PDF《电加热炉温度单片机控制系统的研制》

堡、.

机电气 传动2000g-第3期Jz.一2c_电加热炉温度单片机控制系统的研制五邑大学上海交通大学擅l: 以单片机为棱心 . 采用温度盎送嚣桥路和固志继 电嚣拉温电路 , 宴现对电炉温度 的自动控制.谈控制 系统 具 有硬 件戚奉低、拉温精度 较高、可靠 性好、抗干扰 能力 强等特点 . 美词:电加热炉控温固态 继电器Th e De v e l o pme nt o f a Si n g l e ― c hi p Comput e r S y s t e m f o r Co n t r ol l i n g Te mp e r a t u r e o f

8 n El e c t r i c He a t i ng Fu r na c e L i a n g Xi n r o n g W u Z h i mi n g Ab s t r a c t I Au t o ma t i c t e mp e r a t u r e c o n t r o l o f t h e e ] e c t r i ~ ~ u r n a c e i s r e a l i l e d b y a t e mp e r a t u r e c o n v e r s i on b r i d g e c i r c u i t a n d a t e mp e r a t u r e c o n t r o l c i r c u i t o f s o ] i d s ~ a t e r e l a y o n t he b ~ s i s o f t h e s i n g l e ― c h i p c o mpu t e r . Th i s c o n t r o l s y s t e m h a s s u c h a d v a a t a g ~ e s f i s l ow c o s t ・ h i gh c o n t r o l a c c u r a c y. g o o d r e ] l a b i l i t y a t t d g o o d r e s i s t a nc e t o m― t e r ~ e r e a c e . Ke y wo r d s { e t e ~ t r l e h e a t i n g l u r a a e e t e mp e r a t u r e c

0 nt r o [ s o ] i d s t a t e r e t e y 传统 的以普通双 向晶闸管 ( S C R) 控制 的高温 电加热炉 采用移相触发 电路改变 晶 闸管导通 角的 大小来 调节 输 出功率 , 达到 自动 控制 电炉 温度 的 目的 . 这种移相 方式输 出一种非正 弦波 , 实践 表明 这 种控 制方式 产生 相 当大 的中频 干扰 , 并 通过 电 网传输 t 给 电力 系统造成 公害 . 采用 固态继 电器 控温 电路 , 通过单 片机控 制固态 继 电器 , 其波形为 完整的正 弦波 , 是 一种 稳定 、 可靠 、 较先 进 的控制 方法 . 为 了降低成 本和保证较 高的控温 精度 , 采用 普通的ADC0809芯 片 和具 有零点迁移、冷端 补偿功能 的温度变送 器桥路 , 使实 际测温 范围缩小 . 为 了在工 业现 场应 用 中具 有较 强 的抗 干扰 能力 , 采取 了一系列抗干 扰措 施.1电加 热炉温度控 制 系统 的硬 件设计电加热 炉温度 控制 系统 的硬 件 由图 1所示各 部 分组成 它以MC S 一51单片机 为棱 心,外扩键盘 输 入和 L E D显示 温度 . 电加热炉 炉 内的实 际温度 由热 电偶 测量 并转 换成 毫 伏级 的 电压信 号,通过温度变送 器 桥路实 现零 点 迁移 和冷 端补 偿,经运24算放大器

7 6

5 0放 大到

0 ~5 V, 再经 有 源低 通滤 波器滤波 后,由A/ D转 换成数 字量 .此数 字量经 数字滤波 、 标度 变换 后,一方面 通过LED将 炉温 显 示出来 } 另一方面 , 将 该温度 值与被控 温度值进 行 比较 , 根据其偏 差值的大小 , 采用 比例微 分控 制t通过 固态 继 电器控 温 电路 控制 电炉 丝 的导通 时间,就可 以控 制 电炉 丝的加 热功 率大小 , 从而控 制 电炉的温度 , 使其逐 渐趋于给定 值且达 到平衡 . 圈1电加 热炉 捏 厦控 制系统的硬 件结构框图

1 .

