吳承啟

(商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 商洛 726000)

電阻爐是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備,其溫度控制有效性將直接關(guān)系到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì),其對溫度穩(wěn)定控制系統(tǒng)具有高標(biāo)準(zhǔn)的配置要求。因此,因此,設(shè)計(jì)一套高精度、高可靠性的電阻爐溫控系統(tǒng)十分必要。如今,在各種電子設(shè)備中,單片機(jī)的應(yīng)用場景也愈漸廣泛,由于它可以克服以往模擬調(diào)節(jié)器延時和系統(tǒng)振蕩等缺點(diǎn),常被用于工業(yè)生產(chǎn)中的爐溫控制[1-3]?；谶@種技術(shù)背景,本文以AT89C52單片機(jī)為核心,利用 PID控制和 PWM脈寬調(diào)制反饋控制技術(shù),設(shè)計(jì)了一種電阻爐智能溫度控制系統(tǒng),具有較高的精度和良好的控制效果,對提高工業(yè)生產(chǎn)效益、推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有一定的實(shí)踐價值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)是以AT89C52單片機(jī)為核心,搭配K型熱電偶溫度傳感器,外加屏幕現(xiàn)實(shí)及越線報(bào)警電路、晶閘管溫度控制電路等部件:可實(shí)現(xiàn)以下功能:①實(shí)時監(jiān)測功能:通過LCD大屏幕液晶顯示屏顯示各設(shè)定參數(shù)和實(shí)測參數(shù);②安全報(bào)警功能:采用超溫偏差保護(hù),超溫報(bào)警,傳感器故障報(bào)警等,觸發(fā)報(bào)警電路后,直至溫度降低至閥值,停止報(bào)警;③斷電復(fù)原功能:當(dāng)外部電源突然斷電,并再次啟動時,設(shè)備可以按照原來的程序,自動地繼續(xù)工作;④溫度控制功能:通過菜單、選項(xiàng)、數(shù)字、確認(rèn)等手動按鈕設(shè)置系統(tǒng)的溫度閥值,使智能溫控具有更高的可操作性和實(shí)用性?；谏鲜鲆?本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括AT89C52單片機(jī)、溫度傳感器、LCD顯示模塊、報(bào)警模塊四個部分,系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

2 硬件設(shè)計(jì)

電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的硬件組成有四個部分,即單片機(jī)應(yīng)用模塊、溫度檢測模塊、數(shù)據(jù)輸出入模塊、溫度控制模塊[4-6]。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是由AT89C52單片機(jī)構(gòu)成,溫度檢測通道由K型熱電偶溫度傳感器完成。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)是指能夠維持單片機(jī)正常工作的最小單元,主要由AT89C52、時鐘電路、復(fù)位組構(gòu)成。其中,復(fù)位組(即復(fù)位電路)包括案件、電阻、電解電容;時鐘電路的晶體振蕩器的頻率為12.000 MHz,12.000 MHz晶振振蕩器可以產(chǎn)生定期重復(fù)、高度穩(wěn)定的信號,它與單片機(jī)中的一個高增益反向放大器一起構(gòu)成了單片機(jī)的時鐘方式,給CPU提供高穩(wěn)定的時鐘信號。電容C19、C20具備調(diào)頻功能,電容值選擇20pF。電容C5和電阻R42構(gòu)成復(fù)位組電路。當(dāng)電源接通時,電容器C5被供電,并在CPU重置端產(chǎn)生一個高脈沖。CPU可以在高電平持續(xù)時間超過2個機(jī)器循環(huán)(24個振蕩周期)的情況下重置。二極管VD1用于在電源切斷時快速地釋放存儲在電容器C5中的電荷,從而在下一次充電時安全地復(fù)位。C5電容能有效地過濾高頻干擾,避免單片機(jī)的錯誤復(fù)位。按鍵S3及電阻器R9組成按鍵復(fù)位電路。

時鐘電路本質(zhì)上是一個振蕩電路,它能如同時鐘一樣精準(zhǔn)運(yùn)動。溫度控制系統(tǒng)中的每一項(xiàng)作業(yè)都有先后次序,而時鐘電路就是用來生成該系統(tǒng)專屬時間的工具;如果時鐘電路出錯則會造成整個控制系統(tǒng)的紊亂。通常,時鐘電路包括三個部分,即晶體振蕩器、晶震控制芯片和電容。本文設(shè)計(jì)以晶振為時鐘脈沖的時鐘電路。在定時器時鐘設(shè)計(jì)時,選取12 MHz的石英晶體振蕩器來實(shí)現(xiàn)。該電路由單片機(jī)內(nèi)部的振蕩器外接電容構(gòu)成了內(nèi)部振蕩電路,通過外部輸入時鐘信號,連接方式如圖2所示。

