張運(yùn)詩，仲兆準(zhǔn)，鐘勝奎，謝光偉

(1．蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州　215021；2．蘇州大學(xué)沙鋼鋼鐵學(xué)院，江蘇蘇州　215021)

0　引言

干燥是一種古老的操作，也是高能耗的操作工藝之一，隨著社會的不斷進(jìn)步，對于干燥的要求也越來越高，特別是在能源緊張的今天，干燥工藝是否節(jié)能越來越受到工業(yè)界的關(guān)注[1]。在實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)楦稍锉旧硇枰罅康臒崃咳フ舭l(fā)水分或者其他溶劑，大部分干燥工藝的熱效率偏低。傳統(tǒng)的高能耗的干燥設(shè)備和高品質(zhì)的產(chǎn)品要求，使得在過去的幾十年來對于干燥技術(shù)的研究和投入持續(xù)不斷。霧化干燥是一種已被工業(yè)界廣泛接受的干燥工藝，其基本原理是利用霧化器將一定濃度的料液噴射成霧狀液滴，落入一定流速的熱氣流中，使之迅速干燥，獲得粉狀產(chǎn)品[2]。

在這整個(gè)過程中，對于溫度的控制極其重要，由于存在著熱損耗、空氣流速、霧狀液滴分布、霧化壓力等因素，對于溫度的控制也比較復(fù)雜。同時(shí)，最后獲得的產(chǎn)品的情況與溫度密切相關(guān)。目前而言，國內(nèi)外對于噴霧干燥儀的溫度控制的研究也一直沒有間斷過，對于噴霧干燥儀的溫度檢測與控制系統(tǒng)的研究具有非常重要的意義。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于上述討論，設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)控制的溫度控制系統(tǒng)。

這種系統(tǒng)所需要的器件都是日常的元器件，而且價(jià)格低廉，較大程度上解決了價(jià)格問題，能夠滿足實(shí)際中的需要，容易和其他的產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，應(yīng)用價(jià)值較大[3]。同時(shí)，靜電收集具有效率高、無污染等多個(gè)好處，因此在這里采用高壓靜電收集方法進(jìn)行粉末收集。其主要示意圖如圖1所示。

圖1　整體結(jié)構(gòu)示意圖

1．1系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的是對霧化干燥儀中溫度的精確快速測量與控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是：采用單片機(jī)作為核心芯片，利用Pt100來感受溫度，通過溫度變送器轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 V的模擬電壓信號，經(jīng)過PCF8591芯片的A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)。在單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過濾波，一方面送給PID程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，另一方面送給LCD顯示模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度和參數(shù)的修改。經(jīng)過PID程序處理后的數(shù)據(jù)，通過PCF8591芯片的D/A轉(zhuǎn)換功能，輸出0～5V的電壓信號，加到移相調(diào)壓模塊控制端，進(jìn)而改變加熱管兩端的電壓信號。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的溫度檢測和控制精確、快速，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)中的要求。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1．2精確保證和實(shí)現(xiàn)方法

在霧化干燥儀溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用集成式模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將A/D、D/A功能集成在一塊電路板上，通過串行通信方式，一方面可以大大的減少I/O端口的使用，另一方面可以降低干擾[4]。

通過改變加熱管兩端電壓進(jìn)行溫度控制，這種控制方法簡單易行，只需要通過軟件來實(shí)現(xiàn)輸出電壓數(shù)值的改變就可以實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，避免了由于物理機(jī)理造成的誤差或者不足[5]。

1．3越警限制

系統(tǒng)中采用了超過設(shè)定值報(bào)警的設(shè)置，當(dāng)實(shí)際測量的溫度超過設(shè)定的溫度時(shí)，單片機(jī)就會啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警程序，提醒溫度過高。這時(shí)候，就會通過執(zhí)行程序自動(dòng)的改變輸出值來減少加熱管兩端的電壓，進(jìn)而減少熱量的產(chǎn)生，最終使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。

