布１５卷第４期２００６年８月育夺职习匕欲育一天津职业大学学报 Ｈｉｇｈｅｒ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ－Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ＣｏｌｌｅｇｅＶｏｌ． １５，Ｎｏ．４Ａｕｇ． ２００６基于单片机的电加热炉温度控制系统设计王丽华’郑树展２（１、天津职业大学，天津３００４０２； ２、天津航空机电有限公司，天津３００１２３）摘要：以８０５１单片机为核心，采用温度变送器桥路和固态继电器控温电路，实现对电炉温度的自动控制。该控制 系统具有硬件成本低、控温精度较高、可靠性好、抗干扰能力强等特点．关键词：电加热炉控温 固态继电器飞升曲线中图分类号：ＴＭ９２４． １０引言 文献标识码：Ｂ文章编号：１００８－８４１５［２００６１－０４－００５１－０３测误差的大小。目前多选Ｋ型或Ｓ型（镍铬一镍硅）热电偶。传统的以普通双向晶闸管（ＳＣＲ）控制的高温电加热 炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出两者相比，Ｋ型有较好的温度一热电势的线性度，但它不适宜于长时间在高温区适用：Ｓ型有高的精度，但温度一热电势的线性度较差。功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、１ ．２ Ａ／Ｄ转换器图１中Ａ／ Ｄ转换芯片采用ＡＤＣ０８０９，其转换精度是１／２５６。若电加热炉工作温度是２５６０Ｃ，则在（（０－２５６）℃范围Ａ／Ｄ的转换精度为２５６＇Ｃ１２５６＝ Ｉ＇Ｃ／ ｂｉｔ，即一个数字量表示１Ｃ，这显然不能满足控制精度为ｔ０．５℃要求。为了提可靠、较先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ＡＤＣ０８０９芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。１电加热炉温度控制系统的硬件设计 高控制精度，可以选用更高位的Ａ／Ｄ转换器，如１０位、１２位、１６位Ａ／Ｄ转换器，其控值精度均能满足要求。然而根据实际需要温度控制情况，也可以通过具有零点迁移和冷端补偿功能的温度变送桥路，缩小测温的范围，如炉温升电加热炉温度控制系统的硬件由图１所示各部件组成， 它以８０５１单片机为核心，外扩键盘输入和ＬＥＤ显示温度。电加热炉炉内的实际温度由热电偶测量并转换成毫伏级的电压信号，通过温度变送器桥路实现零点迁移和冷端补偿，经运算放大器ＩＣＬ７６５０放大到０－５Ｖ，再经过有源低通滤到９０℃后要求温度维持９０℃基本不变，那就可以将测温范围缩小为（０＾－１２８） ＇Ｃ．（１２８＾２５６） ＇Ｃ，从而使理论设计控温精度达到１０．５＇Ｃ。１ ．３低漂移毫伏放大器低漂移毫伏放大器如图２所示。 波器滤波后，由Ａ／Ｄ转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度转换后，一方面通过ＬＥＤ将炉温显示出来；另一方面，将该温度值与被控温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用ＰＩＤ控制，通过ＰＷＭ脉冲调宽功率放大器控制ＳＳＲ固态继电器来控制电加热炉炉丝的导通时间，就可以控制电炉丝的加热功率大小，从而控制电炉的温度及升温速度，Ａ，采用性能优良的斩波稳零运算放大器Ｉ ＣＬ７６５０，斩波电容Ｃ。和Ｃ：选用绝缘电阻高的聚脂薄膜电容器，由调零放大器在斩波振荡器和时钟电路控制下轮流为本身的主放大器调零。Ｄ．和Ｄ：选用低漏流型的硅开关二极管，起保使其逐渐趋于给定值且达到平衡。护ＩＣＬ７６５０的作用。Ａ．输出信号经二阶有源低通滤波器滤波，使信噪比Ｓ／Ｎ提高，此有源滤低通滤波器的截止频率１ ．１热电偶的选取热电偶是温度测量传感器，对它的选择将直接影响检 收稿日期：２００６－０６－２０作者简介：王丽华（１９７８－），女，河北乐亭人，天津职业大学机电学院，助教；郑树展（１ ９７７－），男，河北河间人，天津航空机电有限公司科研所，工程师．．５１．第１５卷第４期高等职业教育一天津职业大学学报Ｖｏｌ． １５ ． Ｎｏ．４迎ＰＺ＂陀阴甲２７６４翻Ｄ１ ７ Ｏ ０７０Ｄ７？－渊加砚奥１日动卜奋．ｉＩＮＴＩ万丽Ｐ３７Ｐ３６概 瀚粼’曰霭丽丽西彻ＣＬｘＤ７＂００ 』渊ｌｘ ｝ ｅ：ｆｔ９Ｅ ３，－｛／８６２０ Ｖ Ｆ／１６Ｖ译码吞』６４－１６’“译妈器ＣＳＮＨＴＩＦＬ Ｔ ＳＬＯ－３ｗＳＬＯ－２１ ３ ＳＬＯ一 Ｔ３４ Ｐ０． ７ Ｌ，４ ｊ － ｝ Ｍ｝、Ｉ Ｉ汉１「一一一门〕｝ｖ７ｃｃＤ７Ｏ；７、ａｂ５＃９ＭＡ３Ｌ＿＿＿＿＿黑ｔＷｍＩｋＶａＳＥ图１加热炉温度控制系统硬件结构图图２低漂移奄伏放大器电路 约１．５Ｈｚｏ Ａ：的增益为ｌ， ＡＺ可选用叭７４１， Ａ：的输出经Ａ／Ｄ转换器转换成数字信号后读入单片机，然后由软件转换成相应的温度显示值。１ ．４固态继电器控温电路单片机通过ＰＷＭ脉冲调宽功率放大器控制ＳＳＲ固态 继电器调节电炉丝的功率而达到调节温度的目的。调功的原理为：设电网连续Ｎ个完整的正弦波为一个控制周期Ｔ，Ｔ＿丝 ｆ 式中ｆ—电网频率，Ｈｚ若在设定的周期Ｔ内控制主回路导通ｎ （ｎ＜Ｎ）个完整的正弦波，则负载功率为尸＝二‘石二 ＿ Ｕ＇ｎ尺Ｎ 式中Ｕ一电网电压有效值；Ｒ一负载的有效电阻因此，只要控制在设定的周器Ｔ内主回路导通的周波 数ｎ的个数，就可调节负载的功率Ｐｏ用ｚ型交流固态继电器ＳＳＲ，实现零触发交流调功。 ＳＳＲ内设光电隔离电路，可减少与电网的相互干扰，这是一种较先进的控制方法。。５２．