电阻炉温度控制系统的被控过程 [基于双单片机的电阻炉温度控制系统探讨]

　　摘要：电阻炉是利用电流使得国内电热元件或者加热介质发热，从而对需要加工的物件和或者物料进行加热的工业炉。在当前社会不断发展中，电阻炉被广泛的应用在各种金属锻压前加热、金属热处理加热等多种工业生产之中。本文设计了基于双单片机的电阻炉温度控制系统，并且根据其软件调试和硬件仿真技术分析应用，该系统在控制单片机中是通过两单片之间的双端口实现通讯联系，与其中一个单片控制的核心系统相比较，这种系统在处理信息中能够及时的实施数据处理、采集，有着可靠性优势。
　　关键词：温度控制；双单片机；仿真
　　引 言
　　电阻炉在当前被广泛的应用在各种工矿企业、科研机构等场合，是利用元素分析作为主要手段。在各个企业工作中用来测定钢件淬火、退火回火加热处理之中，在应用中单片机体积小、价格低廉、功耗低和控制能力强受到广泛的关注，已成为当前电阻炉温度控制领域的核心器件。然而目前来说，大多数的电阻炉温度控制系统都是采用单片机器件和CPU处理器的能力不够问题分析，对造成的各种瓶颈现象进行认真分析和认识。为解决“瓶颈”问题，同时在应用的时候又兼顾到经济性原则，通过设计低端双单片机结构的电阻温度控制系统，并且采用信息处理和采集措施等优势分析，制定出合理的设计防范。
　　1、控制系统设计方案
　　在双单片机的电阻炉温度控制系统设计中是采用两个ATME1公司生产的单片机作为实施控制系统和方式，通过完成人工对话和辅助计算功能针对其中双击数据交换瞪。一般设计的过程中要注重三个方式：
　　1)采用串行总线，这种方法硬件简单但传输速度比较慢；
　　2)采用并行总线，其速度较高但考虑到两个CPU时钟同步问题因而硬件比较复杂；
　　3)采用存储器方式，其传输速度比较快且对时钟同步性要求也不很严格。在此，本着提高性能与降低成本相结合的设计原则，采用第3种方式即由双端口RAM承担双机信息的互换。
　　2、控制系统硬件设计
　　系统硬件电路由3部分组成：
　　1)实时控制模块；
　　2)人机交互模块；
　　3)双机通讯模块。
　　2.1实时控制模块
　　该模块以单片机U1为控制核心，可以分为温度检测电路和输出控制电路两部分为温度检测电路。热电偶将温度转换为0—41.32mv电压输出，经毫伏变送器转换成4—电流，再经过电流／电压转换成0—5V电压信号，由ADC0809转换为8位的数字量送到单片机U1的P口。单片机U1的P1.0引脚输出控制信号，经过零触发电路去控制双向晶闸管，通过改变双向晶闸管的导通时间来改变加热功率，达到调节温度的目的。当P1.0=-1时，双向闸管导通，P1.0=0时则截止：可控硅在给定周期的100％时间内接通时的功率最大，这时加热温度最高。
　　2.2人机交互模块
　　人机交互模块由，由四个独立的发光二极管(作为电源指示灯、PID正常运行指示灯、上限报警指示灯和下限报警指示灯)显示电路和两个4位7段数码管动态显示电路以及四个独立按键电路和一个复位按键电路共同组成。
　　2.3双机通讯模块
　　以双端口静态存储器芯片DS1609作为两单片机的数据交换器，基本原理为：需要送出数据的一方先把数据送入DS1609中，然后接收数据的一方对DS1609中的同一地址进行读取，完成数据交换。
　　3、控制系统软件设计
　　在单机片系统设计中的软件主要包括程序连接系统U1，其中主要包括负责主程序的初始化系统以及与单机片U2进行连接。T0及T1中服务程序(T0中断服务程序进行采样、滤波、标度转换、越限处理、控制显示温度；T1中断服务程序主要控制双向可控硅的通断)、采样子程序(ADC0809以查询方式对IN0通道采样4次)、字滤波子程序(采用防脉冲干扰平均值法滤波对4次采样值处理得平均值，以备PID运算和温度标度转换使用)、标度转换子程序(参数经A／D转换后得到的数码值仅对应于参数的大小并不等于原来带有量纲的参数值，故必须把它转换成带有量纲的数值以便显示)、PID运算子程序(控制原理是先求出实测温度对所需温度的偏差值，对偏差值处理而获得控制信号去调节电阻炉的加热功率)及其它子程序(如为进行采样值数码显示而加入二至十进制转换子程序和压缩BCD码变成单字节BCD码子程序；为求取PID运算而加入将键盘设定值进行十至二进制转换的子程序等)。单片机U2的软件主要包括键盘监控程序和显
　　示输出程序。
　　1)键盘监控程序设计。本系统功能较为复杂，考虑到如果采用一键一义监控会由于按钮过多，致使成本增加且面板难以布置用户操作也不方便，因而本设计采用一键多义的键盘监控程序。具体是：采用状态顺序编码设计状态图，构造两张表(即状态表和索引表)，监控程序根据现态码和键码查表一方面可找到任务模块wORK0～WORK15中相应的某一项予以执行发出运行命令，另一方面可用于下次判断处理所需的次态NEXT项。2)显示输出程序设计。显示输出程序包括初始化、通过DS1609获取单片机U1数据、控制设定温度值显示和当前温度值显示。本系统程序众多，由于篇幅所限具体程序流程图及源代码从略。
　　4、硬件设计
　　本系统采用的Ｋ型热电偶，其可测量1312℃以内的温度，其线性度较好，而且价格便宜。Ｋ型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU通信。传统的温度检测电路采用“传感器－滤波器－放大器－冷端补偿－线性化处理－Ａ/D转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。在本系统中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势－温度”的转换，不需外围电路、I/O接线简单、精度高、成本低。
　　当P2.5为低电平且P2.４口产生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3为相应的温度转换数据。当P2.5为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。在应用MAX6675时，应该注意将其布置在远离其它I/O芯片的地方，以降低电源噪声的影响；MAX6675的T-端必须接地，而且和该芯片的电源地都是模拟地，不要和数字地混淆而影响芯片读数的准确性。
　　4、控制系统仿真调试
　　4.1程序仿真调试
　　采用Kei1软件进行程序仿真调试。程序首先通过汇编及语法错误检查，然后在仿真CPU中进行调试直至正确，则可保存其生成的目标文件(HEX文件)供单片机使用。
　　4.2硬件仿真调试
　　硬件仿真调试利用proteus软件为主，生成的HEX文件将在proteus环境中的中导入单片机进行仿真为对PID闭环控制的仿真，其中比例系数Kp=1.4、积分时间常数Ti=1、微分间常数Td=6。可以看出，该PID闭环系统可以很快(稳定时间为32.7s)达到温度设定值，故系统达到了预先快、准、稳的要求。
　　5、结束语
　　在本次设计中，双单片机电阻炉温度控制系统能够有效的解决原来单一的单机片系统中存在的各种问题，确保使用速度相对较慢和计算器处理时间较长的问题。该系统响应速度快，存储量大，CPU使用率较小，因此能够及时的处理，并且实时的采集数据等各方面的优势和性能相对较好。