電阻加熱爐

2.1 電阻爐溫度控制系統的結構工作原理

整個系統由四部分組成，即：單片機系統；溫度檢測通道；輸出控制通道。工作時，溫度由集成溫度傳感器AD590轉換成電流信號，經運放放大至0-5v的電壓信號，由ADC0809轉換成單片機所能接受的數字信號，此信號與溫度的給定值比較得到溫度的偏差，通過PID控制器運算，此控制量經可控硅控制加在電阻爐上的電壓的通斷時間，以達到控溫目的。

系統的給定值、PID參數由鍵盤輸入，并可以隨時修改，給溫度和采樣溫度同時顯示在LED上

2.2 系統硬件結構

以AT89C51單片機為該控制系統的核心，實現對溫度的采集、檢測和控制。該系統的工作流程如圖2所示。系統由變送器經A/D轉換器構成輸入通道，用于采集爐內的溫度信號。變送器可以選用DBW，型號，它將熱電偶信號(溫度信號)變為0～5 V電壓信號，以供A/D轉換用。轉換后的數字量與爐溫數字化后的給定值進行比較，即可得到實際爐溫和給定爐溫的偏差及溫度的變化率。爐溫的設定值由BCD 撥碼盤輸入。由AT89C51構成的核心控制器按智能控制算法進行推算，得出所需要的控制量。由單片機的輸出通過調節可控硅管的接通時間，改變電爐的輸出功率，起到調溫的作用。

一、輸入通道

a、溫度檢測及放大

在溫度控制系統中，溫度檢測及放大任務通常用溫度變送器來完成。為了降低成本，簡化結構，本系統采用了 OP07型溫度變送器的輸入回路部份，這輸入回路是一平衡電橋，它與AD590熱電偶配合使用，實現溫度零點遷移。不平衡電橋的輸出信號經精密放大器放大到A/D轉換所需標準信號，根據熱電偶分度號和量程的不同，可選擇和調整放大器的反饋電阻以改變放大倍數，從而實現了溫度標準信號的轉換。A/D轉換功能由AD0809完成，它是一種逐次逼近式8路模擬輸入、 8位數字量輸出的A/D轉換器。在這里我們將 接到AT89C51的 轉換結束信號OEC經一個與非門接AT89C51的INT0 ，置外部中斷為邊沿觸發方式，這樣，每次A/D轉換結素時都將結果送入數據存貯區。

由于爐溫度化緩慢，輸入通道中沒有設置采樣保持器。

二、 輸出通道

執行機構采用可控硅控制器，單片機只須輸出能改變可控硅控制周期內的通斷時間就行了，因此省去了D/A轉換器，僅用了一條I/O線，通過軟件支持，在這條I/O線上輸出一個高電平寬度在控制周期內隨調節值變化的方波信號，從而達到控溫的目的。

2.3 系統硬件的選擇

a)微型計算機的選擇：選擇AT89C51單片機構成爐溫控制系統。它具有8位CPU，3 2根I/O線，4 kB片內ROM存儲器，128 kB的RAM存儲器。AT89C51對溫度是通過可控硅調功器實現的。在系統開

發過程中修改程序容易，可以大大縮短開發周期。同時，系統工作過程中能有效地保存一些數據信息，不受系統掉電或斷電等突發情況的影響。AT89C51單片機內部有128 B的RAM存儲器，不夠本系統使用，因此，采用6264(8 kB)的RAM作為外部數據存儲器。

b)熱電偶的選擇：本設計采用 DBW型熱電偶--鎳絡-鎳硅(線性度較好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩定性和復現性較好，抗氧化性強，價格便宜)對溫度進行檢測。由于溫度是非線性輸出的，而與輸入的mV信號成線性關系，所以在軟件上將此非線性關系加以修正，以便正確反映輸入mV信號與溫度之間的關系。ADC0809把檢測到的連續變化的溫度模擬量轉換成離散的數字量，輸人到單片機中進行處理。

