单片机温度测控系统设计
来源:用户上传
作者:
中图分类号：G642 文献标识码： A 文章编号：1672-1578（2011)11-0065-01
1 硬件系统的设计
1.1 系统的组成及工作原理
温度是工业对象中主要的被控参数之一，如冶金、机械、食品、化工各类工业中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制。控制过程是这样的：单片机定时对炉温度进行检测，经A/D转换得到相应的数字量，再送到微机进行判断和运算，得到应有的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。
具体包括：
炉温变化规律控制，即炉温按预定的温度时间关系变化，这主要在控制程序中考虑。
温度控制范围，如400~1000℃，这就涉及到测温元件、电炉功率等得选择。
控制精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律的选择等。
本文用8031单片机实现控制，为了便于用户根据不同的实际需要对工作方式及其他参数组态进行修改，要求所有的参数及组态状况均可通过面板的几个操作键输入、检查、修改，并可在断电情况下，使参数保存半年。为了便于与上级计算机构成两级控制系统，在单片机控制系统中还加入了通信功能。采用RS-232接口，通信速率为1200b/s,2400b/s,800b/s和9600b/s等四种波特率，由用户通过键盘自行按需要选择，系统的测量值和所有设定参数均由LED数码管直接显示，读数清晰，直观。
1.2硬件电路设计
系统采用MCS-51系列的单片机8031，这使Intel公司80年代推出的单片8位计算机，从应用的角度来看，它有集成度高、速度快、处理能力强、扩充性好、寻址范围大等优点。
1.3温度检测元件及变送器、A/D转换芯片的选择
温度检测元件及变送器的选择要考虑温度控制范围和精度要求，对于0~1000℃的测量范围采用热电耦，如镍铬、镍铝热电耦，分度为EU，其输出信号为0~41.32mV，经毫伏变送器，输出0~10mA，然后再经过电流――电压变换电路转换为0~5V电压信号。为了提高测量精度，可将变送器进行零点迁移，例如温度测量范围改为400~1000℃，热电偶给出16.4~41.32mV时，使变送器输出0~10mV，这样使用8位A/D转换器，能使量化误差达到±2.34℃。
1.4自动换挡
该系统采用的转换器转换分辨率低，为提高系统的控温精度，将全量程分为两个阶段。按两挡处理，从一挡进入另一挡采用自动换挡方式，实现的办法是由计算机控制双向模拟开关按温度变化状况自动换挡，一般来说，系统在上电时，首先进入低档工作，由计算机将采样的温度值与换挡温度界限相比，前者高，系统立即进入高档工作，如果前者小于或等于后者，系统继续工作在低档。
1.4.1预置温度和检查预置温度
系统采用键入的方式预置控温值，并将预置的温度值存储起来以备检查，操作人员可以调出并显示预置的控制温度，实现的办法是用一个显示选择开关进行选择。当显示选择开关接高电平时，系统将显示预置温度值，当显示选择开关接低电平时，系统显示采集温度值。
1.4.2显示温度
由采样得到的温度电压信号经放大、A/D变换及计算形成十进制的温度值，由计算机依次送到对应位，数码管显示温度。
1.4.3温度控制电路
温度控制电路采用可控硅调功率方式，双向可控硅串在50Hz交流电源和加热丝电路中。只要在给定周期里改变可控硅开关的接通时间，就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度调节。
2 软件系统的设计
2.1控制规律
电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程：比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节炉子的加热功率，从而实现对炉温的控制，该控制系统采用只调整一个参数的PID控制形式。
2.2主程序设计
整个系统包括管理程序和控制程序两部分，管理程序是对显示LED进行动态刷新，控制指示灯、处理键盘的扫描和响应、进行掉电保护的处理、执行中断服务操作等。控制程序是对被控对象进行采样、数据处理，根据控制算法进行计算和输出等。由于整个系统软件相当庞大，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制采用了模块化的结构，即整个控制软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，原则是模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散，按功能形成模块化结构。
系统控制程序采用两重中断嵌套方式来设计。首先使定时器产生每秒一次的定时中断，作为本系统的采样周期，在其中断服务程序中启动A/D、读入采样数据、进行数字滤波、上下限报警处理、PID计算等，然后输出控制脉冲信号。脉冲的宽度则由计数器溢出中断决定。从定时器中断返回后，再返回主程序并继续显示本次采样温度，等待下次定时器中断。
3 结论
本文采用归一参数整定法的数字PID调节器对电阻炉的炉温进行控制，通过调节比例系数来调节控制效果。根据偏差的比例（P），积分（I），微分（D）进行控制，是控制系统中应用最广泛的一种控制规律，用计算机实现PID控制，不是简单的把模拟PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能相结合，使PID控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求，对于一阶惯性纯滞后电阻炉炉温控制系统，采用传统的PID调节，三个参数的调整比较繁琐，本文采用归一化参数整定法，即只整定一个参数K能得到满意的控制效果，采用双向控制可控硅调控先进技术，是利用铂电阻对温度进行采样，由采样温度与控温值比较的结果实现对温度进行控制。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-9627968.htm
