原标题：图说恒温烘箱温度控制系统的设计分析

本文主要从系统软件设计、程序设计对恒温温度控制系统进行介绍。

温度在工业生产中是最为常见的工艺参数之一，绝大部分物理计化学变化过程皆与温度密切相关，所以温度控制是自动化的重要任务。而单片机在控制对象中广泛使用，它具有体积小、功能强、性价比高的优势。

恒温烘箱温度控制系统主要应用单片机对恒温烘箱的温度进行模糊操控，让它的温度保持在某一个设定值上，而且还有键盘输入温度设定值，LED数码管呈现温度值和温度越限报警的功能，已达到自动控温的目的。

1、系统总体方案设计

1. 1 系统实现功能及技术指标

1)该恒温箱由 2kW 电炉加热, 控温范围为 50- 200℃.

2)可预制恒温箱温度, 干燥过程实现恒温控制,温度控制误差≤± 2℃.

3)预置时显示设定温度, 恒温时显示实时温度,显示精确到 0. 1℃.

4)温度超出预置温度±5℃ 时发出声音报警 .

5)对升 、 降温过程没有要求 .

1. 2 恒温烘箱温度控制系统

原理恒温烘箱用电热丝来完成对其内部进行加热 ,对较高温度或精度要求较高的恒温箱 ,常采用热电偶作为温度测量器件, 温度较低或精度要求不高的, 例如本设计当中 ,则采用热电阻作为测温器件 .

恒温烘箱的电源采用交流电 ,使用可控硅来控制加热的功率. 对于大功率的恒温箱或烘箱, 一般采用三相交流电,而对于像本次设计中的功率只有2kW, 则使用单相220V 交流电即可 .

该温度控制系统启动后 ,能够按实测温度和设定温度通过单片机的运算输出信号从而控制双向晶闸管的导通角, 来控制恒温烘箱的加热功率 , 调节温度,使温度保持在设定值 . 在单片机进行运算的同时会进行相应的报警判断,来决定是否输出报警信号等. 温度控制系统分为三个部分: 人机对话部分 、 主机和温度检测与控制部分. 图 1 为单片机恒温烘箱温度控制系统原理图 .

1. 3 系统硬件设计

根据系统的总体方案来选择系统所需的硬件 .硬件部分设计包括主机 、 测温器件、温度控制驱动部分 、 键盘、显示器、报警电路中所需硬件的选择 、连接方式 .

1)选择主机在整个单片机控制系统中 ,CPU 既是运算处理中心 ,又是控制中心 ,是控制系统最关键的器件. 此系统控制方案简单 , 数据量也不大, 因此选用具有8031 内核的 AT89C52 作为控制系统的主机. 它是一种低功耗 、 高性能、 CMOS8 位微处理器 . AT89C52可构成真正的单片机最小应用系统 , 缩小系统体积,提高系统可靠性 ,降低系统成本 . 由于其内部有8kB 的 flash 存储器 , 因此不需要外扩程序存储器[ 2].

2)温度检测部分的设计

温度检测部分包括温度传感器、变送器和A D转换器三部分.

( 1) 温度传感器温度传感器的选择是能否达到理想的控温精度的关键 .

温度检测方法根据敏感元件和被测介质接触与否, 可以分为接触式和非接触式两大类 . 接触式检测方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表 ; 基于导体和半导体电阻值随温度变化的热电阻温度检测仪表; 基于热电效应的热电偶检测仪表 . 而非接触式的主要是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系对温度进行检测. 由于这里被测物体为箱体温度, 所以没有必要使用非接触式的传感器[ 3].

( 2) 变送器

变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压,当温度在 50- 200℃ 时变送器输出 0- 2V的电压.

DBW - 130 型温度变送器是 DDZ 型系列电动单元组合仪表的一个主要品种 . 它与各种类型的热电偶、 热电阻配合使用, 可将温度信号变成 0 ～10mA 统一信号, 同时它又是一个低电平直流毫伏转换器 ,可与具有毫伏输出的各种变送器配合 ,使其有 0～ 10mA 统一信号输出.

