摘要：針對(duì)傳統(tǒng)電加熱溫度測(cè)控系統(tǒng)存在的普遍問(wèn)題和數(shù)字控制控儀表的設(shè)計(jì)要求，提出了基于數(shù)字PID控制算法和89C52單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用AD590傳感器檢測(cè)溫度，溫度信號(hào)經(jīng)A/D8080轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)與設(shè)定值比較后，執(zhí)行PID控制算法，并給出控制量去調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)顯示與實(shí)時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該控制器具有靜態(tài)精度高，自適應(yīng)能力強(qiáng)，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，使?fàn)t溫達(dá)到了很好在控制效果。

電加熱爐是科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中量常見(jiàn)也是最常用的加熱設(shè)備，由于爐子種類與規(guī)格、加熱對(duì)象的不同，它們所構(gòu)成的系統(tǒng)千差萬(wàn)別。溫度作為一個(gè)重要檢測(cè)和控制參數(shù)，對(duì)其控制的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。電加熱爐種類繁多，控參數(shù)通常具有時(shí)變性、非線性、不確定性等特點(diǎn)，對(duì)其控制方案的研究不論在基地式儀表時(shí)代還在現(xiàn)在的智能化儀表時(shí)代，都是很熱門的對(duì)象。在現(xiàn)有溫度控制儀表的配置加熱系統(tǒng)中，大多數(shù)只配有一組加熱元件，當(dāng)溫度達(dá)到調(diào)控點(diǎn)時(shí)，便切斷電源進(jìn)行保溫，隨著時(shí)間的推移，溫度降到一定數(shù)值后啟動(dòng)該組件元件的電源供電進(jìn)行加熱，從此周而復(fù)始，動(dòng)作頻繁。用作測(cè)溫的傳感器，當(dāng)溫度上升到設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，必然有一個(gè)時(shí)間的滯后性，使被控溫場(chǎng)沖過(guò)溫控點(diǎn)，而過(guò)沖幅度與熱功率的大小成正比，與溫場(chǎng)的大、小成反比。PID控制器雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，但加熱系統(tǒng)與PID控制器設(shè)計(jì)的不匹配現(xiàn)象也廣泛存在。本文采用80C52單片機(jī)、數(shù)字PID算法來(lái)設(shè)計(jì)的電加熱式恒溫控制系統(tǒng)，參數(shù)調(diào)整方便，實(shí)時(shí)性能好，達(dá)到超前控制的目的，具有遲滯控制穩(wěn)定性的抗干擾能力，可以大大提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)發(fā)溫度控制儀表的數(shù)字化與智能化。本系統(tǒng)可應(yīng)用于孵蛋、細(xì)菌培育等恒溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制。

1 控制方案設(shè)計(jì)

溫度場(chǎng)是一個(gè)梯度場(chǎng)，溫度的上升或下降隨時(shí)間緩慢變化。電加熱爐溫度控制過(guò)程可以用自然降溫、程序升溫和恒溫保持3個(gè)分過(guò)程來(lái)描述。自然降溫：停止加熱，環(huán)境溫度在整個(gè)過(guò)程中保持不變，受控溫度場(chǎng)最終穩(wěn)定為環(huán)境溫度。程序升溫過(guò)程：給定電壓值為一變化值，由程序控制逐漸變化，最終使?fàn)t溫的穩(wěn)定在給定值上。恒溫保持：給定爐溫為一定值，使?fàn)t溫穩(wěn)定在給定值上，這時(shí)受控場(chǎng)溫度恰好抵消散熱因素的影響而能夠維持在所設(shè)定的溫度。實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)表明，電加熱爐對(duì)象可近似為一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)為：

τ為純滯后時(shí)間，K為放大倍數(shù)，T為慣性時(shí)間。在滯后時(shí)間和慣性時(shí)間均不太大、控制對(duì)象非線性小，參數(shù)時(shí)變性小的場(chǎng)合，RID控制是一種最直接最有效的控制方法。本文采用數(shù)字PID控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室可用、中小型的、溫度在環(huán)境溫度至此320℃范圍內(nèi)可調(diào)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用溫度傳感器對(duì)爐膛內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、采樣，所得的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，并與單片機(jī)內(nèi)預(yù)先設(shè)定的溫度給定值加于比較得出偏差，偏差送入控制器，單片機(jī)執(zhí)行偏差的PID數(shù)字運(yùn)算得到可控硅的觸發(fā)脈沖，并由這個(gè)觸發(fā)脈沖調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)電爐絲與風(fēng)扇的兩端電壓形成控制作用，使?fàn)t溫保持恒定。

2 軟、硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器的核心是80C52單片機(jī)，其硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)采用AD590溫度傳感器電路把溫度轉(zhuǎn)換成0~5V的電壓信號(hào)，再由轉(zhuǎn)換器A/D 8080轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)80C52.單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的給定溫度和實(shí)際測(cè)量值比較得出偏差，再利用PID算法求出控制量U（kT）。通過(guò)U（kT）來(lái)決定輸出觸發(fā)脈沖的寬度。從而控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，最終達(dá)到控制溫度的目的。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

微機(jī)系統(tǒng)主要由CPU80C52,并行接口8255A,地址鎖存器74LS373構(gòu)成。

AD590是電流型溫度傳感器，用于精密溫度測(cè)量電路。在被測(cè)溫度一定時(shí)，AD590相當(dāng)于一個(gè)恒流源，通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。

A/D0808 是8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器件，采用CMOS結(jié)構(gòu)，包括8位的A/D轉(zhuǎn)換器、8通道的多路模擬開(kāi)關(guān)和與微處理器相兼容的控制邏輯。8通道多路模擬開(kāi)關(guān)能直接與8路單極性模擬信號(hào)中的任何一個(gè)相連。片內(nèi)還具有8路模擬開(kāi)關(guān)通道地址鎖存器和地址譯碼器、電壓比較器、256R電阻T型分壓器、數(shù)字模擬開(kāi)關(guān)陣譯碼器、逐次逼近寄存器SAR、邏輯控制與定時(shí)電路、輸出具有TTL電平標(biāo)準(zhǔn)的三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存緩沖器，直接掛接在單片機(jī)單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。

單片機(jī)80C52是一種集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)等部分于一體的器件，只需要外加電源和晶振就可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信息的處理和控制。