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          電阻爐智能溫控系統研究

           
           
          日期:2017年01月10日  來源:沈陽國利熱能(www.bathspaac.net)
           
           

              型熱電偶的精度分為三級:I級:測溫范圍01000C,誤差1.5C,為測量溫度的0.4%:圖i系統硬件結構框圖K型熱電偶材料性能指標:正級為鎳硅,負極為鎳鋁,正極和負極熔點分別為1427°C和1399C;電阻率(0C)分別為70.6D/cni和29.4nD/cni,熱膨脹系數分別為13.1xl-6時的熱導率分別為655Mpa和586Mpa.由于熱電偶的輸出靈敏度很低,每°<:只有幾十pV的電壓輸出,故要求放大電路的溫漂必須很小,另外熱電偶都具有非線性誤差,這就要求有非線性校正電路,同時還需考慮冷端補償。

            2.1.1冷端補償和放大電路K型熱電偶的函數的形式為:+上指數表達式的有關系數,此函數覆蓋C1372C溫區,由上式可看出熱電偶的熱電勢輸出數值較小且和溫度之間的關系為非線性:同時熱電偶測溫時還要求冷端保持為(冰點),否則會帶來較大的誤差,但這給使用帶來很大的不便,因此,為解決上述問題在這里選用了一片美國(AnalogDevicesInc)生產的帶冷端補償的單片熱電偶放大器集成芯片AD595,該芯片的特點如下:低陰抗電壓輸出,10mV/C,即將非線性的熱電勢輪換為線性電壓輸出,具有片內冰點補償電路,具有斷偶報警功能,K型熱電偶電動勢經AD595放大后其輸出電壓為:根據上式由熱電偶的分度表即可得到10mV/C的電壓輸出。由AD595構成的正負電源熱電偶放大電路如所示為滿足本系統控溫精度的要求,本系統選用較高辯率的美國MAXIM公司12位的串行A/D轉換器MAX171.MAX171是帶光電隔離的串行輸出12位ADC,其內部具有一個12位ADC,一個低漂移掩埋式齊納電壓基準源和三個光電耦合器,因此該芯片在其模擬輸入和數字接口之間實現了電氣隔離,其隔離電壓超過1500V,因此大大提高了數據采集的安全性和可靠性。MAX171的主要特性及技術指標如下:分辨率12位轉換時間5-8nS輸出方式串行非線性誤差1LSB檢測通道電路原理圖采用串行式A/D轉換器可使單片機工作于內總線方式,而無需擴展外部三總線結構,這可大大簡化單片機應用系統設計,同時又提高了系統可靠性。

            MAX171模擬電壓輸入范圍為0-5V而AD595的電壓輸出為10mV/C,其滿刻度輸出電壓(1200C)為10mVxl200=12V,己遠遠超出A/D轉換器的電壓輸入范圍,故需采用電阻分壓電路進行分壓。本設計中由R,和R2組成分壓器電路。1=7=51當溫度為1200C時,輸出電壓為VQ1=V.R2/(R,+R2)=5V,可滿足A/D轉換器模擬輸入電壓要求(0-5V)。

            MAX171和單片機可直接接口,前提是MAX171時鐘頻率必需低于1MHZ,本系統中MAX171的輸出信號直接接到AT89C5〗單片機的RXD端,同時TXD端則為MAX171提供時鐘信號,可見MAX171時鐘信號是由單片機提供的,單片機利用其串行口與A/D轉換器通信,將串口設置為工作方式0,即同步移位寄存器方式,此方式下RXD用于接收數據,TXD輸出同步脈沖。一次A/D轉換結果分兩次計讀入到單片機中,再合成12位A/D轉換結果。

            本系統單片機的晶振頻率并選為12MHZ,則串行工作方式0的波待率固定為f;se/12=lMHZ,可滿足MAX171對時鐘頻率的要求。

            2.2控制通道本設計選用過零觸發固態繼電器為主控制元件,用以控制電阻爐的加溫與斷開。

            固態繼電器特點如下:1控制電壓低(314V),驅動電流小(315mA);2輸入控制電壓與TTL、CMOS電平兼容;3輸出與輸入間采用光電隔離;4輸出無觸點、無噪音、無火花,開關頻率高,固態繼電器可由單片機的P27口通過TTL反相器直接驅動,采用過零觸發方式即改變一個溫度控制周期內施加到電阻爐正弦波的個數,即可改變電阻爐輸入的平均功率,從而達到控溫的目的,同時過零觸發避免波形非正弦而對電網造成的公害。

            固態繼電器的選用需滿足固態繼電器Ul.2倍電源電壓。

            固態繼電器IN21.5倍電阻爐額定電流。

            2.3單片機應用系統單片機選用ATMEL公司AT89C52,該單片機屬MCS-51系列,因其內部含有8K字節Flash程序存儲器,故勿需外擴程序存儲器,由于本系統的A/D轉換器采用串行結構也無需總線擴展,故本單片機系統為內總線單片機系統,該設計方法符合近年來單片機設計單片化的設計思想,使系統結構大為簡化,同時可靠性也大為提高。單片機的硬件資源也可全部提供給本系統使用,單片機的P.口、P2口可做為通用I/O使用。系統配有25鍵小鍵盤,其中0-F十六個數字鍵和八個功能鍵,一個REST鍵,由P,口構成矩陣鍵盤,用于輸入控制算法的參數及加熱方式曲線,由MC14489顯示驅動芯片構成5位串行顯示器用于顯示輸入參數和實際溫度值,蜂鳴器用于加熱結束時的聲音提示,E2PROM用于保存控制算法參數和工藝曲線參數。

            3控制算法電阻爐是一個純滯后的一階大慣性環節,其傳遞函數為Wd(S)=KdeA/(TdS+l),其中對象時間常數Td=90mim純滯后時間e=5min,廣義被控對象放大系數反〗。

            考慮到被控對象模型的不精確性和其參數隨時間的漂移以及系統要求超調量小而允許調節時間過程長,控制器的控制算式可采用帶積分分離的PID方式或大林算法。

            采用大林算法時,其相應的數字控制器的Z傳遞函數為其中Td為閉環系統時間常數,T為采樣周期,N為純滯后時間G與采樣周期間的整數倍數(0=NTN取整數)對上式進行Z為提高控溫精度在升溫或降溫過程中當溫度偏差值大于5%時,自動調用PID算式:4系統軟件應用軟件由主程序Ta中斷服務程序、鍵輸入掃描程序及增量式PID運算模塊與大林運算模塊等組成。主程序框圖見,其它程序從略。

           
             
           
           
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