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電熱鍋爐溫度控制器的設(shè)計 作者：李愛民(女) 楊順普 【摘要】 本文介紹了以AT89S51單片機為核心的溫度控制器的設(shè)計,在該設(shè)計中采用高精度的溫度傳感器AD590對電熱鍋爐的溫度進行實時精確測量,用超低溫漂移高精度運算放大器OP07將溫度-電壓信號進行放大,再送入12位的AD574A進行A\D轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)自動檢測,實時顯示及越限報警。控制部分采用PID算法,實時更新PWM控制輸出參數(shù),控制可控硅的通斷時間,最終實現(xiàn)對爐溫的高精度控制。 【關(guān)鍵詞】 水溫控制系統(tǒng) PID控制單片機 溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制,有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量,因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。 一 系統(tǒng)設(shè)計方案的論證與比較 根據(jù)題目要求,電熱鍋爐溫度控制系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等組成。 方案一 采用8031作為控制核心,以使用最為普遍的器件ADC0809作模數(shù)轉(zhuǎn)換,控制上使用對電阻絲加電使其升溫和開動風(fēng)扇使其降溫。此方案簡易可行,器件的價格便宜,但8031內(nèi)部沒有程序存儲器,需要擴展,增加了電路的復(fù)雜性,且ADC0809是8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換,不能滿足本題目的精度要求。 方案二 采用比較流行的AT89S51作為電路的控制核心,使用12位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,控制電路部分采用PWM控制可控硅的通斷以實行對鍋爐溫度的連續(xù)控制,此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度。 綜上分析,我們采用方案二。系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如下。
圖1 控制器設(shè)計總體框圖 根據(jù)溫度變化慢,并且控制精度不易掌握的特點,我們設(shè)計了以AT89S51單片機為檢測控制中心的電熱鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進的PID數(shù)字控制算法,顯示采用3位LED靜態(tài)顯示。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,控制算法新穎,控制精度高,有較強的通用性。所設(shè)計的控制系統(tǒng)有以下功能： · 溫度控制設(shè)定波動范圍小于±1%,測量精度小于±1%,控制精度小于±2%,超調(diào)整量小于±4%; · 實現(xiàn)控制可以升溫也可以降溫; · 實時顯示當(dāng)前溫度值; · 按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、運行鍵、功能轉(zhuǎn)換鍵、加一鍵、減一鍵; · 越限報警。 二 硬件電路設(shè)計 硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分：從功能模塊上來分有：主機電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路。 1 主機電路的設(shè)計 主機選用ATMEL公司的51系列單片機AT89S51來實現(xiàn),利用單片機軟件編程靈活、自由度大的特點,力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的AT89S51芯片時鐘可達12MHz,運算速度快,控制功能完善。其內(nèi)部具有128字節(jié)RAM,而且內(nèi)部含有4KB的flash ROM 不需要外擴展存儲器,可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單、實用。 2 I／0通道的硬件電路的設(shè)計 就本系統(tǒng)來說,需要實時采集水溫數(shù)據(jù),然后經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,送入單片機中的特定單元,然后一部分送去顯示;另一部分與設(shè)定值進行比較,通過PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機輸出去控制電熱鍋爐加熱或降溫。 2.1 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計 數(shù)據(jù)采集電路主要由AD590, 0P07,74LS373,AD574A等組成。由于控制精度要求為0.1 度,而考慮到測量干擾和數(shù)據(jù)處理誤差,則溫度傳感器和AD 轉(zhuǎn)化器的精度應(yīng)更高才能保證控制精度的實現(xiàn),這個精度可處粗略定為0.1 度。