电阻炉智能温控系统研究

型热电偶的精度分为三级：I级：测温范围01000C，误差1.5C，为测量温度的0.4%：图i系统硬件结构框图K型热电偶材料性能指标：正级为镍硅，负极为镍铝，正极和负极熔点分别为1427°C和1399C；电阻率（0C）分别为70.6D/cni和29.4nD/cni，热膨胀系数分别为13.1xl-6时的热导率分别为655Mpa和586Mpa.由于热电偶的输出灵敏度很低，每°<：只有几十pV的电压输出，故要求放大电路的温漂必须很小，另外热电偶都具有非线性误差，这就要求有非线性校正电路，同时还需考虑冷端补偿。

　　2.1.1冷端补偿和放大电路K型热电偶的函数的形式为：+上指数表达式的有关系数，此函数覆盖C1372C温区，由上式可看出热电偶的热电势输出数值较小且和温度之间的关系为非线性：同时热电偶测温时还要求冷端保持为（冰点），否则会带来较大的误差，但这给使用带来很大的不便，因此，为解决上述问题在这里选用了一片美国（AnalogDevicesInc）生产的带冷端补偿的单片热电偶放大器集成芯片AD595，该芯片的特点如下：低阴抗电压输出，10mV/C，即将非线性的热电势轮换为线性电压输出，具有片内冰点补偿电路，具有断偶报警功能，K型热电偶电动势经AD595放大后其输出电压为：根据上式由热电偶的分度表即可得到10mV/C的电压输出。由AD595构成的正负电源热电偶放大电路如所示为满足本系统控温精度的要求，本系统选用较高辩率的美国MAXIM公司12位的串行A/D转换器MAX171.MAX171是带光电隔离的串行输出12位ADC，其内部具有一个12位ADC，一个低漂移掩埋式齐纳电压基准源和三个光电耦合器，因此该芯片在其模拟输入和数字接口之间实现了电气隔离，其隔离电压超过1500V，因此大大提高了数据采集的安全性和可靠性。MAX171的主要特性及技术指标如下：分辨率12位转换时间5-8nS输出方式串行非线性误差1LSB检测通道电路原理图采用串行式A/D转换器可使单片机工作于内总线方式，而无需扩展外部三总线结构，这可大大简化单片机应用系统设计，同时又提高了系统可靠性。

　　MAX171模拟电压输入范围为0-5V而AD595的电压输出为10mV/C，其满刻度输出电压（1200C）为10mVxl200=12V，己远远超出A/D转换器的电压输入范围，故需采用电阻分压电路进行分压。本设计中由R，和R2组成分压器电路。1=7=51当温度为1200C时，输出电压为VQ1=V.R2/（R，+R2）=5V，可满足A/D转换器模拟输入电压要求（0-5V）。

　　MAX171和单片机可直接接口，前提是MAX171时钟频率必需低于1MHZ，本系统中MAX171的输出信号直接接到AT89C5〗单片机的RXD端，同时TXD端则为MAX171提供时钟信号，可见MAX171时钟信号是由单片机提供的，单片机利用其串行口与A/D转换器通信，将串口设置为工作方式0，即同步移位寄存器方式，此方式下RXD用于接收数据，TXD输出同步脉冲。一次A/D转换结果分两次计读入到单片机中，再合成12位A/D转换结果。

　　本系统单片机的晶振频率并选为12MHZ，则串行工作方式0的波待率固定为f；se/12=lMHZ，可满足MAX171对时钟频率的要求。

　　2.2控制通道本设计选用过零触发固态继电器为主控制元件，用以控制电阻炉的加温与断开。

　　固态继电器特点如下：1控制电压低（314V），驱动电流小（315mA）；2输入控制电压与TTL、CMOS电平兼容；3输出与输入间采用光电隔离；4输出无触点、无噪音、无火花，开关频率高，固态继电器可由单片机的P27口通过TTL反相器直接驱动，采用过零触发方式即改变一个温度控制周期内施加到电阻炉正弦波的个数，即可改变电阻炉输入的平均功率，从而达到控温的目的，同时过零触发避免波形非正弦而对电网造成的公害。

　　固态继电器的选用需满足固态继电器Ul.2倍电源电压。

　　固态继电器IN21.5倍电阻炉额定电流。

　　2.3单片机应用系统单片机选用ATMEL公司AT89C52，该单片机属MCS-51系列，因其内部含有8K字节Flash程序存储器，故勿需外扩程序存储器，由于本系统的A/D转换器采用串行结构也无需总线扩展，故本单片机系统为内总线单片机系统，该设计方法符合近年来单片机设计单片化的设计思想，使系统结构大为简化，同时可靠性也大为提高。单片机的硬件资源也可全部提供给本系统使用，单片机的P.口、P2口可做为通用I/O使用。系统配有25键小键盘，其中0-F十六个数字键和八个功能键，一个REST键，由P，口构成矩阵键盘，用于输入控制算法的参数及加热方式曲线，由MC14489显示驱动芯片构成5位串行显示器用于显示输入参数和实际温度值，蜂鸣器用于加热结束时的声音提示，E2PROM用于保存控制算法参数和工艺曲线参数。

　　3控制算法电阻炉是一个纯滞后的一阶大惯性环节，其传递函数为Wd（S）=KdeA/（TdS+l），其中对象时间常数Td=90mim纯滞后时间e=5min，广义被控对象放大系数反〗。

　　考虑到被控对象模型的不精确性和其参数随时间的漂移以及系统要求超调量小而允许调节时间过程长，控制器的控制算式可采用带积分分离的PID方式或大林算法。

　　采用大林算法时，其相应的数字控制器的Z传递函数为其中Td为闭环系统时间常数，T为采样周期，N为纯滞后时间G与采样周期间的整数倍数（0=NTN取整数）对上式进行Z为提高控温精度在升温或降温过程中当温度偏差值大于5%时，自动调用PID算式：4系统软件应用软件由主程序Ta中断服务程序、键输入扫描程序及增量式PID运算模块与大林运算模块等组成。主程序框图见，其它程序从略。