基于8051的恒溫控制系統(tǒng)

　　溫度是工業(yè)對(duì)象中一個(gè)主要的被控參數(shù)，它是一種常見的過程變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵⒒瘜W(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過程。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。溫度控制是許多設(shè)備的重要的構(gòu)成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內(nèi)，以利于進(jìn)行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度的變化對(duì)生活、生產(chǎn)的某些細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)都會(huì)造成不同程度的影響，所以適時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行控制具有重要的意義。

　　而對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)中不同生產(chǎn)情況和工藝要求，所采用的加熱方式、燃料、控制方案等也不盡相同。如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等；控制方案有直接數(shù)字控制(DDC)，推斷控制，預(yù)測(cè)控制，模糊控制(Fuzzy)，專家控制(Expert Control)，魯棒控制(Robust Control)，推理控制等。

　　本文中加熱爐主要作用是使有機(jī)粉末保持恒溫，為了能對(duì)其溫度進(jìn)行有效直接的控制，故采用了直接數(shù)字控制(DDC)對(duì)加熱爐進(jìn)行控制，使其具有穩(wěn)定溫度在某一值，鍵盤輸入溫度設(shè)定值，LED數(shù)碼管顯示溫度值。輸入信號(hào)為電熱爐電阻絲兩段的電壓，輸出信號(hào)電熱爐內(nèi)的溫度。輸入和輸出的傳遞函數(shù)為G(s)=2/s(s+1)，控溫范圍為100~500℃。

　　爐溫控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　圖1中由4~20mA變送器，I/V，A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道，用于采集爐內(nèi)的溫度信號(hào)。其中，變送器選用XTR101，它將熱電偶信號(hào)(溫度信號(hào))變?yōu)?~20mA電流輸出，再由高精密電流/電壓變換器RCV420將4~20mA電流信號(hào)變?yōu)?~5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，以供A/D轉(zhuǎn)換用。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與與爐溫的給定值數(shù)字化后進(jìn)行比較，即可得到實(shí)際爐溫和給定爐溫的偏差。爐溫的設(shè)定值由鍵盤輸入。計(jì)算出所需要的控制量。數(shù)字控制器的輸出經(jīng)標(biāo)度變換后送給8253，由8253定時(shí)計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗娖降牟煌掷m(xù)時(shí)間，送至SCR觸發(fā)電路，觸發(fā)晶閘管并改變其導(dǎo)通角大小，從而控制電加熱爐的加熱電壓，起到調(diào)溫的作用。


　　
　　爐溫控制系統(tǒng)主要硬件選擇

　　1．CPU與存儲(chǔ)器：在CPU選擇上采用8051AH，由于其內(nèi)部只有4KBROM和128BRAM，故在使用時(shí)可分別擴(kuò)展一片外RAM6264和一片外ROM27512。

　　2．定時(shí)計(jì)數(shù)器：選用8253－5，這是Intel公司生產(chǎn)的外圍芯片，內(nèi)含三個(gè)相同的16位減法計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器均可獨(dú)立工作，在此系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的關(guān)鍵部件。

　　3．SCR觸發(fā)器。如圖2所示為一晶閘管觸發(fā)電路。包括脈沖觸發(fā)器(單穩(wěn)態(tài)電路，由IC1和IC2組成)，控制門，光電耦合器4N25，放大器和雙向晶閘管。由全波整流電路得到的同步電壓使晶體管BG1每半波導(dǎo)通一次。當(dāng)控制端為“1”高電平的時(shí)候，BG1的每次導(dǎo)通都會(huì)經(jīng)由單穩(wěn)電路由IC2輸出一個(gè)負(fù)脈沖，該脈沖經(jīng)IC3反向后由光電耦合器和放大電路發(fā)大后觸發(fā)晶閘管，在這一半周內(nèi)晶閘管基本上處于全導(dǎo)通狀態(tài)。若控制端為“0”低電平的時(shí)候，則單穩(wěn)態(tài)電路不輸出脈沖，在這一半周內(nèi)晶閘管也不導(dǎo)通。因此，可以改變控制端的電平，控制單穩(wěn)態(tài)電路每秒輸出的脈沖數(shù)，從而改變晶閘管每秒鐘內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間，達(dá)到調(diào)壓的目的。

　　4．變送器：XTR101為4~20mA線性化變送器，它可與鎳絡(luò)-鎳硅測(cè)溫傳感器構(gòu)成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測(cè)溫范圍，在-40℃~+85℃的工作溫度內(nèi)，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調(diào)電壓<±2.5mV，輸入失調(diào)電流<20nA。

　　5．I/V：電流/電壓轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中采用RCV420，RCV420是一種精密電流/電壓變換器，它能將4~20mA的環(huán)路電流變?yōu)?~5V的電壓輸出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10V基準(zhǔn)電源。對(duì)環(huán)路電流由很好的變換能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作溫度范圍，輸入失調(diào)電壓<1mA，總的變換誤差<0.1%，電源電壓范圍±5~±18V。

　　6．A/D：A/D選用ADC0809，ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的CMOS型8位28條引腳A/D轉(zhuǎn)換器。采用逐次逼近技術(shù)，輸出的數(shù)字信號(hào)由TTL三態(tài)緩沖器順序控制，可以直接與數(shù)據(jù)總線相連。分辨率為8位，精度為7位，時(shí)鐘頻率范圍在10~1280kHz之間，單一+5V電源供電，具有鎖存功能的8位模擬開關(guān)，可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容，功耗為15mW，不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整，易于和微處理器相連。 本設(shè)計(jì)中CLK為500kHz，轉(zhuǎn)換速度為128微秒。

　　7．LED顯示：采用8279顯示電路。

　　硬件連接簡(jiǎn)介

　　整個(gè)電路由于擴(kuò)展較多故采用74LS138全譯碼結(jié)構(gòu)，觸發(fā)器與8252OUT0直接相連。整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率采用6MHz，則ALE腳的輸出頻率系統(tǒng)六分之一為1MHz。在經(jīng)過二分頻后為500KHz，可直接提供給ADC0809。LED顯示器由于顯示要求并不復(fù)雜，采用8個(gè)米字管利用位選法來控制顯示位的亮和暗。其他硬件通過74LS138譯碼過后的口地址見表。

　　爐溫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

　　總體流程圖如圖4所示。

　　工程量變換程序模塊

　　變送器XTR101輸出4~20mADC，溫度起點(diǎn)為100℃，滿量程為500℃。8位A/DADC0809輸出數(shù)字量00H~FFH(0~5V)，應(yīng)用以下變換公式進(jìn)行變換：

　　AX=A0+(AM-A0)(NX-N0)/(NM-N0)

　　式中，A0為一次測(cè)量?jī)x表的下限；AM為一次測(cè)量?jī)x表的上限；AX實(shí)際測(cè)量值；N0儀表下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；NM儀表上限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；NX測(cè)量值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

　　溫度非線性轉(zhuǎn)換程序模塊

　　采用折線擬合法進(jìn)行線性化處理

　　如下所示，分為以下幾段：

　　當(dāng)3.298mV≤Ax<7.34mV時(shí)，TEM=24.47×WN+18.41