Microcontrolador de control de temperatura de alta precisión
El control de temperatura es un control de proceso que a menudo se encuentra en la producción industrial. Algunos procesos de proceso afectan directamente la calidad del producto, por lo que es muy valioso diseñar un sistema de control de temperatura ideal.
1. Demostración y comparación de esquemas de diseño del sistema.
De acuerdo con los requisitos del tema, el sistema de control de temperatura de la caldera eléctrica está compuesto por un módulo de procesamiento central, un módulo de adquisición de temperatura, un módulo de visualización de teclado y un módulo de ejecución de control.
La opción uno usa 8031 como núcleo de control, usa el dispositivo ADC0809 más común para la conversión de analógico a digital y controla el uso de alimentar el cable de resistencia para calentarlo y encender el ventilador para enfriarlo. Esta solución es simple y factible, el precio del dispositivo es barato, pero no hay memoria de programa dentro del 8031, que debe ampliarse, lo que aumenta la complejidad del circuito, y ADC0809 es una conversión analógica a digital de 8 bits, que no puede cumplir con los requisitos de precisión de este problema.
La solución dos utiliza el AT89S51 más popular como núcleo de control del circuito, y utiliza un convertidor analógico a digital de alta precisión AD574A de 12 bits para la conversión de datos. La parte del circuito de control utiliza PWM para controlar el encendido y apagado del tiristor para implementar un control continuo de la temperatura de la caldera. El esquema del circuito es simple y puede cumplir con la precisión de los requisitos del título.
De acuerdo con las características de que la temperatura cambia lentamente y la precisión del control no es fácil de dominar, diseñamos un sistema de control automático para la temperatura de la caldera de calefacción eléctrica con el microcontrolador AT89S51 como centro de detección y control. El control de temperatura adopta el algoritmo de control digital PID mejorado, y la pantalla utiliza una pantalla estática LED de 3 dígitos. La estructura de diseño es simple, el algoritmo de control es novedoso, la precisión de control es alta y tiene una gran versatilidad. El sistema de control diseñado tiene las siguientes funciones:
El rango de fluctuación de ajuste de control de temperatura es inferior a ± 1%, la precisión de la medición es inferior a ± 1%, la precisión de control es inferior a ± 2% y la cantidad de sobreajuste es inferior a ± 4%;
El control se puede calentar o enfriar;
· Visualización en tiempo real del valor de temperatura actual;
· Control de botón: establecer botón de reinicio, botón de ejecución, botón de cambio de función, más un botón, menos un botón;
· Alarma por encima del límite.
Diseño de dos circuitos de hardware
El circuito de hardware se compone principalmente de dos partes: la parte analógica y la parte digital: desde el módulo funcional, hay: circuito host, circuito de adquisición de datos, circuito de visualización del teclado, circuito de ejecución de control.
1 Diseño del circuito anfitrión
El host utiliza el microordenador de un solo chip de la serie 51 de ATMEL AT89S51 para lograrlo, utilizando las características de la programación flexible de software de microordenador de un solo chip y un alto grado de libertad, y se esfuerza por utilizar el software para mejorar varios algoritmos de control y control lógico. El reloj del chip AT89S51 seleccionado por este sistema puede alcanzar los 12MHz, la velocidad de cálculo es rápida y la función de control es perfecta. Tiene 128 bytes de RAM en su interior, y la ROM flash interna que contiene 4KB no requiere memoria de expansión externa, lo que hace que la estructura general del sistema sea más simple y práctica.
Diseño de circuito de hardware de 2 canales I / 0
En lo que respecta a este sistema, es necesario recopilar datos de temperatura del agua en tiempo real, y luego convertirlos en señales digitales a través de A / D, y enviarlos a una unidad específica en el microordenador de un solo chip, y luego se envía una parte para mostrar; la otra parte se compara con el valor establecido y se controla mediante el algoritmo PID La salida del chip único se usa para controlar el calentamiento o enfriamiento de la caldera eléctrica.
