基于8051的恒溫控制系統

　　溫度是工業對象中一個主要的被控參數，它是一種常見的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制不好就可能引起生產安全，產品質量和產量等一系列問題。溫度控制是許多設備的重要的構成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內，以利于進行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業生產過程中，溫度的變化對生活、生產的某些細節環節都會造成不同程度的影響，所以適時地對溫度進行控制具有重要的意義。

　　而對于現代工業中不同生產情況和工藝要求，所采用的加熱方式、燃料、控制方案等也不盡相同。如冶金、機械、食品、化工等各類工業生產中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等；控制方案有直接數字控制(DDC)，推斷控制，預測控制，模糊控制(Fuzzy)，專家控制(Expert Control)，魯棒控制(Robust Control)，推理控制等。

　　本文中加熱爐主要作用是使有機粉末保持恒溫，為了能對其溫度進行有效直接的控制，故采用了直接數字控制(DDC)對加熱爐進行控制，使其具有穩定溫度在某一值，鍵盤輸入溫度設定值，LED數碼管顯示溫度值。輸入信號為電熱爐電阻絲兩段的電壓，輸出信號電熱爐內的溫度。輸入和輸出的傳遞函數為G(s)=2/s(s+1)，控溫范圍為100~500℃。

　　爐溫控制系統總體結構

　　圖1中由4~20mA變送器，I/V，A/D轉換器構成輸入通道，用于采集爐內的溫度信號。其中，變送器選用XTR101，它將熱電偶信號(溫度信號)變為4~20mA電流輸出，再由高精密電流/電壓變換器RCV420將4~20mA電流信號變為0~5V標準電壓信號，以供A/D轉換用。轉換后的數字量與與爐溫的給定值數字化后進行比較，即可得到實際爐溫和給定爐溫的偏差。爐溫的設定值由鍵盤輸入。計算出所需要的控制量。數字控制器的輸出經標度變換后送給8253，由8253定時計數器轉變為高低電平的不同持續時間，送至SCR觸發電路，觸發晶閘管并改變其導通角大小，從而控制電加熱爐的加熱電壓，起到調溫的作用。


　　
　　爐溫控制系統主要硬件選擇

　　1．CPU與存儲器：在CPU選擇上采用8051AH，由于其內部只有4KBROM和128BRAM，故在使用時可分別擴展一片外RAM6264和一片外ROM27512。

　　2．定時計數器：選用8253－5，這是Intel公司生產的外圍芯片，內含三個相同的16位減法計數器，每個計數器均可獨立工作，在此系統中負責將頻率信號轉換為數字信號的關鍵部件。

　　3．SCR觸發器。如圖2所示為一晶閘管觸發電路。包括脈沖觸發器(單穩態電路，由IC1和IC2組成)，控制門，光電耦合器4N25，放大器和雙向晶閘管。由全波整流電路得到的同步電壓使晶體管BG1每半波導通一次。當控制端為“1”高電平的時候，BG1的每次導通都會經由單穩電路由IC2輸出一個負脈沖，該脈沖經IC3反向后由光電耦合器和放大電路發大后觸發晶閘管，在這一半周內晶閘管基本上處于全導通狀態。若控制端為“0”低電平的時候，則單穩態電路不輸出脈沖，在這一半周內晶閘管也不導通。因此，可以改變控制端的電平，控制單穩態電路每秒輸出的脈沖數，從而改變晶閘管每秒鐘內導通的時間，達到調壓的目的。

　　4．變送器：XTR101為4~20mA線性化變送器，它可與鎳絡-鎳硅測溫傳感器構成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測溫范圍，在-40℃~+85℃的工作溫度內，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調電壓<±2.5mV，輸入失調電流<20nA。

　　5．I/V：電流/電壓轉換器在系統中采用RCV420，RCV420是一種精密電流/電壓變換器，它能將4~20mA的環路電流變為0~5V的電壓輸出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運放和電阻網絡外，還集成有10V基準電源。對環路電流由很好的變換能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作溫度范圍，輸入失調電壓<1mA，總的變換誤差<0.1%，電源電壓范圍±5~±18V。

　　6．A/D：A/D選用ADC0809，ADC0809是美國國家半導體公司的CMOS型8位28條引腳A/D轉換器。采用逐次逼近技術，輸出的數字信號由TTL三態緩沖器順序控制，可以直接與數據總線相連。分辨率為8位，精度為7位，時鐘頻率范圍在10~1280kHz之間，單一+5V電源供電，具有鎖存功能的8位模擬開關，可鎖存三態輸出，輸出與TTL兼容，功耗為15mW，不必進行零點和滿度調整，易于和微處理器相連。 本設計中CLK為500kHz，轉換速度為128微秒。

　　7．LED顯示：采用8279顯示電路。

　　硬件連接簡介

　　整個電路由于擴展較多故采用74LS138全譯碼結構，觸發器與8252OUT0直接相連。整個單片機系統時鐘頻率采用6MHz，則ALE腳的輸出頻率系統六分之一為1MHz。在經過二分頻后為500KHz，可直接提供給ADC0809。LED顯示器由于顯示要求并不復雜，采用8個米字管利用位選法來控制顯示位的亮和暗。其他硬件通過74LS138譯碼過后的口地址見表。

　　爐溫控制系統軟件設計

　　控制系統軟件總體結構圖如圖3所示。

　　總體流程圖如圖4所示。

　　工程量變換程序模塊

　　變送器XTR101輸出4~20mADC，溫度起點為100℃，滿量程為500℃。8位A/DADC0809輸出數字量00H~FFH(0~5V)，應用以下變換公式進行變換：

　　AX=A0+(AM-A0)(NX-N0)/(NM-N0)

　　式中，A0為一次測量儀表的下限；AM為一次測量儀表的上限；AX實際測量值；N0儀表下限對應的數字量；NM儀表上限對應的數字量；NX測量值對應的數字量。

　　溫度非線性轉換程序模塊

　　采用折線擬合法進行線性化處理

　　如下所示，分為以下幾段：

　　當3.298mV≤Ax<7.34mV時，TEM=24.47×WN+18.41