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程的特點和要求,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,通過軟件編程實現控制;該設計具有線路簡單、精度高、響應快、顯示直觀、使用方便等特點。
　　熱電偶在出廠檢驗時或使用一段時間后，為保證其精度和正常使用，要進行周期檢定。目前,工業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,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口。熱電偶檢定爐的溫度控制,對于實驗或生產過程有著十分重要的作用。本溫控系統是利用單片機、溫度傳感器、加熱絲和A/D轉換芯片等來實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、自動控制、安全可靠等優點，非常適合嵌入控制。同時,其邏輯控制運算是由軟件來進行的，可以容易地實現各種控制規則，甚至是比較復雜的控制算法的實現，而且不受外界的工作環境的影響。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行監測和控制的全自動智能調節系統,不僅用于管式熱電偶檢定爐的溫度控制,還可以用.在其他工業用電阻爐的溫度控制中，實際應用表明該系統穩定性好、壽命長，能很好地滿足生產和實驗的需要。
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、轉換開關、數字電壓表、溫度控制器等組成，轉換開關可接受微機指令，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回路相通，數字電壓表按照微機的指令進行電勢測量，并把測得電勢值送回微機。微機可以按指令要求，進行開關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，是對檢定爐溫度進行控制的儀器，主要由單片機控制單元、觸發器、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，經過一系列的處理后轉換成溫度值，通過LED顯示出來，再與設定溫度進行比較,確定輸出電流的大小,從而自動地控制爐內溫度，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模塊來調節,而SCR模塊則由脈沖移相觸發器產生的移相脈沖來控制。觸發器是模塊化的，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基本上成線性對應關系。
 
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、時鐘電路、LED顯示及鍵盤電路、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，經過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行采樣。為了進一步提高測量精度，采樣后對信號再進行數字濾波。此信號經過數字濾波、標度轉換后,一方面通過LED將溫度顯示出來;另一方面，將該溫度值與設定的溫度值進行比較，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,再經過D/A后進行信號處理,轉換為標準信號，根據標準信號控制觸發器輸出的移相脈沖,從而控制SCR模塊導通角來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，實現溫度的控制。
 
2.2LED顯示電路
　　圖4為LED動態顯示電路。根據控制系統的要求，選用4位LED顯示，此電路中，采用動態掃描方式。74LS273用于驅動LED的8位段碼，8位LED相應的“a”~“g”段連在一起。74LS04反相驅動的輸出端，用于驅動4位LED的位碼,這樣當選通某一位LED時,相應的地址線(74LS04輸出端)輸出的.是高電平,所以，LED選用共陽LED數碼管。動態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LED點亮的時間太短，LED的亮度太低，肉眼無法看清。所以一般保持時間取數個毫秒左右為宜。
 
2.3輸出執行電路
　　AT89C52對溫度的控制,是通過SCR模塊、觸發模塊及其他輔助器件構成的電路來實現的，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，來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功能相對獨立的模塊。
　　軟件程序的主要任務有: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斷;爐溫測定、鍵盤輸入、時間確定和顯示、控制算法等都由子程序來完成;中斷服務程序實現定時測溫和讀取時間。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下輸出的毫伏值與標準熱電偶輸出的毫伏值進行對比，看是否相符，因而要求每一個溫度點都要穩定。在實際應用中,通過調節PID(即比例、積分、微分)的值來調節溫度的穩定過程，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為控制器的微分時間常數。
　　PID.算法的原理即調節Kc,Tt,TD這3個參數使系統達到穩定，調節PID控溫,是對溫控系統的性能進行測試的主要手段。
 
　　通過測試，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;無超調、無振蕩;欠調、長時間過渡。最理想的是第2種,即無超調、無振蕩，但過渡時間較長。為了縮短溫度的穩定時間，一般允許有一定的超調量，同時在不同的控溫點，需要選擇不同的PD值，以達到控制的目的。圖7是對檢定爐實際測試的在1000℃時的溫度控制曲線(環境溫度為25℃)，在實際運用中取得了良好的效果。
5結束語
　　該智能控制系統，能對管式檢定爐內溫度進行測量、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，實現調節檢定爐溫度的目的。當溫度低于設定值時，發出報警,提示操作者注意。當溫度超過給定值時，執行斷電保護,以保證人身及設備的安全。系統性價比高.且通用性好，不僅用于熱電偶檢定爐的監控，還用于其他工業電阻爐的測量與控制中，該溫度控制器在實際中已得到廣泛的應用。