基于C51單片機(jī)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 強(qiáng)

0 引言

電加熱爐在冶金、化工、機(jī)械等領(lǐng)域具備廣泛的用途，但是其控制具有非線性、大滯后、大慣性和時(shí)變性等特點(diǎn)，常規(guī)控制方法難以實(shí)現(xiàn)較高的控制精度和響應(yīng)速度。相比之下，經(jīng)典的增量PID控制算法，無需針對(duì)控制對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型，便可實(shí)現(xiàn)較發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)的精確控制。因此，基于簡單的C51單片機(jī)控制器設(shè)計(jì)了電加熱爐溫度控制系統(tǒng)，采用經(jīng)典PID算法進(jìn)行溫度控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該P(yáng)ID控制達(dá)到了較高的溫度控制效果。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由C51單片機(jī)、溫度控制驅(qū)動(dòng)電路、電加熱爐、傳感器陣列、放大和濾波電路、多通道轉(zhuǎn)換開關(guān)、ADC模塊和LCD顯示模塊組成。C51單片機(jī)為普通80C51單片機(jī)，用于整個(gè)系統(tǒng)的控制、傳感器信號(hào)的采集以及電加熱控制算法的實(shí)現(xiàn)。溫度控制驅(qū)動(dòng)電路是電加熱爐和控制器之間的橋梁，實(shí)施電加熱爐的電源開斷的實(shí)現(xiàn)。傳感器陣列采用多個(gè)溫度傳感器，分布在加熱爐的不同地方，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)加熱爐的溫度精準(zhǔn)采集。放大和濾波電路用于進(jìn)行傳感器信號(hào)的放大和濾除干擾信號(hào)。ADC模塊用于采集各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。

溫度傳感器陣列用于感知加熱爐內(nèi)各點(diǎn)溫度，由于爐內(nèi)溫度不均勻，則由各點(diǎn)值平均值作為控制依據(jù)。溫度傳感器均為模擬溫度傳感器，其信號(hào)輸出需要經(jīng)過放大器和濾波器進(jìn)行放大和濾波，之后送至AD轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行多路信號(hào)切換采樣。最終該信號(hào)送至單片機(jī)控制器中，由單片機(jī)控制對(duì)采集值進(jìn)行換算，并將換算值顯示在LCD屏上，同時(shí)，將該溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算誤差值，并將該誤差代入增量PID控制算法，進(jìn)而計(jì)算出控制增量，進(jìn)而產(chǎn)生PWM信號(hào)控制加熱絲進(jìn)行加熱。依次進(jìn)行，直至實(shí)測(cè)溫度值與設(shè)定值之差滿足設(shè)定誤差，即達(dá)到溫度平衡。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器采樣電路

傳感器采樣電路如圖1所示，整個(gè)采樣電路由惠更斯橋和比例放大電路構(gòu)成。傳感器采用Pt電阻絲，其0到500℃的測(cè)量區(qū)間，其電阻變化為100-280.9Ω，該電阻變化可被由R4、R5、R7構(gòu)成的橋式電路采樣得到，進(jìn)而送入由R6、R8、R3、R9和LM324構(gòu)成的比例放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，放大倍數(shù)為20倍，進(jìn)而輸入至下一級(jí)處理電路中。

2.2 控溫驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)對(duì)象一般為低壓低流對(duì)象，電熱爐電熱絲需要通過較大的電流才能進(jìn)行快速加熱，因此，需要設(shè)置溫控驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制引腳與加熱爐的連接。

溫控驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，該電路由非門U2、555定時(shí)器和SSR繼電器構(gòu)成，單片機(jī)控制器通過非門U2控制555定時(shí)器的第2腳，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制555定時(shí)器的PWM波形輸出，該輸出經(jīng)過控制SSR繼電器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電爐絲，從而完成PWM控制。

圖1 傳感 器采樣電路

圖2 溫控驅(qū)動(dòng)電路

2.3 ADC傳感器數(shù)據(jù)采樣電路

圖3 ADC采樣電路

設(shè)計(jì)中選用的A/D轉(zhuǎn)換器為AD574，配合LF398峰值采樣保持電路以及非門構(gòu)成，采樣電路參考電壓由通過條件滑動(dòng)變阻器R3構(gòu)成，電路兩端接+12V和-12V電源，加上模擬輸入，給出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)12位A/D轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，模擬電壓信號(hào)由LF398的3腳輸入，從其5腳OUT端輸出至AD574，經(jīng)過AD574進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換后，其輸出端DB0-DB11用于連接單片機(jī)的IO口，可實(shí)時(shí)讀取轉(zhuǎn)換后的信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，包含時(shí)鐘、中斷和IO等，之后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，一旦有中斷產(chǎn)生表明定時(shí)時(shí)間到，則開始切換開關(guān)進(jìn)行溫度采樣，之后在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字平滑濾波、非線性校正等操作后即可計(jì)算出當(dāng)前測(cè)量溫度，然后將計(jì)算設(shè)置溫度與當(dāng)前溫度進(jìn)行比較，進(jìn)而實(shí)施PID控制算法。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則再次進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，否則持續(xù)進(jìn)行溫度采樣，實(shí)施PID算法，直到溫度達(dá)到設(shè)定值誤差允許范圍以內(nèi)。

圖4 系統(tǒng)算法執(zhí)行流程

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，以及掌握溫度控制的性能情況，我們進(jìn)行相關(guān)的溫度控制測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示，可見在低溫階段，溫度誤差相對(duì)較高，可達(dá)到1%，而在高溫階段，隨著基數(shù)的增加，相對(duì)誤差降低。從表1整體可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的控溫精度非常高，總體誤差可被控制在1%以內(nèi)。

表1 溫度控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

采用C51單片機(jī)，搭配傳感器陣列、控溫驅(qū)動(dòng)電路等設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電加熱爐的溫度控制，經(jīng)過測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在低溫階段，溫度誤差相對(duì)較高，可達(dá)到1%；而在高溫階段，隨著基數(shù)的增加，相對(duì)誤差降低。整體上系統(tǒng)控溫精度非常高，誤差可被控制在1%以內(nèi)。