精度高、可靠性高的89C52單片機(jī)電加熱溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電加熱爐是科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中量常見也是最常用的加熱設(shè)備，由于爐子種類與規(guī)格、加熱對(duì)象的不同，它們所構(gòu)成的系統(tǒng)千差萬(wàn)別。溫度作為一個(gè)重要檢測(cè)和控制參數(shù)，對(duì)其控制的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。電加熱爐種類繁多，控參數(shù)通常具有時(shí)變性、非線性、不確定性等特點(diǎn)，對(duì)其控制方案的研究不論在基地式儀表時(shí)代還在現(xiàn)在的智能化儀表時(shí)代，都是很熱門的對(duì)象。在現(xiàn)有溫度控制儀表的配置加熱系統(tǒng)中，大多數(shù)只配有一組加熱元件，當(dāng)溫度達(dá)到調(diào)控點(diǎn)時(shí)，便切斷電源進(jìn)行保溫，隨著時(shí)間的推移，溫度降到一定數(shù)值后啟動(dòng)該組件元件的電源供電進(jìn)行加熱，從此周而復(fù)始，動(dòng)作頻繁。用作測(cè)溫的傳感器，當(dāng)溫度上升到設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，必然有一個(gè)時(shí)間的滯后性，使被控溫場(chǎng)沖過(guò)溫控點(diǎn)，而過(guò)沖幅度與熱功率的大小成正比，與溫場(chǎng)的大、小成反比。PID控制器雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，但加熱系統(tǒng)與PID控制器設(shè)計(jì)的不匹配現(xiàn)象也廣泛存在。本文采用80C52單片機(jī)、數(shù)字PID算法來(lái)設(shè)計(jì)的電加熱式恒溫控制系統(tǒng)，參數(shù)調(diào)整方便，實(shí)時(shí)性能好，達(dá)到超前控制的目的，具有遲滯控制穩(wěn)定性的抗干擾能力，可以大大提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)發(fā)溫度控制儀表的數(shù)字化與智能化。本系統(tǒng)可應(yīng)用于孵蛋、細(xì)菌培育等恒溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制。

1 控制方案設(shè)計(jì)

溫度場(chǎng)是一個(gè)梯度場(chǎng)，溫度的上升或下降隨時(shí)間緩慢變化。電加熱爐溫度控制過(guò)程可以用自然降溫、程序升溫和恒溫保持3個(gè)分過(guò)程來(lái)描述。自然降溫：停止加熱，環(huán)境溫度在整個(gè)過(guò)程中保持不變，受控溫度場(chǎng)最終穩(wěn)定為環(huán)境溫度。程序升溫過(guò)程：給定電壓值為一變化值，由程序控制逐漸變化，最終使?fàn)t溫的穩(wěn)定在給定值上。恒溫保持：給定爐溫為一定值，使?fàn)t溫穩(wěn)定在給定值上，這時(shí)受控場(chǎng)溫度恰好抵消散熱因素的影響而能夠維持在所設(shè)定的溫度。實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)表明，電加熱爐對(duì)象可近似為一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)為：

τ為純滯后時(shí)間，K為放大倍數(shù)，T為慣性時(shí)間。在滯后時(shí)間和慣性時(shí)間均不太大、控制對(duì)象非線性小，參數(shù)時(shí)變性小的場(chǎng)合，RID控制是一種最直接最有效的控制方法。本文采用數(shù)字PID控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室可用、中小型的、溫度在環(huán)境溫度至此320℃范圍內(nèi)可調(diào)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用溫度傳感器對(duì)爐膛內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、采樣，所得的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，并與單片機(jī)內(nèi)預(yù)先設(shè)定的溫度給定值加于比較得出偏差，偏差送入控制器，單片機(jī)執(zhí)行偏差的PID數(shù)字運(yùn)算得到可控硅的觸發(fā)脈沖，并由這個(gè)觸發(fā)脈沖調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)電爐絲與風(fēng)扇的兩端電壓形成控制作用，使?fàn)t溫保持恒定。

2 軟、硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器的核心是80C52單片機(jī)，其硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)采用AD590溫度傳感器電路把溫度轉(zhuǎn)換成0~5V的電壓信號(hào)，再由轉(zhuǎn)換器A/D 8080轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)80C52.單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的給定溫度和實(shí)際測(cè)量值比較得出偏差，再利用PID算法求出控制量U（kT）。通過(guò)U（kT）來(lái)決定輸出觸發(fā)脈沖的寬度。從而控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，最終達(dá)到控制溫度的目的。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

微機(jī)系統(tǒng)主要由CPU80C52，并行接口8255A，地址鎖存器74LS373構(gòu)成。

AD590是電流型溫度傳感器，用于精密溫度測(cè)量電路。在被測(cè)溫度一定時(shí)，AD590相當(dāng)于一個(gè)恒流源，通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。

