電阻爐智能溫控系統(tǒng)研究
型熱電偶的精度分為三級：I級：測溫范圍01000C，誤差1.5C，為測量溫度的0.4%：圖i系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖K型熱電偶材料性能指標(biāo)：正級為鎳硅，負(fù)極為鎳鋁，正極和負(fù)極熔點(diǎn)分別為1427°C和1399C；電阻率（0C）分別為70.6D/cni和29.4nD/cni，熱膨脹系數(shù)分別為13.1xl-6時的熱導(dǎo)率分別為655Mpa和586Mpa.由于熱電偶的輸出靈敏度很低，每°<：只有幾十pV的電壓輸出，故要求放大電路的溫漂必須很小，另外熱電偶都具有非線性誤差，這就要求有非線性校正電路，同時還需考慮冷端補(bǔ)償。
2.1.1冷端補(bǔ)償和放大電路K型熱電偶的函數(shù)的形式為：+上指數(shù)表達(dá)式的有關(guān)系數(shù)，此函數(shù)覆蓋C1372C溫區(qū)，由上式可看出熱電偶的熱電勢輸出數(shù)值較小且和溫度之間的關(guān)系為非線性：同時熱電偶測溫時還要求冷端保持為（冰點(diǎn)），否則會帶來較大的誤差，但這給使用帶來很大的不便，因此，為解決上述問題在這里選用了一片美國（AnalogDevicesInc）生產(chǎn)的帶冷端補(bǔ)償?shù)膯纹瑹犭娕挤糯笃骷尚酒珹D595，該芯片的特點(diǎn)如下：低陰抗電壓輸出，10mV/C，即將非線性的熱電勢輪換為線性電壓輸出，具有片內(nèi)冰點(diǎn)補(bǔ)償電路，具有斷偶報(bào)警功能，K型熱電偶電動勢經(jīng)AD595放大后其輸出電壓為：根據(jù)上式由熱電偶的分度表即可得到10mV/C的電壓輸出。由AD595構(gòu)成的正負(fù)電源熱電偶放大電路如所示為滿足本系統(tǒng)控溫精度的要求，本系統(tǒng)選用較高辯率的美國MAXIM公司12位的串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX171.MAX171是帶光電隔離的串行輸出12位ADC，其內(nèi)部具有一個12位ADC，一個低漂移掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)源和三個光電耦合器，因此該芯片在其模擬輸入和數(shù)字接口之間實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，其隔離電壓超過1500V，因此大大提高了數(shù)據(jù)采集的安全性和可靠性。MAX171的主要特性及技術(shù)指標(biāo)如下：分辨率12位轉(zhuǎn)換時間5-8nS輸出方式串行非線性誤差1LSB檢測通道電路原理圖采用串行式A/D轉(zhuǎn)換器可使單片機(jī)工作于內(nèi)總線方式，而無需擴(kuò)展外部三總線結(jié)構(gòu)，這可大大簡化單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時又提高了系統(tǒng)可靠性。
MAX171模擬電壓輸入范圍為0-5V而AD595的電壓輸出為10mV/C，其滿刻度輸出電壓（1200C）為10mVxl200=12V，己遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出A/D轉(zhuǎn)換器的電壓輸入范圍，故需采用電阻分壓電路進(jìn)行分壓。本設(shè)計(jì)中由R，和R2組成分壓器電路。1=7=51當(dāng)溫度為1200C時，輸出電壓為VQ1=V.R2/（R，+R2）=5V，可滿足A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入電壓要求（0-5V）。
MAX171和單片機(jī)可直接接口，前提是MAX171時鐘頻率必需低于1MHZ，本系統(tǒng)中MAX171的輸出信號直接接到AT89C5〗單片機(jī)的RXD端，同時TXD端則為MAX171提供時鐘信號，可見MAX171時鐘信號是由單片機(jī)提供的，單片機(jī)利用其串行口與A/D轉(zhuǎn)換器通信，將串口設(shè)置為工作方式0，即同步移位寄存器方式，此方式下RXD用于接收數(shù)據(jù)，TXD輸出同步脈沖。一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果分兩次計(jì)讀入到單片機(jī)中，再合成12位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。
本系統(tǒng)單片機(jī)的晶振頻率并選為12MHZ，則串行工作方式0的波待率固定為f；se/12=lMHZ，可滿足MAX171對時鐘頻率的要求。
2.2控制通道本設(shè)計(jì)選用過零觸發(fā)固態(tài)繼電器為主控制元件，用以控制電阻爐的加溫與斷開。
固態(tài)繼電器特點(diǎn)如下：1控制電壓低（314V），驅(qū)動電流?。?15mA）；2輸入控制電壓與TTL、CMOS電平兼容；3輸出與輸入間采用光電隔離；4輸出無觸點(diǎn)、無噪音、無火花，開關(guān)頻率高，固態(tài)繼電器可由單片機(jī)的P27口通過TTL反相器直接驅(qū)動，采用過零觸發(fā)方式即改變一個溫度控制周期內(nèi)施加到電阻爐正弦波的個數(shù)，即可改變電阻爐輸入的平均功率，從而達(dá)到控溫的目的，同時過零觸發(fā)避免波形非正弦而對電網(wǎng)造成的公害。
固態(tài)繼電器的選用需滿足固態(tài)繼電器Ul.2倍電源電壓。
固態(tài)繼電器IN21.5倍電阻爐額定電流。
2.3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)選用ATMEL公司AT89C52，該單片機(jī)屬M(fèi)CS-51系列，因其內(nèi)部含有8K字節(jié)Flash程序存儲器，故勿需外擴(kuò)程序存儲器，由于本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器采用串行結(jié)構(gòu)也無需總線擴(kuò)展，故本單片機(jī)系統(tǒng)為內(nèi)總線單片機(jī)系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方法符合近年來單片機(jī)設(shè)計(jì)單片化的設(shè)計(jì)思想，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化，同時可靠性也大為提高。單片機(jī)的硬件資源也可全部提供給本系統(tǒng)使用，單片機(jī)的P.口、P2口可做為通用I/O使用。系統(tǒng)配有25鍵小鍵盤，其中0-F十六個數(shù)字鍵和八個功能鍵，一個REST鍵，由P，口構(gòu)成矩陣鍵盤，用于輸入控制算法的參數(shù)及加熱方式曲線，由MC14489顯示驅(qū)動芯片構(gòu)成5位串行顯示器用于顯示輸入?yún)?shù)和實(shí)際溫度值，蜂鳴器用于加熱結(jié)束時的聲音提示，E2PROM用于保存控制算法參數(shù)和工藝曲線參數(shù)。
3控制算法電阻爐是一個純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為Wd（S）=KdeA/（TdS+l），其中對象時間常數(shù)Td=90mim純滯后時間e=5min，廣義被控對象放大系數(shù)反〗。
考慮到被控對象模型的不精確性和其參數(shù)隨時間的漂移以及系統(tǒng)要求超調(diào)量小而允許調(diào)節(jié)時間過程長，控制器的控制算式可采用帶積分分離的PID方式或大林算法。
采用大林算法時，其相應(yīng)的數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)為其中Td為閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)，T為采樣周期，N為純滯后時間G與采樣周期間的整數(shù)倍數(shù)（0=NTN取整數(shù)）對上式進(jìn)行Z為提高控溫精度在升溫或降溫過程中當(dāng)溫度偏差值大于5%時，自動調(diào)用PID算式：4系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件由主程序Ta中斷服務(wù)程序、鍵輸入掃描程序及增量式PID運(yùn)算模塊與大林運(yùn)算模塊等組成。主程序框圖見，其它程序從略。
