基于8051單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“溫度”是各類工業(yè)控制生產(chǎn)中常見的、而又十分重要的控制參數(shù)。人們研制出各種針對(duì)不同控制對(duì)象的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，其中軟件控制算法已比較成熟，但溫度控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成特別是功率控制部分往往存在著硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分離元件較多，結(jié)構(gòu)較為封閉等問題。隨著CPLD器件的大規(guī)模運(yùn)用，采用CPLD器件可簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)了一種以8051單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制部分由CPLD來完成，針對(duì)不同的控制對(duì)象可采用不同的控制算法，因此該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)開放、成本低廉、性能可靠等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

對(duì)一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)來說，其硬件結(jié)構(gòu)由兩大部分構(gòu)成：溫度測(cè)量部分和功率控制部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

1.1 溫度測(cè)量部分

(1)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路：根據(jù)被控對(duì)象的不同，采用不同的溫度傳感器，將物理信號(hào)變換為電信號(hào)，以便8051單片機(jī)處理。

(2)信號(hào)處理電路：由傳感器所變換得到的電信號(hào)一般為小的電壓信號(hào)，受到控制精度的限制，不能直接送入到A/D，而需要對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大。本系統(tǒng)中采用了程控差分放大器，其電路圖如圖2所示。差分放大器A3采用高精度運(yùn)放AD844;前置放大器A1改變了小信號(hào)的測(cè)量精度以及傳感器和差分放大器的匹配;射級(jí)跟隨器A2則實(shí)現(xiàn)了D/A和差分放大器的匹配和緩沖;由于小于1.2V的低阻驅(qū)動(dòng)的電壓基準(zhǔn)源難以獲得，因此采用16位D/A轉(zhuǎn)換器MAX542構(gòu)成數(shù)控基準(zhǔn)源，整個(gè)數(shù)控基準(zhǔn)電壓源的最大輸出為2.5V，其最小分辨率為2.5V/216≈0.04mV;根據(jù)傳感器輸出電壓信號(hào)的范圍確定差分放大器的放大倍數(shù)，這樣就構(gòu)成了整個(gè)程控可變?cè)鲆娌罘址糯笃?。該程控放大電路不僅克服了傳統(tǒng)程控放大器增益分檔不夠多的缺點(diǎn)，還具有高精度，控制容易等優(yōu)點(diǎn)，因此系統(tǒng)的測(cè)量精度、控制精度得到了提高。

圖2 信號(hào)處理電路部分

(3)信號(hào)采集電路：該部分電路由12位的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)，決定了系統(tǒng)的控制精度，字長(zhǎng)越大，控制精度就越高，但綜合考慮系統(tǒng)控制指標(biāo)以及控制效率，采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器即可，其轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到±0.012%。在本系統(tǒng)中我們采用MAXIM公司近年推出的高速A/D轉(zhuǎn)換器MAX197，與一般A/D芯片相比，品質(zhì)因素高、外圍電路簡(jiǎn)單并具有標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)接口，數(shù)據(jù)總線的時(shí)序與絕大多數(shù)通用的微處理器兼容，全部邏輯輸入和輸出與TTL/CMOS電平兼容。

1.2 功率控制部分

常見的功率控制有兩種方法：一是調(diào)功，通過控制單位時(shí)間內(nèi)加在功率器上的正弦波的波頭數(shù)來控制功率;二是調(diào)相，通過控制可控硅的導(dǎo)通角，來控制導(dǎo)通時(shí)加在功率器上的電壓幅值，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器的精確均勻控制。由于方法二可以均勻精確的控制功率，并能夠?qū)β蔬M(jìn)行微調(diào)，使得被控對(duì)象的溫度平滑地到達(dá)設(shè)定值，因此在本系統(tǒng)中選擇方法二。其控制電路的電路框圖如圖3所示，圖中方框內(nèi)的硬件部分由CPLD器件實(shí)現(xiàn)，具有簡(jiǎn)潔，性能可靠等特點(diǎn)。

圖3 溫度控制電路框圖

利用調(diào)相法控制功率，必須隨時(shí)知道并記錄220V市電的相角，從而準(zhǔn)確的控制導(dǎo)通時(shí)刻。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中一般利用模擬鎖相環(huán)電路提取市電的同步信號(hào)，但加大了電路構(gòu)成的復(fù)雜程度。在本系統(tǒng)中省去了模擬鎖相環(huán)器件，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。硬件電路描述如下：

(1)采用變壓器將220V市電轉(zhuǎn)換為同步的峰值為5V的正弦波電壓信號(hào)，然后經(jīng)過過零比較器把正弦波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比1：1的50Hz方波信號(hào)。

(2)50HZ的方波信號(hào)通過邊沿檢測(cè)電路得到同相的100HZ的窄脈沖信號(hào)，其邊沿檢測(cè)電路原理圖如圖4所示。

圖4 邊沿檢測(cè)電路

(3)8位計(jì)數(shù)器對(duì)25KHZ的頻標(biāo)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器具備一個(gè)上升沿清零端，該端的接入信號(hào)為(2)中得到的100HZ的窄脈沖，該窄脈沖以頻率100HZ對(duì)計(jì)數(shù)器清零，使得計(jì)數(shù)的開始時(shí)刻為50HZ市電信號(hào)的過零處，從而保證嚴(yán)格同步。具體信號(hào)時(shí)序關(guān)系如圖5所示。

