鄭連山,劉路興
(中國樂凱集團有限公司片基事業部,河北 保定 071054)
摘 要:溫度測量與控制在工業、農業、國防等行業有著廣泛的應用。由于利用單片機技術的溫度測控可靠性高、價格低廉而被廣泛采用。本文對電阻爐的數字控制電路進行了分析和設計。
關鍵詞:AT89C51;ADS774;熱電偶;軟硬件系統
中圖分類號:TP271 文獻標識碼:B 文章編號:1003-7241(2012)04-0085-07
1 引言
電阻爐在國民經濟中有著廣泛的應用,而大功率的電阻爐則應用在各種工業生產過程中。然而,大多數電阻爐存在著各種干擾因素,將會給工業生產帶來極大的不便。因此,在電阻爐溫度控制系統的設計中,應盡量考慮到如何有效地避免各種干擾因素而采用一個較好的控制方案,選擇合適的芯片及控制算法是非常有必要的。
一直以來,人們采用了各種方法來進行溫度控制度都沒有取得很好的控制效果。起先由于電阻爐的發熱體為電阻絲,傳統方法大多采用儀表測量溫度,并通過控制交流接觸器的通斷時間比例來控制加熱功率。由于模擬儀表本身的測量精度差,加上交流接觸器的壽命短,通斷比例低,故溫度控制精度低,且無法實現按程序設定的升溫曲線升溫和故障自診斷功能,因此要對傳統的溫度控制方法進行改造。如今,隨著以微機為核心的溫度控制技術不斷發展,用微機取代常規控制已成必然,因為它確保了生產過程的正常進行,提高了產品的數量與質量,減輕了工人的勞動強度以及節約了能源,并且能夠使加熱對象的溫度按照某種指定規律變化。而且微型計算機在智能溫度測量和控制電器中的控制作用是一種智能行為,所以,它在能量消耗上是比較少的,和普通儀表溫度測量相比,智能溫度測量與控制電器是一種節能電器。這不但對用戶來說具有很大的意義,而且對整個社會來說都是有重大意義的。
2 電阻爐的數字控制電路設計的總體分析
本課題采用AT89C51單片機對電阻爐的加熱過程進行控制[1]。使用熱電偶作為溫度傳感器把熱信號轉變成電信號,電信號再經過放大,經過模數轉換再輸入到CPU。控制器采用PID控制算法,溫度控制的原理是通過調整晶閘管的導通時間來調節加熱主回路的有效電壓,從而達到溫度控制的目的。系統由AT89C51單片機、溫度傳感器、A/D轉換器、串口通信、晶閘管觸發電路等組成的控制器和被控對象電阻爐構成一個閉環控制系統。系統控制程序采用模塊化設計結構,主要包括主程序、中斷服務子程序。系統采用過零觸發等技術,省去了傳統的D/A轉換元件,簡化了電路,并且提高了系統的可靠性,同時,系統可以實時控制電阻爐的實際溫度[2]。硬件原理如圖1:
3 電阻爐數字控制電路的硬件接口電路設計
在硬件的設計前期,根據框圖對電路中可能出現的電路,進行了模擬實驗,并根據實驗結果對后期的硬件設計進行了合理化的修改完善。在前邊已分析了系統并繪制了框圖,下面將根據框圖分別設計各部分電路[5]。
3.1 單片機系統構成的接口電路設計
本設計中由單片機和一個鎖存器74LS373組成,在這里來研究一下在本設計中功能。如圖2所示,分別將P0、P1、P2、P3口引出跟本設計的其他部分連接。在P0口連接一個地址鎖存器74LS373,就是為了當P0口上片外存儲器低八位地址穩定后,單片機在ALE線上發出正脈沖的下降沿,這樣就把片外存儲器低8位地址鎖存在地址鎖存器74LS373中[2]。
圖2 單片機部分原理圖
3.2 數據采集接口電路的設計
根據現場電路特點,對模擬量信號進行低通濾波,濾除各種高次諧波的干擾和信號傳輸通道感應的干擾,得到反映設備電路實際狀態的真實信號;本系統采用了新型的高精度模擬信號隔離放大器,得到安全的模擬量信號輸入。同時采用12位高速A/D轉換器ADS774把模擬量轉換為可由微機進行處理的數字量。ADS774是一種具有采樣保持功能的12位A/D轉換器,可以方便地和MCS-51、AT89C51等CPU系統連接,模擬量輸入范圍可以是0～10V、0～20V、±5V或±10V,最大轉換時間不超過8.5μs,功耗小于120mV。由于ADS774片內有時鐘,故無需外加時鐘信號。該電路采用單極性輸入方式,可對+5V或+10V模擬信號進行轉換。采用查詢方式讀取ADS774的轉換結果,由于ADS774輸出12位數碼,所以當單片機讀取轉換結果時,需分兩次進行:先高8位,后低4位。由A0=0或A0=1來分別控制讀取高8位或低4位[3]。
本設計的ADS774與AT89C51單片機接口電路如圖3所示。單片機的P0口接轉換器的輸出口,采用12向左對齊輸出格式。STS接單片機的INT0口,就是把轉換器的標志位STS作為單片機的一個外部中斷源。那么在本設計中判斷AD轉換是否完成就需要在單片機中用中斷法判斷。
圖3 ADS774與AT89C51的接口電路
3.3 串行通信接口電路的設計
