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基于单片机实现工业生产中炉温控制系统的设计

嵌入式技术

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描述

1、引言

单片机具有集成度高,运算快速快,体积小、运行可靠,价值低廉,因此在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用,本文主要介绍单片机在炉温控制中的应用。

在工业生产中,有很多行业有大量的加热设备,如用于热处理的加热炉、用于熔化金属的坩埚炉,以及各种不同用途的加热炉,反应炉,这样温度就成为了工业对象中一种重要的被测控对象,但是由于炉子的种类,用途不同,因此,采用的加热方法及燃料也就不同,如煤气、天然气、油、电等,但究其控制系统本身的动态特性而言,基本上都是一阶纯滞后环节。

实践证明,用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点,无论在提高产品质量还是产品数量,节约能源,还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。

2、整体设计及其工作原理

对于温度控制,可采用适用于工业控制的单片机组成的自动控制系统,其硬件原理如图1。

控制系统

其系统被测参数主要是温度,被测参数温度值由热电偶传感器测定后得到的mv信号经过温度变送器放大滤波后变为0-5v的电压信号,再送到采样/保持器,经过a/d转换器后,将模拟信号变为数字信号进入8031单片机,在单片机进行数据处理,一方面,与所设定的期望温度值进行比较后,产生偏差信号,单片机根据预定的pid算法计算出相应的控制量,该控制量控制双向可控硅的导通和关闭,以便切断和连通加热设备,从而控制温度稳定在设定值上,另一方面送去显示接口,并判断是否有报警需要。

3、硬件接口设计

3.1 温度检测元件及温度变送器

由于所测的温度不同,所以选用的检测元件也就不尽相同,目前的热点偶传感器有:铂铹10-铂热电偶,其可在1300℃以下范围长期工作,符号lb;镍铬-镍硅热电偶,测量范围在-50~+1312℃,符号eu等等,温度传感器输出的都是mv信号,而温度变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成,其毫伏变送器就是把温度传感器的mv信号变换成ma的电流;电流/电压变送器再把毫伏变送器输出的ma电流变成v电压。

3.2 8031的接口电路

8031的接口电路有a/d转换器,8155、报警设置、ac-ssr等芯片,其中8155作为led和键盘接口,a/d转换器作为温度测量电路的输入接口。

3.2.1 a/d转换及数据采集

根据需要,a/d转换器可采用adc0809或ad574,adc0809与ad574不同在于:adc0809的数字量是8位,转换时间为100μs,输入模拟电压为单极性的0-5v,而ad574的数字量位数可设成8位也可以设为12位,且无需外接clock时钟,转换时间达到25μs,输出模拟电压可以是单极性的0-10v或0-20v,也可以是双极性的±5v或±10v之间,这里以ad574为例。

ad574的vin和采样/保持器的vout相连,采样/保持器的工作状态由ad574的转换结束sts的状态控制,当a/d转换正在进行时,sts输出为高电平,经反相后,变为低电平,送到采样/保持器的逻辑控制端,使其处于保持状态,开始a/d转换,转换结束后,sts变为低电平,反相后变为高电平,使采样/保持器进入采样状态。

3.2.2 键盘显示接口

键盘显示系统采用8155芯片控制4×4矩阵键盘和4个七段数码管led显示,以实现用户的输入和数据输出。键盘的16个键中0-9为数字键,a-f为功能键,完成参数设置、显示方式选择、自动/手动转换、系统停止和启动。

系统中将8155的b口作为显示接口,经74ls48的驱动器与led相连,8155的a口的pa3-pa0作为扫描接口,从b口的pb3-pb0读入列值,键盘处理为中断方式,所以8155的b口工作在两种方式下:在显示状态时为输入方式,在键盘中断服务程序处理过程中为输入方式。

3.2.3 报警部分

可采用单频报警,如图1,其中7406是驱动器,接在8031的p1.0口,在8031使p1.0输出高电平时,7406输出低电平,使蜂鸣器鸣音,反之,使蜂鸣器停止鸣音。

3.2.4 温度控制部分

对于温度的控制可通过带光电隔离的过零触发型双向可控硅ac-ssr来实现。如图2所示。

控制系统

ac-ssr和加热丝串接在交流200v50hz的电源上,ac-ssr接通时间可以通过ac-ssr控制极上触发脉冲控制,过零检测电路输出经反相器和8031的t0输出相“与”后去触发ac-ssr(高电平触发),若t0在1s内总为高电平,则ac-ssr被开通100次,此时达最大功率加热;反之,若t0在1s内总为低电平,则ac-ssr输出功率为0,在给定周期t内,只要改变ac-ssr接通时间就可改变加热器功率,从而达到调节温度的目的。

4、软件设计

温度控制程序所要完成的任务:8031,8155芯片的初始化以及分配内存单片及设置定时器参数,温度采样,数字滤波,进行转换计算,判断温度是否在规定范围内,超限报警和处理;显示温度及输入控制。

流程图如图3所示。

控制系统

5、结语

该系统控制精度高,具有良好的人机交互功能,并设有超温和断偶报警,有问题立即就能发现,通过自动调节控制温度并实现温度的自动控制,使炉温控制在设定值上,正常运行时不需人工干预,操作人员劳动强度小。

责任编辑:gt

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