1、1基于 AT89S51 单片机的保温炉温度控制系统摘要：作为 PCD 复合片钎焊热处理设备的保温炉，其温度控制精度直接影响到 PCD 刀具的质量。因此，对温控精度较差的传统保温炉进行数字化改造具有重要的现实意义。本文设计并制造了一种基于 AT89S51单片机的温度控制系统, 介绍了控制系统的基本组成和工作原理，比较详细地论述了系统的硬件电路、控制策略以及软件设计。用该系统对保温炉进行控制效果较好，能够满足 PCD 复合片钎焊保温工艺要求。 关键词： AT89S51；单片机；温度控制；PID 控制；控制精度 Abstract:Holding furnace is the heat treatme
2、nt equipment for the brazing of PCD compacts, and its temperature control accuracy can directly influence the quality of PCD cutting tools. Hence, the digital modification of the traditional holding furnaces, which have bad temperature control accuracy, is considered to have significance. A temperat
3、ure control system of holding furnace based on AT89S51 Single Chip Microcomputer was designed in this paper. The structure and work principle of the temperature control system were presented. Meanwhile, the hardware, the software and the strategies of temperature control were mainly described. The r
4、esults showed that this system, which was tested with holding furnace, could 2achieve quite good control performance and could satisfy the thermal insulation requirement of the brazing of PCD compacts. Key words:AT89S51; Single Chip Microcomputer; Temperature control; PID control; Control accuracy 中
5、图分类号：P184.5+3 文献标识码：A 文章编号： 引言 在 PCD 复合片钎焊过程中广泛使用着各种保温电阻炉，其温度控制精度直接影响到 PCD 刀具的质量。目前，国内有不少中小 PCD 刀具生产厂家使用的保温炉控制系统仍沿用上世纪 80 年代末至 90 年代初生产的温度控制仪表。这些传统自动控制仪表多采用热电偶加时间继电器、电位器的间断控制模式，其控制精度低、稳定性差、超调量大，导致生产的 PCD 刀具质量不稳定，不能满足 PCD 复合片焊后保温工艺要求。而利用单片机对保温炉的温度控制进行改造后的系统则具有温控精度高、稳定性好、成本低以及简单灵活等诸多优点，能够较好的满足生产要求。本文就
6、国产 SDG-4-9 型电阻保温炉改造后的温度控制系统，简单介绍AT89S51 单片机温度控制的设计原理。 1 系统组成与工作原理 改造后的保温炉控制系统原理如图 1 所示。单片机定时对炉温进行检测，经 A/D 转换芯片得到相应的数字量，送到单片机进行判断和运算，得到应有的控制量，以控制加热功率 使电阻炉的实际温度向着给定温度变化并最终达到给定温度，从而3实现对温度的控制。 图 1 温控系统原理图 Fig.1 The principle of temperature control system 2 硬件电路设计 本系统硬件部分主要由 AT89S51 单片机、温度检测电路、温度控制电路以及 8
