管式熱電偶檢定爐溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要:介紹了管式熱電偶檢定爐控溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),根據(jù)熱電偶檢定爐溫度控制過(guò)程的特點(diǎn)和要求,采用以AT89C52單片機(jī)為.檢測(cè)控制中心的智能控制系統(tǒng);該系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)、熱電偶、A/D轉(zhuǎn)換芯片、SCR模塊等構(gòu)成,通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)控制;該設(shè)計(jì)具有線路簡(jiǎn)單、精度高、響應(yīng)快、顯示直觀、使用方便等特點(diǎn)。
　　熱電偶在出廠檢驗(yàn)時(shí)或使用一段時(shí)間后，為保證其精度和正常使用，要進(jìn)行周期檢定。目前,工業(yè)上通常采用直接比較法檢定，即將被校熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶直接比較的一種檢定方法。檢定時(shí),把被檢熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶捆扎在一起，送入檢定爐,測(cè)量端應(yīng)位于檢定爐均勻的高溫區(qū)中,檢定爐內(nèi)的溫度應(yīng)恒定在被校溫度點(diǎn)口。熱電偶檢定爐的溫度控制,對(duì)于實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)過(guò)程有著十分重要的作用。本溫控系統(tǒng)是利用單片機(jī)、溫度傳感器、加熱絲和A/D轉(zhuǎn)換芯片等來(lái)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字溫度控制系統(tǒng)。單片微處理器具有精度高、靈敏度好、響應(yīng)速度快以及耗能少、機(jī)構(gòu)小、可以連續(xù)測(cè)量、自動(dòng)控制、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，非常適合嵌入控制。同時(shí),其邏輯控制運(yùn)算是由軟件來(lái)進(jìn)行的，可以容易地實(shí)現(xiàn)各種控制規(guī)則，甚至是比較復(fù)雜的控制算法的實(shí)現(xiàn)，而且不受外界的工作環(huán)境的影響。因此，基于單片機(jī)的溫度控制器，可以安全可靠地運(yùn)行,智能地控制溫度穩(wěn)定在某一給定值,或者給定值附近。
　　本溫控系統(tǒng)是用于對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的全自動(dòng)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng),不僅用于管式熱電偶檢定爐的溫度控制,還可以用.在其他工業(yè)用電阻爐的溫度控制中，實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，能很好地滿足生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)的需要。
1系統(tǒng)構(gòu)成
1.1管式熱電偶檢定系統(tǒng)組成
　　管式熱電偶檢定系統(tǒng)，由管式檢定爐、冰瓶、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、數(shù)字電壓表、溫度控制器等組成，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可接受微機(jī)指令，按雙極法的檢定要求，切換各檢測(cè)通道,使精度高數(shù)字電壓表的.測(cè)量端與相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)回路相通，數(shù)字電壓表按照微機(jī)的指令進(jìn)行電勢(shì)測(cè)量，并把測(cè)得電勢(shì)值送回微機(jī)。微機(jī)可以按指令要求，進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換和數(shù)字電壓表的數(shù)據(jù)采樣工作，根據(jù)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電勢(shì),換算出當(dāng)前的爐內(nèi)溫度，并按照設(shè)定溫度點(diǎn)的要求,控制檢定爐溫度控制器，或者直接調(diào)整檢定爐溫度控制器的輸出百分比,改變檢定爐的加熱電流，從而實(shí)現(xiàn)檢定爐爐溫的控制日。圖1為管式熱電偶檢定系統(tǒng)組成框圖。
 
1.2檢定爐溫度控制器
　　檢定爐溫度控制器，是對(duì)檢定爐溫度進(jìn)行控制的儀器，主要由單片機(jī)控制單元、觸發(fā)器、SCR模塊、報(bào)警器、電流電壓顯示儀表以及交流接觸器、控制按鈕等組成，可以與計(jì)算機(jī)通訊，接受計(jì)算機(jī)的指令。根據(jù)熱電偶輸出的mV信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列的處理后轉(zhuǎn)換成溫度值，通過(guò)LED顯示出來(lái)，再與設(shè)定溫度進(jìn)行比較,確定輸出電流的大小,從而自動(dòng)地控制爐內(nèi)溫度，圖2為管式檢定爐溫度控制器組成。檢定爐的加熱電流由SCR模塊來(lái)調(diào)節(jié),而SCR模塊則由脈沖移相觸發(fā)器產(chǎn)生的移相脈沖來(lái)控制。觸發(fā)器是模塊化的，輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),如:4~20mA電流信號(hào)、0~10V或0~5V電壓信號(hào)等，輸出移相脈沖，電壓大小根據(jù)控溫信號(hào)的大小而決定，控溫信號(hào)與檢定爐加熱絲兩端電壓0~220V基本上成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。
 