2　閉環(huán)控制系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際溫度大于、等于還是小于設(shè)定溫度，使輸出的電壓降低、不變和增大，以此來進(jìn)行溫度的自動(dòng)控制。溫度的差值送給軟件程序中的PID程序，經(jīng)過計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號。

PID控制是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方法，適用于高精度測量控制的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中正是采用這種控制來產(chǎn)生移相調(diào)壓模塊的控制信號，進(jìn)而改變加熱管兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)溫度的快速檢測與控制。

PID算法的增量式表達(dá)式為：

=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

=(KP+KI+KD)e(k)-(KP+2KD)e(k-1)+KDe(k-2)

式中：k為控制系統(tǒng)的第k次采樣，假設(shè)s(k)為設(shè)定溫度，y(k)為實(shí)際測量的采樣溫度；u(k)則為k時(shí)刻移相調(diào)壓模塊控制信號對應(yīng)的數(shù)值；KP為PID調(diào)節(jié)的比例系數(shù)；e(k)=y(k)-s(k)為誤差；T為采樣周期；Tl為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

3　硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源、按鍵及顯示、溫度控制模塊、溫度采集模塊、執(zhí)行控制溫度的模塊[6]。

3．1單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，同時(shí)性能良好，價(jià)格低廉，完全能夠滿足設(shè)計(jì)的需要。

在設(shè)計(jì)中，采用STC89C52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心處理器，在控制時(shí)，單片機(jī)接收變送器傳來的溫度數(shù)值，并且在單片機(jī)內(nèi)部將實(shí)際溫度信號和設(shè)定好的溫度進(jìn)行比較，經(jīng)過PID算法得到控制信號，利用軟件來實(shí)現(xiàn)溫度的控制，就可以調(diào)節(jié)控制信號的大小，控制加熱管兩端的電壓，利用軟件編程，能夠更加靈活的實(shí)現(xiàn)控制目的。

3．2溫度采集及變送模塊

設(shè)計(jì)中考慮到溫度的檢測需要一個(gè)穩(wěn)定的器件，經(jīng)過比較，選擇比較穩(wěn)定且性能良好的Pt100熱敏電阻。熱敏電阻感受到的溫度信號經(jīng)過溫度傳感器[7]轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 V的電壓信號，這種信號可以被A/D模塊接受，避免了將電流信號或者其他范圍的電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況發(fā)生。

3．3A/D，D/A轉(zhuǎn)換模塊

為了更好的利用單片機(jī)I/O資源，系統(tǒng)采用的是PCF8591芯片，電源是5 V直流電源，可以直接使用單片機(jī)自帶5 V直流接口；同時(shí)使用的是I2C總線進(jìn)行通信，它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。

3．4移相調(diào)壓模塊

由于單個(gè)加熱管功率有限，系統(tǒng)采用加熱管并聯(lián)的方法得到較高的溫度，而對于加熱管兩端電壓的控制，采用的是移相調(diào)壓模塊來實(shí)現(xiàn)，輸入電壓是220 V交流電，控制信號為0～5 V電壓信號。通過改變控制信號的大小就可以改變調(diào)壓模塊的輸出，在不同的電壓下，加熱管產(chǎn)生的熱量自然也就不同。而移相調(diào)壓模塊的控制信號則是由PID計(jì)算產(chǎn)生的結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的，這樣就可以通過程序來控制加熱管產(chǎn)生的熱量。

3．5按鍵和顯示設(shè)計(jì)

為避免I/O的不足或者進(jìn)行功能擴(kuò)展，采用矩陣鍵盤的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于信息的顯示，放棄使用傳統(tǒng)的LED顯示，采用的是LCD顯示屏，采用LCD模塊可以人性化的顯示需要的一些信息，也可以使顯示界面更加美觀[8]。