7、155、6116、AD574 与单片机的接口电路组成。 2.1AT89S51 单片机 图 1 中 AT89S51 为主控制器件。AT89S51 是 ATMEL 公司生产的低功耗、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含有 4KB 的 EPROM 和 128 字节的 RAM，并含有看门狗定时器 WDT。因此，既不需扩展外部 ROM 又可有效防止软件“跑飞” 。作为本系统的 CPU，AT89S51 主要是根据读取的采样值计算出相应的控制输出量，并将该控制量输出去以控制保温炉温度。AT89S51 还负责按键处理、数码管显示等工作。 2.2 温度检测电路 根据 PCD 复合片焊后保温工艺要求，选用带有温
8、度变送器的一体化铠装式 K 型热电偶作为炉温检测元件，其测温范围为 0600。热电偶所带温度变送模块直接安装在热电偶的接线盒内，其内含调零、冷端补偿和线性放大等电路，能将热电偶输出的电压信号转变成与所测温度成线性的 420mA 输出信号。由于采用二线制电流方式传送信号，所以不会受到传输线的压降、接触电势以及电压噪声等因素的影响，因此具有4很强的抗电磁干扰能力。 一体化热电偶输出的电流信号经过 I/V 变换电路转换成 010V 电压信号，送到 A/D 转换器的模拟信号输入端。I/V 变换电路主要由运放LM124 构成，具体电路如图 2 所示。 图 2 I/V 变换电路 Fig.2 I/V tra
9、nsform circuit 2.3 温度控制电路 保温炉的温度控制是通过调节其输入电功率来实现的。本系统采用可控硅调功方式，并通过 MOC3061 光耦过零触发驱动器实现对双向可控硅的过零触发1。MOC3061 内部含有过零检测电路，在 P1.4 控制电压作用下，完成双向可控硅的触发导通。双向可控硅串接在 50Hz 交流电源和加热电阻丝中，通过改变给定周期内可控硅的接通时间，就能改变加热功率，从而实现温度调节的目的。单片机 P1.4 口输出能控制可控硅通断时间的脉冲信号。P1.4=1 时，关断可控硅；P1.4=0 时，开启可控硅。 2.4 外部接口电路 AT89S51 外部接口电路主要有键盘
10、/显示接口、外部数据存储器以及A/D 转换器 AD574 等。 为处理因突发事件剧增的数据，外部设有 2KB 的数据存储器RAM6116，P2.3 与其 CE 相连作为片选信号，P3.7 和 P3.6 分别与 OE 和 WE相连，作为读写信号，6116 地址为：9000H97FFH。 8155 作为键盘/LED 显示接口，当 P2.4=0，P2.5=0 时选中它内部5RAM 工作；当 P2.4=0，P2.5=1 时选中它的 3 个 I/O 端口工作，其地址分配为 A 口：A801H；B 口：A802H；C 口：A803H。8155 外接 4 位 LED 显示器及 16 键小键盘。为减少硬件开销
11、和提高系统可靠性，LED 采用动态扫描显示，A 口作为段选口，C 口作为位选口。键盘接口电路中从 C 口输出作为行线，从 B 口输入作为列线，键盘工作采用行扫描法。键盘上设有09 10 个数字键，6 个功能键，以便于在线修改各项参数并且设置多个运行控制命令。 AD574 将 I/V 电路输出的 0+10V 范围的模拟电压信号转变成数字信号。AD574 的 12 位数据分两次输出，P0.7P0.0 与其 DB11DB4 相连，P0.7P0.4 与 DB3DB0 相连。当 P2.7=0，P3.6=0，P0.0=0， P0.1=0时 CE=1，CS=0，R/C=0，A0=0，AT89S51 启动 A
12、/D 转换；当P2.7=0，P3.7=0，P0.0=1，P0.1=0 时 R/C=1，A0=0，AT89S51 读取经AD574 转换后的高八位数字量，P0.1=1 时 A0=1，读取低四位。其地址分配为启动转换：7FFC；读转换高八位结果：7FFD；读转换低四位结果：7FFF。 3 控制策略 本系统采用工业上常用的 PID 控制法。所谓 PID 控制，就是按设定值与实测值之间偏差的比例、偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制。在模拟系统中，PID 算法的表达式为： （1） 式中：为控制量；为偏差值，它等于给定量与实测量之差；为比例6系数；为积分时间常数；为微分时间常数。 由于计算机只能处理数字信
