基于數(shù)字pid電熱爐溫度控制系統(tǒng)設計-在線瀏覽
2025-08-05 18:03本頁面
【正文】 傳感器信號轉換設備的選擇由于溫度傳感器測量的溫度信號為模擬信號，且測量信號比較微弱，因此必須要對此溫度信號進行處理。因此要進行溫度的檢測，溫度傳感器信號轉換設備必不可少。MAX6675的內(nèi)部由精密運算放大器、基準電源、冷端補償二極管、模擬開關、數(shù)字控制器及ADC電路構成，完成熱電偶微弱信號的放大、冷端補償和A／D轉換功能。因此，在基于微處理器的單片機嵌入式工業(yè)測溫系統(tǒng)中，由MAX6675構成的單片機熱電偶測溫解決方案，具有良好的實用價值。主要包括：低噪聲電壓放大器A電壓跟隨器A冷端溫度補償二極管、基準電壓源、12位AD轉換器、SPI串行接口、模擬開關及數(shù)字控制器。對于K型熱電偶，電壓變化率為(41μV/℃)，電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。在將溫度電壓值轉換為相應的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實際參考值之間的差值。U2=(41μV/℃)T0在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將UU2轉換成數(shù)字量,即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測量點的實際溫度值T。圖22 MAX6675內(nèi)部原理圖MAX6675采用標準的SPI串行外設總線與單片機接口。CS變低將停止任何轉換過程，CS變高將啟動一個新的轉換過程。 D12—D3為12位數(shù)據(jù)，其最小值為0，對應的溫度值為0℃，最大值為4095，℃，由于MAX6675內(nèi)部經(jīng)過激光矯正，因此其轉換結果與對應溫度值有很好的線性關系，溫度值與數(shù)字量的對應關系為：溫度值=轉換后的數(shù)字量/40953 溫度測量電路原理圖以上我們將溫度傳感器及其信號放大器選擇完畢，下面我們要把選擇好的鎳鉻—鎳硅溫度傳感器及其信號放大器MAX6675與89C51單片機進行連接，組成溫度測量電路。 溫度控制電路設計本系統(tǒng)的另一個重要環(huán)節(jié)為溫度的控制。1 加熱原件的選擇本次設計的加熱爐為電阻爐，因此采用高性能的加熱電阻作為加熱原件。其具體參數(shù)為：表22 鐵鉻鋁電熱合金參數(shù)類型鐵鉻鋁電熱合金品牌上海合金廠型號GB／T12341995材質(zhì)25AL5常溫電阻（Ω）功率300180000（W）主要用途加熱產(chǎn)品認證GB／T12341995最高耐溫1400（℃）規(guī)格1（mm）2 雙向可控硅的選擇本系統(tǒng)對加熱爐的溫度控制是通過雙向可控硅實現(xiàn)的，單片機通過改變雙向可控硅的導通角，控制加熱電阻的通斷，從而事加熱爐的溫度得到控制。我為本系統(tǒng)選擇的雙向可控硅型號為標準型BTA24，其規(guī)格為：型號:標準型,電流:25（A）,電壓:600800（V）,觸發(fā)電流:3550(mA)（A）,封裝形式:TO220,控制方式:雙向。其中，加熱爐中的光電隔離器一般選擇MOC3021，而觸發(fā)脈沖常用單片機的某一根I/O接口產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。如圖24所示：圖244 溫度控制電路原理圖89C51單片機對溫度的控制是通過雙向可控硅實現(xiàn)的。89C51單片機只要改變可控硅管的接通時間即可改變加熱絲的功率，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。在過零同步脈沖同步后經(jīng)驅動器7407和光電耦合器MOC3021輸出送到可控硅的控制極上。為了使用者的方便，現(xiàn)在芯片都把上電復位、電源監(jiān)控及“看門狗”集成到一起。其中，X5045是SPI總線格式的具有看門狗、電源監(jiān)控和PROM數(shù)據(jù)存儲的多功能芯片，目前應用較為廣泛，使用者可根據(jù)自己所選擇的具體MCU來配置外圍看門狗電路及電源監(jiān)控。其與89C51單片機的接口如下圖所示：圖26 看門狗與單片機的連接 人機通道設計人機通道的設計包括三個部分:鍵盤、溫度顯示電路、報警電路。由于報警電路的設計非常簡單，在此不做贅述。1鍵盤鍵盤是向系統(tǒng)提供操作人員干預命令及數(shù)據(jù)的接口設備，鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。具體鍵盤電路圖如下：圖27 鍵盤硬件連接圖2溫度顯示電路動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一。CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，所以我們就可以自行決定何時顯示哪一位了。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約1ms），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。具體電路圖如下：圖28 溫度顯示電路圖此電路中，74LS374用于驅動LED的8位段碼，8位LED相應的a—g段連在一起，它們的公共端連至74LS145譯碼器的輸出端。3 系統(tǒng)軟件的設計 程序的總體設計本次設計的軟件主要實現(xiàn)的功能為:溫度傳感器測量的溫度信號經(jīng)MAX6675進行信號的放大與A/D轉換，把轉換好的數(shù)字量輸入單片機，經(jīng)過標度變換、顯示碼處理后將顯示碼送到數(shù)碼管上顯示出來。此外，軟件還應該實現(xiàn)按鍵操作，例如設置參數(shù)的功能。按鍵操作模塊：該模塊能夠在系統(tǒng)一上電后就開始對鍵盤進行掃描，一旦在相應時刻檢測到有鍵按下，就會相應轉去執(zhí)行處理程序，處理完畢后能夠返回主程序。標度變換：主要是把數(shù)字量轉換為要顯示的物理量。控制算法模塊：采用PID控制算法對溫度進行控制。我們重點介紹這四個按鍵的控制過程，具體流程圖如圖所示，當K分別為1，2，3，4時，表示四個按鍵分別被按下，KK表示按鍵操作完成，
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