總線智能儀表溫度控制系統的設計

引 言

　　隨著現場總線技術的發展，傳統的模擬儀表逐步讓步于智能化數字儀表，并具備數字化通信功能。

　　依據現場總線智能儀表技術的發展，設計了基于現場總線的氧化鋯智能氧量分析儀，其溫度控制系采用了專家PID控制原理，提高了加熱速度與準確性。

　　1 總智能氧量分析儀結構

　　基于CAN總線的智能氧量分析儀以單片C8051F040為中央控制器，系統擴展的外圍電路及接口電路數量少，系統的可靠性及穩定性較高，系統功能擴展及軟硬件升級比較方便。系統的硬件結構見圖1。外圍硬件電路主要包括六部分：系統校正、數據采集、溫度控制、日歷時鐘、帶觸摸的液晶顯示、CAN總線接口。

　　圖1 系統硬件結構

　　帶觸摸屏的液晶顯示器提供了一個強有力的人機接口，有關信號、可調參數都能在上面顯示和修改。本系統采用穩壓電源，具有電源電壓的適用范圍大、抗干擾能力強等優點。主機是一種以單片機為基礎的智能儀表，所有的運算、處理和控制都由軟件完成。氧電勢、溫度信號的輸人轉換和電流輸出的轉換采用模塊化元件。這些元件具有可靠性高、精度高的特點。由于使用的元件集成度較高，使整機結構簡單，可靠性提高，使用、維護和維修方便。氧電勢和溫度信號經各自的處理模塊轉換成0～5V信號，并由多路開和A／I）轉換成數字量，單片機根據“能斯特”公式計算出氧量。系統設有PID溫度調節功能，并通過固態繼電器控制加熱爐。系統還設有組態開關，能使儀表工作在不同的方式下。

　　2 溫度控制系統的硬件設計

　　Cygnal公司的51系列單片機C8051F040是集成在一塊芯片上的混合信號系統級單片機，在一個芯片內，集成了構成一個單片機數據采集或控制的智能節點所需要的模擬和數字外設及其他功能部件，代表了目前8位單片機控制系統的發展方向。芯片上有1個12位和1個8位多通道ADC，2個12位DAC，2個電壓比較器，1個電壓基準，1個32kB的FLASH存儲器，與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP一51內核，峰值速度可達25MIPS，并且還有硬件實現的UART串行接口和完全支持CAN2．0A和CAN2．0B的CAN控制器。

　　C8051F040的18，19腳分別為AIN0．0和AIN0．1引腳，由于C8051F040片內具有ADC模塊，因此溫度信號可直接經外圍濾波、放大電路后輸入AIN0．0和AIN0．1引腳，AMUX的工作模式選擇單端輸入模式。選用熱電偶作為溫度傳感器，其電壓經信號放大后，送人C8051F040的A／D端，轉換后與給定溫度值比較，按PID調節算法和脈寬調功法，計算出該時刻的值，經光電隔離和功率放大后，通過控制大功率交流固態繼電器（過零型）的通斷時間來控制加熱的功率，達到溫度控制的目的。冷端測溫元件采用集成溫度傳感器AD590，所測溫度由AD590溫度傳感器檢測，經電壓放大后直接送至單片機C8051F040的AIN0．1輸入口。

　　3 溫度控制系統的軟件設計

　　3.1 溫度控制過程分析

　　加熱通斷的最小周期為10ms，加熱最短脈沖長度為10ms，PID控制輸出為加熱脈沖數。誤差越大，加熱脈沖數值就越大；誤差小，加熱脈沖數就小。為使PID的輸出有一定的可調節范圍，采樣周期，太小會使得控制量的范圍很窄；但也不能過大，否則會降低控制精度。綜合各方面的考慮及實驗測試，采樣周期定為2s，這樣，PID輸出的最大脈沖量（在一個控制周期內）為200。