1 热 电偶的选 取热电偶 是 测量 传感 器,对它的选择 将直 接影 响检测误 差大小 .目前 多选 用K型(镰铬一 镍硅 ) 或 S型 ( 铂 铑一 铂)热电偶 .两 者相 比,K型有较 好 的温度一 热 电势 的线性 度,但它 不适 宜于 长时间在 高温 区使 用}S型有高 的精度 , 但温度一 热电势的线性 度较差 .

1 .

2 A1 , D转换器 f 维普资讯 http://www.cqvip.com 电气传 动g000年 第 3期 图 1中 A/ D 转换 芯片 采用AD C

0 8

0 9 , 其转 换 精度是

1 /

2 5

6 .若 电炉工作 温度是

1 o o o C , 这样在(o~1 o o o )℃范围A/ D 的转换 精度 为1000C/

2 5

6 ―4 ℃/ b i t , 即一个 数字 量 表示

4 C, 这 显然 不 能满足 高控温精度 的要求 . 为 了提 高控温 精度 , 我 们采用零 点迁移 的办法 , 缩 小实 际测温 的范围 将 实际测 温范围缩 小为

1 /

4 , 这样 在(

7 5

0 ~1

0 0

0 ) ( 、 的范 围内,A/ D 转换精度为(1000~750)C256―1 C/ b i t , 可使 理论设计精 度控制在士1C为了保 证在750℃时 , 毫伏 放大 器输 出为

0 V, 则必须在温度 变送器 桥路 中引 人零 点迁 移和冷 端补 偿电路.1.3温度 变送器桥路 温度 变送器桥路 如图 2所示 . . . ― j N l I l 圈0温度变 送 器桥 路U0 一Ex + Uc U ― UL N UL = = I RL N Uc u一cuU与B极性相 反,U 与B极性相 同. 零 点迁移 U 一UL N - -Uc ~ - 一(RLN―Ro : ) 改变 接线端子实 现零 点 迁移 的 3种 情况如下.(1)W与R并联 : 零点迁 移小 . 对镍铬一 镍硅 E U一 2热 电偶 , 冷端温度为2O℃时,Rcv―Z0n, R 一0 ~3

8 n.当R=0时,零点迁移 U. . 一0 .

5 mA*(

0 ―2

0 )n一一1

0 mV;

当RLN=3

8 n 时,零点迁移 U 一0 . 5mA*(

3 8 ―2

0 ) n=9mV. (

2 ) w 与R串联 : 零点 迁移大 . R 一6 O ~1

6 0 n 当RLN一6

0 n时,零点 迁移 UⅢ一0 .

5 mA* (

6 0 ―2

0 )n一2

0 mV;

当R=1

6 0 n时,零点迁移U6.一0.5mA* (

1 6

0 ―2

0 )n一70mV. (

3 ) 只有w,零点迁移中等 , R N ― W 一0 ~

1 0

0 n.当RLN一0时,零点迁 移U.:0 .

5 mA* (

0 2

0 ) n一10mV;

当RL N 一1

0 0 n 时,零点迁移U0―0 .

5 r f l A*(

1 0 O ―Z

0 )n一4

0 mV, 若 控温 范围为750~1000℃, 在此范围 内, 毫伏放 大器输 出为 O ~5 V.对AD C

0 8

0 9 , 为 了确 保精度 , 应尽量 压缩温度 检测 范围 ,

7 5 0℃时EU一 2热电偶输出为30.5mV,

1 0

0 0 ℃时输出为41.27mV 为 了保证在

7 5 0℃时. 毫伏放大 器输 出为0V, 则变 送器 桥路引人零点迁移U应为30.5mV .

1 .

4 低 漂移毫 伏放 大器 低 漂移毫伏放 大器如 图3所示 .

5 1

0 k

1 0

0 k

6 .

8 ~ F 圈3I氐需 穆鼍优藏 太替电路A采用性能优良的斩波稳零运算放大器ICL7650,温漂仅 为0.O1V/ 月 .斩 波电容 C 和c选用绝 缘 电阻高 的聚脂 薄膜 电容器 , 由调 零放 大 器在斩 渡振 荡器和 时钟 电路 控制下轮 流为本身 的主放大 器调零 D 和D选用低漏 流型 的硅开 关 二极管 , 起保 护ICL7650的作 用.A 输 出信号 经二阶有 源 低通 滤波 器滤波.使信噪比S/N提高,此有源 低通滤波 器的截 止频 率约

1 .