８０５１单片机通过内部定时器来组织，经开关量通道输 出随时间值变化的ＰＷＭ波，并经脉冲调宽功率放大器控制每个调功周期固态继电器导通的电压正弦周波数，从而控制电加热炉的温度。１ ．５飞升曲线法实测电加热炉参数电加热炉是一阶惯性加纯滞后环节，传递函数为： Ｇ （ｓ） ＝Ｋｅ伙１＋Ｔｓ）式中：Ｋ一放大系数；Ｔ一对象时间常数；Ｔ一对 象滞后时间输出从起始值到达０． ６３２倍稳定值的时间，即为时间常数Ｔ，而滞后时间：可直接从图中测量。有时实测的飞升曲线（见图３）有弯曲，这时可采用一阶加纯滞后的虚拟曲线来逼近，而起始部分则可定出一个等效的滞后时间ｔ，可在曲线斜率的折点处作一切线，与时间轴的交点认为是一阶的起点，坐标原点到一阶的起点即纯滞后时间Ｔ，一阶的起点到切线与稳定值的交点的时间为时间常数Ｔｏ沮度０ （ｃ）祖定值 沮度 ０．６３２稳定值沮度）室温卜子二产一下（ａ）一阶纯滞后的自平衡对象温度ｅ（ｔ随取温度室温（ｂ）一阶纯滞后的非自平衡对象图３飞升曲线法实测对象动态特性曲线原理 ２软件程序结构设计 系统的软件由主程序、中断服务程序和子程序等组成。 大体说来，本程序包括设置有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、ＴＯ初始化、ＣＰＵ开中断、温度显示和键盘扫描等程序。见图４所示。ＴＯ中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动数／模转换器、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、ＰＩＤ计算和输出固态继电器ＳＳＲ的触发脉冲等。Ｐ３．０引脚上输出的该同步触发脉冲宽度由Ｔ１计数器的溢出中断控制。８０５１利用等待Ｔ１溢出中断的空闲时间完成把本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序。８０５１从Ｔ１中断服务程序返回后即可恢复现场和返回主程序。见图５所示。第１５卷第４期高等职业教育一天津职业大学学报Ｖｏｌ． １５ ． Ｎｏ．４电源进入处采用隔离变压器，并采用了电源滤波技术。３．５采用软件滤波法。４结束语本系统以８０５１单片机为核心，采用零点迁移和固态继 电器控温电路，使得硬件成本降低，性能价格比提高。此系统操作简便、抗干扰能力强、运行可靠，适合中、低温电加热炉的温度控制。图４主程序框图 子程序主要有：采样子程序、数字滤波子程序、控制 算法子程序、数制转换子程序、显示子程序等。３抗干扰措施 ３． １为了保证电路性能，电阻全部选用精密电阻，电容选用高阻抗优质电容，并进行筛选配套。印制电路板的绝缘质量要好，布线安排要合理。３． ２采用屏蔽技术、隔离技术和接地技术。以金属材料例如铁制作的封闭金属盒具有电磁屏蔽功能，可使屏蔽盒内的电路免受电场、磁场的干扰。将数字地、模拟地分开，最后在电源板一点共地，可有效防止Ａ／Ｄ输入对单片机产生的共模干扰。３． ３电桥电源采用专用桥头电源变压器，整流后用大电容滤波，使桥路有一个很稳定的电压。图５中断服务程序框图３． ４微机系统应用中供电系统干扰是很重要的。在交流参考文献：［１］李新刚．电加热炉炉温的智能控制［［７］．科技情报开发与经济，２００４， １１， （１）．［２］武庆生，仇梅，ＭＣＳ系列单片机及接口实用教程「Ｍ］．电子科技大学出版社，１９９７．［３］张毅刚，彭喜源，谭晓峋ＭＣＳ－５１系列单片机实用设计「Ｍ］．哈尔滨工业大学出版社，１９９９．「责任编辑：蒋敦斌］Ｄｅｓ ｉｇｎ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ－Ｃｈｉｐ ＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒＷＡＮＧ Ｌｉ－ｈｕａ＇ ＺＨＥＮＧ Ｓｈｕ－ｚｈａｎ２（１ ．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００４０２ ｃｈｉｎａ；２．ＴｉａｎｊｉｎＡｖｉａｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＣＯ．ＬＴＤ ３００１２３ Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｕｒｎａｃｅ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｒｉｄｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ａｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｒｅｌａｙ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ８０５１ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ． Ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｓｕｃｈａｄｖａｎｔａｇｅ ａｓ ｌｏｗ ｃｏｓｔ， ｈｉｇｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｃｃｕｒａｃｙ， ｇｏｏｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｙ ｔａｎｄ ｇｏｏｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｈｅａｔｉｎｇ ｆｕｍａｃｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｒｅｌａｙ；ｇｌｉｄｉｎｇ ｃｕｒｖｅ．５３．