存儲信息的采集器,對信息量的大小有嚴格的要求,由于采集器的存儲量有限和進一步針對性處理,信息需要傳入微機內.采集器與微機通過微機的串口實現通信[11]。利用AT89C51單片機的串行口與PC機的串行口COM1或COM2進行串行通信,將單片機采集的數據傳送到PC機中,由PC機的高級語言或數據庫語言對數據進行整理及統計等復雜處理。PC機串行口給出的信號是一個RS-232信號。它是一個基于3～7V正電壓、3～7V負電壓的脈沖鏈。這一信號必須轉化為一個0～5V的脈沖鏈,以便處理器讀取。中間轉換電路采MAX232芯片來實現。在設計硬件接口電路時,應充分考慮到電路的電氣特性,邏輯電平以及驅動能力的匹配問題,若匹配得不好,將會導致通信失敗[8]。
本文采用MAX232作為機與單片機的串行通信接口芯片,硬件連接時,可從MAX23中的2路發送器和接收器中任選一路,只要注意發送與接收的引腳對應關系即可,接口電路如圖4所示[9]。
圖中上半部分電容C1,C2,C3,C4,C5及V+,V-是電源變換電路部分。在實際應用中,器件對電源噪聲很敏感,因此VCC必須對地加去耦電容C5。C1,C2,C3,C4取同樣數值的膽電解電容1μF/16V。用于提高抗干擾能力,在連接時必須盡量靠近器件。圖中下半部分為發送和接收部分。實際應用中,T1 IN,T2 IN 可直接連接TTL/CMOS電平的MCS51的單片機的串行發送端TXD,R1 OUT,R2 OUT可直接連接TTL/CMOS電平的MCS51的單片機的串行接收端RXD/TXD;T1 OUT,T2 OUT可直接連接PC機的RS-232串口的接收RXD/TXD;R1 IN,R2 IN可直接連接PC機的RS2232串口的發送端TXD[4]。
圖4 AT89C51單片機與PC機串行通信接口
3.4 熱電偶信號處理電路的設計
溫度檢測元件及變送器的選擇要考慮溫度控制范圍及精度要求。對于0～1000℃的測量范圍,采用熱電偶,如鎳鉻熱電偶,分度號為EU,其輸出信號為0～41.32mV,經毫伏變送器,輸出0～10mA,然后再經過電流——電壓變換電路轉換為0～5V電壓信號。為了提高測量精度,可將變送器進行零點遷移,例如溫度測量范圍改為400～1000℃,熱電偶給出16.4～41.32mV時,使變送器輸出0～10mV,這樣使用8位A/D轉換器,能使量化誤差達到±2.34℃[7]。
在實踐中結合AD595自身特點,此芯片無需任何外圍電路,結構簡單,輸出幅值大,誤差小,工作可靠,實用性強,設計了以AD595為核心且結合K型熱電偶的測溫電路,電路圖為圖5。
圖5 AD595熱電偶信號處理
4 電阻爐數字控制電路的軟件的實現
4.1 整個軟件的功能及說明
我們設計這個軟件主要是為了達到AD轉換以后的數字信號傳送給單片機進行處理和運算,單片機控制AD轉換過程,并且實現單片機與PC機之間的通信。下面的程序就是此次設計的完整程序,并且給于程序以注解[6]。
系統控制程序采用三重中斷潛套首先使T0定時器產生定時中斷,作為本次采樣周期,在中斷服務程序中啟動A/D,讀入采樣數據,然后輸出控制脈沖信號,脈沖寬度則有T1計數器益出中斷決定。在等待益出中斷時將本次采樣數值轉換成溫度值放入緩沖區,然后起用串口中斷,把AD轉換的結果分兩次傳送到PC機中。從從串口中斷返回后,再從T0中斷返回,并繼續往PC機上傳溫度數據并進行調節。
4.2 程序設計
程序包括AD轉換的ADS774 中斷和定時器中斷還有串行通信中斷共三次中斷和主程序初始化。圖4是系統控制程序流程圖。
第一個中斷為ADS774的中斷int0() interrupt 0,它所實現的是AD轉換結束后給單片機INT0口一個中斷信號,實現ADS774轉換的數據發送到單片機。其流程圖為圖6[10]。
第二個中斷為定時器0的中斷time0() interrupt 1,在這里做一個50ms的定時程序。目的是50ms啟動一次ADS774。形成轉換的循環周期。其流程圖為圖7。
第三個中斷為串行口的中斷serial() interrupt 4,在這個中斷程序中我們完成單片機與PC機的通信。把AD轉換的結果分兩次傳送到PC機中。12位的轉換結果,我們先發送高八位,第二次發送低八位。實現完整的通信。其流程圖為圖8。
最后是主程序的初始化設置。在這段子程序里我們規定了定時器的定時時間,還設定了單片機的波特率。設定了中斷程序的中斷開始設置。其流程圖為圖9。
通過上面的軟件功能的介紹,根據各部分的流程圖來完成電阻爐溫度控制核心部分單片機主程序的編寫。
主程序清單:
#include <at89x51.h>
unsignedｃｈａｒcon1;
unsignedｃｈａｒontime;
unsignedｃｈａｒcon2;
//串行中斷次數
unsigned int settemp;
unsignedｃｈａｒsettemp1[3];
unsignedｃｈａｒtemp1[2];
unsigned int temp;
unsignedｃｈａｒtempH;
unsignedｃｈａｒtempL;
unsigned int tempD;
// AD轉換得到的數字溫度值
float tempA;
// tempA為AD595的輸出電壓(V)
unsignedｃｈａｒxdata tempLL _at_ 0x7FFF;