c)鍵盤輸入的選擇：采用4片BCD撥碼盤作為溫度設定的輸入單元，輸入范圍為0～9999，可滿足本系統的要求。每位BCD碼盤占4條線，通過上拉電阻接入8255可編程并行I/O擴展口。4片BCD碼盤占8255的 A、B兩口，8255工作方式設為"0 模式"，A、B兩口均為輸入方式。開機后，CPU讀8255口操作，即可將BCD碼盤的設定溫度讀入并存人相應的存儲單元。

d) 顯示器的選擇：采用字符型LCD(液晶顯示器)模塊TC1602A，并且它把LCD控制器、ROM和LCD顯示器用PCB(印制板)連接到一起，只要向 LCD送人相應的命令和數據便可實現所需要的顯示，使用特別方便靈活。第1行顯示設定溫度，第2行顯示實際溫度，這樣，溫差一目了然，方便控制。

2.4 系統軟件設計

本系統的應用程序主要由主程序、中斷服務程序和子程序組成。主程序的任務是對系統進行初始化，實現參數輸入，并控制電加熱爐的正常運行。主程序主要由系統初始化、數據采集及處理、智能推理等部分組成。系統初始化包括設置棧底、工作寄存器組、控制量的初始值、采樣周期、中斷方式和狀態、定時器的工作方式以及8255的初始化、TC1602A的初始化等。數據采集及處理主要包括實時采集電加熱爐的爐溫信號，計算出實際爐溫與理想值的差值以及溫差的變化率，并對爐溫信號進行濾波和限幅處理。。

中斷服務程序實現定時采樣和輸出控制。AT89C51共有6個中斷源：2個外部中斷、2個定時器溢出中斷及2個串行中斷。

子程序主要有采樣子程序、數字濾波子程序、控制算法子程序、數字轉換子程序、顯示子程序等。在采樣程序中包括對A/D啟動、讀結果及把A/D結果轉換成為實際溫度值。由于熱電偶本身的非線性及模擬輸人通道存在的非線性，需要將A/D值與溫度值之間對應關系以表格形式存于EPROM中。數字濾波子程序是將 A/D轉換成的數字量提取有用的量，一方面通過TC1602ALCD模塊顯示出來；另一方面將該溫度值與被控溫度值進行比較，根據其偏差值的大小及溫度的變化率，通過智能控制器來改變可控硅管的接通時間，從而達到改變電加熱爐的輸出功率，即控制算法子程序是控制器中最重要的一部分，它的原理將在第4節介紹。

2.5 智能控制算法

考慮到電加熱爐是一個非線性、時變和分布參數系統，所以本文采用一種新型的智能控制算法。它充分吸取數學和自動控制理論成果，與定性知識相結合，做到取長補短，在實時控制中取得較好的成果。

本系統的智能控制器由數據庫、知識庫、推理機、學習環節、修正環節和黑板組成。數據庫中存放各個時刻的采樣值y(k)、偏差e(k)、控制量u(k)和生成控制量u(k)，所用的控制規則序號、每條控制規則的加權系數a都是以數組的形式存放。

知識庫中知識由產生式規則生成，其規則集都是按順序排列的。當求得偏差e(k)和被調整量y(k)后，借助黑板進行正向推理，從上到下順序地搜索知識庫中的匹配模式，一旦找到匹配規則，即可求出控制量u(k)。

學習過程是通過修正規則加權系數a，使各種控制規則產生的控制量隨環境和控制量效果變化進行修正，從而實現自學習的功能。由于被控制對象具有d步時延，因此，y(k)是由(k-d)時刻及其以前所有控制量作用的結果，則應修正控制量u(k-d)的控制規則所對應的控制規則加權系數a[num(k- d)]。

系統爐溫控制過程是一個慢過程，一般采樣間隔長，在此間隔時間內，被控對象可能受內部參數變化或隨機干擾影響，因而町能導致(k+1)時刻發出的控制量使控制效果變差，影響系統的控制性能。為

補充這一不足，這里引入動態修正環節為：

式中：0

最后由修正量和黑板給出的u(k)疊加，得到總輸出控制量為：

式中：β取0.8～0.9。

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