基于PIC單片機的多回路溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1.引言

對于塑料制瓶工藝， 塑料加熱處于溶融狀態(tài)， 經(jīng)高壓注射成為管胚， 短時間冷卻以后， 經(jīng)過高壓空氣的吹脹， 在制瓶模具中成型。其工藝特點之一是： 溶融狀態(tài)下的塑料定時流動; 成為管胚之后， 將與外部空氣接觸 2 秒鐘時間左右， 產(chǎn)品質(zhì)量不可避免地受到環(huán)境溫度的影響。 制瓶工藝要求在不同的制瓶過程中， 恒定在不同的溫度下， 其溫度控制是制瓶的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前這種設(shè)備的溫度控制裝置通常采用單回路的通用溫度控制儀表， 溫度控制無法與工藝過程直接產(chǎn)生聯(lián)系， 使得溫度控制達不到最優(yōu)狀態(tài)， 而且受到環(huán)境溫度的影響， 必須隨環(huán)境溫度的變化調(diào)整溫度控制參數(shù)， 否則產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。另一方面， 單回路的通用溫度控制儀表價格也比較高， 且多采用線性模型及PID控制等經(jīng)典控制方法往往很難達到理想的控制效果， 而采用模糊控制， 它具有不依賴對象的數(shù)學(xué)模型， 魯棒性強， 算法簡單容易實現(xiàn)。因此， 我們研制了采用 PIC16F877 單片機進行控制的低成本、 高性能、與工藝過程直接產(chǎn)生聯(lián)系的， 不受環(huán)境溫度影響的折疊開放式多回路溫度控制裝置。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)的構(gòu)成

本系統(tǒng)被設(shè)計為8個溫度檢測回路， 每一個回路將熱電偶產(chǎn)生的對溫度的微弱信號， 經(jīng)過溫度變送單元轉(zhuǎn)換成0~5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，送入PIC單片機進行A/D轉(zhuǎn)換后作為模糊控制的輸入， PIC單片機根據(jù)輸入數(shù)據(jù)通過模糊控制計算出控制輸出量， 轉(zhuǎn)化為PWM信號的占空比， 由RD口引腳輸出相應(yīng)的高低電平控制固態(tài)繼電器的動作從而實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度的控制， 并通過C8051F020單片機控制SED1335， 從而控制液晶顯示器對結(jié)果進行顯示。對于多回路溫度檢測系統(tǒng)的硬件配置， 本設(shè)計采用折疊開放式結(jié)構(gòu)能夠保證溫度控制回路配置的靈活性和低成本。 系統(tǒng)硬件框圖如圖 1 所示。 整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、 主控模塊、 控制量輸出模塊和人機通訊模塊四部分組成。

2.2 硬件的模塊化設(shè)計

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計的 8 路溫度檢測電路選用現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中使用極為廣泛的熱電偶為溫敏元件進行溫度的測量， 根據(jù)熱電偶的測溫原理及其特點， 為了使環(huán)境溫度的變化不會影響溫度檢測和控制效果， 在整個制瓶工藝過程中采用了多點多回路檢測和非常實用的冷端溫度補償電路， 使輸出接近線性化， 在實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)該電路的熱電動勢與被測溫度基本上成單值函數(shù)關(guān)系。熱電偶經(jīng)過冷端溫度補償后，輸出得到很微弱的模擬信號， 經(jīng)過放大才適合 PIC16F877 單片機集成的 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機能夠識別的數(shù)字信號， 并轉(zhuǎn)化為對應(yīng)溫度值。

2.2.2 主控制模塊

本系統(tǒng)的控制核心是 PIC單片機。PIC單片機是近幾年出現(xiàn)的一種新型的采用 CMOS工藝的 8 位單片機， 所選用的 PIC16F877 單片機

［1］的內(nèi)部集成有 8 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器， 內(nèi)置 8k× 14 位的 Flash 程序存儲器， 可多次修改程序， 便于系統(tǒng)升級。 以 PIC16F877 為核心的溫度控制裝置， 無須擴展 I/O芯片和 A/D 轉(zhuǎn)換器， 大大地提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性， 并通過通訊口實現(xiàn)與其它單片機的通訊， 從而獲得工藝過程的數(shù)據(jù)參數(shù)， 使得溫度控制與工藝過程發(fā)生直接聯(lián)系， 提高溫度控制的精度和產(chǎn)品的質(zhì)量。而模糊控制的運用可以避免控制對象

