基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 引言
電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛,因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。其控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié),具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn),導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、控制精度低。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制,具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn),對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹的溫度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有:溫控范圍:300℃~1000℃;恒溫時(shí)間:0~24小時(shí);控制精度:±1℃;超調(diào)量1%。
2 整體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)由單片機(jī)AT89C52、溫度檢測(cè)電路、鍵盤(pán)顯示及報(bào)警電路、時(shí)鐘電路、溫度控制電路等部分組成。系統(tǒng)中采用了新型元件,功能強(qiáng)、精度高、硬件電路簡(jiǎn)單。其硬件原理圖如圖1所示。
圖1 硬件原理圖
在系統(tǒng)中,利用熱電偶測(cè)得電阻爐實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī),單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,通過(guò)液晶顯示器顯示溫度并判斷是否報(bào)警,同時(shí)將溫度與設(shè)定溫度比較,根據(jù)設(shè)定的PID算法計(jì)算出控制量,根據(jù)控制量通過(guò)控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路可以根據(jù)要求進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 溫度檢測(cè)電路
本系統(tǒng)采用的K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶,其可測(cè)量1312℃以內(nèi)的溫度,其線性度較好,而且價(jià)格便宜。K型熱電偶的輸出是毫伏級(jí)電壓信號(hào),最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)與CPU通信。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路采用“傳感器-濾波器-放大器-冷端補(bǔ)償-線性化處理-A/D轉(zhuǎn)換”模式,轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復(fù)雜、精度低。在本系統(tǒng)中,采用的是高精度的集成芯片MAX6675來(lái)完成“熱電偶電勢(shì)-溫度”的轉(zhuǎn)換,不需外圍電路、I/O接線簡(jiǎn)單、精度高、成本低。
MAX6675是MAXIM公司開(kāi)發(fā)的K型熱電偶轉(zhuǎn)換器,集成了濾波器、放大器等,并帶有熱電偶斷線檢測(cè)電路,自帶冷端補(bǔ)償,能將K型熱電偶輸出的電勢(shì)直接轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量,分辨率0.25℃。溫度數(shù)據(jù)通過(guò)SPI端口輸出給單片機(jī),其冷端補(bǔ)償?shù)姆秶?20~80℃,測(cè)量范圍是0~1023.75℃。表1為MAX6675的引腳功能圖。
表1 MAX6675的引腳功能圖
圖2為本系統(tǒng)中溫度檢測(cè)電路。
圖2 溫度檢測(cè)電路
當(dāng)P2.5為低電平且P2.4口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí),MAX6675的SO腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿輸出一個(gè)數(shù)據(jù),16個(gè)脈沖信號(hào)完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出,先輸出高電位D15,最后輸出的是低電位D0,D14-D3為相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)P2.5為高電平時(shí),MAX6675開(kāi)始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用MAX6675時(shí),應(yīng)該注意將其布置在遠(yuǎn)離其它I/O芯片的地方,以降低電源噪聲的影響;MAX6675的T-端必須接地,而且和該芯片的電源地都是模擬地,不要和數(shù)字地混淆而影響芯片讀數(shù)的準(zhǔn)確性。
3.2時(shí)鐘電路
