基于80C52單片機的電加熱數(shù)字恒溫控制系統(tǒng)設計

摘要：針對傳統(tǒng)電加熱溫度測控系統(tǒng)存在的普遍問題和數(shù)字控制控儀表的設計要求，提出了基于數(shù)字PID控制算法和89C52單片機的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用AD590傳感器檢測溫度，溫度信號經(jīng)A／D8080轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機與設定值比較后，執(zhí)行PID控制算法，并給出控制量去調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)脈沖，從而實現(xiàn)溫度的實時顯示與實時控制。實驗結果表明：該控制器具有靜態(tài)精度高，自適應能力強，可靠性高，抗干擾性強的特點，使爐溫達到了很好在控制效果。
關鍵詞：溫度控制；數(shù)字PID；單片機；電加熱

電加熱爐是科學實驗、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中量常見也是最常用的加熱設備，由于爐子種類與規(guī)格、加熱對象的不同，它們所構成的系統(tǒng)千差萬別。溫度作為一個重要檢測和控制參數(shù)，對其控制的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。電加熱爐種類繁多，控參數(shù)通常具有時變性、非線性、不確定性等特點，對其控制方案的研究不論在基地式儀表時代還在現(xiàn)在的智能化儀表時代，都是很熱門的對象。在現(xiàn)有溫度控制儀表的配置加熱系統(tǒng)中，大多數(shù)只配有一組加熱元件，當溫度達到調(diào)控點時，便切斷電源進行保溫，隨著時間的推移，溫度降到一定數(shù)值后啟動該組件元件的電源供電進行加熱，從此周而復始，動作頻繁。用作測溫的傳感器，當溫度上升到設定點溫度時，必然有一個時間的滯后性，使被控溫場沖過溫控點，而過沖幅度與熱功率的大小成正比，與溫場的大、小成反比。PID控制器雖然具有結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點，但加熱系統(tǒng)與PID控制器設計的不匹配現(xiàn)象也廣泛存在。本文采用80C52單片機、數(shù)字PID算法來設計的電加熱式恒溫控制系統(tǒng)，參數(shù)調(diào)整方便，實時性能好，達到超前控制的目的，具有遲滯控制穩(wěn)定性的抗干擾能力，可以大大提高控制質(zhì)量和自動化水平，實現(xiàn)發(fā)溫度控制儀表的數(shù)字化與智能化。本系統(tǒng)可應用于孵蛋、細菌培育等恒溫系統(tǒng)進行溫度控制。

1 控制方案設計
溫度場是一個梯度場，溫度的上升或下降隨時間緩慢變化。電加熱爐溫度控制過程可以用自然降溫、程序升溫和恒溫保持3個分過程來描述。自然降溫：停止加熱，環(huán)境溫度在整個過程中保持不變，受控溫度場最終穩(wěn)定為環(huán)境溫度。程序升溫過程：給定電壓值為一變化值，由程序控制逐漸變化，最終使爐溫的穩(wěn)定在給定值上。恒溫保持：給定爐溫為一定值，使爐溫穩(wěn)定在給定值上，這時受控場溫度恰好抵消散
熱因素的影響而能夠維持在所設定的溫度。實驗和經(jīng)驗表明，電加熱爐對象可近似為一個純滯后環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)為：

τ為純滯后時間，K為放大倍數(shù)，T為慣性時間。在滯后時間和慣性時間均不太大、控制對象非線性小，參數(shù)時變性小的場合，RID控制是一種最直接最有效的控制方法。本文采用數(shù)字PID控制技術，設計了一個實驗室可用、中小型的、溫度在環(huán)境溫度至此320℃范圍內(nèi)可調(diào)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖1所示。

系統(tǒng)采用溫度傳感器對爐膛內(nèi)的實時溫度進行檢測、轉(zhuǎn)換、采樣，所得的檢測信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入單片機，并與單片機內(nèi)預先設定的溫度給定值加于比較得出偏差，偏差送入控制器，單片機執(zhí)行偏差的PID數(shù)字運算得到可控硅的觸發(fā)脈沖，并由這個觸發(fā)脈沖調(diào)節(jié)可控硅的導通時間，從而調(diào)節(jié)電爐絲與風扇的兩端電壓形成控制作用，使爐溫保持恒定。

2 軟、硬件設計
2．1 硬件系統(tǒng)設計
控制器的核心是80C52單片機，其硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)采用AD590溫度傳感器電路把溫度轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓信號，再由轉(zhuǎn)換器A／D 8080轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機80C52。單片機根據(jù)系統(tǒng)的給定溫度和實際測量值比較得出偏差，再利用PID算法求出控制量U(kT)。通過U(kT)來決定輸出觸發(fā)脈沖的寬度。從而控制可控硅的導通時間，最終達到控制溫度的目的。