基于單片機的遠紅外烘干機溫度控制系統(tǒng)設計

王其利，李宗玉，欒新強

（1.山東鋁業(yè)第二工程公司，山東淄博 255000；2.山東水利職業(yè)學院，山東日照 276826；3.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261000）

1 引言

溫度測控技術包括溫度測量技術和溫度控制技術兩個方面。近年來，溫度檢測在理論上發(fā)展比較成熟，但在實際測量和控制中，如何保證快速實時地對溫度進行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對所測溫度場進行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問題。目前國內溫控儀表的發(fā)展，相對國外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要在控制算法方面，國內溫控儀在全量程范圍內溫度控制精度比較低，自適應性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的被控對象，由于控制算法的不足而導致控制精度不穩(wěn)定。溫度控制技術按照控制目標的不同可分為兩類：動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動態(tài)溫度跟蹤實現(xiàn)的控制目標是使被控對象的溫度值按預先設定好的曲線進行變化。在工業(yè)生產中很多場合需要實現(xiàn)這一控制目標，如發(fā)酵過程的溫度控制，化工生產中的化學反應溫度控制，冶金工廠燃燒爐中的溫度控制等；恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一給定數(shù)值，且要求其波動幅度（即穩(wěn)態(tài)誤差）不能超過某允許值。本文所討論的基于單片機的遠紅外烘干機溫度控制系統(tǒng)就是要滿足遠紅外烘干箱中溫度控制的要求，實現(xiàn)對溫控箱的恒值溫度控制。

2 遠紅外烘干機溫控系統(tǒng)組成

遠紅外烘干機與普通烘干機在結構上的區(qū)別主要是：前者將遠紅外輻射元件布置在爐膛內部，以熱輻射加熱為主，對流為輔，利用輻射對受烘干物直接加熱；普通烘干機將熱源置于爐膛之外的加熱介質，利用對流熱風循環(huán)為主。

本文所述遠紅外烘干機是用來烘干各種蔬菜、糧食等，達到便于儲存目的的裝置。烘干機采用箱式結構，將遠紅外輻射器布置在爐膛內部，以輻射加熱為主，對流為輔，利用輻射對受熱物直接加熱。在加熱過程中受熱物料是緩慢運動的。此烘干裝置的加熱系統(tǒng)采用了先進的遠紅外輻射傳熱技術，加熱元件使用了遠紅外乳白石英加熱管。遠紅外烘干機共有2個烘干箱，4個溫區(qū)，而因箱體較大，則每個溫區(qū)又應分為兩個區(qū)域進行控制，即要對整個烘干機分為8個區(qū)域來進行溫度測量和控制，各個區(qū)域溫度測量和控制的原理完全相同。在烘干過程中，箱體內的溫度控制，測溫范圍0℃～125℃，控制精度1℃，功率單層約為50kW?；谝陨系母鞣N要求，設計了此溫度控制系統(tǒng)，以便滿足烘干機所要求的溫度范圍，及其精度。

本文所設計的溫度控制系統(tǒng)硬件按功能大致可以分為以下幾個部分：單片主控模塊、輸入通道、輸出通道、報警電路等。硬件總體結構框圖如圖1所示。由結構框圖可見，溫度控制系統(tǒng)以單片機為核心，并擴展外部芯片構成主控模塊。溫控箱的溫度通過溫度傳感器檢測并轉換成微弱的電壓信號，再通過8位的A／D轉換器轉換成數(shù)字量。此數(shù)字量經過數(shù)字濾波之后，一方面將溫控箱的溫度通過控制面板上的液晶顯示器顯示出來；另一方面將該溫度值與設定的溫度值進行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用PID控制算法進行運算，最后通過控制雙向晶閘管控制周期內的通斷占空比（即控制溫控箱加熱平均功率的大?。_到對溫控箱溫度進行控制的目的。如果實際測得的溫度值超過了系統(tǒng)給定的極限安全溫度，報警電路會做出反應，保護溫控箱。

圖1 硬件總體結構框圖

根據(jù)本系統(tǒng)實際情況綜合考慮，溫度控制系統(tǒng)選用AT89C52單片機作為主控模塊的核心芯片。溫度控制系統(tǒng)的硬件部分包括：單片機89S52、I／O芯片8155H、PT100溫度傳感器、運算放大器OP07、放大器 INA118、A／D 轉換器 ADC0809、電壓基準芯片MC1403D、晶閘管輸出電路、鎖存器74LS374、液晶顯示器 OCMJ4×8C、鍵盤、報警輸出電路、直流穩(wěn)壓電源模塊。

