基于单片机的远红外烘干机温度控制系统设计
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图2 晶闸管输出电路
温度控制系统控制方案 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一， 尽
管有许多先进的控制方法不断推出， 但由于 PID 控 制方法具有结构简单、 鲁棒性好、 可靠性高、 参数易 P、 I、 D 控制规律各自成独立环节， 于整定， 可根据工 而且其应用时期较长， 控制工程师 业过程进行组合， 们已经积累了大量的 PID 控制器参数的调节经验。 PID 控制器在工业控制中仍然得到广泛应用 。 因此， PID 控制方法包括增量式 PID 控制算法与位置
Design on Temperature Control System for Far Infrared Dryer Based on Singlechip Microcomputer
WANG Qili，LI Zongyu，LUAN Xinqiang Abstract： With the development of control theory and electronic technology，the industrial controller's adaptability enhancement and high intelligence are gradually becoming reality． A temperature control system for far infrared dryer based on singlechip microcomputer was designed． The test results showed that the system could control temperatures in different areas，and meet the requirements for temperature control during drying process． The system had high precision and good selfadaptability． The control method of this system used PID algorithm which has simple structure，good robustness and high reliability． Key words： singlechip microcomputer； temperature control； PID control
2012 年 8 月第 4 期 基于单片机的远红外烘干机温度控制系统设计 — — —王其利 李宗玉 栾新强 · 43· 櫓櫓毄 櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓毄 櫓櫓毄
电力节能
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温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技 术两个方面。近年来， 温度的检测在理论上发展比 较成熟， 但在实际测量和控制中， 如何保证快速实时 ， 地对温度进行采样 确保数据的正确传输， 并能对所 测温度场进行较精确的控制， 仍然是需要解决的问 题。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两 类： 动态温度跟踪与恒值温度控制。 动态温度跟踪 实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定
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3. 1
温度控制系统软件设计
主程序的设计 主程序的流程图如图 3 所示。
2012 年 8 月第 4 期 基于单片机的远红外烘干机温度控制系统设计 — — —王其利 李宗玉 栾新强 · 45·
图4 图3 主程序流程图
要］ 随着控制理论和电子技术的发展， 工业控制器的适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实 。 作者设
计了基于单片机的远红外烘干机温度控制系统， 试验表明， 该系统根据不同区域的温度要求进行控制， 可以满足烘 干过程中的温度控制的需要， 温度控制精度较高， 自适应性较好； 且该系统控制方法采用 PID 算法， 结构简单、 鲁棒 ［ 关键词］ 单片机； 温度控制； PID 控制 ［ 中图分类号］ TP273 ［ 文献标识码］ B ［ 文章编号］ 1008 － 5122 （ 2012 ） 04 － 0043 － 03
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远红外烘干机温控系统组成
远红外烘干机与普通的烘干机在结构上的区别 主要是： 前者将远红外辐射元件布置在炉膛内部 ， 以
有色冶金节能 · 44· □电力节能