(4)8位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值輸入到數(shù)字比較器中，與單片機(jī)設(shè)置的預(yù)定值進(jìn)行比較：當(dāng)計(jì)數(shù)值小于等于單片機(jī)輸入的預(yù)定值時(shí)，數(shù)字比較器的輸出端輸出為高電平。當(dāng)計(jì)數(shù)值大于單片機(jī)輸入的預(yù)定值時(shí)，數(shù)字比較器的輸出端輸出為低電平。這樣輸出周期性的與市電半波同步的方波信號(hào)去控制可控硅的導(dǎo)通角，通過改變單片機(jī)輸入值的大小可以方便的調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，準(zhǔn)確地高精度地實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。

圖5 信號(hào)時(shí)序關(guān)系圖

從該部分硬件結(jié)構(gòu)的組成特點(diǎn)可以看出，其組成核心是由可重新配置特點(diǎn)的CPLD器件 MAX7128構(gòu)成。MAX7128為高性能可擦除器件，采用第二代多陣列矩陣(MAX)結(jié)構(gòu)，可用門數(shù)為2500門，宏單元數(shù)為128，邏輯陣列塊數(shù)為8，通過標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，支持在系統(tǒng)可編程(ISP)。它實(shí)現(xiàn)了控制部分的核心功能，其它的電路都屬于輔助電路。因此系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有典型的開放性，這對(duì)實(shí)現(xiàn)軟件的開放是一個(gè)很好的支持。

2 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件算法通常是根據(jù)對(duì)象的純滯后時(shí)間τ與對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)Tm之比來確定,一般來說,當(dāng)τ/Tm<0.5時(shí)，可采用PID算法控制,當(dāng)τ/Tm>0.5時(shí)，可采用達(dá)林算法控制。在本系統(tǒng)中,針對(duì)不同的被控對(duì)象，可加載不同的軟件算法，因此大大提高了本控制系統(tǒng)的靈活性。由于在工業(yè)控制過程中,大量的被控對(duì)象具有非線性、純滯后性，采用PID控制很難獲得良好的控制性能，因此本文重點(diǎn)討論達(dá)林算法，用它來控制非線性、純滯后對(duì)象具有良好的效果(被控對(duì)象一般為帶有滯后的一階慣性環(huán)節(jié))。

2.1 dahlin算法的數(shù)學(xué)模型

被控對(duì)象為帶有滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為

，θ=NT (2-1)

式中：τ1 -----對(duì)象的時(shí)間參數(shù)

θ -----對(duì)象的純延遲時(shí)間，為了簡(jiǎn)化，設(shè)其為采樣周期的整數(shù)倍，即N為正整數(shù)。

K -----對(duì)象放大系數(shù)

達(dá)林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)Φ(s)，相當(dāng)于一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即

Φ(s)=

，θ=NT (2-2)

如圖6所示，根據(jù)控制理論易得到帶有一階慣性對(duì)象的達(dá)林算法的基本形式：

×

(2-3)

式中：K -----對(duì)象放大系數(shù)

T ------ 為采樣周期;

τ1 ------為被控對(duì)象時(shí)間參數(shù);

τ ------為閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間參數(shù)。

根據(jù)D(Z)=U(Z)/E(Z)得出差分方程：

U(K)=b1U(K-1)+b2U(K-N-1)+a0E(K)-a1E(K-1) (2-4)

其中

圖6 控制系統(tǒng)方框圖

2.2 dahlin算法參數(shù)的整定

(1)由系統(tǒng)的飛升曲線(如圖7)確定對(duì)象的純滯后時(shí)間參數(shù)θ和被控對(duì)象的時(shí)間參數(shù)τ1。

5

圖7 被控對(duì)象的飛升曲線

(2)綜合控制精度、超調(diào)量等指標(biāo)選取合適的采樣周期T。若T偏大，則取樣稀疏，單位時(shí)間內(nèi)控制點(diǎn)過少，勢(shì)必造成較大的過沖量以及系統(tǒng)控制誤差;若T偏小，則對(duì)采樣量化字長(zhǎng)要求過高，對(duì)于有限字長(zhǎng)的控制系統(tǒng)過密的采樣周期會(huì)使系統(tǒng)控制失敗。

(3)由N=θ/T確定N值。

(4)對(duì)象放大系數(shù)K的確定。K可由下列公式確定：

5

(5)τ一般與T取同量級(jí)，不斷調(diào)整τ值，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)圖，使得閉環(huán)系統(tǒng)的指標(biāo)達(dá)到最佳。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

從該溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成可以看出，這種設(shè)計(jì)具有比較好的開放性，便于在軟硬件方面進(jìn)行功能擴(kuò)展和重新配置，同時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造也比較靈活。由于采用了高容量低成本的CPLD器件 MAX7128,將本系統(tǒng)的控制部分的核心電路的硬件資源進(jìn)行了整合集成，提高了系統(tǒng)硬件的可靠性。針對(duì)不同的控制對(duì)象，只要適當(dāng)?shù)母淖円幌虑岸说男盘?hào)處理電路，并采用滿足要求的控制算法，即可勝任面對(duì)各種對(duì)象的控制任務(wù)。因此系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)開放、性能可靠、靈活方便等特點(diǎn)，可以靈活地勝任不同對(duì)象的溫度自動(dòng)控制任務(wù)。