基于80C52單片機的電加熱數字恒溫控制系統設計

摘要：針對傳統電加熱溫度測控系統存在的普遍問題和數字控制控儀表的設計要求，提出了基于數字PID控制算法和89C52單片機的溫度控制系統。系統采用AD590傳感器檢測溫度，溫度信號經A／D8080轉換成數字量，單片機與設定值比較后，執行PID控制算法，并給出控制量去調節可控硅的觸發脈沖，從而實現溫度的實時顯示與實時控制。實驗結果表明：該控制器具有靜態精度高，自適應能力強，可靠性高，抗干擾性強的特點，使爐溫達到了很好在控制效果。
關鍵詞：溫度控制；數字PID；單片機；電加熱

電加熱爐是科學實驗、工農業生產過程中量常見也是最常用的加熱設備，由于爐子種類與規格、加熱對象的不同，它們所構成的系統千差萬別。溫度作為一個重要檢測和控制參數，對其控制的好壞直接影響到產品的質量和數量。電加熱爐種類繁多，控參數通常具有時變性、非線性、不確定性等特點，對其控制方案的研究不論在基地式儀表時代還在現在的智能化儀表時代，都是很熱門的對象。在現有溫度控制儀表的配置加熱系統中，大多數只配有一組加熱元件，當溫度達到調控點時，便切斷電源進行保溫，隨著時間的推移，溫度降到一定數值后啟動該組件元件的電源供電進行加熱，從此周而復始，動作頻繁。用作測溫的傳感器，當溫度上升到設定點溫度時，必然有一個時間的滯后性，使被控溫場沖過溫控點，而過沖幅度與熱功率的大小成正比，與溫場的大、小成反比。PID控制器雖然具有結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便等優點，但加熱系統與PID控制器設計的不匹配現象也廣泛存在。本文采用80C52單片機、數字PID算法來設計的電加熱式恒溫控制系統，參數調整方便，實時性能好，達到超前控制的目的，具有遲滯控制穩定性的抗干擾能力，可以大大提高控制質量和自動化水平，實現發溫度控制儀表的數字化與智能化。本系統可應用于孵蛋、細菌培育等恒溫系統進行溫度控制。

1 控制方案設計
溫度場是一個梯度場，溫度的上升或下降隨時間緩慢變化。電加熱爐溫度控制過程可以用自然降溫、程序升溫和恒溫保持3個分過程來描述。自然降溫：停止加熱，環境溫度在整個過程中保持不變，受控溫度場最終穩定為環境溫度。程序升溫過程：給定電壓值為一變化值，由程序控制逐漸變化，最終使爐溫的穩定在給定值上。恒溫保持：給定爐溫為一定值，使爐溫穩定在給定值上，這時受控場溫度恰好抵消散
熱因素的影響而能夠維持在所設定的溫度。實驗和經驗表明，電加熱爐對象可近似為一個純滯后環節和一個慣性環節組成，其傳遞函數為：

τ為純滯后時間，K為放大倍數，T為慣性時間。在滯后時間和慣性時間均不太大、控制對象非線性小，參數時變性小的場合，RID控制是一種最直接最有效的控制方法。本文采用數字PID控制技術，設計了一個實驗室可用、中小型的、溫度在環境溫度至此320℃范圍內可調的電加熱爐溫度控制系統，系統結構如圖1所示。

系統采用溫度傳感器對爐膛內的實時溫度進行檢測、轉換、采樣，所得的檢測信號經A／D轉換器轉換成數字信號進入單片機，并與單片機內預先設定的溫度給定值加于比較得出偏差，偏差送入控制器，單片機執行偏差的PID數字運算得到可控硅的觸發脈沖，并由這個觸發脈沖調節可控硅的導通時間，從而調節電爐絲與風扇的兩端電壓形成控制作用，使爐溫保持恒定。

2 軟、硬件設計
2．1 硬件系統設計
控制器的核心是80C52單片機，其硬件框圖如圖2所示。系統采用AD590溫度傳感器電路把溫度轉換成0～5V的電壓信號，再由轉換器A／D 8080轉換成數字信號送入單片機80C52。單片機根據系統的給定溫度和實際測量值比較得出偏差，再利用PID算法求出控制量U(kT)。通過U(kT)來決定輸出觸發脈沖的寬度。從而控制可控硅的導通時間，最終達到控制溫度的目的。