热辐射加热为主， 对流为辅， 利用辐射对受烘干物直 接加热； 后者将热源置于炉膛之外的加热介质 ， 利用 对流热风循环为主。 本文所涉远红外烘干机氢氧化铝的装置， 烘干 机采用箱式结构， 在加热过程中受热物料是缓慢运 动的。此烘干装置的加热系统采用了先进的远红外 辐射传热技术， 加热元件使用了远红外乳白石英加 4 个温区， 热管。远红外烘干机共有 2 个烘干箱， 因 箱体较大， 每个温区又分为两个区域进行控制 ， 要对 整个烘干机分为 8 个区域来进行温度测量和控制， 测温范围 140 ～ 150 ℃ ， 控制精度 ± 1 ℃ ， 功率单层 约为 50 kW。基于以上的各种要求， 设计了此温度 ， 控制系统 以便满足烘干机中所要求的温度范围及 其精度要求。 温度控制系统硬件部分按功能可以分为单片主 控模块、 输入通道、 输出通道、 报警电路等。 硬件总 体结构框图如图 1 所示。温度控制系统以单片机为 并扩展外部芯片构成主控模块。 温控箱的温 核心， 度传感器检测并转换成微弱电压信号， 再通过 8 位 的 A / D 转换器转换成数字量。 此数字量经过数字 滤波之后， 一方面将温控箱的温度通过控制面板上 的液晶显示器显示出来； 另一方面将该温度值与设 定的温度值进行比较， 根据其偏差值的大小， 采用 PID 控制算法进行运算， 最后通过控制双向晶闸管 控制周期内的通断占空比 （ 即 控 制 温 控 箱 加 热 平 均功率的大小 ） ， 进而达到对温控箱温度进行控制 的目的 。 如果实际测得的温度值超过了系统给定 的极限安全温度 ， 报警电路会做出反应 ， 从而保护 温控箱 。
增量式 PID 控制算法程序流程图
验表明， 该系统控制方法采用 PID 算法， 结构简单、 P、 I、 D 控制规 鲁棒性好、 可靠性高、 参数易于整定， 律各自成独立环节， 可根据工业过程进行组合； 该系 统根据不同区域的温度要求进行控制， 可以满足烘 温度控制精度较高， 自 干过程中的温度控制的需要， 适应性较好。 ［ 参考文献］
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结束语
本文介绍了基于单片机的温度控制系统的开 发， 并进行了氢氧化铝烘干试验。 试验按照工艺要 求， 将氢氧化铝加热到 145 ℃ ， 并保温脱水， 产生蒸 汽由风机抽走， 制得活性氧化铝符合性能要求。 试
引言
好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实 现这一控制目标， 如在发酵过程控制、 化工生产中的 化学反应温度控制和冶金工厂中燃烧炉中的温度控 制等； 恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒 定在某一给定数值上， 且要求其波动幅度 （ 即稳态 误差） 不能超过某允许值。 本文所讨论的基于单片 机的远红外烘干机温度控制系统就是要满足远红外 烘干箱中温度控制的要求， 实现对温控箱的恒值温 度控制。
式控制算法， 前者有如下的一些优点： （ 1 ） 位置式算法每次输出与整个过去状态有 关， 容易产生较大的累计误差。 而增量式中只须计 算式中不需要累加， 控制增量的确定仅与最 算增量， 近几次偏差采样值有关， 当存在计算误差或者精度 不足时， 对控制量的影响较小， 且较容易通过加权处 理获得比较好的控制效果。 （ 2 ） 由于计算机只输出控制增量， 所以误动作 影响小， 而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉 ， 对 系统安全运行有利。 （ 3 ） 手动— — —自动切换时冲击比较小。 鉴于以上优点， 本系统的控制算法即采用增量 式的 PID 控制算法。其程序流程图如图 4 所示。
［ 收稿日期］ 2012 － 04 － 15 ［ 作者简介］ 王其利（ 1971 —） ， 男， 山东龙口人， 大学本 科， 工程师， 主要从事电气技术工作 。
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［ 摘 性好、 可靠性高。
基于单片机的远红外烘干机温度控制系统设计
王其利
1
李宗玉
2
栾新强
3
（ 1. 山东铝业第二工程公司，山东 淄博 255000 ； 2. 山东水利职业学院，山东 日照 276826 ； 3. 潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000 ）
［ 1］ 潘新民， M］ ． 北京： 电 王燕美． 微型计算机控制技术［ 2003． 子工业出版社， ［ 2］ 孙育才． MSC －51 系列单片机及应用［ M］ ． 东南大学 2004． 出版社， ［ 3］ 李玉峰， 霓虹霞． MSC －51 系列单片机原理与接口技 M］ ． 北京： 人民邮电出版社， 2004． 术［ ［ 4］ 谭健成． 新编电机控制专用集成电路与应用［ M］ ． 北 2005． 京： 机械工业出版社， ［ 5］ 方程运． 工厂电气控制技术［M］ ． 北京： 机械工业出 2002． 版社， ［ 6］ 王海宁． 基于单片机的温度系统设计［D］ ． 合肥工业 2008． 大学控制理论与控制工程系， ［ 7］ 胡寿松． 自动控制原理［M］ ． 北京： 国防工业出版社， 2000．
图1
硬件总体结构框图
来自百度文库
2
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温度控制系统电路设计
温度传感器
温度传感器的种类比较繁杂， 各种不同的温度 方式及测温原理的不同， 使 传感器由于其构成材料、 得其测量温度的范围、 测量精度也各不相同。 Pt100 型铂电阻， 在 － 200 ～ 850 ℃ 内是精度最高的温度传 感器之一， 且检测精度高、 稳定性好， 因此选用 Pt100 铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器 。 2. 3 晶闸管 目前多数温控系统均采用晶闸管来实现功率调 节。晶闸管的控制模式有相位控制和零位控制 （ 分 配式零位控制、 时间比例零位控制 ） 。 本系统采用 分 配 式 零 位 控 制 的 模 式， 晶闸管配套使用的是 MOC3061 光电藕合双向晶闸管驱动器， 其输出部分 还带有过零触发检测器， 以保 是硅光敏双向晶闸管， 证电压接近零时触发晶闸管。晶闸管输出电路如图 2 所示。 3. 2
