管式熱電偶檢定爐溫控系統的設計

摘要:介紹了管式熱電偶檢定爐控溫系統的硬件設計,根據熱電偶檢定爐溫度控制過(guò)程的特點(diǎn)和要求,采用以AT89C52單片機為.檢測控制中心的智能控制系統;該系統硬件主要由單片機、熱電偶、A/D轉換芯片、SCR模塊等構成,通過(guò)軟件編程實(shí)現控制;該設計具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單、精度高、響應快、顯示直觀(guān)、使用方便等特點(diǎn)。
　　熱電偶在出廠(chǎng)檢驗時(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準熱電偶直接比較的一種檢定方法。檢定時(shí),把被檢熱電偶和標準熱電偶捆扎在一起，送入檢定爐,測量端應位于檢定爐均勻的高溫區中,檢定爐內的溫度應恒定在被校溫度點(diǎn)口。熱電偶檢定爐的溫度控制,對于實(shí)驗或生產(chǎn)過(guò)程有著(zhù)十分重要的作用。本溫控系統是利用單片機、溫度傳感器、加熱絲和A/D轉換芯片等來(lái)實(shí)現的數字溫度控制系統。單片微處理器具有精度高、靈敏度好、響應速度快以及耗能少、機構小、可以連續測量、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),其邏輯控制運算是由軟件來(lái)進(jìn)行的，可以容易地實(shí)現各種控制規則，甚至是比較復雜的控制算法的實(shí)現，而且不受外界的工作環(huán)境的影響。因此，基于單片機的溫度控制器，可以安全可靠地運行,智能地控制溫度穩定在某一給定值,或者給定值附近。
　　本溫控系統是用于對溫度進(jìn)行監測和控制的全自動(dòng)智能調節系統,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)際應用表明該系統穩定性好、壽命長(cháng)，能很好地滿(mǎn)足生產(chǎn)和實(shí)驗的需要。
1系統構成
1.1管式熱電偶檢定系統組成
　　管式熱電偶檢定系統，由管式檢定爐、冰瓶、轉換開(kāi)關(guān)、數字電壓表、溫度控制器等組成，轉換開(kāi)關(guān)可接受微機指令，按雙極法的檢定要求，切換各檢測通道,使精度高數字電壓表的.測量端與相應的測點(diǎn)回路相通，數字電壓表按照微機的指令進(jìn)行電勢測量，并把測得電勢值送回微機。微機可以按指令要求，進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換和數字電壓表的數據采樣工作，根據測得的標準熱電偶熱電勢,換算出當前的爐內溫度，并按照設定溫度點(diǎn)的要求,控制檢定爐溫度控制器，或者直接調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)現檢定爐爐溫的控制日。圖1為管式熱電偶檢定系統組成框圖。
 
1.2檢定爐溫度控制器
　　檢定爐溫度控制器，是對檢定爐溫度進(jìn)行控制的儀器，主要由單片機控制單元、觸發(fā)器、SCR模塊、報警器、電流電壓顯示儀表以及交流接觸器、控制按鈕等組成，可以與計算機通訊，接受計算機的指令。根據熱電偶輸出的mV信號，經(jīng)過(guò)一系列的處理后轉換成溫度值，通過(guò)LED顯示出來(lái)，再與設定溫度進(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)調節,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，輸入標準信號,如:4~20mA電流信號、0~10V或0~5V電壓信號等，輸出移相脈沖，電壓大小根據控溫信號的大小而決定，控溫信號與檢定爐加熱絲兩端電壓0~220V基本上成線(xiàn)性對應關(guān)系。
 
2硬件設計
2.1單片機控制單元
　　單片機控制單元，是溫度控制器的核心，主要包括單片機AT89C52、溫度檢測電路、時(shí)鐘電路、LED顯示及鍵盤(pán)電路、A/D轉換、D/A轉換、報警電路、標準信號轉換電路等部分，單片機控制單元原理圖如圖3所示。溫度信息由溫度傳感器測量并轉換成mV級的電壓信號，經(jīng)過(guò)信號放大電路將弱電壓信號放大到單片機可以處理的范圍內，輸入到A/D轉換器轉換成數字信號,輸入單片機AT89C52,在單片機中對信號進(jìn)行采樣。為了進(jìn)一步提高測量精度，采樣后對信號再進(jìn)行數字濾波。此信號經(jīng)過(guò)數字濾波、標度轉換后,一方面通過(guò)LED將溫度顯示出來(lái);另一方面，將該溫度值與設定的溫度值進(jìn)行比較，根據其偏差值的大小，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)行信號處理,轉換為標準信號，根據標準信號控制觸發(fā)器輸出的移相脈沖,從而控制SCR模塊導通角來(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，從而調節檢定爐內溫度的變化,使其逐漸趨于給定值且達到平衡，實(shí)現溫度的控制。
 