圖2 時鐘電路連接方式

復(fù)位電路又稱初始化電路,單片機(jī)在接通電源后,會發(fā)出復(fù)位信號,使單片機(jī)開始啟動、達(dá)到起始工作的狀態(tài)。另外也可以通過人工按鍵,生成重置信號,完成微處理器的起動和判斷。一般在在單片機(jī)程序紊亂或“死機(jī)”時,啟動人工復(fù)位,可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)“重啟”。復(fù)位電路連接方式如圖3所示。

圖3 復(fù)位電路連接方式

2.2 溫度檢測電路

溫度檢測電路包括溫度采集電路和報(bào)警指示燈電路[7]。溫度采集模塊采用K型熱電偶溫度傳感器,同時與顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用,其溫度測量范圍為-50～1 300 ℃,基本誤差限為±0.75%t。因?yàn)闊犭娕嫉撵`敏度相當(dāng)?shù)?在每攝氏度幾十微伏的量級上),所以需要利用放大器來產(chǎn)生可用的輸出電壓。本文將MAX31855作為熱電偶冷端補(bǔ)償芯片,配以脈沖蓄能14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。在熱電偶引線之間添加一個0.01 μF電容器,有利于排除環(huán)境干擾帶來的數(shù)據(jù)誤差。芯片不僅擁有冷端溫度補(bǔ)償和修正電路的功能,還可根據(jù)不同熱電偶提供SPI通信接口。通過SPI總線可以讀取32位的溫度數(shù)據(jù)(包括14位測量端溫度數(shù)據(jù)和12位的冷端溫度數(shù)據(jù))。由熱電偶轉(zhuǎn)化得來的溫度精度可達(dá)到0.25 ℃,讀數(shù)溫度上限可達(dá)到1 800 ℃,讀數(shù)溫度下限則達(dá)到-270 ℃。一般的K型熱電偶的測溫范圍為-100 ℃～500 ℃,精度為±2 ℃,輸出范圍為-6～20 mV。圖4為MAX31855應(yīng)用電路圖,表1為其引腳功能說明。

圖4 MAX31855實(shí)際應(yīng)用電路圖

表1 MAX31855引腳功能簡述

溫度設(shè)定值及浮動范圍可以遵循當(dāng)前電子設(shè)計(jì)中最普遍和實(shí)用的方式,用按鍵作為各參數(shù)的輸入設(shè)備。通過讀出輸入/輸出端口的狀態(tài),單片機(jī)判斷是否執(zhí)行按鍵功能,一般通過掃描、反轉(zhuǎn)順序和中斷等方法來完成。鍵盤則實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能,通過輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)程序發(fā)送指令,本設(shè)計(jì)使用了具有四個按鍵的獨(dú)立鍵盤結(jié)構(gòu),鍵1以1為差逐次遞增溫度值,鍵2以1為差逐次遞減溫度值,鍵3以1為差逐次遞增控制參數(shù),鍵4以1為差逐次遞減控制參數(shù)。

顯示部分選用LCD12864顯示電路,可同時顯示字母、數(shù)字及其他字符。AT89C52的P0.0-P0.7引腳連接LCD12864 DB0-DB7接口相連,屏幕顯示內(nèi)容為128列×64行。

當(dāng)溫度值超過程序設(shè)置的閥值時,系統(tǒng)通過LED閃爍燈(包括兩個LED燈,即上限燈和下限燈)、蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示,同時立即停止加熱直至操作人員將電阻爐溫度調(diào)整至正常范圍。蜂鳴器電路由一個220歐的電阻,三極管8550,及蜂鳴器組成,將單片機(jī)輸入/輸出口的控制引腳P3.7與三極管和蜂鳴器相連,通過控制三極管的導(dǎo)通和截止來實(shí)現(xiàn)蜂鳴器的響與不響。

2.3 溫度控制電路

利用PID溫度控制器,通過溫度傳感器對溫度進(jìn)行檢測,把檢測到的溫度轉(zhuǎn)化為電信號,并將其與控制溫度的信號進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果來判斷是否已經(jīng)達(dá)到了所設(shè)定的溫度目標(biāo),若尚未達(dá)到要求,則根據(jù)兩者之間的差值進(jìn)行再調(diào)整,直至達(dá)到所設(shè)定的溫度要求為止[8-10]。