故溫度傳感器需要能夠區(qū)分0.1 度;而對于AD 轉(zhuǎn)換器,由于測量范圍為40-90 度,以0.1 度作為響應(yīng)的AD 區(qū)分度要求,則AD 需要區(qū)分(90-40)/0.1=500 個數(shù)字量,顯然需要10 位以上的AD 轉(zhuǎn)換器。為此,選用高精度的12位AD574A。 為了達到測量高精度的要求,選用溫度傳感器AD590,AD590具有較高精度和重復(fù)性(重復(fù)性優(yōu)于0．1℃,其良好的非線形可以保證優(yōu)于0．1℃ 的測量精度,利用其重復(fù)性較好的特點,通過非線形補償,可以達到0.1℃測量精度.)超低溫漂移高精度運算放大器0P07將溫度一電壓信號進行放大,便于A／D進行轉(zhuǎn)換,以提高溫度采集電路的可靠性。模擬電路硬件部分見圖2。  圖2 溫度電壓轉(zhuǎn)換電路 2.2 電控制執(zhí)行電路的設(shè)計 由輸出來控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：
可控硅可以認為是線形環(huán)節(jié)實現(xiàn)對水溫的控制。單片機輸出與電爐功率分別屬于弱電與強電部分,需要進行隔離處理,這里采用光耦元件TLP521 在控制部分進行光電隔離,此外采用變壓器隔離實現(xiàn)弱強電的電源隔離。 單片機PWM 輸出電平為0 時,光耦元件導(dǎo)通,從而使三極管形成有效偏置而導(dǎo)通,通過整流橋的電壓經(jīng)過集電極電阻以及射集反向偏壓,有7V 左右的電壓加在雙向可控硅控制端,從而使可控硅導(dǎo)通,交流通路形成,電阻爐工作;反之單片機輸出電平為0 時,光耦元件不能導(dǎo)通,三極管不能形成有效偏置而截止,可控硅控制端電壓幾乎為零,可控硅截止從而截斷交流通路,電爐停止工作。此外,還有越限報警,當(dāng)溫度低于下限時發(fā)光二極管亮;高上限時蜂鳴器叫。控制執(zhí)行部分的硬件電路如下圖。 圖3 控制執(zhí)行部分電路 3 鍵盤及顯示的設(shè)計 鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計,低電平有效。圖3 中按鍵AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定義如表1所示。 按鍵AN3與P3.2相連,采用外部中斷方式,并且優(yōu)先級定為最高;按鍵AN5和AN4分別與P1.7和P1.6相連,采用軟件查詢的方式;AN1則為硬件復(fù)位鍵,與R、C構(gòu)成復(fù)位電路。 表1 按鍵功能 按鍵 | 鍵名 | 功能 | AN1 | 復(fù)位鍵 | 使系統(tǒng)復(fù)位 | AN2 | 運行鍵 | 使系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)采集 | AN3 | 功能轉(zhuǎn)換鍵 | 按鍵按下(D1亮)時,顯示溫度設(shè)定值;按鍵升起(D1不亮)時,顯示前溫度值 | AN4 | 加一鍵 | 設(shè)定溫度漸次加一 | AN5 | 減一鍵 | 設(shè)定溫度漸次減一 |
顯示采用3位共陽LED靜態(tài)顯示方式,顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個位及小數(shù)點后一位,這樣可以只用P3.0(RXD)口來輸出顯示數(shù)據(jù),從而節(jié)省了單片機端口資源,在P1.4 口和P3.1(TXD)的控制下通過74LS164來實現(xiàn)3位靜態(tài)顯示。數(shù)字電路硬件部分見圖4.  圖4 數(shù)字硬件電路示意圖 三 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運算控制模塊。 1 主程序模塊 在主程序中首先給定PID算法的參數(shù)值,然后通過循環(huán)顯示當(dāng)前溫度,并且設(shè)定鍵盤外部中斷為最高優(yōu)先級,以便能實時響應(yīng)鍵盤處理;軟件設(shè)定定時器T0為5秒定時,在無鍵盤響應(yīng)時每隔5秒響應(yīng)一次,以用來采集經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的溫度信號;設(shè)定定時器T1為嵌套在T0之中的定時中斷,初值由PID算法子程序提供。在主程序中必須分配好每一部分子程序的起始地址,形式如下： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INTO ORG 000BH AJMP TT0 ORG 001BH AJMP TT1 主程序流程圖見圖5。  
圖5 主程序流程圖 圖6 鍵盤及中斷程序圖 2 功能實現(xiàn)模塊 以用來執(zhí)行對可控硅及電爐的控制。功能實現(xiàn)模塊主要由A／D轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。 2.1 T0中斷子程序 該中斷是單片機內(nèi)部5s定時中斷,優(yōu)先級設(shè)為最低,但卻是最重要的子程序。在該中斷響應(yīng)中,單片機要完成A／D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、判斷是否越限、標度轉(zhuǎn)換處理、繼續(xù)顯示當(dāng)前溫度、與設(shè)定值進行比較,調(diào)用PID算法子程序并輸出控制信號等功能。 |
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