单片机温度测控系统设计

单片机温度测控系统设计

文章编号:1008-1402(2008)01-0037-03

单片机温度测控系统设计

李丽敏1

, 张玲玉1

, 解 浩2

玄子玉

1

(1.佳木斯大学信息电子技术学院,黑龙江佳木斯154007;2.青岛海湾职业技术学院,山东青岛266500)

摘 要: 对工业对象中主要的被控参数电阻炉炉温进行研究,设计了硬件电路和软件程序.硬件电路选用8031单片机,软件程序采用两重中断嵌套方式.提出了一种PID 控制的方法,即只调节Kp 一个参数,来实现PID 控制.与常规PID 三个参数调整相比,省时、高效,为实现简易的自整定控制带来方便.

关键词: PID 调节;温度控制

中图分类号: TP311 文献标识码: A

0 引 言

在工业过程控制中,由于控制对象的精确数学模型难以建立,系统的参数又经常发生变化,运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识,建立系统的数学模型十分困难,应用直接数字控制方法比较困难,甚至根本不可能,所以人们经常采用PID 调节器,并根据经验进行在线整定,即用实验和分析的方法来确定数字PID 调节器的

参数[1]

.但是,常规PID 调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成,步骤繁琐复杂,既耗时又耗力.而且当对象特性变化时,又要重新整定,并且在现代工业控制过程中,许多被控对象机理复杂,具有多输入多输出的强耦合性、参数时变性、严重的非线性特性、滞后性等特点.在这种情况下,采用常规PID 调节器,三个参数的整定比较困难,为此本文提出了采用归一参数整定法,即只整定一个参数,这样减少了许多工作量,提高了工作效率,为实现简易的自整定控制带来方便.本文以电阻炉炉温控制系统为研究对象,采用归一参数整定法的数字PID 调节器对电阻炉炉温系统进行控制,通过调节比例系数来调节控制效果,由计算机控制双向可控硅的导通与关断,通过改变单位时间内可控硅导通和关断交流完整半波信号的个数调节加热功率.升温速度分全升温、半升温、微升温三种情况进行.

1 硬件系统的设计

1.1 系统的组成及工作原理

温度是工业对象中主要的被控参数之一,如冶金、机械、食品、化工各类工业中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等,对工件的处理温度要求严格控制.控制过程是这样的:单片机定时对炉温进行检测,经A D 转换得到相应的数字量,再送到微机进行判断和运算,得到应有的控制量,去控制加热功率,从而实现对温度的控制

[2]

.

图1 控制器的结构图

具体包括:

1.炉温变化规律控制,即炉温按预定的温度 时间关系变化,这主要在控制程序中考虑.

2.温度控制范围,如400!~1000!,这就涉及到测温元件、电炉功率等的选择.

3.控制精度、超调量等指标,这涉及到A D 转换精度、控制规律的选择等.

本文用8031单片机实现控制,为了便于用户根据不同的实际需要对工作方式及其他参数组态进行修改,要求所有的参数及组态状况均可通过面板的几个操作键输入、检查、修改,并可在断电情况下,使参数保存半年.为了便于与上级计算机构成

收稿日期:2007-12-19

作者简介:李丽敏(1974-)女,黑龙江铁力人,佳木斯大学信息电子技术学院讲师.

第26卷第1期 佳木斯大学学报(自然科学版) Vol.26No.1 2008 年01月 Journal of Jiamusi University (Natural Science Edition)

Jan. 2008

单片机温度测控系统设计

两级控制系统,在单片机控制系统中还加入了通信功能.采用RS-232接口,通信速率为1200b s, 2400b s,800b s和9600b s等四种波特率,由用户通过键盘自行按需要选择.系统的测量值和所有设定参数均由LE D数码管直接显示,读数清晰,直观.控制器的结构如图1所示.其中,?W#指代物理量,?-#指代非电信号,需经PID控制器等A D转换后才能输出.?+#指代电信号,?Y#指代YES,判断是电信号后直接进行温度检测与变送.