2.2LED顯示電路
　　圖4為L(cháng)ED動(dòng)態(tài)顯示電路。根據控制系統的要求，選用4位LED顯示，此電路中，采用動(dòng)態(tài)掃描方式。74LS273用于驅動(dòng)LED的8位段碼，8位LED相應的“a”~“g”段連在一起。74LS04反相驅動(dòng)的輸出端，用于驅動(dòng)4位LED的位碼,這樣當選通某一位LED時(shí),相應的地址線(xiàn)(74LS04輸出端)輸出的.是高電平,所以，LED選用共陽(yáng)LED數碼管。動(dòng)態(tài)掃描的頻率有一定的要求，頻率太低，LED將出現閃爍現象;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)間取數個(gè)毫秒左右為宜。
 
2.3輸出執行電路
　　AT89C52對溫度的控制,是通過(guò)SCR模塊、觸發(fā)模塊及其他輔助器件構成的電路來(lái)實(shí)現的，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。(AT89C52控制單元根據被測溫度,輸出相應的電壓或電流信號，改變可控硅管導通角的大小，從而改變加熱電流的大小，進(jìn)而改變加熱絲功率，以達到調節溫度的目的。
 
3軟件設計
　　本系統采用模塊程序設計技術(shù)，來(lái)設計加熱爐溫度控制系統的監控軟件。根據系統功能，我們將軟件劃分成若千個(gè)功能相對獨立的模塊。
　　軟件程序的主要任務(wù)有:溫度測定、參數的顯示;數據管.理;數據處理;數據運算;PID調節、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轉換程序、數據轉換處理程序、PD算法程序等。在系統軟件中，主程序完成系統初始化和電爐絲的導通和關(guān)斷;爐溫測定、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)程序實(shí)現定時(shí)測溫和讀取時(shí)間。流程圖如圖6所示。
 
4測試試驗
　　熱電偶的檢定，是測試熱電偶在不同溫度點(diǎn)下輸出的毫伏值與標準熱電偶輸出的毫伏值進(jìn)行對比，看是否相符，因而要求每一個(gè)溫度點(diǎn)都要穩定。在實(shí)際應用中,通過(guò)調節PID(即比例、積分、微分)的值來(lái)調節溫度的穩定過(guò)程，PD的控制規律如下式所示：
 
式中，
ut為控制器的輸出;
et為偏差,即設定值與實(shí)際值之差;
Kc為控制器的放大系數,即比例增益;
Ti為控制器的積分常數;
TD為控制器的微分時(shí)間常數。
　　PID.算法的原理即調節Kc,Tt,TD這3個(gè)參數使系統達到穩定，調節PID控溫,是對溫控系統的性能進(jìn)行測試的主要手段。
 
　　通過(guò)測試，選取不同的PD值,其控溫效果不同，主要有3種情況:有超調、有振蕩;無(wú)超調、無(wú)振蕩;欠調、長(cháng)時(shí)間過(guò)渡。最理想的是第2種,即無(wú)超調、無(wú)振蕩，但過(guò)渡時(shí)間較長(cháng)。為了縮短溫度的穩定時(shí)間，一般允許有一定的超調量，同時(shí)在不同的控溫點(diǎn)，需要選擇不同的PD值，以達到控制的目的。圖7是對檢定爐實(shí)際測試的在1000℃時(shí)的溫度控制曲線(xiàn)(環(huán)境溫度為25℃)，在實(shí)際運用中取得了良好的效果。
5結束語(yǔ)
　　該智能控制系統，能對管式檢定爐內溫度進(jìn)行測量、控制并顯示，采用模塊化的設計，能根據溫度給定值給出調整量，控制加熱功率的大小，實(shí)現調節檢定爐溫度的目的。當溫度低于設定值時(shí)，發(fā)出報警,提示操作者注意。當溫度超過(guò)給定值時(shí)，執行斷電保護,以保證人身及設備的安全。系統性?xún)r(jià)比高.且通用性好，不僅用于熱電偶檢定爐的監控，還用于其他工業(yè)電阻爐的測量與控制中，該溫度控制器在實(shí)際中已得到廣泛的應用。