//tempLL中存AD轉換結果的低四位
unsignedｃｈａｒxdata ADS774 _at_ 0x7FFE;
//ADS774中存AD轉換結果的高八位
unsignedｃｈａｒontime1;
int0() interrupt 0//ads774中斷
{
tempH=ADS774;
tempL=tempLL;
tempL=tempL>>4;
tempD=tempH*16+tempL;
tempA=tempD*10/4096.0;
Kvoltage=(tempA*1000000/247.3-11)/1000;
temp=tempA*100;
//粗略值,精確值需查表得到
temp1[0]=temp/256;
temp1[1]=temp-tempH*256;
}
time0() interrupt 1//定時器0中斷
{
TH0=0x3c;
TL0=0xb0;
if(!ontime)
{
P1_0=0;
ontime=20;
}
ontime?
if(梒on1==0)
{
con1=20;
P1_0=1;
ADS774=0xFF; //啟動A/D轉換
ontime=ontime1;
}
}
serial() interrupt 4//串口中斷
{
if(RI==1)
{
RI=0;
switch(con2)
{
case 1,2:
settemp1[0]=SBUF;
break;
case 1:
settemp1[0]=SBUF;
break;
case 2:
settemp1[1]=SBUF;
ES=0;
for(con2=0;con2<=1;con2++)
{
SBUF=temp1[con2];
while(TI==0);
TI=0;
}
con2=0;
break;
}
con2++;
}
ES=1;
}
main()//初始化
{
unsigned int i;
con1=20;
con2=1;
ontime=ontime1=0;
TMOD=0x21;
TH0=0x3c;
TL0=0xb0; //T0定時時間為50ms
ET0=1;
TR0=1;
TH1=0XFD; // 波特率9600
TL1=0XFD;
TR1=1;
SCON=0x50;
ES=1;
IT0=1;
//下降沿觸發
EX0=1;
//T0中斷允許
EA=1;
P1_0=0;
while(1);
}
5 結束語
論文中設計的數字控制電路實用性強,結構較為簡單,成本低,外接元件少。在實際應用中工作性能穩定,測量溫度準確,精度較高。系統在硬件設計上充分考慮到了可擴展性,經過一定的添加或改造,很容易增加功能,如從單片機主芯片串行口連接RS232轉換芯片MAX232與PC機相連,完成溫度實時數據的傳遞和其他控制工作。適用范圍廣泛,大多數工業控制中,本電路可以作為智能控制系統的一部分,與其它設備協同工作。系統移植性強,只需改變前端測量用的傳感器類型,可在此基礎上修改為其他非電量參數的測量系統。
參考文獻:
[1] 孫涵芳,徐愛卿.MCS-51系列單片機及其應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1988.
[2] 趙文忠,程啟明.微機控制技術[M].北京:機械工業出版社,1993.
[3] 李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,1994:105-110.
[4] 胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京:清華大學出版社,1996:211-250.
[5] 沈德金,陳粵初.接口電路與應用程序實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,1990:140-227.
[6] 成繼勛,周少武等.微型計算機控制技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,2001:22-55.
[7] 黃澤銑.熱電偶原理及其檢定[M].北京:中國計量出版社,1993:85-95.
[8] 鄒逢興.微型計算機接口原理與技術[M].長沙:國防科技大學出版社,1993:131-145.
[9] 李泓.MCS-51系列單片機與IBM-PC微機通信技術[J].電子技術應用,1996:7-10.
[10] 黃澤銑.熱電偶原理及其檢定[M].北京:中國計量出版社,1993:85-95.
［11］ RS-232轉RS-485/422智能轉換器電路圖.http://www.cndzz.com/index.htm
[12] WU Hongxin,Intelligent control based on intelligent characteristic model and its application,Science in China (Series E),2003,46(3).