基于PID控制的溫度控制器的設(shè)計(jì)

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 寧潤(rùn)果 王志軍

引言

在社會(huì)日益發(fā)展的今天，在大部分的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)量和控制都直接與安全生產(chǎn)、生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、產(chǎn)品質(zhì)量等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。因此，溫度的檢測(cè)與控制在生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域中受到了很高的重視。在生產(chǎn)過(guò)程中，人們需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。由于溫度的控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有很大的比例，因此，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制生產(chǎn)設(shè)備的溫度，是高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。如果溫度控制不好很可能導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)的失敗，所以在工業(yè)的研制和生產(chǎn)中，為了保證生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性并且提高控制精度，采用單片機(jī)控制是重要的途徑。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是單片機(jī)微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多地采用單片機(jī)對(duì)一些工業(yè)過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，如：溫度、壓力等。其中溫度控制是最重要的一項(xiàng)任務(wù)。

目前，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)爐溫的控制大部分都是采用以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，既可以提高設(shè)備的自動(dòng)化程度又能改善控制系統(tǒng)的控制精度。過(guò)去往往采用模擬PID控制，然而由于模擬PID控制器的控制精度比較低，所以，采用模擬PID控制的控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足高質(zhì)量生產(chǎn)的要求。對(duì)模擬PID控制器必須進(jìn)行技術(shù)改造，以提高控制精度、改善控制系統(tǒng)的綜合性能，提高產(chǎn)品的成品率，增強(qiáng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但是，目前還有許多鍋爐的爐溫控制完全由模擬電路組成，所以對(duì)這部分鍋爐的控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造具有重要的意義。

1 電路設(shè)計(jì)的整體思路

本設(shè)計(jì)是一種以單片機(jī)AT89C51為核心，采用PID控制算法的溫度控制系統(tǒng)，它主要由兩大部分組成，即硬件部分和軟件部分。

（1）硬件部分：溫度采樣部分由溫度傳感器鉑銠熱電偶和模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC574組成；輸出控制通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊TX-KA101來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT的通斷；顯示部分由4個(gè)共陽(yáng)極集成數(shù)碼管LED實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量值及設(shè)定值的顯示；設(shè)置四位獨(dú)立按鍵用于溫度設(shè)定值的輸入，其原理框圖如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)原理框圖

（2）軟件部分：溫度控制系統(tǒng)由主程序和中斷程序等組成。主程序主要完成數(shù)據(jù)的采集、AD轉(zhuǎn)換及顯示程序。中斷程序主要通過(guò)設(shè)定在一個(gè)控制周期內(nèi)的通斷次數(shù)及每次通斷持續(xù)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

由于AT89C51單片機(jī)需要+5V的直流電，而現(xiàn)實(shí)生活中只有220V的工頻交流電，所以需要設(shè)計(jì)將工頻電轉(zhuǎn)換為+5V直流電的電路。該系統(tǒng)將輸入220V家用交流電，經(jīng)過(guò)全橋整流，穩(wěn)壓后輸出+5V的直流電。該設(shè)計(jì)的整體思路如圖2所示。

圖25 V直流電設(shè)計(jì)框圖

該電源的設(shè)計(jì)思路是，在變壓器的輸入端連接一個(gè)有保險(xiǎn)絲的電源插頭，一旦電源短路或者負(fù)載過(guò)大時(shí)，保險(xiǎn)內(nèi)的金屬絲就會(huì)因電流過(guò)大而引起高溫，從而造成金屬絲的融化，進(jìn)而保證了電路的安全。在變壓器的后面接一個(gè)由4個(gè)二極管組成的橋式整流電路，經(jīng)過(guò)橋式整流后的電源帶有很大的波動(dòng)性，所以在整流橋的后面接一個(gè)330uF/25V的電解電容，其目的是起到濾波的作用，使電源穩(wěn)定。9V的電壓經(jīng)電容C1濾波后會(huì)在電容的兩端得到一個(gè)大約11V多的電壓，如果從電容C1兩端直接接一個(gè)負(fù)載，那么當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)或者當(dāng)交流電源有少許波動(dòng)時(shí)都會(huì)導(dǎo)致電容C1兩端的電壓發(fā)生很大的變化，因此要想得到一個(gè)比較穩(wěn)定的電壓，必須在后面加一個(gè)三端穩(wěn)壓器的元件7805。因?yàn)锳T89C51的電源需要的是5V電壓，所以選擇7805來(lái)作為穩(wěn)壓器。LM7805最大可以輸出1A的電流，它的內(nèi)部有限流保護(hù)電路，短時(shí)間內(nèi)輸出端對(duì)地短路并不會(huì)使LM7805燒壞，但是如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，很可能把LM7805燒壞，但這也和散熱條件有很大關(guān)系。三端穩(wěn)壓器7805后面再接一個(gè)105uF的電容C2，這個(gè)電容主要起到濾波和阻尼的作用。最后在C2的兩端接一個(gè)輸出電源的插針，就可以與單片機(jī)相連了。5V電源的具體電路如圖3所示。