5 Hz .A : 的增 益为1,A可选 用A7

4 1 , A2 的输 出经 A/ D 转换 器转 换成 数 字信 号后读 人单 片机 , 然后 由软 件转 换成 相应 的温度显示值 .

1 .

5 固态继 电器 控温 电路 通过 单片机 控制交 流固态继 电器调节 负载的 功率 而达到调节 温度 的 目的 . 调功 的原理 为: 设电 网连 续N个完整 的正 弦波 ( 周波)为一个控 制周期丁, 则T_,Ng式中―― 电网频率 , Hz 若在 设定 的周期 丁 内控制 主回路导通 n ≤ Ⅳ) 个完整 的正弦渡 ( 周波) , 则负 载功率 为pCK2n式中U―― 电网 电压 有效值

2 5 维普资讯 http://www.cqvip.com 电气 传动2090年 第3期R一一负载 的有效 电阻 因此 . 只要 控制在 设定 的周期 丁 内主 回路导 通的周渡 数 的个 数,就可调 节负载 的功率 P. 固态继 电器 控温 电路 如图4所 示,采用Z型 交 流固态 继电器 S S R. 实现零 触发交流 调功 . S S R 内设光 电隔离电路 , 可 减少与 电网 间的相 互干扰 , 这 是一种 较先 进的控 制方法 . 圈4固态 继 电器 控韫电路 MC S 一51单片机的 P

3 1置

1 后,再清… 0'

, 得到正脉冲 经反相 后触 发555芯 片,将有一 个周 期 正弦波加到 电炉丝上 .单 片机 的P31控制

5 5 5的 2脚 负脉 冲在设 定 的周 期丁内出现 的个数 , 就可以控制 电炉丝的加热功 率.

2 电加 热 炉温度 控制系统 的 软件 设计2.1软件结构 系统 的软 件 由主程 序、中断 服务 程序 和子 程序等组成 . 主程序 的任 务是 对 系统 进行初始 化,实现参数输入 , 并控制 电加热 炉 的正 常运行 . 中断 服务程序实 现定 时采样和 输出控制 子程序主要有 : 采 样子 程序 、 数字 滤波 子程 序、控制算 法 子程序 、 数 制转 换子程 序、显示子程 序等 . 在采 样程序 中包 括对A/ D 启动 、 读 结果 及把A/ D 结 果转 换为 实 际温 度值 .由于热 电偶 本身的非 线性 及模拟输 入 通道 存在 的非线性 , 需要将 A/ D值与温 度值之 间 对应 关系 以表 格形式存于 E P R OM 中.为 了缩 小 测温 范围 , 将 整个 温度范 围划分几个 区段 , 当被 温 度属于 某个 区段 , 则 转入 该 区段 所相应 的温度/ 数字 量表格 中去查表 , 以便 找到新 对应的温 度值 . 以EU2热电偶 为例 , 我们将(0~1000)℃划分 为(0~250)℃ 、 (

2 5 O ~

5 0

0 )℃ 、 (

5 0

0 ~

7 5

0 )℃ 、 (

7 5

0 ~

1 0

0 0 )℃4个 区段 , 软 件设 计采用转 移法 多分 支程序 设计 .

2 .

2 控制软 件设 计(1)从室 温到 丁. / Z ( 丁.为被控 温 度值 ) , 采用比例控 制加热 , 控制 加热 功率 就是 控 制导 通周 渡26数H= ( 丁一T. ) /

3 +To /

5 式中当时测得 的温度值 (

2 ) 从/2到 . 采用 比例微 分控 制,即PD控制 p = K + 丁.訾)式中丁. 微分时 间e― T0 一T. 一.(丁. 一T. ) 一D(丁. 一丁. 一)/丁一 式中.―― 比例 系数 . ―― 微分系数 丁.―― 前 一次测得 的温度 ― ― 测试周期,选K一2,Ko 一14, M 一/l0, T―l mi n 根据 n值计算定时器丁预置 数值m, 当n>

15时,预置数值 m一(130―2O00/n)*500将m值化为十六 进 制数 装入 T H 和TL , T 开 中断 当定 时........