A/D0808 是8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器件，采用CMOS結(jié)構(gòu)，包括8位的A/D轉(zhuǎn)換器、8通道的多路模擬開關(guān)和與微處理器相兼容的控制邏輯。8通道多路模擬開關(guān)能直接與8路單極性模擬信號(hào)中的任何一個(gè)相連。片內(nèi)還具有8路模擬開關(guān)通道地址鎖存器和地址譯碼器、電壓比較器、256R電阻T型分壓器、數(shù)字模擬開關(guān)陣譯碼器、逐次逼近寄存器SAR、邏輯控制與定時(shí)電路、輸出具有TTL電平標(biāo)準(zhǔn)的三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存緩沖器，直接掛接在單片機(jī)單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。

單片機(jī)80C52是一種集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)等部分于一體的器件，只需要外加電源和晶振就可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信息的處理和控制。

8255A芯片用來(lái)擴(kuò)展I/O口，它有3個(gè)輸入輸出端口，PA口接測(cè)量顯示的LCD液晶顯示器，PB口接給定溫度顯示的LCD液晶顯示器，PC口控制LCD的選通，8255A的地址通過(guò)鎖存器74L373選擇，這樣就很好的解決了單片機(jī)端口資源不足的問(wèn)題，并且各個(gè)模塊功能清晰。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 程序流程

程序流程如圖3所示。系統(tǒng)程序包括主程序、對(duì)80C52單片機(jī)硬件電路的初始化、顯示程序、鍵盤處理程序等?？刂破鞯能浖饕▋刹糠郑罕O(jiān)控程序和控制程序。監(jiān)控程序的主要功能包括初始化設(shè)置、內(nèi)存清零、定時(shí)采樣、鍵位操作和顯示等?？刂瞥绦虻闹饕δ馨ǘ〞r(shí)、數(shù)據(jù)處理、溫度控制子程序等。該系統(tǒng)的軟件是在80C52單片機(jī)仿真開發(fā)環(huán)境下采甩基于51系列的C語(yǔ)言編寫的，用C語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)程序大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率。

圖3 程序流程圖

2.2.2 溫度控制算法設(shè)計(jì)

PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，是控制理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛應(yīng)的一種控制技術(shù)。所謂的PID控制，就是按偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制。想模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為：

式中u（t）是PID調(diào)節(jié)器的輸出量，e（t）是PID調(diào)節(jié)器的輸入量，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

PID控制的形式多種多樣，常用的通常有位置式和增量算式。根據(jù)對(duì)象的特點(diǎn)，該系統(tǒng)采用PID增量式控制算法。所謂的PID的增量算式，就是根據(jù)式（3）計(jì)算出u（kT-T），通過(guò)計(jì)算△u（kT）=u（kT）-u（kT-T）得到PID增量算△u（kT），即第k次采樣輸出算式為：

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，一般采用恒定的采樣周期T，當(dāng)確定了Kp、Ki、Kd時(shí)，根據(jù)前后3次測(cè)量的偏差值就可以求出控制增量△u（kT）。增量式PID程序流程圖如圖4所示。

圖4 增量式PID程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)仿真

在Keilu Vision3中建立一個(gè)文件，在代碼框中輸入程序代碼，檢查調(diào)試代碼無(wú)誤后運(yùn)行程序生成。HEX文件，打開PROTEUS的原理圖編輯及仿真界面，并在界面中打開事先設(shè)計(jì)好的電路圖，最后把轉(zhuǎn)換好的二進(jìn)制文件加載入80C52單片機(jī)，點(diǎn)擊運(yùn)行調(diào)試按鈕就可以進(jìn)行硬件和軟件的仿真。

該系統(tǒng)爐溫在一定范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象可以人工設(shè)定，圖5為電加熱爐溫度設(shè)定值在50、100、150和300℃時(shí)的升溫曲線圖。從圖中可以看出，爐溫獲得了良好的控制，各項(xiàng)指都達(dá)了電加熱爐加熱對(duì)象要求起跳快、調(diào)量小、控制平穩(wěn)的技術(shù)指標(biāo)。

圖5 電加熱爐溫度設(shè)定值在50、100、150和300℃時(shí)的升溫曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)證能充分實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制與顯示、設(shè)定顯示，達(dá)到智能數(shù)字控制儀表的要求。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有良好的升溫、降溫特性，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)均達(dá)到了控制要求，系統(tǒng)精度高，自適應(yīng)能力強(qiáng)，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，控制界好等特點(diǎn)。系統(tǒng)的超調(diào)量小于4%，調(diào)節(jié)時(shí)間在溫30~100范圍內(nèi)均6 min小于，爐溫達(dá)剄了很好在控制效果。改小溫度設(shè)定值，該系統(tǒng)可應(yīng)用于孵蛋、細(xì)菌培育等場(chǎng)合恒溫控制。該控制器的設(shè)計(jì)方法在熱處理、化工、機(jī)械加工、金屬冶煉等行業(yè)爐溫控制器設(shè)計(jì)中具有一定的借鑒意義和推廣價(jià)值。