總線智能儀表溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

引 言

　　隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬儀表逐步讓步于智能化數(shù)字儀表，并具備數(shù)字化通信功能。

　　依據(jù)現(xiàn)場總線智能儀表技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計了基于現(xiàn)場總線的氧化鋯智能氧量分析儀，其溫度控制系采用了專家PID控制原理，提高了加熱速度與準(zhǔn)確性。

　　1 總智能氧量分析儀結(jié)構(gòu)

　　基于CAN總線的智能氧量分析儀以單片C8051F040為中央控制器，系統(tǒng)擴(kuò)展的外圍電路及接口電路數(shù)量少，系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性較高，系統(tǒng)功能擴(kuò)展及軟硬件升級比較方便。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖1。外圍硬件電路主要包括六部分：系統(tǒng)校正、數(shù)據(jù)采集、溫度控制、日歷時鐘、帶觸摸的液晶顯示、CAN總線接口。

　　圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　帶觸摸屏的液晶顯示器提供了一個強(qiáng)有力的人機(jī)接口，有關(guān)信號、可調(diào)參數(shù)都能在上面顯示和修改。本系統(tǒng)采用穩(wěn)壓電源，具有電源電壓的適用范圍大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。主機(jī)是一種以單片機(jī)為基礎(chǔ)的智能儀表，所有的運算、處理和控制都由軟件完成。氧電勢、溫度信號的輸人轉(zhuǎn)換和電流輸出的轉(zhuǎn)換采用模塊化元件。這些元件具有可靠性高、精度高的特點。由于使用的元件集成度較高，使整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性提高，使用、維護(hù)和維修方便。氧電勢和溫度信號經(jīng)各自的處理模塊轉(zhuǎn)換成0～5V信號，并由多路開和A／I）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)根據(jù)“能斯特”公式計算出氧量。系統(tǒng)設(shè)有PID溫度調(diào)節(jié)功能，并通過固態(tài)繼電器控制加熱爐。系統(tǒng)還設(shè)有組態(tài)開關(guān)，能使儀表工作在不同的方式下。

　　2 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　Cygnal公司的51系列單片機(jī)C8051F040是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)，在一個芯片內(nèi)，集成了構(gòu)成一個單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點所需要的模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，代表了目前8位單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有1個12位和1個8位多通道ADC，2個12位DAC，2個電壓比較器，1個電壓基準(zhǔn)，1個32kB的FLASH存儲器，與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP一51內(nèi)核，峰值速度可達(dá)25MIPS，并且還有硬件實現(xiàn)的UART串行接口和完全支持CAN2．0A和CAN2．0B的CAN控制器。

　　C8051F040的18，19腳分別為AIN0．0和AIN0．1引腳，由于C8051F040片內(nèi)具有ADC模塊，因此溫度信號可直接經(jīng)外圍濾波、放大電路后輸入AIN0．0和AIN0．1引腳，AMUX的工作模式選擇單端輸入模式。選用熱電偶作為溫度傳感器，其電壓經(jīng)信號放大后，送人C8051F040的A／D端，轉(zhuǎn)換后與給定溫度值比較，按PID調(diào)節(jié)算法和脈寬調(diào)功法，計算出該時刻的值，經(jīng)光電隔離和功率放大后，通過控制大功率交流固態(tài)繼電器（過零型）的通斷時間來控制加熱的功率，達(dá)到溫度控制的目的。冷端測溫元件采用集成溫度傳感器AD590，所測溫度由AD590溫度傳感器檢測，經(jīng)電壓放大后直接送至單片機(jī)C8051F040的AIN0．1輸入口。

　　3 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　3.1 溫度控制過程分析

　　加熱通斷的最小周期為10ms，加熱最短脈沖長度為10ms，PID控制輸出為加熱脈沖數(shù)。誤差越大，加熱脈沖數(shù)值就越大；誤差小，加熱脈沖數(shù)就小。為使PID的輸出有一定的可調(diào)節(jié)范圍，采樣周期，太小會使得控制量的范圍很窄；但也不能過大，否則會降低控制精度。綜合各方面的考慮及實驗測試，采樣周期定為2s，這樣，PID輸出的最大脈沖量（在一個控制周期內(nèi)）為200。