2.1 Diseño del circuito de adquisición de datos.
El circuito de adquisición de datos se compone principalmente de AD590, 0P07, 74LS373, AD574A, etc. Dado que se requiere que la precisión del control sea de 0.1 grados, y teniendo en cuenta la interferencia de la medición y los errores de procesamiento de datos, la precisión del sensor de temperatura y el convertidor AD debe ser mayor para garantizar la realización de la precisión del control. Por lo tanto, el sensor de temperatura necesita poder distinguir 0.1 grados; y para el convertidor AD, ya que el rango de medición es 40-90 grados, y el requisito de discriminación AD con 0.1 grados como respuesta, el AD necesita distinguir (90-40) /0.1=500 dígitos Cantidad, obviamente necesita más de 10 convertidores AD. Para esto, se utiliza el AD574A de 12 bits de alta precisión.
Para cumplir con los requisitos de medición de alta precisión, se selecciona el sensor de temperatura AD590. El AD590 tiene alta precisión y repetibilidad (la repetibilidad es mejor que 0.1 ° C. Su buena forma no lineal puede garantizar una precisión de medición mejor que 0.1 ° C. Las características de buena repetibilidad, a través de la compensación no lineal, pueden lograr una precisión de medición de 0.1 ℃.) El amplificador operacional de alta precisión con deriva de temperatura ultrabaja OP07 amplifica la señal de temperatura-voltaje, lo cual es conveniente para la conversión A / D para mejorar la confiabilidad del circuito de adquisición de temperatura .
2.2 Diseño del circuito ejecutivo de control eléctrico.
El horno eléctrico es controlado por la salida y se puede aproximar como un modelo matemático de enlace inercial de primer orden con histéresis. La forma de su función de transferencia es:
SCR puede considerarse como un enlace lineal para controlar la temperatura del agua. La salida del microordenador de un solo chip y la potencia del horno eléctrico pertenecen a las partes débiles y fuertes, que deben aislarse. Aquí, el optoacoplador TLP521 se utiliza para el aislamiento fotoeléctrico en la parte de control. Además, el aislamiento del transformador se utiliza para aislar la energía eléctrica débil y fuerte.
Cuando el nivel de salida PWM del microordenador de un solo chip es 0, el elemento optoacoplador se enciende, de modo que el transistor se polariza y enciende de manera efectiva. El voltaje a través del puente rectificador pasa a través de la resistencia del colector y el voltaje de polarización inversa del emisor-colector, y se agrega un voltaje de aproximadamente 7V a El terminal de control de tiristor bidireccional, de modo que el tiristor se enciende, se forma la ruta de CA y el horno de resistencia funciona; por el contrario, cuando el nivel de salida del microordenador de un solo chip es 0, el elemento optoacoplador no se puede encender y el triodo no puede formar una polarización efectiva y se puede cortar. El voltaje del terminal de control de silicio es casi cero, el tiristor se corta para cortar la ruta de CA y el horno eléctrico deja de funcionar. Además, hay una alarma de límite superior. Cuando la temperatura es inferior al límite inferior, el LED se ilumina; cuando el límite superior es alto, suena el zumbador.
3 Diseño de teclado y pantalla.
El teclado está diseñado mediante una combinación de consulta de software e interrupción externa, y el nivel bajo es efectivo.
La tecla AN3 está conectada a P3.2, utilizando un método de interrupción externo, y la prioridad se establece en la más alta; las teclas AN5 y AN4 están conectadas a P1.7 y P1.6, respectivamente, utilizando el modo de consulta de software; AN1 es la tecla de reinicio de hardware, y R , C constituyen un circuito de reinicio.
La pantalla adopta un modo de visualización estática de LED común de 3 dígitos, y el contenido de la pantalla tiene decenas, uno y un lugar decimal del valor de temperatura, de modo que solo el puerto P3.0 (RXD) puede usarse para emitir los datos de la pantalla, ahorrando así los recursos del puerto MCU , Bajo el control del puerto P1.4 y P3.1 (TXD), realice la visualización estática de 3 bits a través de 74LS164. La parte del hardware del circuito digital se muestra en la Figura 4.
Figura 4 Diagrama esquemático del circuito de hardware digital
Diseño de software de tres sistemas
El software del sistema se compone de tres módulos principales: módulo de programa principal, módulo de realización de funciones y módulo de control de operación.
