摘要: 本文主要介紹了一種基于智能控制技術(shù)的新型溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了傳感器鉑電阻為本溫度控制系統(tǒng)提供溫度信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入微控制器中，通過(guò)微控制器及其接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的顯示、判斷、決策及控制。最后系統(tǒng)輸出的適當(dāng)控制量可調(diào)脈沖控制可控硅電路。通過(guò)可控硅調(diào)功對(duì)被控對(duì)象電阻爐的加熱，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象電阻爐的溫度控制，以達(dá)到系統(tǒng)所要求的精度。
關(guān)鍵字: 傳感器；可控硅；溫度控制；A/D

1 引言

在鋼鐵、機(jī)械、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。溫度控制一般指對(duì)某一特定空間的溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到并滿(mǎn)足工藝過(guò)程的要求。在本文中，主要研究對(duì)特定空間(電阻爐)的溫度進(jìn)行高精度控制。采用九點(diǎn)控制器算法進(jìn)行溫度控制，達(dá)到了很好的控制效果。

2 控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)硬件電路的組成由同步過(guò)零檢測(cè)電路、溫度信號(hào)檢測(cè)及可控硅觸發(fā)電路、時(shí)鐘芯片等組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，以單片機(jī)機(jī)為核心，數(shù)據(jù)采集由鉑電阻經(jīng)補(bǔ)償放大后送至A/D轉(zhuǎn)換，調(diào)功部分由過(guò)零觸發(fā)電路及可控硅完成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 溫度傳感器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PT100熱電阻為測(cè)溫器件，PT100熱電阻是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在-50℃~600℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。由于鉑熱電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以本模塊需要進(jìn)行非線性校正，一般的模塊采用模擬電路校正，這種校正的精度不高，而且溫漂等受干擾的程度也比較大。

熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨著溫度值變化而變化的原理制成的，實(shí)現(xiàn)了將溫度變化轉(zhuǎn)化為元件電阻的變化。它主要用于對(duì)溫度和溫度有關(guān)參數(shù)檢測(cè)與控制。鉑熱電阻具有測(cè)溫范圍大、穩(wěn)定性好、示值復(fù)現(xiàn)性高和耐氧化等特點(diǎn)，常被用來(lái)作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。鉑電阻的非線性特征按照國(guó)際電工委員會(huì)的鉑熱電阻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鉑電阻Pt100在0℃~650℃范圍內(nèi)，符合TTS-90的國(guó)際分度表函數(shù)R(t)可用式(1)表示

式中 分別是t℃和0℃時(shí)的鉑電阻阻值， 。很顯然，上述表達(dá)式中，鉑電阻阻值R0與溫度t之間的關(guān)系為非線性的。

4 功率輸出電路及其控制原理分析

4.1 功率輸出電路

加熱絲輸出功率大小的調(diào)節(jié)，可以使用移相調(diào)壓電路，也可以采用占空比開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。在采用移相調(diào)壓電路時(shí)，即將計(jì)算得到的控制量經(jīng)D/A變換，控制可控硅的移相觸發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。由于電壓輸出波形的不完整，含有高次諧波分量，對(duì)電網(wǎng)有一定的干擾。

采用占空比開(kāi)關(guān)電路控制，即考慮可控硅控制電壓和被控的交流電壓之間以及電熱絲產(chǎn)生的熱量和所加的電壓之間的非線性，通過(guò)調(diào)節(jié)周期時(shí)間內(nèi)的通電時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的大小，可以避免D/A轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大造成的不必要的誤差，也可以通過(guò)可控硅的過(guò)零觸發(fā)電路避免對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾。在本系統(tǒng)中采用占空比開(kāi)關(guān)電路控制，功率輸出電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 功率輸出電路

MOC3041是一種過(guò)零觸發(fā)光電偶合芯片，用來(lái)實(shí)現(xiàn)BTA12雙向可控硅的過(guò)零觸發(fā)。R11的作用是限制流過(guò)MOC3041的輸出端的電流不超過(guò)其允許的最大重復(fù)浪涌電流。

4.2控制原理分析

本系統(tǒng)采用晶閘管過(guò)零觸發(fā)調(diào)功方式，為能精確控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，利用同步變壓器和電壓比較器LM311組成正弦交流電的正半波過(guò)零檢測(cè)電路，它在交流電每一個(gè)正半周的起始零點(diǎn)處產(chǎn)生上升沿，并在正半周回零處產(chǎn)生一個(gè)下降沿，通過(guò)可重復(fù)觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14528，單穩(wěn)態(tài)輸出的兩路窄脈沖再疊加，就得到100Hz的過(guò)零脈沖，脈沖寬度可由MC14528的外接電阻和外接電容調(diào)節(jié)。這一串矩形脈沖序列輸至控制器 C8051F020的中斷口，在方波的上跳沿或下跳沿時(shí)刻產(chǎn)生IRQ中斷，用于觸發(fā)可控硅進(jìn)行同步移相，從而通過(guò)計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)控制晶閘管通斷的周期時(shí)間。過(guò)零檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 過(guò)零檢測(cè)電路

    晶閘管在正弦電壓過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)導(dǎo)通。這樣負(fù)載上得到的電壓為一正弦波，電壓每次過(guò)零時(shí)，晶閘管是否導(dǎo)通是可控的。因而這種方式避免了調(diào)壓方式缺點(diǎn)，且晶閘管導(dǎo)通功耗小，運(yùn)行可靠。調(diào)功方式輸入電阻爐的平均功率為:

在(5)式中，P為輸入電阻爐的功率;R為負(fù)載有效電阻;U為電網(wǎng)電壓:n為允許導(dǎo)通的波頭數(shù)，N為設(shè)定的波頭數(shù)。