圖35 V電源電路圖

2.2 熱電偶選擇

鉑銠10-鉑熱電偶是用直徑0.5mm以下的鉑銠合金絲或純鉑絲制成，它的測(cè)量準(zhǔn)確度較高，可用于精密溫度測(cè)量。在氧化性或中性介質(zhì)中具有較好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，在1300度以下范圍內(nèi)可長(zhǎng)時(shí)間使用。鉑銠快速熱電偶各型號(hào)規(guī)格比較如表1所示。

考慮到本次設(shè)計(jì)所測(cè)量的溫度范圍是0～1000℃，且溫度精度是±3℃，所以采用鉑銠10-鉑熱電偶，型號(hào)為KS-602。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

由于傳感器過(guò)來(lái)的信號(hào)非常微弱，是毫伏級(jí)的，這么小的電壓是不能被A/D轉(zhuǎn)換器接受的，所以必須經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路是將微弱的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換器可以接受的0-5V的電壓信號(hào)，此次調(diào)理電路主要完成的功能是對(duì)信號(hào)的濾波、放大等。信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

表1 鉑銠熱電偶各型號(hào)規(guī)格比較

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

2.4 AD接口電路

當(dāng)把熱電偶傳感器放到所要檢測(cè)的溫度下，信號(hào)調(diào)理電路將輸出模擬調(diào)理電壓信號(hào)。將模擬電壓信號(hào)通過(guò)AD574進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成等價(jià)的數(shù)字信號(hào)。AD轉(zhuǎn)換接口電路如圖5所示。

圖5 單片機(jī)與AD574的接線圖

2.5 鍵盤電路

由于本設(shè)計(jì)用了4個(gè)按鍵，按鍵比較少，所以采用獨(dú)立式鍵盤。在本系統(tǒng)中，可以通過(guò)鍵盤輸入系統(tǒng)的溫度設(shè)定值，然后讓其與熱電偶所測(cè)的實(shí)際溫度值進(jìn)行比較，求出系統(tǒng)的誤差，供系統(tǒng)的模擬PID控制程序使用。鍵盤電路如圖6所示。

圖6 鍵盤輸入電路

2.6 顯示電路

由于本次設(shè)計(jì)需要對(duì)溫度進(jìn)行顯示，所以需要顯示電路。本系統(tǒng)選用LED液晶顯示器，其型號(hào)為：7SEG-MPX4-CA-BLUE。它是共陽(yáng)極的4位的LED顯示，具有體積小、耗電量低、壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、無(wú)輻射、低功耗而且環(huán)保、堅(jiān)固、耐用等優(yōu)點(diǎn)。其外形如圖7所示。

圖7 LED液晶顯示器

2.7 PWM波驅(qū)動(dòng)芯片

在本文中，整個(gè)系統(tǒng)的溫控電路是單片機(jī)通過(guò)PWM波來(lái)控制的。PWM波可由單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生，而單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波的幅值較小，不能直接去控制晶體管IGBT，所以必須對(duì)PWM波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，然后去控制晶體管IGBT的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制。本系統(tǒng)的PWM波的驅(qū)動(dòng)選用北京落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的IGBT驅(qū)動(dòng)器HIC芯片，其型號(hào)為TX-KA101。它的應(yīng)用連接示意圖如圖8所示。

圖8 TX-KA101連接示意圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫程序。系統(tǒng)的主程序是當(dāng)系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化（為調(diào)用各種子程序做好準(zhǔn)備）、PID參數(shù)的輸入，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)AD574轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理并顯示。此時(shí)判斷按鍵如果有中斷設(shè)定，則與當(dāng)前溫度設(shè)定值相等，若比較不相等時(shí)，則根據(jù)PID算法更新參數(shù)，然后通過(guò)PWM波去控制溫度。該溫度控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)溫度的控制。由于溫度控制具有非線性、滯后性及不確定性，而且在自動(dòng)控制領(lǐng)域，對(duì)溫度控制的要求越來(lái)越高，往往很難找到精確的數(shù)學(xué)模型去控制它。本設(shè)計(jì)就是運(yùn)用PID算法采用鉑銠熱電偶傳感器通過(guò)單片機(jī)AT89C51控制溫度的，通過(guò)對(duì)模擬PID控制器進(jìn)行技術(shù)改造，以提高控制精度、改善控制系統(tǒng)的綜合性能。

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