傳遞函數(shù)的不精確性和非線性所帶來的誤差， 提高溫度控制的精度。由于系統(tǒng)具有大慣性的特點（需要有熱傳導(dǎo)和熱平衡的過程） ， 為了提高系統(tǒng)的快速性和模糊控制的精度， 具體控制算法采用了分段控制的方法， 即在對被控對象的溫度特性有一定的經(jīng)驗知識并進行粗略的實驗的基礎(chǔ)上， 把溫度控制過程劃分為前段和后段分別進行處理， 在此不作贅述。PIC單片機作為控制核心與其余各模塊相連接， 處理各種數(shù)據(jù)， 發(fā)出各種控制信號。

2.2.3 控制量輸出模塊

本設(shè)計輸出模塊是通過 PIC16F877 單片機 RD 口輸出主控模塊的決策信號， 控制對應(yīng)固態(tài)繼電器（簡稱SSR）的通斷來達到控制加熱器工作的目的。選用固態(tài)繼電器而沒有使用普通的繼電器與其良好的特性是密切相關(guān)的， 且其價格并不貴。它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)點接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)器件， 單相SSR 為四端有源器件， 其中兩個輸入控制端， 兩個輸出端， 輸入輸出之間光電隔離， 輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后， 輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。具體地說， 就是將每隔一定時間采樣進來的信號經(jīng)過A/D處理并通過模糊控制計算出控制輸出量， 轉(zhuǎn)化為 PWM信號的占空比， 由 RD引腳輸出相應(yīng)的高低電平控制固態(tài)繼電器， 如果所測得的溫度值比給定溫度值小， 那么固態(tài)繼電器轉(zhuǎn)變成通態(tài)進行加熱升溫處理， 反之則轉(zhuǎn)變成斷態(tài)暫停加熱。

2.2.4 人機通訊模塊

在溫度檢測系統(tǒng)中， 常常需要設(shè)計良好的人機交換界面。設(shè)計者可以在人機交換界面中獲得必要的信息， 同時要把自己想要達到的目的（即把溫度控制在設(shè)定溫度值）直觀地顯示出來。為此， 我們將檢測所得數(shù)據(jù)和設(shè)定溫度值向 C8051F020 單片機傳輸并通過點陣液晶顯示器（ LCD）顯示。

要使 PIC16F877 單片機與 C8051F020 單片機［3］實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸， 則必須在它們之間建立準(zhǔn)確的通訊。由于它們在選擇晶體振蕩器時各不一樣， 因此在計算系統(tǒng)異步串行通訊波特率時， 由于存在不同的波特率誤差， 往往導(dǎo)致通訊失敗。研究表明［4］， 應(yīng)用軟件插值， 調(diào)整串口波特率， 并降低波特率誤差， 可以保證通訊的準(zhǔn)確性; 本設(shè)計中采用的液晶顯示技術(shù)在實際生活中得到了廣泛應(yīng)用。 液晶顯示模塊以其微功耗、 體積小、 顯示內(nèi)容豐富、 模塊化以及接口電路簡單等諸多優(yōu)點在科研、 生產(chǎn)和產(chǎn)品設(shè)計等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。我們選用 SED1335 作為液晶顯示器控制器。根據(jù)C8051F020 單片機和 SED1335 的性能特點， 直接通過 C8051F020 單片機 I/O 口控制SED1335［6］， 從而達到控制液晶顯示器顯示檢測數(shù)據(jù)的目的; 對于系統(tǒng)允許測控的最大、 最小和最終需要達到的溫度值以及翻頁、 跳轉(zhuǎn)（浮動光標(biāo)）功能都通過鍵盤的操作來實現(xiàn)。

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計， 分別由主程序、 初始化子程序、 顯示子程序、 鍵處理子程序、 AD轉(zhuǎn)換子程序等模塊構(gòu)成。 主程序主要包括鍵掃描、 顯示和處理子程序。 按照香農(nóng)定理， 按周期定時采樣。延時結(jié)束啟動 AD轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過模糊控制進行制。

4.結(jié)束語

由于大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展和電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的迅速拓寬， 使得單片機（嵌入微處理器）應(yīng)用技術(shù)發(fā)展非常迅猛。采用 PIC單片機進行控制的多回路溫度控制裝置不受環(huán)境溫度的影響， 電路簡單， 容易實現(xiàn)并達到較高的可靠性?，F(xiàn)場測試表明， 模糊控制的運用，系統(tǒng)的控制精度控制在 0.5 以內(nèi)。另外， 在數(shù)據(jù)進行 A/D處理過程中可以讓 PIC處于休眠狀態(tài)， 讓其減少功耗， 且可以提高轉(zhuǎn)化精度。
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