基于单片机的马弗炉温度控制系统

微处理器应用

电　子　测　量　技　术

EL ECTRON IC M EASU REM EN T TECHNOLO GY

第32卷第10期

2009年10月　

基于单片机的马弗炉温度控制系统3

向凤琴

(武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心　武汉　430081)

摘　要:介绍了单片机控制的马弗炉温度控制系统,重点讲述了温度控制电路。实现了保温和升温的时间按照要求进行控制,该系统可以按工艺的需要工作在快灰,慢灰,挥发分和通用模式下,很好的满足了热处理工艺的要求。仿真和实验数据表明该系统能稳定、快速和准确地控制炉膛内的温度。关键词:89C52温度控制;模糊自整定PID ;Simulink 中图分类号:TP273+.1 文献标识码:A

Muffle f urnace temperature control system based on MCU

Xiang Fengqin

(Engineering Research Center of Metallurgical Automation and Measurement Technology ,Ministry of Education ,

Wuhan University of Science and Technology ,Wuhan 430081)

Abstract :A muffle f urnace temperature controlling system using MCU is introduced here ,we give emphasis on the temperature controlling circuits.System temperature can be hold or increased under good controlled.The system can follow the needs to work in the Kui Hui ,Man Hui ,HuiFaFen and common modes ,it is well to meet the requirements of the heat treatment process.Experimental and Simulate data show that the system can stability ,quickly and accurately to control the temperature of the furnace.

K eyw ords :89C52;temperature control ;Fuzzy Logic PID Control ;Simulink

　3基金项目:武汉科技大学大学生科技创新基金研究项目86号

0　引 言

马弗炉又称箱式电阻炉,是一种通用的加热设备,广

泛应用于冶金、机械、建材、化工等行业,在硬件和软件上都对马弗炉温度控制系统提出了新的要求。因此,我们对传统的马弗炉做了改进,使其更好地适用于各个行业。

1　系统的控制要求和工作原理

控制面板上有4个功能选择键:慢灰,快灰,挥发分和通用;4个置数键:设置,百位,十位,个位;另外还有一个“启动置入”键和一个“复位”键。有8个工作指示灯:慢灰,快灰,挥发分,通用,加热,报讯,报警,就绪。选择相应的功能或者一定状态下对应的指示灯亮。有两个显示窗口:温度显示和时间显示。进入测试或测试程序后要装入另一测试程序,需按复位键或者重新上电,在初始状态下才能选择所需要的功能。每个功能的每个阶段要求达到的温度和时间都不相同,比如慢灰功能,要求不低于30min 温度从室温升至500℃,在500℃恒温30min ,再从500

℃升至815℃,然后保持恒温。所以该系统的温度控制电路非

常重要。

该系统硬件部分由A T89C52、温度检测及电压转换电路、显示及报警电路、键盘电路、时钟电路、温度控制电路等部分组成,其硬件框图如图1所示。

图1　马弗炉温度控制系统硬件框图

K 型热电偶构成温度检测电路将马弗炉的温度转换

成电压信号,电压转换部分采用高精度的集成芯片

MAX6675,它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D 转换及SPI 串口数字化输出功能。K 型热电偶和MAX6675一起构成温度检测电路和电压转换电路,将温度转换成对应的数字信号,直接与单片机的I/O 口连接,

　第32卷电　子　测　量　技　术

不需要外围电路,精度高,成本低。与炉温对应的数字信号进入单片机,单片机进行数据处理后,通过液晶显示器显示温度并判断是否报警。键盘电路可以根据应用的需要选择相应的按键或者设置特定的温度输入到单片机,时钟电路由DS12887完成,有按键按下时,经过处理后使马弗炉在要求的时间内加热到各个测试阶段的温度。单片机将实际温度与设定温度相比较,由软件设定的控制算法计算出控制量,温度控制电路根据控制量来输出相应的波头数来控制固态继电器的导通与关断,达到调节温度的目的。

2　温度控制电路

温度控制电路主要由两片CD4527,一片MC1413和

一片74L S221组成,其硬件电路如图2所示。由于过零固态继电器有光电隔离[1],所以可以直接与数字电路相连接。

图2　温度控制电路图

220V 交流电压经过变压,整流,稳压二极管和三极管

后输入到单稳态多谐振荡器,得到100Hz 的方波,从Q 输出到CD4527的时钟引脚。CD4527是低功耗4位数字的BCD 比例乘法器,其主要功能是输出的脉冲数等于时钟脉冲乘以一系数,该系数由BCD 输入确定。例如,BCD 输入为8,即每10个输入脉冲有8个输出脉冲。两片BCD 比例乘法器组成两位十进制比例加法器,可以输出两位数的方波。可按如下的公式(1)计算输出波形的频率:

f QOU T =

k 1

10

+

k 2

100

f Q

(1)

式中:k 1,k 2为输入到两片CD4527的BCD 码;f Q 为输入给CD4527时钟脉冲的频率。

该系统采用Z 型SSR 来控制功率,这种功率调整方案与传统的利用可控硅进行移相式调压调节方式相比较,其输出电压中包含的高次谐波成分要少,因此在减少电磁污染方面有明显的意义[2]。Z 型SSR 包含“过零控制电路所谓”,所谓“过零”是指,当加入控制信号,交流电压过零时,SSR 即为通态;而当断开控制信号后,SSR 要等到交流电

的正半周与负半周的交界点(零电位)时,SSR 才为断态。

这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的,一般是用“RC ”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)[3]。

根据Z 型SSR 的工作原理,当Z 型SSR 在1s 内全导通时,其触发频率为100Hz ,输出交流电压波头数是100;当Z 型SSR 在1s 内全关断时,其触发频率是0Hz ,输出交流电压波头数是0。该系统通过控制算法得到1s 内出现的波头数,波头的十位和个为分别给P2口的高四位和低四位,其本质是利用BCD 输入数控制电路交流输出,最终控制着交流电路的开断状态。例如,根据控制算法某阶段1s 内交流电压输出波头数为85,只要将8、5以BCD 码的形式给P2口,分别输入到两片CD4527的BCD 码输入端口,QOU T 就输出85Hz 的波形。该波形控制Z 型SSR 的开通和关断,从而改变马弗炉的输入功率,使温度达到预设值。

程序代码如下:

Void F_PID_out (unsigned char PWM_Value )//PWM_Value 值由控制算法得到{unsigned char idata a =0,b =0,c =0;

a =PWM_Value/10;

b =PWM_Value %10;

c =(a ν4)|b ;

　PB =c ;

}

3　控制算法

由于系统程序比较复杂,为了便于编写、调试、修改,

采用模块化结构,总体框图如图3所示。

图3　软件总图框图

由于测量元件的时间滞后,加上电阻炉本身所固有

的热惯性,使得控制信号与温度测量值之间存在着一个时滞环节τ,传统的PID 控制结构简单,但一般只适用于线性系统,且不能根据需要实时调整参数,控制效果不好;模糊控制虽然不需要被控对象的精确描述,但稳态误差较