基于C8051F350温度监控系统的设计

　　温度是工业对象中一个主要的被控参数。在冶金、机械、食品、化工各类工业中,广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等,对工件的处理温度要求严 格控制,计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的主要条件。

　　1 系统概述

　　整个温度监控系统由计算机控制系统、单片机控制系统、温度采集系统及温度控制系统。整个系统的设计采用模块化设计思想,便于系统的搭建和扩展。其系统原理图如图 1 所示。

　　单片机对炉温进行时时检测,通过模拟开关选择相应的热电偶,经 MAX6675 进行线性修正和冷端补偿后值得到相应的数字量,单片机再把采集的温度数据发送给计算机,经过计算机进行数据转换,得到应有的控制量,去控制加热功率,从而实现对温度的控制。

　　2 系统控制算法

　　系统采用基于增量式 PID 算法的脉宽调制(PWM)控制方法,即 PWM 方波的占空比由增量式 PID 算法求得。增量式 PID 算法的输出量为：

数、积分系数和微分系数,T 为采样周期。单片机每隔固定时间 T 将现场温度与用户设定目标温度的差值带入增量式 PID算法公式,由公式输出量决定 PWM 方波的占空比,后续加热电路根据此 PWM 方波的占空比决定加热功率。现场温度与目标温度的偏差大则占空比大,加热电路的加热功率大,使温度的实测值与设定值的偏差迅速减小;反之,二者的偏差小则 占空比减小,加热电路加热功率减小,直至目标值与实测值相等,达到自动控制的目的。

　　3 系统硬件设计

　　3.1 主控电路

　　单 片 机 选 用 美 国 C y g n a l 公 司 的C8051F350 单片机,C8051F350 微控制器采用独特的 CIP-8051 结构,对指令运行实行流水作业,大大提高了指令的运行速度;C8051F350 微控制器采用开关网络以硬件方式实现 I/O 端口的灵活配置,可将内部资源定向到 P0、P1、和 P2 端口的 I/O 引脚;内部设置了一个可编程的时钟振荡器,可进行可变时钟的设定,外部的振荡器可选择 4 种方式;配置了标准的 JTAG 接口,通用性强;多源复位系统,提高了系统的安全性和操作的灵活性;片内模拟和数字电路 3V 供电,大大降低了系统的功耗;配置了全面的系统驱动控制、前向 / 后向通道接口,构成了较全面的通用型 SoC。

　　3.2 温度采集电路

　　温度采集测量电路部分采用 K 型热电偶,热电偶作为一种主要的测温元件,具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。根据热电偶测温原理,热电偶的输出热电势不 仅与测量端的温度有关,而且与冷端的温度有关,在以往的应用中,有很多种冷端补偿方法,如冷端冰点法或电桥补偿法等,但调试都比较麻烦。本系统中采用 MAX6675 对热电偶 的 非 线 性 进 行 了 内 部 修 正 。 同 时MAX6675 内部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路、断线检测电路都给 K 型热电偶的使用带来了极大的方便,其测温电路如图 2 所示。