2硬件設(shè)計(jì)
2.1單片機(jī)控制單元
　　單片機(jī)控制單元，是溫度控制器的核心，主要包括單片機(jī)AT89C52、溫度檢測(cè)電路、時(shí)鐘電路、LED顯示及鍵盤(pán)電路、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、報(bào)警電路、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路等部分，單片機(jī)控制單元原理圖如圖3所示。溫度信息由溫度傳感器測(cè)量并轉(zhuǎn)換成mV級(jí)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路將弱電壓信號(hào)放大到單片機(jī)可以處理的范圍內(nèi)，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),輸入單片機(jī)AT89C52,在單片機(jī)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，采樣后對(duì)信號(hào)再進(jìn)行數(shù)字濾波。此信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換后,一方面通過(guò)LED將溫度顯示出來(lái);另一方面，將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，按積分分離的PID控制算法，得到輸出控制量,再經(jīng)過(guò)D/A后進(jìn)行信號(hào)處理,轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)控制觸發(fā)器輸出的移相脈沖,從而控制SCR模塊導(dǎo)通角來(lái)控制電加熱爐絲電流的大小，就可以控制電爐絲的加熱功率大小，從而調(diào)節(jié)檢定爐內(nèi)溫度的變化,使其逐漸趨于給定值且達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)溫度的控制。
 
2.2LED顯示電路
　　圖4為L(zhǎng)ED動(dòng)態(tài)顯示電路。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，選用4位LED顯示，此電路中，采用動(dòng)態(tài)掃描方式。74LS273用于驅(qū)動(dòng)LED的8位段碼，8位LED相應(yīng)的“a”~“g”段連在一起。74LS04反相驅(qū)動(dòng)的輸出端，用于驅(qū)動(dòng)4位LED的位碼,這樣當(dāng)選通某一位LED時(shí),相應(yīng)的地址線(74LS04輸出端)輸出的.是高電平,所以，LED選用共陽(yáng)LED數(shù)碼管。動(dòng)態(tài)掃描的頻率有一定的要求，頻率太低，LED將出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象;如頻率太高，由于每個(gè)LED點(diǎn)亮的時(shí)間太短，LED的亮度太低，肉眼無(wú)法看清。所以一般保持時(shí)間取數(shù)個(gè)毫秒左右為宜。
 
2.3輸出執(zhí)行電路
　　AT89C52對(duì)溫度的控制,是通過(guò)SCR模塊、觸發(fā)模塊及其他輔助器件構(gòu)成的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖5所示。SCR模塊和加熱絲串接在交流220V、50Hz交流市電回路中單片機(jī)。(AT89C52控制單元根據(jù)被測(cè)溫度,輸出相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，改變可控硅管導(dǎo)通角的大小，從而改變加熱電流的大小，進(jìn)而改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。
 
3軟件設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)采用模塊程序設(shè)計(jì)技術(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件。根據(jù)系統(tǒng)功能，我們將軟件劃分成若千個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊。
　　軟件程序的主要任務(wù)有:溫度測(cè)定、參數(shù)的顯示;數(shù)據(jù)管.理;數(shù)據(jù)處理;數(shù)據(jù)運(yùn)算;PID調(diào)節(jié)、輸出控制等功能。
　　軟件程序包括主程序、顯示程序、鍵盤(pán)處理程序、AB轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理程序、PD算法程序等。在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷;爐溫測(cè)定、鍵盤(pán)輸入、時(shí)間確定和顯示、控制算法等都由子程序來(lái)完成;中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)測(cè)溫和讀取時(shí)間。流程圖如圖6所示。
 
4測(cè)試試驗(yàn)
　　熱電偶的檢定，是測(cè)試熱電偶在不同溫度點(diǎn)下輸出的毫伏值與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶輸出的毫伏值進(jìn)行對(duì)比，看是否相符，因而要求每一個(gè)溫度點(diǎn)都要穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)調(diào)節(jié)PID(即比例、積分、微分)的值來(lái)調(diào)節(jié)溫度的穩(wěn)定過(guò)程，PD的控制規(guī)律如下式所示：
 
式中，
ut為控制器的輸出;
et為偏差,即設(shè)定值與實(shí)際值之差;
Kc為控制器的放大系數(shù),即比例增益;
Ti為控制器的積分常數(shù);
TD為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。
　　PID.算法的原理即調(diào)節(jié)Kc,Tt,TD這3個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，調(diào)節(jié)PID控溫,是對(duì)溫控系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試的主要手段。
 
　　通過(guò)測(cè)試，選取不同的PD值,其控溫效果不同，主要有3種情況:有超調(diào)、有振蕩;無(wú)超調(diào)、無(wú)振蕩;欠調(diào)、長(zhǎng)時(shí)間過(guò)渡。最理想的是第2種,即無(wú)超調(diào)、無(wú)振蕩，但過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)。為了縮短溫度的穩(wěn)定時(shí)間，一般允許有一定的超調(diào)量，同時(shí)在不同的控溫點(diǎn)，需要選擇不同的PD值，以達(dá)到控制的目的。圖7是對(duì)檢定爐實(shí)際測(cè)試的在1000℃時(shí)的溫度控制曲線(環(huán)境溫度為25℃)，在實(shí)際運(yùn)用中取得了良好的效果。
5結(jié)束語(yǔ)
　　該智能控制系統(tǒng)，能對(duì)管式檢定爐內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量、控制并顯示，采用模塊化的設(shè)計(jì)，能根據(jù)溫度給定值給出調(diào)整量，控制加熱功率的大小，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)檢定爐溫度的目的。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警,提示操作者注意。當(dāng)溫度超過(guò)給定值時(shí)，執(zhí)行斷電保護(hù),以保證人身及設(shè)備的安全。系統(tǒng)性?xún)r(jià)比高.且通用性好，不僅用于熱電偶檢定爐的監(jiān)控，還用于其他工業(yè)電阻爐的測(cè)量與控制中，該溫度控制器在實(shí)際中已得到廣泛的應(yīng)用。