5 單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)

5.1 微處理器的選擇與A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用工業(yè)級(jí)全集成混合信號(hào)在片系統(tǒng)單片機(jī)系列中功能比較齊全的C8051F020微處理器，在片系統(tǒng)SOC(System On Chip)是一個(gè)全新的概念，是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展。集成度越來(lái)越高，對(duì)嵌入式控制技術(shù)的可靠性要求越來(lái)越高而產(chǎn)生的。雖然C8051F020自帶了A/D轉(zhuǎn)換器，但卻滿(mǎn)足不了式鉑電阻的線性校正的要求。所以在鉑電阻測(cè)溫電路線性設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)中，采用了4位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135。ICL7135每一個(gè)轉(zhuǎn)換周期分為三個(gè)階段:自動(dòng)調(diào)零階段、被測(cè)電壓積分階段、對(duì)基準(zhǔn)電壓UREF進(jìn)行反積分階段。

處理器C8051F020的時(shí)鐘采用12MHz晶體，在不執(zhí)行MOVX指令的情況下，ALE是穩(wěn)定的2MHz頻率，經(jīng)過(guò)4分頻可得到500kHz的穩(wěn)定頻率，傳給ICL7135時(shí)鐘輸入端，則ICL7135的滿(mǎn)量程要求為19999,POL信號(hào)用來(lái)指示輸入電壓的極性。ICL7135在A/D轉(zhuǎn)換階段，狀態(tài)輸出引腳BUSY為高電平，指明A/D轉(zhuǎn)換器正處在信號(hào)積分和反積分階段，這個(gè)高電平一直持續(xù)到消除積分階段結(jié)束。在微控制器C8051F020中，利用BUSY作為計(jì)數(shù)器門(mén)控信號(hào)，在定時(shí)器方式寄存器TMOD中，置T1的門(mén)控位GATE為1，利用BUSY作為計(jì)數(shù)器門(mén)控信號(hào)，T1計(jì)數(shù)將受BUSY控制?？刂朴?jì)數(shù)器只能在BUSY為高電平時(shí)計(jì)數(shù)，那么輸入的信號(hào)值為A/D轉(zhuǎn)換值=BUSY高電平期間內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值-10001。

5.2 其他功能模塊的介紹

1、電源模塊

因?yàn)橄到y(tǒng)單片機(jī)的工作電壓范圍是2.7~3.6V，典型值為3V，本系統(tǒng)單片機(jī)及存儲(chǔ)器選用3.3 V供電，但目前很多基于8051的設(shè)計(jì)都用5V供電，很多外部設(shè)備也是采用5V電壓供電，采用電池供電又存在電壓不穩(wěn)定的狀態(tài)，因此必須選擇合適的電源使之滿(mǎn)足要求。所以臺(tái)灣明偉公司生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)電源，有±5V輸出，供給需5V電源工作的模塊，再5V電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓濾波后得到3.3 V電壓給單片機(jī)C8051F020供電。另外，因?yàn)?C8051F020的I/O均可支持5V電壓輸入，固其與其他模塊電路接口由加5V電源的上拉電阻的電路組成。如圖5所示。

圖5 處理器電源電路

2、時(shí)鐘芯片DS 12887

在系統(tǒng)中通過(guò)讀取DS 12887寄存器中的實(shí)時(shí)時(shí)間值，送入LCD顯示，另外，因?yàn)镈S 12887有114字節(jié)為非易失靜態(tài)RAM，其由內(nèi)部電池供電，能保證十年不丟失，因此可用來(lái)存儲(chǔ)重要的設(shè)定參數(shù)。

3、液晶顯示模塊

人機(jī)接口模塊是用戶(hù)與控制器交互的橋梁，主要由鍵盤(pán)和顯示器組成。鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器參數(shù)的修改;顯示器用來(lái)顯示系統(tǒng)的各參數(shù)以及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。點(diǎn)陣式LCD是新一代液晶顯示，可以通過(guò)液晶點(diǎn)陣的組合來(lái)顯示大量字符，顯示信息量很大。雖然它內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但已經(jīng)做成顯示模塊，只需對(duì)這種點(diǎn)陣式液晶模塊進(jìn)行控制，使用起來(lái)非常方便，本控制器使用的是內(nèi)置T6963驅(qū)動(dòng)器的TURLY M12864點(diǎn)陣式液晶屏。通過(guò)液晶屏可以直觀地顯示出系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)定溫度以及當(dāng)前檢測(cè)到的溫度。

4、鍵盤(pán)接口

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，鍵盤(pán)接口采用4×4行列式矩陣鍵盤(pán)接口，采用查詢(xún)掃描的方式進(jìn)行工作，行線和列線分別采用4根數(shù)據(jù)線。鍵盤(pán)有16個(gè)鍵，其中有0~9共10個(gè)數(shù)字鍵;上下左右，四個(gè)方向鍵;一個(gè)ENTER確定鍵，一個(gè)CANCEL取消鍵。

6 結(jié) 論

本文介紹了新型溫控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)了系統(tǒng)用的傳感器鉑熱電阻及其調(diào)理電路，這是系統(tǒng)的模擬電路部分，也是控制信息的源頭，為本溫度控制系統(tǒng)提供了溫度電信號(hào)。然后把溫度電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入微控制器C8051F020中，通過(guò)微控制器及其接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的顯示、判斷、決策及控制。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):

通過(guò)可控硅調(diào)功對(duì)被控對(duì)象電阻爐的加熱，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象電阻爐的溫度控制，以達(dá)到系統(tǒng)所要求的精度。