一阶模型（4）的开环传递函数Gaq（S）和假定的加热器的输出功率Q（t）是线性控制的是有可能的，图6表示的是闭环系统。

图6.闭环系统的简化框图

鉴于这种简单的情况，介绍线性控制设计工具，根据表1中的规定，如根轨迹法可以应用到一个符合要求的C（S）的阶跃响应上升时间，稳态误差和超调量，其结果，当然是一个能满足所有规格的具有足够的增益的比例控制器。超调量是不可能增加收益，降低稳态和上升时间。

不幸的是，足够的增益，以满足规范可能需要的热量比加热器本身能够产生的更多，在本系统的情况下，其结果确实是，上升时间规范不能得到满足。这是非常清楚的展示学生如何充分利用这样一个简单的模型，仔细确定整体性能的局限性。

4.3仿真模型

总的性能和它的局限性可以使用图6所示的简化模型来确定，但也有一些的闭环系统，其性能上的影响不是那么简单地建模。其中最主要的是

●在模拟到数字的转换所测量的温度和量化误差 ●使用PWM方式来控制加热器。

这两者都是非线性的，时变的影响，并研究它们的唯一可行的方法是（当然还是实验）通过模拟。

图7示出闭环系统，该系统具有以下仿真框图。A/D转换器量化和饱和度都使用标准的Simulink量化和饱和度块建模。模拟PWM比较复杂，需要一个自定义的S函数来表示它。

图7.闭环系统的仿真框图

该仿真模型已被证明对衡量不同PWM的基本参数的影响特别有用，因此选择这个仿真丝适当的。

PWM往往难以让学生掌握，仿真模型允许其操作和效果，这是相当发人深省的探索。

4.4单片机

简单的闭环控制，键盘读取，并显示控制是一些单片机的经典应用，而这个项目采用了三个。因此，它是一个很好的单片机综合运用。

另外，由于该项目是产生一个实际的包装原型，它不会简单的使用一个评估电路板与I/O引脚跳线到目标系统。相反，有必要制定一个完整的嵌入式应用程序。这需要广泛提供一个典型的微控制器系列的选择范围和学习使用一个相当复杂的开发环境，最后，一个自定义的印刷电路板上的微控制器和外围设备仍需设计和制作。

微控制器的选择

鉴于现有的专业知识，摩托罗拉线微控制器被选定为这个项目的微控制器。不过，这并不是狭隘的选择。一个相当严格的研究系统要求指定哪些微控制，大

量的变异，这对学生来说是困难的，如：他们普遍缺乏必要的经验和直觉，以及通过制造商的选择指南锲而不舍地探索。

这个问题的部分原因是在选择各种外设接口的方法（如，应该使用什么样的显示器驱动程序？）。摩托罗拉相关应用的研究笔记[2，3，4]被证明非常有助于了解可用哪些基本方法，单片机/外围组合应予以考虑。

该68HC705B16最终选择了现有的A/D输入、PWM输出，以及24个数字I/O线。回想起来，这可能是多余的，因为只有一个A/D通道，一个PWM通道，11个I/O引脚是真正需要的（见图3）。这一决定是犯错在安全方面，因为具体到所选择的部分是一个完整的开发体系是必要的，和项目预算不允许第二个这样的系统被购买应该第一个被证明是不够的。

单片机应用开发

外设硬件，开发微控制器的电路试验板软件，以及最后的调试和定制印刷电路板的测试微控制器和外围设备都需要某种形式的开发环境。

一个开发环境的选择，这样的微控制器本身就是令人困惑的，需要一些教师的专业知识。摩托罗拉是三级的开发环境，包括从简单的评估板（约100美元）到全面的实时仿真器（目前是7500美元）。MMEVS被选为这个项目，其中包括

●平台板(它支持所有6805家庭零部件) ●一个模拟器模块（特定的主要部分）， ●电缆线和目标适配器（特定包装）。

总体而言，该系统成本约900美元，在提供电路的仿真能力上具有一定的局限性。它还配备了简单但足够快速的软件开发环境[5]。

学生发现学习使用这种类型的系统具有挑战性，但他们利用简单的评估板获得的经验大大超过了现实世界中单片机应用的经验

印刷电路板

一个简单的印刷电路板的布局（但绝对不是小事）提供了一种实用的学习机会，最终的电路板布局，封装轮廓，如图8所示。该电路的相对简单性使得手动布局和布线实用。事实上，它可能做出来的效果比自动布局更好，它很好地暴露了学生在印刷和设计电路板布局的问题。所使用的排版软件是非常好的封装PCB2，板制作内部员工给予了电子技术帮助。

图8. 微控制器的印刷电路板布局

5.结论

本文的目的是要描述一个跨学科本科工程设计项目：基于单片机的温度控制系统，具有数字设定点输入和设定点实际温度显示。对这样的系统的的设计问题进行了说明，这些问题的解决通常需要超出基本课程所获得的知识，但实际上可以提高本科学生素质，尤其是教师的建议和监督很重要。

该问题的理想功能，从教学的角度来看，包括简单使用一个微控制器与外围设备，有机会有效地应用物理系统和闭环控制设计的入门级建模，并且需要相对简单的实验（用于模型验证）和模拟（详细性能预测）。一些相关技术方面的问题也是可取的，包括实际使用电阻加热器和温度传感器（分别需要的PWM和校准技术知识），微控制器的选择和使用的开发系统，以及印刷电路设计。

致谢

笔者要感谢辛勤工作，无私奉献，并通过参与这个项目显示能力的学生：马克朗斯多夫，马特拉尔，帕姆说，和戴维舒克曼。这是他们的项目，成功是属于他们的。