王其利，李宗玉，欒新強(qiáng)

（1.山東鋁業(yè)第二工程公司，山東淄博 255000；2.山東水利職業(yè)學(xué)院，山東日照 276826；3.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261000）

1 引言

溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。近年來(lái)，溫度檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對(duì)國(guó)外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要在控制算法方面，國(guó)內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的被控對(duì)象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類：動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如發(fā)酵過(guò)程的溫度控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠燃燒爐中的溫度控制等；恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一給定數(shù)值，且要求其波動(dòng)幅度（即穩(wěn)態(tài)誤差）不能超過(guò)某允許值。本文所討論的基于單片機(jī)的遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)溫度控制系統(tǒng)就是要滿足遠(yuǎn)紅外烘干箱中溫度控制的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱的恒值溫度控制。

2 遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)溫控系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)與普通烘干機(jī)在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要是：前者將遠(yuǎn)紅外輻射元件布置在爐膛內(nèi)部，以熱輻射加熱為主，對(duì)流為輔，利用輻射對(duì)受烘干物直接加熱；普通烘干機(jī)將熱源置于爐膛之外的加熱介質(zhì)，利用對(duì)流熱風(fēng)循環(huán)為主。

本文所述遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)是用來(lái)烘干各種蔬菜、糧食等，達(dá)到便于儲(chǔ)存目的的裝置。烘干機(jī)采用箱式結(jié)構(gòu)，將遠(yuǎn)紅外輻射器布置在爐膛內(nèi)部，以輻射加熱為主，對(duì)流為輔，利用輻射對(duì)受熱物直接加熱。在加熱過(guò)程中受熱物料是緩慢運(yùn)動(dòng)的。此烘干裝置的加熱系統(tǒng)采用了先進(jìn)的遠(yuǎn)紅外輻射傳熱技術(shù)，加熱元件使用了遠(yuǎn)紅外乳白石英加熱管。遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)共有2個(gè)烘干箱，4個(gè)溫區(qū)，而因箱體較大，則每個(gè)溫區(qū)又應(yīng)分為兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行控制，即要對(duì)整個(gè)烘干機(jī)分為8個(gè)區(qū)域來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量和控制，各個(gè)區(qū)域溫度測(cè)量和控制的原理完全相同。在烘干過(guò)程中，箱體內(nèi)的溫度控制，測(cè)溫范圍0℃～125℃，控制精度1℃，功率單層約為50kW?；谝陨系母鞣N要求，設(shè)計(jì)了此溫度控制系統(tǒng)，以便滿足烘干機(jī)所要求的溫度范圍，及其精度。

本文所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)硬件按功能大致可以分為以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹骺啬K、輸入通道、輸出通道、報(bào)警電路等。硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由結(jié)構(gòu)框圖可見(jiàn)，溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，并擴(kuò)展外部芯片構(gòu)成主控模塊。溫控箱的溫度通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)，再通過(guò)8位的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波之后，一方面將溫控箱的溫度通過(guò)控制面板上的液晶顯示器顯示出來(lái)；另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過(guò)控制雙向晶閘管控制周期內(nèi)的通斷占空比（即控制溫控箱加熱平均功率的大?。?，達(dá)到對(duì)溫控箱溫度進(jìn)行控制的目的。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過(guò)了系統(tǒng)給定的極限安全溫度，報(bào)警電路會(huì)做出反應(yīng)，保護(hù)溫控箱。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)際情況綜合考慮，溫度控制系統(tǒng)選用AT89C52單片機(jī)作為主控模塊的核心芯片。溫度控制系統(tǒng)的硬件部分包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)89S52、I／O芯片8155H、PT100溫度傳感器、運(yùn)算放大器OP07、放大器 INA118、A／D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809、電壓基準(zhǔn)芯片MC1403D、晶閘管輸出電路、鎖存器74LS374、液晶顯示器 OCMJ4×8C、鍵盤、報(bào)警輸出電路、直流穩(wěn)壓電源模塊。

