雙單片機電阻爐溫度控制系統設計及仿真

陳 慧

CHEN Hui

（華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013）

0 引言

電阻爐廣泛應用于工礦企業、科研院所等場合，用作元素分析測定和鋼件淬火、退火、回火熱處理的加熱設備。單片機以其體積小、價格低、功耗低、控制能力強的優點，已經成為了電阻爐溫度控制領域的核心器件[1,2]。

然而，當前大多數電阻爐溫度控制系統采用一個單片機核心器件[3,4]，當CPU處理能力不夠就會造成“瓶頸”現象：例如當使用A/D轉換器或計算處理時間長時，人機接口和監控程序就難以使用。為解決上述“瓶頸”問題，同時又兼顧到經濟性原則，本文設計了基于低端雙單片機結構的電阻爐溫度控制系統，該系統在并行處理信息、實時采集數據及可靠性等方面具有優勢。

1 控制系統設計方案

本設計采用兩個ATMEL公司生產的51系列單片機AT89S52：其中單片機U1用作實時控制；單片機U2用作監控機，主要完成人機對話和輔助計算功能。

有關雙機數據交換[5～7]，可考慮3種方式：1）采用串行總線，這種方法硬件簡單但傳輸速度比較慢；2）采用并行總線，其速度較高但考慮到兩個CPU 時鐘同步問題因而硬件比較復雜；3）采用存儲器方式，其傳輸速度比較快且對時鐘同步性要求也不很嚴格。在此，本著提高性能與降低成本相結合的設計原則，采用第3種方式即由雙端口RAM承擔雙機信息的互換。系統原理框圖如圖1。

圖1 系統原理框圖

2 控制系統硬件設計[8,9]

系統硬件電路由3部分組成：1）實時控制模塊；2）人機交互模塊；3）雙機通訊模塊。

2.1 實時控制模塊[10]

該模塊以單片機U1為控制核心，可以分為溫度檢測電路和輸出控制電路兩部分，如圖2、圖3所示。

圖2為溫度檢測電路。熱電偶將溫度轉換為0-41.32mv電壓輸出，經毫伏變送器轉換成4-20mA電流，再經過電流/電壓轉換成0-5V電壓信號，由ADC0809轉換為8位的數字量送到單片機U1的P0口。圖3為輸出控制電路。單片機U1的P1.0引腳輸出控制信號，經過零觸發電路去控制雙向晶閘管，通過改變雙向晶閘管的導通時間來改變加熱功率，達到調節溫度的目的。當P1.0=1時，雙向晶閘管導通，P1.0=0時則截止；可控硅在給定周期的100%時間內接通時的功率最大，這時加熱溫度最高。圖中同步過零脈沖信號接U1的T0、T1腳，用來記數定時周期和控制輸出波頭數。

圖2 溫度檢測電路

圖3 輸出控制電路

2.2 人機交互模塊

人機交互模塊由圖4，由四個獨立的發光二極管（作為電源指示燈、PID正常運行指示燈、上限報警指示燈和下限報警指示燈）顯示電路和兩個4位7段數碼管動態顯示電路以及四個獨立按鍵電路和一個復位按鍵電路共同組成。

圖4 人機交互模塊

2.3 雙機通訊模塊

以雙端口靜態存儲器芯片DS1609作為兩單片機的數據交換器，基本原理為：需要送出數據的一方先把數據送入DS1609中，然后接收數據的一方對DS1609中的同一地址進行讀取，完成數據交換。

圖5 雙機通訊模塊

3 控制系統軟件設計

單片機U1的軟件包括主程序（負責初始化及通過DS1609與單片機U2進行聯系）、T0及T1中斷服務程序（T0中斷服務程序進行采樣、濾波、標度轉換、越限處理、控制顯示溫度；T1中斷服務程序主要控制雙向可控硅的通斷）、采樣子程序（ADC0809以查詢方式對IN0通道采樣4次）、數字濾波子程序（采用防脈沖干擾平均值法濾波對4次采樣值處理得平均值，以備PID運算和溫度標度轉換使用）、標度轉換子程序（參數經A/D轉換后得到的數碼值僅對應于參數的大小并不等于原來帶有量綱的參數值，故必須把它轉換成帶有量綱的數值以便顯示）、PID運算子程序（控制原理是先求出實測溫度對所需溫度的偏差值，對偏差值處理而獲得控制信號去調節電阻爐的加熱功率）及其它子程序（如為進行采樣值數碼顯示而加入二至十進制轉換子程序和壓縮BCD碼變成單字節BCD碼子程序；為求取PID運算而加入將鍵盤設定值進行十至二進制轉換的子程序等）。

單片機U2的軟件主要包括鍵盤監控程序和顯示輸出程序。1）鍵盤監控程序設計。本系統功能較為復雜，考慮到如果采用一鍵一義監控會由于按鈕過多，致使成本增加且面板難以布置用戶操作也不方便，因而本設計采用一鍵多義的鍵盤監控程序。具體是：采用狀態順序編碼設計狀態圖，構造兩張表（即狀態表和索引表），監控程序根據現態碼和鍵碼查表一方面可找到任務模塊WORK0～WORK15中相應的某一項予以執行發出運行命令，另一方面可用于下次判斷處理所需的次態NEXT項。2）顯示輸出程序設計。顯示輸出程序包括初始化、通過DS1609獲取單片機U1數據、控制設定溫度值顯示和當前溫度值顯示。

本系統程序眾多，由于篇幅所限具體程序流程圖及源代碼從略。

4 控制系統仿真調試

4.1 程序仿真調試

采用Keil軟件進行程序仿真調試。程序首先通過匯編及語法錯誤檢查，然后在仿真CPU中進行調試直至正確，則可保存其生成的目標文件（HEX文件）供單片機使用。圖6、圖7為某程序仿真調試過程圖。

圖6 程序通過匯編

圖7 程序進行調試

4.2 硬件仿真調試

硬件仿真調試利用proteus軟件[11]，上述keil軟件生成的HEX文件將在proteus環境中的中導入單片機進行仿真。圖8為對PID閉環控制的仿真，其中比例系數Kp=1.4、積分時間常數Ti=1、微分時間常數Td=6。從圖9可以看出，該PID閉環系統可以很快（穩定時間為32.7s）達到溫度設定值，故系統達到了預先快、準、穩的要求。

5 結束語

本次設計的雙單片機電阻爐溫度控制系統能有效解決原有單一單片機系統面臨的當使用速度相對較慢的A/D轉換器或當計算處理時間長時，人機接口和監控程序難以使用的問題。該系統響應速度快，存儲容量大，CPU使用率小，因此在并行處理和實時采集數據等方面具有優勢，且穩定性和可靠性也更好。

圖8 PID閉環控制的模擬

圖9 仿真結果圖像

[1]余永權.單片機在控制系統中的應用[M].北京：電子工業出版社,2003.

[2]杜靜,王振民.電阻爐的溫度控制系統[J].機械管理開發,2005,82(1)：3-4.

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[9]宗光華,李大寨.多單片機系統應用技術[M].北京：國防工業出版社,2003.

[10]鄧胡濱.電子電路Protel 98實用教程 [M].北京：中國水利水電出版社,2000.

[11]周潤竟,張麗娜.基于PROTEUS的電路及單片機系統設計與仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社,2006.