摘要：針對傳統(tǒng)電加熱溫度測控系統(tǒng)存在的普遍問題和數(shù)字控制控儀表的設(shè)計要求，提出了基于數(shù)字PID控制算法和89C52單片機的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用AD590傳感器檢測溫度，溫度信號經(jīng)A/D8080轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機與設(shè)定值比較后，執(zhí)行PID控制算法，并給出控制量去調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)脈沖，從而實現(xiàn)溫度的實時顯示與實時控制。實驗結(jié)果表明：該控制器具有靜態(tài)高，自適應(yīng)能力強，可靠性高，抗干擾性強的特點，使?fàn)t溫達到了很好在控制效果。

　　電加熱爐是科學(xué)實驗、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中量常見也是常用的加熱設(shè)備，由于爐子種類與規(guī)格、加熱對象的不同，它們所構(gòu)成的系統(tǒng)千差萬別。溫度作為一個重要檢測和控制參數(shù)，對其控制的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。電加熱爐種類繁多，控參數(shù)通常具有時變性、非線性、不確定性等特點，對其控制方案的研究不論在基地式儀表時代還在現(xiàn)在的智能化儀表時代，都是很熱門的對象。在現(xiàn)有溫度控制儀表的配置加熱系統(tǒng)中，大多數(shù)只配有一組加熱元件，當(dāng)溫度達到調(diào)控點時，便切斷電源進行保溫，隨著時間的推移，溫度降到一定數(shù)值后啟動該組件元件的電源供電進行加熱，從此周而復(fù)始，動作頻繁。用作測溫的傳感器，當(dāng)溫度上升到設(shè)定點溫度時，必然有一個時間的滯后性，使被控溫場沖過溫控點，而過沖幅度與熱功率的大小成正比，與溫場的大、小成反比。PID控制器雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點，但加熱系統(tǒng)與PID控制器設(shè)計的不匹配現(xiàn)象也廣泛存在。本文采用80C52單片機、數(shù)字PID算法來設(shè)計的電加熱式恒溫控制系統(tǒng)，參數(shù)調(diào)整方便，實時性能好，達到超前控制的目的，具有遲滯控制穩(wěn)定性的抗干擾能力，可以大大提高控制質(zhì)量和自動化水平，實現(xiàn)發(fā)溫度控制儀表的數(shù)字化與智能化。本系統(tǒng)可應(yīng)用于孵蛋、細菌培育等恒溫系統(tǒng)進行溫度控制。

　　1 控制方案設(shè)計

　　溫度場是一個梯度場，溫度的上升或下降隨時間緩慢變化。電加熱爐溫度控制過程可以用自然降溫、程序升溫和恒溫保持3個分過程來描述。自然降溫：停止加熱，環(huán)境溫度在整個過程中保持不變，受控溫度場終穩(wěn)定為環(huán)境溫度。程序升溫過程：給定電壓值為一變化值，由程序控制逐漸變化，終使?fàn)t溫的穩(wěn)定在給定值上。恒溫保持：給定爐溫為一定值，使?fàn)t溫穩(wěn)定在給定值上，這時受控場溫度恰好抵消散熱因素的影響而能夠維持在所設(shè)定的溫度。實驗和經(jīng)驗表明，電加熱爐對象可近似為一個純滯后環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)為：

　　τ為純滯后時間，K為放大倍數(shù)，T為慣性時間。在滯后時間和慣性時間均不太大、控制對象非線性小，參數(shù)時變性小的場合，RID控制是一種直接有效的控制方法。本文采用數(shù)字PID控制技術(shù)，設(shè)計了一個實驗室可用、中小型的、溫度在環(huán)境溫度至此320℃范圍內(nèi)可調(diào)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)采用溫度傳感器對爐膛內(nèi)的實時溫度進行檢測、轉(zhuǎn)換、采樣，所得的檢測信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入單片機，并與單片機內(nèi)預(yù)先設(shè)定的溫度給定值加于比較得出偏差，偏差送入控制器，單片機執(zhí)行偏差的PID數(shù)字運算得到可控硅的觸發(fā)脈沖，并由這個觸發(fā)脈沖調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通時間，從而調(diào)節(jié)電爐絲與風(fēng)扇的兩端電壓形成控制作用，使?fàn)t溫保持恒定。

　　2 軟、硬件設(shè)計

　　2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　控制器的是80C52單片機，其硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)采用AD590溫度傳感器電路把溫度轉(zhuǎn)換成0~5V的電壓信號，再由轉(zhuǎn)換器A/D 8080轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機80C52.單片機根據(jù)系統(tǒng)的給定溫度和實際測量值比較得出偏差，再利用PID算法求出控制量U（kT）。通過U（kT）來決定輸出觸發(fā)脈沖的寬度。從而控制可控硅的導(dǎo)通時間，終達到控制溫度的目的。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

　　微機系統(tǒng)主要由CPU80C52,并行接口8255A,地址鎖存器74LS373構(gòu)成。

　　AD590是電流型溫度傳感器，用于精密溫度測量電路。在被測溫度一定時，AD590相當(dāng)于一個恒流源，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。

