[基于单片机的电加热炉温度控制系统]电加热炉温度控制系统

来源:自然科学 发布时间:2019-05-12 05:54:10 点击:

  摘要: 本文中介绍了以单片机AT89C51作为核心元件构成的电加热炉温度控制系统的工作原理,详细说明了采用的新型元件,分析了系统硬件结构,最后给出了系统流程图。   关键词: 单片机;电加热炉;温度测量;控制系统
  
  引 言
  
  随着科技发展和工业生产水平不断提高,电加热炉已在化工、冶金、机械等工业控制中得到广泛应用。可是对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象,很难用数学方法建立精确的数学模型,因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。
  单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点,在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制,可以提高控制质量和自动化水平。
  
  1 单片机炉温控制系统结构
  
  单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。
  炉温信号通过温度检测及变送,变成电信号,与温度设定值进行比较,计算温度偏差e和温度的变化率△e,再由智能控制算法进行推理,最终得控制量u,可控硅输出部分根据调节电加热炉的输出功率,即改变可控硅管的接通时间,使电加热炉输出温度达到理想的设定值。
  
  2 系统硬件设计
  
  2.1 系统硬件结构
  以AT89C51单片机为该控制系统的核心,实现对温度的采集、检测和控制。系统采集到的炉内温度信号转换为数字量与炉温数字化后的给定值进行比较,即可得到实际炉温和给定炉温的偏差及温度的变化率。由AT89C51构成的核心控制器按智能控制算法进行推算,得出所需要的控制量。由单片机的输出通过调节可控硅管的接通时间,改变电炉的输出功率,起到调温的作用。
  2.2 系统硬件的选择
  
  1)控制核心的选择:选择AT89C51单片机构成炉温控制系统,系统工作过程中能有效地保存一些数据信息,不受系统掉电或断电等突发情况的影响。AT89C51单片机内部有128 B的RAM存储器,不够系统使用,因此,扩展6264(8 kB)的RAM作为外部数据存储器。
  2)热电偶的选择:在本系统中,采用的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势-温度”的转换, MAX6675是MAXIM公司开发的K型热电偶转换器,内部具有信号调节放大器、12位ADC、冷端补偿二极管、模拟开关和数字控制器。测得的环境温度转换成电压量,通过处理热电偶电压和二极管的检测电压,计算出补偿后的热端温度。数字输出是对热电偶测试温度进行补偿后的结果。
  3)键盘输入的选择:采用4片BCD拨码盘作为温度设定的输入单元,输入范围为0~9999,可满足本系统的要求。每位BCD码盘占4条线,通过上拉电阻接入8255可编程并行I/O扩展口。
  4)显示器的选择:采用字符型LCD(液晶显示器)模块TC1602A,并且它把LCD控制器、ROM和LCD显示器用PCB(印制板)连接到一起,只要向LCD送人相应的命令和数据便可实现所需要的显示,使用特别方便灵活。第1行显示设定温度,第2行显示实际温度,这样,温差一目了然,方便控制。
  
  3 系统软件设计
  
  本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统进行初始化,实现参数输入,并控制电加热炉的正常运行。主程序主要由系统初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。主程序如图2所示。子程序主要有采样子程序、控制算法子程序、显示子程序等,其中控制算法子程序是控制器中最重要的一部分,它的原理将在第4节介绍。 (如图2)
  
  
  4 智能控制算法
  
  所谓智能控制算法就是PID算法,模糊自整定PID算法程序的总流程为:首先模糊整定,然后根据误差和误差变化率对PID的3个参数进行在线调整,把经过模糊调整后的PID参数作为最终的控制参数进行PID控制。温度误差e和温度误差变化率△e的最坏情况值均取为100℃,在此建立的温度误差e和温度误差变化率△e的基本论域,数字量化确定e(k)的论域区间为[-128,128]。这样就必须对温度误差e和温度误差变化率△e超过100°C.变换后的e和△e其动态范围限幅压缩,这样就可以使温度误差和温度误差变化率△e在整个测控温度变化范围[0℃,1112°C]内,控制量都可以起到作用。
  
  5 结束语
  
  本系统以单片机AT89C51为核心,它具有高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点。控制器采用新型的智能控制算法,冈而系统升温快,控温精度高,稳态误差可达±5℃以内,满足系统要求。采用了K型热电偶信号处理集成芯片MAX6675,改变了传统测温电路复杂、程序复杂、精度低等问题整个系统操作简便,抗干扰能力强、运行可靠。
  
  参考文献:
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  作者简介:
  张越佳(1982-),男,辽宁省丹东市人,辽宁地质工程职业学院助教,研究方向:单片机应用

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