該方法把單片機(jī)的PWM方波經(jīng)光電耦合器變換成晶閘管的精密開關(guān),由此來實(shí)現(xiàn)對電熱絲功率的調(diào)整。當(dāng)單片機(jī)引腳P1.7的輸出為低電平時,雙向晶閘管接通,電阻爐開始執(zhí)行加熱任務(wù);當(dāng)單片機(jī)引腳P1.7的輸出為高電平時,電阻爐中的電熱絲斷電,系統(tǒng)停止加熱。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文基于Windows 10系統(tǒng),采用集源代碼、功能導(dǎo)航器、模板編輯等功能于一體的Keil uVision 5,為AT89C52單片機(jī)開發(fā)配置環(huán)境,編程語言為C語言。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)的方式,將系統(tǒng)軟件分為主程序、溫度監(jiān)測子程序、顯示子程序、控制子程序和報(bào)警子程序等[11-12]。

圖5為系統(tǒng)的主程序流程圖,當(dāng)系統(tǒng)上電啟動時,首先進(jìn)行初始化操作,初始化對象包括單片機(jī)I/O卡、K型溫度傳感器及MAX31855熱電偶芯片、LCD顯示器、三極管等部件。初始化結(jié)束后,系統(tǒng)開始讀區(qū)熱電偶傳感器數(shù)據(jù),通過顯示器程序輸出溫度值,接著系統(tǒng)開始根據(jù)事先設(shè)定的溫度閥值判斷實(shí)時溫度是否處于控制范圍。當(dāng)溫度值越線時,觸動報(bào)警程序發(fā)出蜂鳴聲并閃爍相關(guān)指示燈。當(dāng)操作人員通過按鍵輸出溫度值和控制參數(shù)時,系統(tǒng)將暫停程序運(yùn)行,輸入中斷,進(jìn)入菜單欄進(jìn)行設(shè)置,直至接收到“確定”命令,重新執(zhí)行主程序[13-15]。

圖5 主程序流程圖

溫度監(jiān)測子程序是通過K型溫度傳感器、放大器和數(shù)字轉(zhuǎn)化器將溫度值傳輸給單片機(jī),經(jīng)過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理后由LCD顯示屏顯示出來。LCD12864顯示子程序?qū)纹瑱C(jī)處理過的溫度值輸送到相應(yīng)位置循環(huán)顯示。報(bào)警程序則是將實(shí)時溫度值與系統(tǒng)設(shè)定的溫度閥值進(jìn)行比較,若出現(xiàn)越線情況,去動繼電器閉合,外部蜂鳴器和LED燈開始工作。PID模糊控制算法子程序采用增量式算法,其控制規(guī)律為

式中:Kp為比例系數(shù);Ti為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù)。各矯正環(huán)節(jié)如下:

(1)比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號error(t)、error(t)、error(t),偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即產(chǎn)生控制作用,以減小偏差。

(2)積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)Ti,Ti越大,積分作用越小,反之則越強(qiáng)。

(3)微分環(huán)節(jié):反映偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減少調(diào)節(jié)時間。

4 系統(tǒng)調(diào)試

通過硬件檢測和軟件檢測兩部分來完成本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試工作[16-17]。硬件電路調(diào)試的具體方法如下:首先使用萬能表對電路板進(jìn)行仔細(xì)檢查,查看是否短路或斷路;電源接通后,若有芯片溫度急速升高,應(yīng)立刻切斷電源,并檢查線路合理性;為了確保系統(tǒng)芯片的正常工作,電源板必須具有很好的穩(wěn)壓性能,所以應(yīng)細(xì)致地測試各電路板的輸出電壓,以確保其滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求;接著檢查石英晶體的信號穩(wěn)定性,是否可以提供穩(wěn)定、精確的脈沖;明確系統(tǒng)復(fù)位對象后,確定系統(tǒng)的機(jī)械初始位置,查看各個對象復(fù)位是否正常;萬用表直流電壓檔,用于測量直流電源電壓和周邊元件的工作電壓;對 IC各個引腳接地的 DC電壓進(jìn)行測量,并將其與正常值進(jìn)行對比,從而縮小故障區(qū)域,檢查損壞的部件。