　　A/D0808 是8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器件，采用CMOS結(jié)構(gòu)，包括8位的A/D轉(zhuǎn)換器、8通道的多路模擬開關(guān)和與微處理器相兼容的控制邏輯。8通道多路模擬開關(guān)能直接與8路單極性模擬信號中的任何一個相連。片內(nèi)還具有8路模擬開關(guān)通道地址鎖存器和地址譯碼器、電壓比較器、256R電阻T型分壓器、數(shù)字模擬開關(guān)陣譯碼器、逐次逼近寄存器SAR、邏輯控制與定時電路、輸出具有TTL電平標準的三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存緩沖器，直接掛接在單片機單片機的數(shù)據(jù)總線上。

　　單片機80C52是一種集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)等部分于一體的器件，只需要外加電源和晶振就可實現(xiàn)對數(shù)字信息的處理和控制。

　　8255A芯片用來擴展I/O口，它有3個輸入輸出端口，PA口接測量顯示的LCD液晶顯示器，PB口接給定溫度顯示的LCD液晶顯示器，PC口控制LCD的選通，8255A的地址通過鎖存器74L373選擇，這樣就很好的解決了單片機端口資源不足的問題，并且各個模塊功能清晰。

　　2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　2.2.1 程序流程

　　程序流程如圖3所示。系統(tǒng)程序包括主程序、對80C52單片機硬件電路的初始化、顯示程序、鍵盤處理程序等?？刂破鞯能浖饕▋刹糠郑罕O(jiān)控程序和控制程序。監(jiān)控程序的主要功能包括初始化設(shè)置、內(nèi)存清零、定時采樣、鍵位操作和顯示等?？刂瞥绦虻闹饕δ馨ǘ〞r、數(shù)據(jù)處理、溫度控制子程序等。該系統(tǒng)的軟件是在80C52單片機仿真開發(fā)環(huán)境下采甩基于51系列的C語言編寫的，用C語言來設(shè)計程序大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率。

圖3 程序流程圖

　　2.2.2 溫度控制算法設(shè)計

　　PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點，是控制理論中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛應(yīng)的一種控制技術(shù)。所謂的PID控制，就是按偏差的比例、積分、微分進行控制。想模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為：

　　式中u（t）是PID調(diào)節(jié)器的輸出量，e（t）是PID調(diào)節(jié)器的輸入量，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)。

　　PID控制的形式多種多樣，常用的通常有位置式和增量算式。根據(jù)對象的特點，該系統(tǒng)采用PID增量式控制算法。所謂的PID的增量算式，就是根據(jù)式（3）計算出u（kT-T），通過計算△u（kT）=u（kT）-u（kT-T）得到PID增量算△u（kT），即第k次采樣輸出算式為：

　　在計算機系統(tǒng)中，一般采用恒定的采樣周期T,當(dāng)確定了Kp、Ki、Kd時，根據(jù)前后3次測量的偏差值就可以求出控制增量△u（kT）。增量式PID程序流程圖如圖4所示。

圖4 增量式PID程序流程圖

　　3 實驗結(jié)果與系統(tǒng)仿真

　　在Keilu Vision3中建立一個文件，在代碼框中輸入程序代碼，檢查調(diào)試代碼無誤后運行程序生成。HEX文件，打開PROTEUS的原理圖編輯及仿真界面，并在界面中打開事先設(shè)計好的電路圖，把轉(zhuǎn)換好的二進制文件加載入80C52單片機，點擊運行調(diào)試按鈕就可以進行硬件和軟件的仿真。

　　該系統(tǒng)爐溫在一定范圍內(nèi)根據(jù)實際控制對象可以人工設(shè)定，圖5為電加熱爐溫度設(shè)定值在50、100、150和300℃時的升溫曲線圖。從圖中可以看出，爐溫獲得了良好的控制，各項指都達了電加熱爐加熱對象要求起跳快、調(diào)量小、控制平穩(wěn)的技術(shù)指標。

圖5 電加熱爐溫度設(shè)定值在50、100、150和300℃時的升溫曲線圖

　　4 結(jié)束語

　　該系統(tǒng)經(jīng)驗證能充分實現(xiàn)溫度的實時控制與顯示、設(shè)定顯示，達到智能數(shù)字控制儀表的要求。試驗表明，該系統(tǒng)具有良好的升溫、降溫特性，靜態(tài)、動態(tài)指標均達到了控制要求，系統(tǒng)高，自適應(yīng)能力強，可靠性高，抗干擾性強，控制界好等特點。系統(tǒng)的超調(diào)量小于4%,調(diào)節(jié)時間在溫30~100范圍內(nèi)均6 min小于，爐溫達剄了很好在控制效果。改小溫度設(shè)定值，該系統(tǒng)可應(yīng)用于孵蛋、細菌培育等場合恒溫控制。該控制器的設(shè)計方法在熱處理、化工、機械加工、金屬冶煉等行業(yè)爐溫控制器設(shè)計中具有一定的借鑒意義和推廣價值。

參考文獻:

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[7]. 8255A datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/8255A_103888.html.