在系統(tǒng)中需要準(zhǔn)確顯示升溫時(shí)間、恒溫時(shí)間等,因而選用了時(shí)鐘芯片DS12887構(gòu)成定時(shí)電路來(lái)完成對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。DS12887具有時(shí)鐘、鬧鐘、12/24小時(shí)選擇和閏年自動(dòng)補(bǔ)償功能;包含有10B的時(shí)鐘控制寄存器、4B的狀態(tài)寄存器和114B的通用RAM;具有可編程方波輸出功能;報(bào)警中斷、周期性中斷、時(shí)鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測(cè)試。使用時(shí)不需任何外圍電路,并具有良好的外圍接口。在本系統(tǒng)中,DS12887的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線與單片機(jī)的P0口相連。通過(guò)定時(shí)器中斷,CPU每隔0.4秒讀一次DS12887的內(nèi)部時(shí)標(biāo)寄存器,得到當(dāng)前的時(shí)間,并送到液晶顯示器進(jìn)行顯示。每當(dāng)電阻爐從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一個(gè)狀態(tài),CPU通過(guò)DS12887把時(shí)間清零,重新開(kāi)始計(jì)時(shí)。此外,通過(guò)DS12887,還可以設(shè)定電阻爐的加熱時(shí)間和恒溫時(shí)間。電路如圖3中所示。
圖3 鍵盤(pán)、時(shí)鐘、報(bào)警和控溫電路
3.3鍵盤(pán)顯示和報(bào)警電路
本系統(tǒng)采用3*3鍵盤(pán),由單片機(jī)I/O口控制,可通過(guò)按鍵設(shè)定溫度和時(shí)間,有的按鍵在不同情況下可以實(shí)現(xiàn)不同功能。顯示器選用點(diǎn)陣字符型液晶顯示器TC1602,系統(tǒng)中將擴(kuò)展芯片8155的P0 口、PC.0~PC.2口與TC1602接口相連,TC1602的顯示形式是16*2行,可顯示爐溫、設(shè)定時(shí)間、實(shí)際時(shí)間等。報(bào)警電路是將單片機(jī)的I/O口與驅(qū)動(dòng)芯片MC1413相連,通過(guò)MC1413驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。鍵盤(pán)電路和時(shí)鐘電路如圖3中所示。
3.4控溫電路
控溫電路包括驅(qū)動(dòng)芯片MC1413、過(guò)零型交流固態(tài)繼電器(Z型SSR)。報(bào)警和控溫電路如圖3中所示。
Z型SSR內(nèi)部含有過(guò)零檢測(cè)電路,當(dāng)加入控制信號(hào),且負(fù)載電源電壓過(guò)零時(shí),SSR才能導(dǎo)通;而控制信號(hào)斷開(kāi)后,SSR在交流電正負(fù)半周交界點(diǎn)處斷開(kāi)。也就是說(shuō),當(dāng)Z型SSR在1秒內(nèi)為全導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),其被觸發(fā)頻率為100HZ;當(dāng)Z型SSR在1秒內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間為0.5秒時(shí),其被觸發(fā)頻率為50HZ。在本系統(tǒng)中,采用PID控制算法,通過(guò)改變Z型SSR在單位時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到改變電阻爐的加熱功率、調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度的目的。
4 軟件設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)軟件中,主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷;爐溫測(cè)定、鍵盤(pán)輸入、時(shí)間確定和顯示、控制算法等都由子程序來(lái)完成;中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)測(cè)溫和讀取時(shí)間。流程圖如圖4所示。
圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖
5 結(jié)語(yǔ)
該系統(tǒng)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)溫電路電路復(fù)雜、程序復(fù)雜、精度低等問(wèn)題;采用時(shí)鐘芯片可以對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)時(shí);采用先進(jìn)PID控制算法控制 、精度高、超調(diào)小;整個(gè)設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、設(shè)定功能多、操作簡(jiǎn)單。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明:其工作穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高、實(shí)用性強(qiáng)、控制效果好、應(yīng)用前景廣。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):改變了傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路采用“傳感器-濾波器-放大器-冷端補(bǔ)償-線性化處理-A/D轉(zhuǎn)換”模式,采用的是高精度的集成芯片MAX6675來(lái)完成“熱電偶電勢(shì)-溫度”的轉(zhuǎn)換,不需外圍電路,接線簡(jiǎn)單,精度高;采用時(shí)鐘芯片便于精確計(jì)時(shí),減小單片機(jī)的負(fù)擔(dān);采用先進(jìn)PID控制算法控制,控制效果好,超調(diào)小。
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