基于單片機(jī)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)

摘要: 本文中介紹了以單片機(jī)AT89C51作為核心元件構(gòu)成的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)說明了采用的新型元件，分析了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，最后給出了系統(tǒng)流程圖。

關(guān)鍵詞: 單片機(jī);電加熱爐;溫度測(cè)量;控制系統(tǒng)

引 言

隨著科技發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平不斷提高，電加熱爐已在化工、冶金、機(jī)械等工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。可是對(duì)于這樣一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效果。

單片機(jī)以其高可靠性、高性能價(jià)格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可以提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平。

1 單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)控制器、可控硅輸出部分、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對(duì)象組成。

爐溫信號(hào)通過溫度檢測(cè)及變送，變成電信號(hào)，與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算溫度偏差e和溫度的變化率△e，再由智能控制算法進(jìn)行推理，最終得控制量u，可控硅輸出部分根據(jù)調(diào)節(jié)電加熱爐的輸出功率，即改變可控硅管的接通時(shí)間，使電加熱爐輸出溫度達(dá)到理想的設(shè)定值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

以AT89C51單片機(jī)為該控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集、檢測(cè)和控制。系統(tǒng)采集到的爐內(nèi)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量與爐溫?cái)?shù)字化后的給定值進(jìn)行比較，即可得到實(shí)際爐溫和給定爐溫的偏差及溫度的變化率。由AT89C51構(gòu)成的核心控制器按智能控制算法進(jìn)行推算，得出所需要的控制量。由單片機(jī)的輸出通過調(diào)節(jié)可控硅管的接通時(shí)間，改變電爐的輸出功率，起到調(diào)溫的作用。

2.2 系統(tǒng)硬件的選擇

1)控制核心的選擇:選擇AT89C51單片機(jī)構(gòu)成爐溫控制系統(tǒng)，系統(tǒng)工作過程中能有效地保存一些數(shù)據(jù)信息，不受系統(tǒng)掉電或斷電等突發(fā)情況的影響。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有128 B的RAM存儲(chǔ)器，不夠系統(tǒng)使用，因此，擴(kuò)展6264(8 kB)的RAM作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

2)熱電偶的選擇:在本系統(tǒng)中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675來完成“熱電偶電勢(shì)-溫度”的轉(zhuǎn)換， MAX6675是MAXIM公司開發(fā)的K型熱電偶轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有信號(hào)調(diào)節(jié)放大器、12位ADC、冷端補(bǔ)償二極管、模擬開關(guān)和數(shù)字控制器。測(cè)得的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成電壓量，通過處理熱電偶電壓和二極管的檢測(cè)電壓，計(jì)算出補(bǔ)償后的熱端溫度。數(shù)字輸出是對(duì)熱電偶測(cè)試溫度進(jìn)行補(bǔ)償后的結(jié)果。

3)鍵盤輸入的選擇:采用4片BCD撥碼盤作為溫度設(shè)定的輸入單元，輸入范圍為0～9999，可滿足本系統(tǒng)的要求。每位BCD碼盤占4條線，通過上拉電阻接入8255可編程并行I/O擴(kuò)展口。

4)顯示器的選擇:采用字符型LCD(液晶顯示器)模塊TC1602A，并且它把LCD控制器、ROM和LCD顯示器用PCB(印制板)連接到一起，只要向LCD送人相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)便可實(shí)現(xiàn)所需要的顯示，使用特別方便靈活。第1行顯示設(shè)定溫度，第2行顯示實(shí)際溫度，這樣，溫差一目了然，方便控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成。主程序的任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制電加熱爐的正常運(yùn)行。主程序主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集及處理、智能推理等部分組成。主程序如圖2所示。子程序主要有采樣子程序、控制算法子程序、顯示子程序等，其中控制算法子程序是控制器中最重要的一部分，它的原理將在第4節(jié)介紹。 (如圖2)

4 智能控制算法

所謂智能控制算法就是PID算法，模糊自整定PID算法程序的總流程為:首先模糊整定，然后根據(jù)誤差和誤差變化率對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，把經(jīng)過模糊調(diào)整后的PID參數(shù)作為最終的控制參數(shù)進(jìn)行PID控制。溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的最壞情況值均取為100℃，在此建立的溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的基本論域，數(shù)字量化確定e(k)的論域區(qū)間為[-128，128]。這樣就必須對(duì)溫度誤差e和溫度誤差變化率△e超過100°C.變換后的e和△e其動(dòng)態(tài)范圍限幅壓縮，這樣就可以使溫度誤差和溫度誤差變化率△e在整個(gè)測(cè)控溫度變化范圍[0℃，1112°C]內(nèi)，控制量都可以起到作用。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，它具有高可靠性、高性能價(jià)格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。控制器采用新型的智能控制算法，岡而系統(tǒng)升溫快，控溫精度高，穩(wěn)態(tài)誤差可達(dá)±5℃以內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求。采用了K型熱電偶信號(hào)處理集成芯片MAX6675，改變了傳統(tǒng)測(cè)溫電路復(fù)雜、程序復(fù)雜、精度低等問題整個(gè)系統(tǒng)操作簡便，抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠。

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作者簡介:

張?jiān)郊?1982-)，男，遼寧省丹東市人，遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院助教，研究方向:單片機(jī)應(yīng)用