温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
一 系统设计方案的论证与比较
根据题目要求,电热锅炉温度控制系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。
方案一 采用8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温。此方案简易可行,器件的价格便宜,但8031内部没有程序存储器,需要扩展,增加了电路的复杂性,且ADC0809是8位的模数转换,不能满足本题目的精度要求。
方案二 采用比较流行的AT89S51作为电路的控制核心,使用12位的高精度模数转换器AD574A进行数据转换,控制电路部分采用PWM控制可控硅的通断以实行对锅炉温度的连续控制,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。
综上分析,我们采用方案二。系统设计总体框图如下。
根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设计了以AT89S51单片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用3位LED静态显示。该设计结构简单,控制算法新颖,控制精度高,有较强的通用性。所设计的控制系统有以下功能：
· 温度控制设定波动范围小于±1%,测量精度小于±1%,控制精度小于±2%,超调整量小于±4%;
· 实现控制可以升温也可以降温;
· 实时显示当前温度值;
· 按键控制：设置复位键、运行键、功能转换键、加一键、减一键;
· 越限报警。
二 硬件电路设计
硬件电路主要有两大部分组成：模拟部分和数字部分：从功能模块上来分有：主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。
1 主机电路的设计
主机选用ATMEL公司的51系列单片机AT89S51来实现,利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点,力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的AT89S51芯片时钟可达12MHz,运算速度快,控制功能完善。其内部具有128字节RAM,而且内部含有4KB的flash ROM 不需要外扩展存储器,可使系统整体结构更为简单、实用。
2 I／0通道的硬件电路的设计
就本系统来说,需要实时采集水温数据,然后经过A／D转换为数字信号,送入单片机中的特定单元,然后一部分送去显示;另一部分与设定值进行比较,通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电热锅炉加热或降温。
2.1 数据采集电路的设计
数据采集电路主要由AD590, 0P07,74LS373,AD574A等组成。由于控制精度要求为0.1 度,而考虑到测量干扰和数据处理误差,则温度传感器和AD 转化器的精度应更高才能保证控制精度的实现,这个精度可处粗略定为0.1 度。故温度传感器需要能够区分0.1 度;而对于AD 转换器,由于测量范围为40-90 度,以0.1 度作为响应的AD 区分度要求,则AD 需要区分(90-40)/0.1=500 个数字量,显然需要10 位以上的AD 转换器。为此,选用高精度的12位AD574A。
为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性(重复性优于0．1℃,其良好的非线形可以保证优于0．1℃ 的测量精度,利用其重复性较好的特点,通过非线形补偿,可以达到0.1℃测量精度.)超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A／D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。模拟电路硬件部分见图2。
2.2 电控制执行电路的设计
由输出来控制电炉,电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为：
可控硅可以认为是线形环节实现对水温的控制。单片机输出与电炉功率分别属于弱电与强电部分,需要进行隔离处理,这里采用光耦元件TLP521 在控制部分进行光电隔离,此外采用变压器隔离实现弱强电的电源隔离。
单片机PWM 输出电平为0 时,光耦元件导通,从而使三极管形成有效偏置而导通,通过整流桥的电压经过集电极电阻以及射集反向偏压,有7V 左右的电压加在双向可控硅控制端,从而使可控硅导通,交流通路形成,电阻炉工作;反之单片机输出电平为0 时,光耦元件不能导通,三极管不能形成有效偏置而截止,可控硅控制端电压几乎为零,可控硅截止从而截断交流通路,电炉停止工作。此外,还有越限报警,当温度低于下限时发光二极管亮;高上限时蜂鸣器叫。控制执行部分的硬件电路如下图。
3 键盘及显示的设计
键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计,低电平有效。图3 中按键AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定义如表1所示.
按键AN3与P3.2相连,采用外部中断方式,并且优先级定为最高;按键AN5和AN4分别与P1.7和P1.6相连,采用软件查询的方式;AN1则为硬件复位键,与R、C构成复位电路。
显示采用3位共阳LED静态显示方式,显示内容有温度值的十位、个位及小数点后一位,这样可以只用P3.0(RXD)口来输出显示数据,从而节省了单片机端口资源,在P1.4 口和P3.1(TXD)的控制下通过74LS164来实现3位静态显示。数字电路硬件部分见图4.
图4 数字硬件电路示意图
三系统软件设计
系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。
1 主程序模块
在主程序中首先给定PID算法的参数值,然后通过循环显示当前温度,并且设定键盘外部中断为最高优先级,以便能实时响应键盘处理;软件设定定时器T0为5秒定时,在无键盘响应时每隔5秒响应一次,以用来采集经过A／D转换的温度信号;设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断,初值由PID算法子程序提供。在主程序中必须分配好每一部分子程序的起始地址,形式如下：
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0003H
AJMP INTO
ORG 000BH
AJMP TT0
ORG 001BH
AJMP TT1
主程序流程图见图5。
图5 主程序流程图 图6 键盘及中断程序图
2 功能实现模块
以用来执行对可控硅及电炉的控制。功能实现模块主要由A／D转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。
2.1 T0中断子程序
该中断是单片机内部5s定时中断,优先级设为最低,但却是最重要的子程序。在该中断响应中,单片机要完成A／D数据采集转换、数字滤波、判断是否越限、标度转换处理、继续显示当前温度、与设定值进行比较,调用PID算法子程序并输出控制信号等功能。
2.3 T1中断子程序
T1定时中断嵌套在T 中断之中,优先级高于T 中断,其定时初值由PID算法子程序提供,T1中断响应的时间用于输出可控硅（电炉）的控制信号。
3 运算控制模块
运算控制模块涉及标度转换、PID算法、以及该算法调用到的乘法子程序等。
3.1 标度转换子程序
该子程序作用是将温度信号(00H~FFH)转换为对应的温度值,以便送显示或与设定值在相同量纲下进行比较。所用线形标度变换公式为：
式中,Ax： 实际测量的温度值;Nx：经过A／D转换的温度量;
Am =90; Ao=40; Nm =FEH; No=01H;
单片机运算采用定点数运算,并且在高温区和低温区分别用程序作矫正处理,温.计测量值与LED显示见图7.
3.2 PID算法子程序
系统算法控制采用工业上常用的位置型PID数字控制,并且结合特定的系统加以算法的改进,形成了变速积分PID一积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。该方法不仅大大减小了超调量(见图9),而且有效地克服了积分饱和的影响,使控制精度大大提高。PID控制算法的流程图如图8。
图7 温度计测量值与报警方式图
图8 PID控制算法流程图
图9中,初始水温为26 C。实现思想：Ui(k)为第k次采样温度值,Ur 为设定值。
e(k) ≥ε 使用PD算法;
e(k) ＜ε使用变速积分PID算法。
在此只给出本算法的控制结果曲线(见下图9)。
图9 温度控制曲线图
四 源程序
本设计方案软件实现完全使用汇编程序语言。具体源程序略。
五结果分析论述
本文针对电热锅炉温度控制系统模型,提出了一种基于单片机AT89S51的设计方案。设计中运用PID算法更新T1的定时常数,PWM输出控制可控硅的通断,从而实现对温度的连续控制。设计结果由图7和图9可以看出：本设计的控制器工作稳定,控制精度高,改进的PID算法超调量大大降低;软件采用模块化结构,提高了通用性。本设计的目的不仅仅是温度控制本身,主要提供了单片机外围电路及软件包括控制算法设计的思想,应该说,这种思想比控制系统本身更为重要。