( 3) A /D转换器

A /D 转换器的选择主要取决于温度的控制精度. 本系统要求温度控制误差 ≤±2℃, 采用 8 位A /D 转换器 , 最大量化误差为 ±0. 5 ×( 1 255)×200℃=±0. 4℃, 完全能够满足精度要求 .

这里采用 MC14433 作为 A D 转换器, 其输出为BCD 码. 电路设计好后 , 调整变送器的输出 , 使50～ 200℃的温度变化对应于 0 ～ 2V 的输出 , 以供A D转换用 ,则A D转换对应的数字量为 0～ 1999,转换结果除以 10 正好是温度值. 用这种方法可以减少标度 .

3.输出部分的设计

输出部分包括 D /A 转换器、光耦合元件、驱动器、晶闸管功率调节器和电热丝几部分 .

电热丝功率的变化通过控制双向晶闸管的导通角实现, 双向晶闸管和电热丝串接在交流 220V供电回路中 . 单片机经运算输出的数字控制量从P2口输出 , 通过 DAC0832 转换成模拟量通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端,从而控制电阻丝的通电加热功率 .

2、系统的软件设计

系统的软件设计具体体现了系统的技术要求 ,反映了设计者的设计思想,是整个温度控制系统的逻辑实现 ,因而是整个系统的关键部分 .

本系统的软件主要实现了人机交互功能、 温度检测功能、温度控制功能. 人机交互功能包括操作者从键盘输入数据 ,从 LED 显示器读取数据; 温度检测功能包括系统温度参数的变送 、 A D 转换 ; 温度控制功能包括模糊控制表的生成[ 4].

采用模块化设计 ,在每个功能模块中, 将少量与其它模块共享的变量屏蔽后,该模块均可独立于其它模块运行. 这种设计有利于系统软件的修改 、调试 . 即使以后根据需要进行系统功能扩展, 也可以很方便地编写出相应的功能模块,独立调试后再添加到系统.

本系统软件包含键盘操作、 LED显示、 温度检测和温度控制 ,主要完成以下功能 : 温度测量、模糊控制、 温度设置、 温度越限报警以达到恒温控制目的 .

3、程序设计

程序部分包括主程序 、 温度检测子程序、温度控制处理程序 .

3. 1 主程序

主程序是整个程序的核心,它体现了系统的工作流程. 本系统主程序首先进行相关单元的初始化,然后调用按键程序进行工作温度和上 、下限温度等参数的设置 , 直到按下开机键系统启动 , 开始工作 .

3. 2 温度检测子程序

相应的温度检测程序是整个系统的关键部分 ,只有正确地将当前温度进行测量, 才能进行控制运算,从而输出所需要的控制信号来保证系统温度的恒定 . 这部分功能是首先由模拟电路将温度信号转换成0 ～ 2V 的电压信号, 再经过 MC1433A D 转换器转换成与之成正比的数字信号, 输入到单片机内部. MC1443 是 3位半 BCD码输出 ,数值范围是 0～1999,本系统的控制温度范围是 50℃～ 200℃. 为提高数据采样的可靠性 , 对采样温度进行数字滤波 .数字滤波的算法很多 , 这里采用 10 次采样取平均值的方法. MC1443 采用中断的方式与单片机进行信息交换 ,当其完成 A D 转换后,就通过 INT0向单片机申请中断, 单片机通过中断服务程序读取当前的温度[ 5].

3. 3 温度控制处理程序( 模糊决策程序)

模糊控制表在模糊控制系统中 ,为了便于实现计算机实时控制 ,可事先将各种偏差和偏差变化率对应的输出控制量设计成一个控制规则表. 在系统工作过程中, 只需按输入的偏差 E 和偏差变化率EC 查询模糊控制表 ,就可得到清晰化的输出控制量 U . 在模糊控制器设计中, 被控对象不同 , 控制规则表也不同 .

4 结束语

随着社会的发展、 科技的进步以及工业水平的逐步提高 ,各种恒温控制系统开始进入了工业以及其他领域 ,以单片机为核心的电热恒温控制系统就是其中之一. 同时也标志了恒温控制领域成为了自动化时代的一员. 它实用性强 ,功能比较齐全,使人们相信这是科技进步的成果 .返回搜狐，查看更多

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