温度控制系统控制方案 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一， 尽
管有许多先进的控制方法不断推出， 但由于 PID 控 制方法具有结构简单、 鲁棒性好、 可靠性高、 参数易 P、 I、 D 控制规律各自成独立环节， 于整定， 可根据工 而且其应用时期较长， 控制工程师 业过程进行组合， 们已经积累了大量的 PID 控制器参数的调节经验。 PID 控制器在工业控制中仍然得到广泛应用 。 因此， PID 控制方法包括增量式 PID 控制算法与位置
Design on Temperature Control System for Far Infrared Dryer Based on Singlechip Microcomputer
WANG Qili，LI Zongyu，LUAN Xinqiang Abstract： With the development of control theory and electronic technology，the industrial controller's adaptability enhancement and high intelligence are gradually becoming reality． A temperature control system for far infrared dryer based on singlechip microcomputer was designed． The test results showed that the system could control temperatures in different areas，and meet the requirements for temperature control during drying process． The system had high precision and good selfadaptability． The control method of this system used PID algorithm which has simple structure，good robustness and high reliability． Key words： singlechip microcomputer； temperature control； PID control
2012 年 8 月第 4 期 基于单片机的远红外烘干机温度控制系统设计 — — —王其利 李宗玉 栾新强 · 43· 櫓櫓毄 櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓毄 櫓櫓毄
电力节能
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温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技 术两个方面。近年来， 温度的检测在理论上发展比 较成熟， 但在实际测量和控制中， 如何保证快速实时 ， 地对温度进行采样 确保数据的正确传输， 并能对所 测温度场进行较精确的控制， 仍然是需要解决的问 题。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两 类： 动态温度跟踪与恒值温度控制。 动态温度跟踪 实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定
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3. 1
温度控制系统软件设计
主程序的设计 主程序的流程图如图 3 所示。
2012 年 8 月第 4 期 基于单片机的远红外烘干机温度控制系统设计 — — —王其利 李宗玉 栾新强 · 45·
图4 图3 主程序流程图
要］ 随着控制理论和电子技术的发展， 工业控制器的适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实 。 作者设
计了基于单片机的远红外烘干机温度控制系统， 试验表明， 该系统根据不同区域的温度要求进行控制， 可以满足烘 干过程中的温度控制的需要， 温度控制精度较高， 自适应性较好； 且该系统控制方法采用 PID 算法， 结构简单、 鲁棒 ［ 关键词］ 单片机； 温度控制； PID 控制 ［ 中图分类号］ TP273 ［ 文献标识码］ B ［ 文章编号］ 1008 － 5122 （ 2012 ） 04 － 0043 － 03
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远红外烘干机温控系统组成
远红外烘干机与普通的烘干机在结构上的区别 主要是： 前者将远红外辐射元件布置在炉膛内部 ， 以
有色冶金节能 · 44· □电力节能