3 溫度控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 電源電路

系統(tǒng)所用直流電源由三端集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源提供。設(shè)計(jì)中選用了LM7805三端集成穩(wěn)壓器，提供+5V、輸出電流為IA。LM78O5的連接方法是變壓器將220V的市電降壓后再通過(guò)整流橋整流之后，采用大容量的電解電容進(jìn)行濾波，以減小輸出電壓紋波。由于電解電容器在高頻下工作存在電感特性，對(duì)于來(lái)自電源側(cè)的高頻干擾不能抑制，因此在整流電路后加入高頻電容改善紋波。電源電路如圖2所示。

3.2 溫度傳感器與單片機(jī)接口電路

溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測(cè)溫原理的不同，使得其測(cè)量溫度的范圍、測(cè)量精度也各不相同。因此在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)選擇不同的溫度傳感器。Ptl00型鉑電阻，在-200℃到850℃范圍內(nèi)是精度最高的溫度傳感器之一。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學(xué)性能都非常穩(wěn)定，耐氧化能力很強(qiáng)，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。這些特點(diǎn)使得鉑電阻溫度傳感器具有信號(hào)強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好的特點(diǎn)。由于在本系統(tǒng)中，測(cè)溫范圍較大（室溫到600℃之間），且要求檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好，因此選用Pt100鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。熱電阻與單片機(jī)接口電路包括恒流源電路、電壓放大、A／D轉(zhuǎn)換接口電路。A／D轉(zhuǎn)換電路選用CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809，恒流源電路如圖3所示，放大電路如圖4所示。

圖2 電源電路圖

3.3 晶閘管與單片機(jī)接口電路

圖3 恒流源電路

圖4 電壓放大電路圖

目前多數(shù)溫控系統(tǒng)均采用晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。晶閘管的控制模式有兩種：相位控制和零位控制（分配式零位控制、時(shí)間比例零位控制）。本系統(tǒng)采用分配式零位控制的模式，控制溫控箱加熱電阻的平均加熱功率，進(jìn)而控制溫控箱的溫度，晶閘管配套使用的是MOC3061光電耦合雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)器，與一般的光耦合器件不同之處是MOC3061輸出部分是硅光敏雙向晶閘管，還帶有過(guò)零觸發(fā)檢測(cè)器，以保證電壓接近零時(shí)觸發(fā)晶閘管正常。晶閘管輸出電路如圖5所示。

3.4 加熱管控制電路

單片機(jī)通過(guò)晶閘管控制加熱管，加熱管控制電路如圖6所示。

圖5 晶閘管輸出電路

4 溫度控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

圖6 加熱管控制電路

4.1 主程序的設(shè)計(jì)

主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化，構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，初始化包括對(duì)單片機(jī)的初始化、A／D芯片初始化和串口初始化等。然后等待溫度設(shè)定，若溫度已經(jīng)設(shè)定好了，判斷系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下，若系統(tǒng)運(yùn)行，則依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。主程序的程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

圖8 增量式PID控制算法程序流程圖

4.2 溫度控制系統(tǒng)控制方案

PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，盡管有許多先進(jìn)的控制方法不斷推出，但由于PID控制方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定；P、I、D控制規(guī)律各自成獨(dú)立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行組合；PID控制方法使用的時(shí)期較長(zhǎng)，控制工程師們已經(jīng)積累了大量的參數(shù)調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)。因此，PID控制器在工業(yè)控制中仍然被廣泛地應(yīng)用著。

增量式PID控制算法與位置式控制算法比較，有以下一些優(yōu)點(diǎn)。

（l）位置式算法每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差。而增量控制算法只須計(jì)算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計(jì)算誤差或者精度不足時(shí)，對(duì)控制量的影響較小，且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；

（2）由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動(dòng)作影響小，而且必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行有利；

（3）手動(dòng)／自動(dòng)切換時(shí)沖擊比較小。

鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)的控制算法采用增量式的PID控制算法。其程序流程如圖8所示。

5 結(jié)論

溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中起著非常重要的作用。本文完成了基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)，試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)控制方法采用PID算法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定，P、I、D 控制規(guī)律各自成獨(dú)立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行組合；該系統(tǒng)根據(jù)不同區(qū)域的溫度要求進(jìn)行控制，可以滿足烘干過(guò)程中的溫度控制的需要，溫度控制精度較高，自適應(yīng)性較好。該系統(tǒng)經(jīng)改裝可用于許多工業(yè)上需要溫度控制的場(chǎng)合，具有重要的市場(chǎng)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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