3 溫度控制系統(tǒng)電路設計

3.1 電源電路

系統(tǒng)所用直流電源由三端集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源提供。設計中選用了LM7805三端集成穩(wěn)壓器，提供+5V、輸出電流為IA。LM78O5的連接方法是變壓器將220V的市電降壓后再通過整流橋整流之后，采用大容量的電解電容進行濾波，以減小輸出電壓紋波。由于電解電容器在高頻下工作存在電感特性，對于來自電源側的高頻干擾不能抑制，因此在整流電路后加入高頻電容改善紋波。電源電路如圖2所示。

3.2 溫度傳感器與單片機接口電路

溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構成材料、構成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度也各不相同。因此在不同的應用場合，應選擇不同的溫度傳感器。Ptl00型鉑電阻，在-200℃到850℃范圍內是精度最高的溫度傳感器之一。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學性能都非常穩(wěn)定，耐氧化能力很強，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。這些特點使得鉑電阻溫度傳感器具有信號強、精度高、穩(wěn)定性和復現(xiàn)性好的特點。由于在本系統(tǒng)中，測溫范圍較大（室溫到600℃之間），且要求檢測精度高、穩(wěn)定性好，因此選用Pt100鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。熱電阻與單片機接口電路包括恒流源電路、電壓放大、A／D轉換接口電路。A／D轉換電路選用CMOS單片型逐次逼近式A／D轉換器ADC0809，恒流源電路如圖3所示，放大電路如圖4所示。

圖2 電源電路圖

3.3 晶閘管與單片機接口電路

圖3 恒流源電路

圖4 電壓放大電路圖

目前多數(shù)溫控系統(tǒng)均采用晶閘管來實現(xiàn)功率調節(jié)。晶閘管的控制模式有兩種：相位控制和零位控制（分配式零位控制、時間比例零位控制）。本系統(tǒng)采用分配式零位控制的模式，控制溫控箱加熱電阻的平均加熱功率，進而控制溫控箱的溫度，晶閘管配套使用的是MOC3061光電耦合雙向晶閘管驅動器，與一般的光耦合器件不同之處是MOC3061輸出部分是硅光敏雙向晶閘管，還帶有過零觸發(fā)檢測器，以保證電壓接近零時觸發(fā)晶閘管正常。晶閘管輸出電路如圖5所示。

3.4 加熱管控制電路

單片機通過晶閘管控制加熱管，加熱管控制電路如圖6所示。

圖5 晶閘管輸出電路

4 溫度控制系統(tǒng)軟件的設計

圖6 加熱管控制電路

4.1 主程序的設計

主程序對系統(tǒng)進行初始化，構建系統(tǒng)整體軟件框架，初始化包括對單片機的初始化、A／D芯片初始化和串口初始化等。然后等待溫度設定，若溫度已經設定好了，判斷系統(tǒng)運行鍵是否按下，若系統(tǒng)運行，則依次調用各個相關模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運行。主程序的程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

圖8 增量式PID控制算法程序流程圖

4.2 溫度控制系統(tǒng)控制方案

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，盡管有許多先進的控制方法不斷推出，但由于PID控制方法結構簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定；P、I、D控制規(guī)律各自成獨立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進行組合；PID控制方法使用的時期較長，控制工程師們已經積累了大量的參數(shù)調節(jié)經驗。因此，PID控制器在工業(yè)控制中仍然被廣泛地應用著。

增量式PID控制算法與位置式控制算法比較，有以下一些優(yōu)點。

（l）位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，容易產生較大的累計誤差。而增量控制算法只須計算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關，當存在計算誤差或者精度不足時，對控制量的影響較小，且較容易通過加權處理獲得比較好的控制效果；

（2）由于計算機只輸出控制增量，所以誤動作影響小，而且必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運行有利；

（3）手動／自動切換時沖擊比較小。

鑒于以上優(yōu)點，本系統(tǒng)的控制算法采用增量式的PID控制算法。其程序流程如圖8所示。

5 結論

溫度控制在工業(yè)生產中起著非常重要的作用。本文完成了基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)，試驗表明，該系統(tǒng)控制方法采用PID算法，結構簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定，P、I、D 控制規(guī)律各自成獨立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進行組合；該系統(tǒng)根據(jù)不同區(qū)域的溫度要求進行控制，可以滿足烘干過程中的溫度控制的需要，溫度控制精度較高，自適應性較好。該系統(tǒng)經改裝可用于許多工業(yè)上需要溫度控制的場合，具有重要的市場價值和現(xiàn)實意義。

［1］潘新民，王燕美.微型計算機控制技術［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［2］孫育才.MSC-51系列單片機及應用［M］.東南大學出版社，2004.

［3］李玉峰，霓虹霞.MSC-51系列單片機原理與接口技術［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［4］譚健成.新編電機控制專用集成電路與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［5］方程運.工廠電氣控制技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［6］王海寧.基于單片機的溫度系統(tǒng)設計［D］.合肥工業(yè)大學控制理論與控制工程系.2008.

［7］胡壽松.自動控制原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000.