在系統(tǒng)中采用的OCMJ15X20D型中文液晶顯示模塊，在使用時(shí)首先按圖3進(jìn)行接線，其中DB0～DB7是數(shù)據(jù)接口，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，液晶顯示模塊內(nèi)建有中文顯示字型與半型字型。還提供字型放大的功能、粗體字顯示功能、行距設(shè)定功能、圖層顯示功能、圖形繪制功能和觸摸式面板功能等，利用各個(gè)寄存器指令可以完成這些功能。

圖3　COMJ15X20D顯示屏外部接線

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中，采用的是單片機(jī)或者嵌入式開發(fā)常用工具KEIL軟件，這種軟件可以很方便的進(jìn)行調(diào)試和仿真，編程語言選擇可移植性較好的C語言。其中需要注意的是，熱敏電阻呈現(xiàn)一定的非線性，在設(shè)計(jì)中利用Matlab軟件進(jìn)行擬合，得到一個(gè)溫度和溫度變送器輸出電壓的關(guān)系公式。主要程序結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　軟件結(jié)構(gòu)圖

4．1主程序

主程序主要包括主要寄存器的復(fù)位和LCD顯示模塊、PCF8591的復(fù)位，以及I2C總線的復(fù)位，同時(shí)為了避免定義全局變量導(dǎo)致內(nèi)存不足，在主程序中定義了一些變量，利用實(shí)參的形式進(jìn)行子函數(shù)間的數(shù)據(jù)交換，圖5為其流程圖。

圖5　主函數(shù)流程

4．2溫度檢測轉(zhuǎn)換和信號輸出轉(zhuǎn)換程序

溫度的檢測轉(zhuǎn)換以及信號的輸出轉(zhuǎn)換是通過芯片PCF8591來實(shí)現(xiàn)的，需要注意的是這個(gè)芯片采用的I2C通信協(xié)議來進(jìn)行串行通信。由于熱敏電阻存在著一些非線性，因此采用了數(shù)值分析中的擬合原理，對采樣的溫度和電壓進(jìn)行了擬合，保證結(jié)果的正確性。

4．3按鍵掃描模塊程序和PID程序

在鍵盤的設(shè)計(jì)中需要考慮的是鍵盤的抖動(dòng)問題，因此在程序的編寫時(shí)，要進(jìn)行短暫的延時(shí)，以此來消除抖動(dòng)問題。

采用增量式PID算法編程，進(jìn)行溫度的自動(dòng)控制，采用這種已經(jīng)成熟并且作用效果良好的控制方法很容易得到所需要的結(jié)果。

4．4LCD模塊程序

文中采用的LCD模塊是OCMJ15X20D型模塊，采用8位并行數(shù)據(jù)通信，這種模塊編程簡單易行，而且能夠滿足霧化干燥儀的應(yīng)用。在程序的顯示中，可以根據(jù)需求，將多個(gè)有用的信息同時(shí)顯示在LCD屏幕上。

5　系統(tǒng)調(diào)試

在程序編寫好后，將硬件進(jìn)行連接，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)試工作，風(fēng)箱吹入的空氣經(jīng)過加熱管加熱后變?yōu)樗枰臒峥諝?，?jīng)溫度采集傳送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過程序?qū)崿F(xiàn)PID調(diào)節(jié)，使溫度快速自動(dòng)的穩(wěn)定在設(shè)定溫度值上[9]。圖6為調(diào)節(jié)結(jié)果和參數(shù)設(shè)置界面。

圖6　LCD顯示界面

6　結(jié)束語

霧化干燥儀的使用越來越廣泛，也倍受關(guān)注，同時(shí)對于溫度檢測與控制系統(tǒng)的要求也越來越嚴(yán)格。文中采用STC89C52單片機(jī)為核心處理芯片、熱敏電阻為溫度感受器件、PCF8591為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、移相調(diào)壓電路為最終控制單元，實(shí)現(xiàn)霧化干燥儀中溫度的精確快速測量與控制。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、狀態(tài)良好，實(shí)現(xiàn)了霧化干燥儀所需要的結(jié)果，并且令人滿意。

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