1.2 硬件电路设计

系统采用MCS-51系列的单片机8031,这是Intel公司80年代推出的单片8位计算机.从应用的角度来看,它有集成度高、速度快、处理能力强、扩充性好、寻址范围大等优点[3].

1.3 温度检测元件及变送器、A D转换芯片的选择

温度检测元件及变送器的选择要考虑温度控制范围和精度要求.对于0!~1000!的测量范围采用热电耦,如镍铬镍铝热电耦,分度为E U,其输出信号为41.32mV,经电压电流变换器,输出0 ~l0mA的电流信号,然后再经过电流一电压变换电路转换为0~5V电压信号.为了提高测量精度,可将变换器进行零点迁移,例如温度测量范围是400!~1000!,热电偶输出16.4~41.32mV时,使变换器的输出信号为0~l0mA.这样使用8位A D 转换器,就能使量化误差达到?2.340!.

1.4 自动换挡

该系统采用的转换器转换分辨率低,为提高系统的控温精度,将全量程分为两个阶段,按两挡处理.从一挡进入从另一挡采用自动换挡方式.实现的办法是由计算机控制双向模拟开关按温度变化状况自动换挡.一般来说,系统在上电时,首先进入低档工作,由计算机将采样的温度值与换挡温度界限相比,前者高,系统立即进入高档工作,如果前者小于或等于后者,系统继续工作在低档.

1.预置温度和检查预置温度

系统采用键入的方式预置控温值,并将预置的温度值存储起来以备检查.操作人员可以调出并显示预置的控制温度.实现的办法是用一个显示选择开关进行选择.当显示选择开关接高电平时,系统将显示预置温度值,当显示选择开关接低电平时,系统显示采集温度值.

2.显示温度

由采样得到的温度电压信号经放大、A D变换及计算形成十进制的温度值,由计算机依次送到对应位,数码管显示温度.

3.温度控制电路

温度控制电路采用可控硅调功率方式.双向可控硅串在50Hz交流电源和加热丝电路中,只要在给定周期里改变可控硅开关的接通时间,就能达到改变加热功率的目的,从而实现温度调节.

2 软件系统的设计

2.1控制规律

电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程:比较实际炉温和需要炉温得到偏差,通过对偏差的处理获得控制信号,再去调节炉子的加热功率,从而实现对炉温的控制.该控制系统采用只调整一个参数的PID控制形式,具体算法如下所示:

已知增量型PID控制的公式为:

VU(i)=K p(e(i)-e(i-1)+

T

T i e(i)

+

T D

T

[e(i)-2e(i-1)+e(i-2)])

如令T=0.1TK,Ti=0.5TK,T D=0.125TK,其中T为纯比例作用下的临界振荡周期.则:

VU(i)=K p(e(i)-e(i-1)+0.2e(i)+ 1.25[e(i)-2e(i-1)+e(i-2)])

因此,该PID算法只需整定一个参数Kp,改变Kp,观察控制效果,直到满意为止.由于电阻炉一般都属于二阶对象和带纯滞后的一阶对象,所以算法中Kp的选择取决于电阻炉的阶跃响应特性和实际经验.

2.2 主程序设计

整个系统包括管理程序和控制程序两部分,管理程序是对显示LED进行动态刷新,控制指示灯、处理键盘的扫描和响应、进行掉电保护的处理、执行中断服务操作等.控制程序是对被控对象进行采样、数据处理,根据控制算法进行计算和输出等.由于整个系统软件相当庞大,为了便于编写、调试、修改和增删,系统程序的编制采用了模块化的结构,即整个控制软件由许多独立的小模块组成,它们之间通过软件接口连接,原则是模块内数据关系紧凑,模块间数据关系松散,按功能形成模块化结

38佳木斯大学学报(自然科学版)2008年

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构[4]

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