加热炉温度控制系统研究和分析:电加热炉温度控制系统

　　中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1007-0745(2012)08-0144-02　　摘要：温度是工业对象中主要的被控参数之一，工业中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，随着科学技术的发展，人们需要对各种加热炉，热处理炉，反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。采用单片机来控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且还可以大幅降低资源利用和节约成本。本文设计了一种基于单片机的温度测量和控制装置，能对环境温度进行测量，并能根据温度给定值给出调节量，控制执行机构，实现调节环境温度的目的。
　　关键字：温度控制 温度传感器
　　1、整体方案论述
　　对于炉温控制，进行系统设计时有以下主要问题需要考虑：
　　1)炉温变化规律的控制：即炉温按预定的温度——时间关系变化；2)温度控制范围：涉及到测温元件即温度传感器的选择、炉功率的选择等；3)控制精度、超调量等指标：这涉及到A/D转换精度、控制规律选择等；4)系统中应加入适当的高温保护电路避免温度过高导致控制系统不能正常工作。
　　控制系统控制框图如图1所示：
　　原理说明：通过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，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。采样过程中，单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值设计控制算法，触发程序根据控制量控制执行单元。如果检测值高于设定值，则启动制冷系统，降低环境温度；如果检测值低于设定值，则启动加热系统。
　　
　　
　　图1 控制系统框图
　　2、控制系统设计
　　2.1软件设计模块
　　本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程序主要由系统初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。系统初始化包括设置栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、定时器的工作方式等。数据采集及处理主要包括实时采集电加热炉的炉温信号，计算出实际炉温与理想值的差值以及温差的变化率，并对炉温信号进行滤波和限幅处理。主程序框图如图2所示。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图2 主程序框图
　　单片机温度控制器控制温度范围100℃到400℃，采用通断控制，通过改变给定控制周期内加热和制冷设备的导通和关断时间，来提高和降低温度，以达到调节温度的目的。温度控制器控制的最高温度为400℃，当给定温度超过400℃时以400℃计算。
　　图3 采样中断流程图
　　数模转换部分使用单片机自带的12位A/D转换器，能同时实现数模转换和控制，采样周期为500μs。为进一步减小随机信号对系统精度的影响，A/D转换后，用平均值法对采样值进行数字滤波，每16个采样点取一次平均值。然后将计算到的平均值作为测量数据进行显示。同时，按照PID算法，对温度采样值和给定值之间的偏差进行控制，得到控制量。采样全过程完成后就可屏蔽采样中断，同时启动T1定时，进入控制过程。
　　温度值和热敏电阻的测量值在整个温度采样区间内基本呈线性变化，因此在程序中不需要对测量数据进行线性校正。MSP430的T1定时器中断作为控制中断，温度采样过程和控制输出过程采用了互锁结构，即在进行温度采样，温度值处理和运算等过程时T1不定时，待采样全过程进行完时再启动T1定时并同时屏蔽采样中断。T1定时开始就进入控制过程，在整个控制过程中都不采样，直到200(T1×C) 定时时间到，要开始新一轮的控制周期。在启动采样的同时屏蔽T1中断。
　　图4中，M代表定时器控制周期计数值，N则表示由调节器计算出的控制量。
　　图4 T1定时中断流程图
　　2.2温度调节模块
　　PI 控制器根据温度给定值和测量值之间的偏差调节，给出调节量，再通过单片机输出PWM 波，调节可控硅的触发相位的相位角，以此来控制执行部件的关断和开启时间，达到使温度升高或降低的目的。随后整个系统再通过检测前一阶段控制后的温度，进行近一步的控制修正，最终实现预期的温度监控目的。
　　3、总结
　　本设计具有高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点。控温精度高，稳态误差可达±5℃以内，满足系统要求。整个系统操作简便，抗干扰能力强、运行可靠。
　　参考文献：
　　[1]《单片机实用接口技术》 主编：李华 北京航空航天大学出版社
　　[2]《单片机应用程序设计》 主编：马忠梅 北京航空航天大学出版社