基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

單片機(jī)具有集成度高，運(yùn)算快速快，體積小、運(yùn)行可靠，價(jià)值低廉，因此在過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用，本文主要介紹單片機(jī)在爐溫控制中的應(yīng)用。

在工業(yè)生產(chǎn)中，有很多行業(yè)有大量的加熱設(shè)備，如用于熱處理的加熱爐、用于熔化金屬的坩堝爐，以及各種不同用途的加熱爐，反應(yīng)爐，這樣溫度就成為了工業(yè)對(duì)象中一種重要的被測(cè)控對(duì)象，但是由于爐子的種類，用途不同，因此，采用的加熱方法及燃料也就不同，如煤氣、天然氣、油、電等，但究其控制系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性而言，基本上都是一階純滯后環(huán)節(jié)。

實(shí)踐證明，用于工業(yè)生產(chǎn)中的爐溫控制的微機(jī)控制系統(tǒng)具有高精度、功能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，無論在提高產(chǎn)品質(zhì)量還是產(chǎn)品數(shù)量，節(jié)約能源，還是改善勞動(dòng)條件等方面都顯示出無比的優(yōu)越性。

2、整體設(shè)計(jì)及其工作原理

對(duì)于溫度控制，可采用適用于工業(yè)控制的單片機(jī)組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其硬件原理如圖1。

其系統(tǒng)被測(cè)參數(shù)主要是溫度，被測(cè)參數(shù)溫度值由熱電偶傳感器測(cè)定后得到的mv信號(hào)經(jīng)過溫度變送器放大濾波后變?yōu)?－5v的電壓信號(hào)，再送到采樣/保持器，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換器后，將模擬信號(hào)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)進(jìn)入8031單片機(jī)，在單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，一方面，與所設(shè)定的期望溫度值進(jìn)行比較后，產(chǎn)生偏差信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)預(yù)定的pid算法計(jì)算出相應(yīng)的控制量，該控制量控制雙向可控硅的導(dǎo)通和關(guān)閉，以便切斷和連通加熱設(shè)備，從而控制溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上，另一方面送去顯示接口，并判斷是否有報(bào)警需要。

3、硬件接口設(shè)計(jì)

3.1 溫度檢測(cè)元件及溫度變送器

由于所測(cè)的溫度不同，所以選用的檢測(cè)元件也就不盡相同，目前的熱點(diǎn)偶傳感器有：鉑鐒10－鉑熱電偶，其可在1300℃以下范圍長(zhǎng)期工作，符號(hào)lb；鎳鉻－鎳硅熱電偶，測(cè)量范圍在－50～＋1312℃，符號(hào)eu等等，溫度傳感器輸出的都是mv信號(hào)，而溫度變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成，其毫伏變送器就是把溫度傳感器的mv信號(hào)變換成ma的電流；電流/電壓變送器再把毫伏變送器輸出的ma電流變成v電壓。

3.2 8031的接口電路

8031的接口電路有a/d轉(zhuǎn)換器，8155、報(bào)警設(shè)置、ac－ssr等芯片，其中8155作為led和鍵盤接口，a/d轉(zhuǎn)換器作為溫度測(cè)量電路的輸入接口。

3.2.1 a/d轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)需要，a/d轉(zhuǎn)換器可采用adc0809或ad574，adc0809與ad574不同在于：adc0809的數(shù)字量是8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，輸入模擬電壓為單極性的0－5v，而ad574的數(shù)字量位數(shù)可設(shè)成8位也可以設(shè)為12位，且無需外接clock時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換時(shí)間達(dá)到25μs，輸出模擬電壓可以是單極性的0－10v或0－20v，也可以是雙極性的±5v或±10v之間，這里以ad574為例。

ad574的vin和采樣/保持器的vout相連，采樣/保持器的工作狀態(tài)由ad574的轉(zhuǎn)換結(jié)束sts的狀態(tài)控制，當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時(shí)，sts輸出為高電平，經(jīng)反相后，變?yōu)榈碗娖?，送到采?保持器的邏輯控制端，使其處于保持狀態(tài)，開始a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，sts變?yōu)榈碗娖?，反相后變?yōu)楦唠娖?，使采?保持器進(jìn)入采樣狀態(tài)。

3.2.2 鍵盤顯示接口

鍵盤顯示系統(tǒng)采用8155芯片控制4×4矩陣鍵盤和4個(gè)七段數(shù)碼管led顯示，以實(shí)現(xiàn)用戶的輸入和數(shù)據(jù)輸出。鍵盤的16個(gè)鍵中0－9為數(shù)字鍵，a－f為功能鍵，完成參數(shù)設(shè)置、顯示方式選擇、自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)停止和啟動(dòng)。

系統(tǒng)中將8155的b口作為顯示接口，經(jīng)74ls48的驅(qū)動(dòng)器與led相連，8155的a口的pa3－pa0作為掃描接口，從b口的pb3－pb0讀入列值，鍵盤處理為中斷方式，所以8155的b口工作在兩種方式下：在顯示狀態(tài)時(shí)為輸入方式，在鍵盤中斷服務(wù)程序處理過程中為輸入方式。

3.2.3 報(bào)警部分

可采用單頻報(bào)警，如圖1，其中7406是驅(qū)動(dòng)器，接在8031的p1.0口，在8031使p1.0輸出高電平時(shí)，7406輸出低電平，使蜂鳴器鳴音，反之，使蜂鳴器停止鳴音。

3.2.4 溫度控制部分

對(duì)于溫度的控制可通過帶光電隔離的過零觸發(fā)型雙向可控硅ac－ssr來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示。

ac－ssr和加熱絲串接在交流200v50hz的電源上，ac－ssr接通時(shí)間可以通過ac－ssr控制極上觸發(fā)脈沖控制，過零檢測(cè)電路輸出經(jīng)反相器和8031的t0輸出相“與”后去觸發(fā)ac－ssr（高電平觸發(fā)），若t0在1s內(nèi)總為高電平，則ac－ssr被開通100次，此時(shí)達(dá)最大功率加熱；反之，若t0在1s內(nèi)總為低電平，則ac－ssr輸出功率為0，在給定周期t內(nèi)，只要改變ac－ssr接通時(shí)間就可改變加熱器功率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

4、軟件設(shè)計(jì)

溫度控制程序所要完成的任務(wù)：8031，8155芯片的初始化以及分配內(nèi)存單片及設(shè)置定時(shí)器參數(shù)，溫度采樣，數(shù)字濾波，進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，判斷溫度是否在規(guī)定范圍內(nèi)，超限報(bào)警和處理；顯示溫度及輸入控制。

流程圖如圖3所示。

5、結(jié)語

該系統(tǒng)控制精度高，具有良好的人機(jī)交互功能，并設(shè)有超溫和斷偶報(bào)警，有問題立即就能發(fā)現(xiàn)，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)控制溫度并實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，使?fàn)t溫控制在設(shè)定值上，正常運(yùn)行時(shí)不需人工干預(yù)，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度小。

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