1 módulo de programa principal
En el programa principal, primero proporcione el valor del parámetro del algoritmo PID, y luego muestre la temperatura actual a través del ciclo, y configure la interrupción externa del teclado con la máxima prioridad, para poder responder al procesamiento del teclado en tiempo real; el software configura el temporizador T0 a 5 segundos, en Cuando no hay respuesta del teclado, responde cada 5 segundos para recoger la señal de temperatura después de la conversión A / D; configure el temporizador T1 como una interrupción del temporizador anidada en T0, el valor inicial lo proporciona la subrutina del algoritmo PID. La dirección de inicio de cada parte de la subrutina debe asignarse en el programa principal en forma de:
ORG 0000H
AJMP PRINCIPAL
ORG 0003H
AJMP INTO
ORG 000BH
AJMP TT0
ORG 001BH
AJMP TT1
Módulo de realización de 2 funciones
Se puede utilizar para controlar SCR y hornos eléctricos. El módulo de realización de funciones se compone principalmente de subrutina de conversión A / D, subrutina de procesamiento de interrupción, subrutina de procesamiento de teclado, subrutina de visualización, etc.
2.1 Subtutina de interrupción T0
Esta interrupción es una interrupción de temporizador de 5 segundos dentro del microcontrolador, la prioridad se establece en la más baja, pero es la subrutina más importante. En esta respuesta de interrupción, la computadora de un solo chip debe completar la conversión de adquisición de datos A / D, filtrado digital, juzgar si excede el límite, procesar la conversión de escala, continuar mostrando la temperatura actual, comparar con el valor establecido, llamar a la subrutina del algoritmo PID y emitir la señal de control Otras funciones
.3 subrutina de interrupción T1
La interrupción del temporizador T1 está anidada en la interrupción T, la prioridad es mayor que la interrupción T, el valor inicial de temporización es proporcionado por la subrutina del algoritmo PID, el tiempo de respuesta de interrupción T1 se usa para emitir la señal de control del tiristor (horno eléctrico).
3 módulos de control aritmético
El módulo de control de operación involucra conversión de escala, algoritmo PID y subrutina de multiplicación llamada por el algoritmo.
3.1 Subrutina de conversión de escala
La función de esta subrutina es convertir la señal de temperatura (00H ~ FFH) al valor de temperatura correspondiente, de modo que pueda visualizarse o compararse con el valor establecido en la misma dimensión. La fórmula de transformación de escala lineal utilizada es:
En la fórmula, Ax: el valor de temperatura real medido; Nx: el valor de temperatura después de la conversión A / D;
Am = 90; Ao = 40; Nm = FEH; No = 01H;
La operación de la computadora de un solo chip adopta la operación de número de punto fijo y es corregida por un programa en el área de alta temperatura y el área de baja temperatura. El valor medido del termómetro y la pantalla LED se muestran en la Figura 7.
3.2 Subrutina de algoritmo PID
El control del algoritmo del sistema adopta el control digital PID de posición comúnmente utilizado en la industria, y el algoritmo se mejora con un sistema específico para formar un algoritmo de control de identificación automático que combina el control PID de separación integral PID integral de velocidad variable. Este método no solo reduce en gran medida la cantidad de sobreimpulso (consulte la Figura 9), sino que también supera de manera efectiva el efecto de la saturación integral, de modo que la precisión del control se mejora en gran medida. El diagrama de flujo del algoritmo de control PID se muestra en la Figura 8.
e (k) ≥ε Usar algoritmo PD;
e (k) <ε utiliza el algoritmo PID integral de velocidad variable.
Aquí solo se proporciona la curva de resultados de control de este algoritmo (consulte la Figura 9 a continuación).
Figura 9 Curva de control de temperatura
Programa de cuatro fuentes
La implementación del software de este plan de diseño utiliza completamente el lenguaje ensamblador. El programa fuente específico se omite.
Análisis de cinco resultados
Con el objetivo del modelo de sistema de control de temperatura de la caldera de calefacción eléctrica, este documento presenta un esquema de diseño basado en un microordenador de un solo chip AT89S51. En el diseño, el algoritmo PID se usa para actualizar la constante de temporización de T1, y la salida PWM controla el encendido y apagado del tiristor, logrando así un control continuo de la temperatura. Los resultados del diseño se pueden ver en la Figura 7 y la Figura 9: el controlador de este diseño funciona de manera estable, la precisión del control es alta, el exceso del algoritmo PID mejorado se reduce considerablemente; el software adopta una estructura modular, lo que mejora su versatilidad. El propósito de este diseño no es solo el control de la temperatura en sí, sino que principalmente proporciona la idea del circuito periférico del microcontrolador y el software, incluido el diseño del algoritmo de control. Debe decirse que esta idea es más importante que el sistema de control en sí.