热辐射加热为主， 对流为辅， 利用辐射对受烘干物直 接加热； 后者将热源置于炉膛之外的加热介质 ， 利用 对流热风循环为主。 本文所涉远红外烘干机氢氧化铝的装置， 烘干 机采用箱式结构， 在加热过程中受热物料是缓慢运 动的。此烘干装置的加热系统采用了先进的远红外 辐射传热技术， 加热元件使用了远红外乳白石英加 4 个温区， 热管。远红外烘干机共有 2 个烘干箱， 因 箱体较大， 每个温区又分为两个区域进行控制 ， 要对 整个烘干机分为 8 个区域来进行温度测量和控制， 测温范围 140 ～ 150 ℃ ， 控制精度 ± 1 ℃ ， 功率单层 约为 50 kW。基于以上的各种要求， 设计了此温度 ， 控制系统 以便满足烘干机中所要求的温度范围及 其精度要求。 温度控制系统硬件部分按功能可以分为单片主 控模块、 输入通道、 输出通道、 报警电路等。 硬件总 体结构框图如图 1 所示。温度控制系统以单片机为 并扩展外部芯片构成主控模块。 温控箱的温 核心， 度传感器检测并转换成微弱电压信号， 再通过 8 位 的 A / D 转换器转换成数字量。 此数字量经过数字 滤波之后， 一方面将温控箱的温度通过控制面板上 的液晶显示器显示出来； 另一方面将该温度值与设 定的温度值进行比较， 根据其偏差值的大小， 采用 PID 控制算法进行运算， 最后通过控制双向晶闸管 控制周期内的通断占空比 （ 即 控 制 温 控 箱 加 热 平 均功率的大小 ） ， 进而达到对温控箱温度进行控制 的目的 。 如果实际测得的温度值超过了系统给定 的极限安全温度 ， 报警电路会做出反应 ， 从而保护 温控箱 。
增量式 PID 控制算法程序流程图
验表明， 该系统控制方法采用 PID 算法， 结构简单、 P、 I、 D 控制规 鲁棒性好、 可靠性高、 参数易于整定， 律各自成独立环节， 可根据工业过程进行组合； 该系 统根据不同区域的温度要求进行控制， 可以满足烘 温度控制精度较高， 自 干过程中的温度控制的需要， 适应性较好。 ［ 参考文献］
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结束语
本文介绍了基于单片机的温度控制系统的开 发， 并进行了氢氧化铝烘干试验。 试验按照工艺要 求， 将氢氧化铝加热到 145 ℃ ， 并保温脱水， 产生蒸 汽由风机抽走， 制得活性氧化铝符合性能要求。 试
引言
好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实 现这一控制目标， 如在发酵过程控制、 化工生产中的 化学反应温度控制和冶金工厂中燃烧炉中的温度控 制等； 恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒 定在某一给定数值上， 且要求其波动幅度 （ 即稳态 误差） 不能超过某允许值。 本文所讨论的基于单片 机的远红外烘干机温度控制系统就是要满足远红外 烘干箱中温度控制的要求， 实现对温控箱的恒值温 度控制。
式控制算法， 前者有如下的一些优点： （ 1 ） 位置式算法每次输出与整个过去状态有 关， 容易产生较大的累计误差。 而增量式中只须计 算式中不需要累加， 控制增量的确定仅与最 算增量， 近几次偏差采样值有关， 当存在计算误差或者精度 不足时， 对控制量的影响较小， 且较容易通过加权处 理获得比较好的控制效果。 （ 2 ） 由于计算机只输出控制增量， 所以误动作 影响小， 而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉 ， 对 系统安全运行有利。 （ 3 ） 手动— — —自动切换时冲击比较小。 鉴于以上优点， 本系统的控制算法即采用增量 式的 PID 控制算法。其程序流程图如图 4 所示。
［ 收稿日期］ 2012 － 04 － 15 ［ 作者简介］ 王其利（ 1971 —） ， 男， 山东龙口人， 大学本 科， 工程师， 主要从事电气技术工作 。
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［ 摘 性好、 可靠性高。
基于单片机的远红外烘干机温度控制系统设计
王其利
1
李宗玉
2
栾新强
3
（ 1. 山东铝业第二工程公司，山东 淄博 255000 ； 2. 山东水利职业学院，山东 日照 276826 ； 3. 潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000 ）
［ 1］ 潘新民， M］ ． 北京： 电 王燕美． 微型计算机控制技术［ 2003． 子工业出版社， ［ 2］ 孙育才． MSC －51 系列单片机及应用［ M］ ． 东南大学 2004． 出版社， ［ 3］ 李玉峰， 霓虹霞． MSC －51 系列单片机原理与接口技 M］ ． 北京： 人民邮电出版社， 2004． 术［ ［ 4］ 谭健成． 新编电机控制专用集成电路与应用［ M］ ． 北 2005． 京： 机械工业出版社， ［ 5］ 方程运． 工厂电气控制技术［M］ ． 北京： 机械工业出 2002． 版社， ［ 6］ 王海宁． 基于单片机的温度系统设计［D］ ． 合肥工业 2008． 大学控制理论与控制工程系， ［ 7］ 胡寿松． 自动控制原理［M］ ． 北京： 国防工业出版社， 2000．
图1
硬件总体结构框图
来自百度文库
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2. 1
温度控制系统电路设计
温度传感器
温度传感器的种类比较繁杂， 各种不同的温度 方式及测温原理的不同， 使 传感器由于其构成材料、 得其测量温度的范围、 测量精度也各不相同。 Pt100 型铂电阻， 在 － 200 ～ 850 ℃ 内是精度最高的温度传 感器之一， 且检测精度高、 稳定性好， 因此选用 Pt100 铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器 。 2. 3 晶闸管 目前多数温控系统均采用晶闸管来实现功率调 节。晶闸管的控制模式有相位控制和零位控制 （ 分 配式零位控制、 时间比例零位控制 ） 。 本系统采用 分 配 式 零 位 控 制 的 模 式， 晶闸管配套使用的是 MOC3061 光电藕合双向晶闸管驱动器， 其输出部分 还带有过零触发检测器， 以保 是硅光敏双向晶闸管， 证电压接近零时触发晶闸管。晶闸管输出电路如图 2 所示。 3. 2