13、号，将式（1）离散化可得2： （2） 上式即为位置式 PID 控制算法的表达式。其中， ；=+；=+；=。 （2）式中比例系数、积分系数和微分系数的选择取决于保温炉的阶跃响应特性和实际经验，工程上已经积累了不少行之有效的参数整定方法。例如，按归一化参数整定法进行整定3，即令采样周期= 0.1；= 0.5；= 0.125，其中为纯比例作用下的临界振荡周期，则有：= 0.2，= 1.25。从而可调整的参数只有一个，通过键盘输入反复调试值，可以得到满意的控制效果。本系统采用归一化整定法对相关参数进行整定，经反复调试，可取 = 3.8，采样周期= 5。 4 软件设计 4.1 主程序设计 主程序流程如图
14、 3 所示。主程序主要完成： T0 初始化，参数输入，温度采样，PID 计算与温度显示等。 图 3 主程序流程图图 4 T0 中断服务程序框图 Fig.3 The flow chart of main program Fig.4 The flow chart of T0 interruption serve program 74.2T0 中断服务程序 T0 用于产生采样周期和可控硅通断周期，程序流程如图 4 所示。 4.3 主要子程序 主程序中涉及的子程序主要有温度采样子程序、数字滤波子程序、PID 计算子程序以及温度标度转换子程序等。 4.3.1 温度采样子程序 采用单片机高级语言 C51
15、编写的 AD574 采样子程序如下所示： int ad574(void) int caiyang1=0, caiyang2=0; XBYTE7FFC=0x0000; /* 启动 A/D 转换 */ while(P1.5= =1); /* 查询转换是否完成 */ caiyang1=XBYTE7FFD ; /* 读转换结果高八位 */ caiyang2=XBYTE7FFF ; /* 读转换结果低四位 */ caiyang1=(caiyang14) ; /* 调整、拼装成 12 位采样值*/ return(caiyang1) ;/* 返回采样值 */ 4.3.2 数字滤波子程序 所谓数字滤波，就是通
16、过程序计算或判断以减少干扰在有用信号中的比重，用于滤去来自控制现场对采样值的干扰。本系统采用的是去极值平均滤波法4，即连续 4 次采样后累加求和，同时找出其中的最大值和最小值，再从其中减去最大值和最小值，最后对剩下的 2 个数据求平8均，作为有效采样值。由于所测温度为慢变参数，所以采取一边采样一边处理的方法，这样可以节省数据存储区。滤波子程序框图如图 5 所示。图 5 数字滤波子程序框图 图 6 PID 子程序框图 Fig.5 The flow chat of digital filter sub-program Fig.6 The flow chart of PID sub-program
17、4.3.3PID 计算子程序 PID 计算采用位置式算法，其程序框图如图 6 所示。 4.3.4 温度标度转换子程序 该程序的目的是要把实际采样的二进制值转换成 BCD 码形式的温度值，然后存放到显示缓冲区，供显示子程序调用。 对于一般线性仪表，标度转换公式为5： （3） 式中：为参数测量值；为测量范围最大值；为测量范围最小值；为对应的 A/D 转换值；为对应的 A/D 转换值；为测量值对应的 A/D 转换值。本系统中，=0，=600，=0，=4095，故有： （4） 9根据上述表达式，即可编写出温度标度转换子程序。 5 结论 （1）用该系统对 SDG-4-9 型保温炉进行温度控制，运行结果表
18、明，在温控范围为 0600时，系统最大超调量小于 5，稳态误差不超过1，因而系统具有精度高、稳定性好等特点。经该系统保温处理后的PCD 刀具质量稳定，满足生产要求。 （2）在现场使用过程中，系统较快达到了设定温度值，显著缩短了工艺时间，从而提高了生产效率和设备利用率，节约了能源。 作者简介：朱朋飞(1983-)，男，湖北天门人，大连理工大学机械工程学院硕士研究生，研究方向为机械制造及自动化。 导师：李? 参考文献 王岫光，王晓军，李晨忱在单片机控制系统中实现晶闸管的过零控制J仪表技术与传感器，2001，12(7):25-27. 杨树兴，李擎，苏中，等计算机控制系统理论、技术与应用M北京：机械工业出版社，2006：63-64. 王幸之，钟爱琴，王雷，等AT89 系列单片机原理与接口技术M北京：北京航空航天大学出版社，2004：493-495 万文略. 单片机原理及应用M. 重庆：重庆大学出版社，2004：71-72. 10胡汉才单片机原理及系统设计M北京：清华大学出版社，2002：545-546
