摘要
隨著科學技術的迅猛發展，各個領域對溫度控制系統的精度、穩定性等要求越來越高，控制系統也千變萬化，溫度是工業生產中常見的工藝參數之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關，因此溫度控制是生產自動化的重要任務。對于不同生產情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。采用單片機進行爐溫控制，可大大地提高控制質量和自動化水平， 具有良好的經濟效益和推廣價值。 本文主要介紹了利用AT89C51為主控制電路實現的爐溫調節控制系統，詳細闡述了系統的功能，硬件組成以及軟件設計，利用熱電偶采集溫度信號經A/D轉換器轉化后與給定信號送入微機系統，系統分析控制算法，信號再經D/A轉換后控制調節可控硅控制器來改變爐內的溫度。
關鍵字：溫度控制 自動化 單片機 轉換器
溫度控制系統設計
1 設計任務及分析
1.1設計任務和要求
被控對象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內的溫度。可控硅控制器輸入為0～5伏時對應電爐溫度0－300℃，溫度傳感器測量值對應也為0～5伏，對象的特性為積分加慣性系統，慣性時間常數為T1＝40秒。
要求完成的主要任務：
1）設計溫度控制系統的計算機硬件系統，畫出框圖；
2）編寫積分分離PID算法程序，從鍵盤接受Kp、Ti、Td、T及β的值；
3）計算機仿真被控對象，編寫仿真程序；
4）通過數據分析Kp改變時對系統超調量的影響。
5）撰寫設計說明書。
1.2系統的分析
該系統利用單片機可以方便地實現對PID參數的選擇與設定，實現工業過程中PID控制。它采用溫度傳感器熱電偶將檢測到的實際爐溫進行A/D轉換，再送入計算機中，與設定值進行比較，得出偏差。對此偏差按PID規律進行調整，得出對應的控制量來控制驅動電路，調節電爐的加熱功率，從而實現對爐溫的控制。利用單片機實現溫度智能控制，能自動完成數據采集、處理、轉換、并進行PID控制和鍵盤終端處理（各參數數值的修正）及顯示。在設計中應該注意，采樣周期不能太短，否則會使調節過程過于頻繁，這樣，不但執行機構不能反應，而且計算機的利用率也大為降低；采樣周期不能太長， 否則會使干擾無法及時消除，使調節品質下降。
2 方案比較及論證
用溫度傳感器來檢測爐的溫度，將爐溫轉變成毫伏級的電壓信號，經溫度變送器放大并轉換成電流信號。由電阻網絡講電流信號變成電壓信號，送入A/D轉換器，通過采樣和模數
轉換，所檢測到的電壓信號和爐溫給定值的電壓信號送入計算機程序中作比較，得出給定值與實際值之間的偏差，并與β進行比較，從而確定算法。計算得到的控制量輸出給可控硅控制器，改變可控硅的導通角，達到調壓的目的，是電阻絲兩端的電壓增大或較小，進而實現對爐溫的控制。
方案一：熱電偶溫度自動控制系統。
方案二：數字溫度傳感器溫度控制系統。
這兩個方案都是采用單片機控制，兩個方案的比較部分為溫度檢測部分。
方案一溫度檢測部分檢測部分采用熱電偶，它需要冷端補償電路與其配套，并且熱電偶輸出電壓只有幾毫負，必須經過放大處理才能A/D轉換和D/A轉換器接口，若采用8位A/D轉換器，ADC0809則輸人端需采用儀用放大器，把幾毫伏的電壓信號放大到5伏左右。由于熱電偶屬于非線性器件，因此每個溫度值都必須通過分度表，查表才能獲得，這給軟件編程和數據處理增加了難度。這種系統具有測量溫度范圍可以從零下一百度到早上千攝氏度，而且有很多熱電偶精度非常高這是這種測量系統的優點。但構成系統復雜，抗干擾能力不強。
方案二采用數字溫度傳感器DS18B20，它的最高分辨率為12位，可識別0.0625攝氏度的溫度。它具有直接輸出數字信號和數據處理，并且它和單片機接口只需要一位I/O口，因此由它構成的系統簡單使用，由于DS18B20，按照工業設計要求設計，抗干擾性能強。但溫度測量范圍從-55℃—-125℃。
根據設計要求，綜合考慮選擇方案一。
主要的控制芯片采用AT89C51，要求傳感器測量的電壓范圍和可控硅控制器的電壓在0-5℃，所以A/D與D/A轉換芯片采用ADC0809和DAC0832。爐溫控制在0－300℃內，因此采用鎳鉻-銅鎳熱電偶，同時選用運算放大器將信號放大。
在系統中，利用熱電偶測得電阻爐實際溫度并轉換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經過溫度檢測電路轉換成與爐溫相對應的數字信號進入單片機，單片機進行數據處理后，通過液晶顯示器顯示溫度，同時將溫度與設定溫度比較，根據設定計算出控制量，根據控制量通過控制繼電器的導通和關閉從而控制電阻絲的導通時間，以實現對爐溫的控制。
由以上分析控制過程，可以得到如圖1的設計框圖，程序流程圖如圖2所示。
圖1 系統結構框圖
圖2系統程序流程圖
3 控制算法
3.1 PID控制算法
在PID調節中，比例控制能迅速反應誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩態誤差，的加大，會引起系統的不穩定；積分控制的作用是：只要系統存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強會使系統超調加大，甚至使系統出現振蕩；微分控制可以使減小超調量，克服振蕩，提高系統的穩定性，同時加快系統的動態響應速度，減小調整時間，從而改善系統的動態性能。將P、I、D三種調節規律結合在一起，可以使系統既快速敏捷，又平穩準確，只要三者強度配合適當，便可獲得滿意的調節效果。
模擬PID控制規律為：
式中：稱為偏差值，可作為溫度調節器的輸入信號，其中為給定值，為被測變量值；為比例系數；為積分時間常數；為微分時間常數；為調節器的輸出控制電壓信號。
因為計算機只能處理數字信號，故上述數字方程式必須加以變換。設采樣周期為T，第次采樣得到的輸入偏差為，調節器的輸出為，作如下近似：
