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上海一恒真空干燥箱的温度模糊控制系统设计

[导读]温度控制对象为上海一恒干燥箱内的中空加热板, 利用电阻丝对其加热。加热点和温度采样点不在同一位置, 将采样点设为六个, 距加热板最远处, 最近处, 以及中间处各设两个, 最后取平均值作为模糊输入信号。

本文介绍了一种基于PIC单片机和LM74数字温度传感器的高精度恒温控制系统, 给出了其硬件与软件设计。针对被控对象具有大时滞, 非线性的特点, 系统采用了模糊控制算法对温度进行实时控制。实验证明该系统达到了较高的测量精度和良好的控制性能指标。

随着现代工业水平的提高, 温度控制的对象日益复杂化, 越来越多呈现出非线性、时变等特点, 很难甚至无法对其建立精确的数学模型。采用以往的线性模型以及PID控制等经典控制方法往往很难达到理想的控制效果。另一方面, 模糊控制理论作为现代智能控制的的分支之一, 具有不依赖对象的数学模型, 鲁棒性强, 算法容易实现并可以利用人的经验知识等传统控制方法不具有的有点, 被越来越普遍的应用于现代工业过程控制中。

1 系统构成与硬件设计

1.1 系统构成

系统硬件框图如图1所示, PIC16f877单片机为控制系统的核心, LM74数字温度传感器的将采样信号转换成数字信号送入PIC单片机作为模糊控制的输入, PIC单片机根据输入数据通过模糊控制算法计算出控制输出量, 采用调功率原理来控制加热器的电功率, 以此调节温度, 由单片机的RC2引脚输出的高低电平控制双向可控硅导通, 控制电阻丝的实际加热功率, 与此同时打开真空泵, 抽取箱体内的空气使其达到一定的真空度。若设定的温度低于电阻丝当前的温度或温度超调, 则调整高低电平信号的时空比, 进而调节电阻丝的加热功率, 使电阻丝的温度变化。从而实现对真空干燥箱的温度控制。

温度控制对象为干燥箱内的中空加热板, 利用电阻丝对其加热。加热点和温度采样点不在同一位置, 将采样点设为六个, 距加热板最远处, 最近处, 以及中间处各设两个, 最后取平均值作为模糊输入信号。加热板温度控制和它的热传导及热平衡特性有关, 其数学模型具有现代工业控制模型的非线性、大惯性、时变等特点。

1.2 硬件设计

控制核心采用美国Microchip公司的P i c 1 6系列单片机。它是一种新型的采用C O M S工艺的8位单片机。采用先进的哈佛流水总线结构及精简指令集RSIC, 因其功耗低、体积小、成本低、功能强大和简单易用等特点, 日益成为各种工业控制应用的主流单片机。本系统采用了PIC16F877作为控制系统的核心。它内置8k×14位的flash程序存储器, 可多次修改程序, 便于系统升级。内部集成的8路10位A/D转换器和PWM输出模块, 大大简化了外围的硬件电路, 提高了可靠性。另外它还具有22个I/O端口、14位中断资源、片内上电复位、延时电路和看门狗电路等、SPI模块等, 丰富的功能和硬件资源, 可以很方便实现一些使用的系统扩展功能。

LM74是12位串行数字温度传感器, 分辨率可达0.0625℃, 适用温度为-55℃~155℃。该温度传感器内部集成了一个温度传感单元和一个具有串行SPI/微线兼容接口的13位模数转换单元, 无需外加前置放大单元和A/D转换单元。

CYB11是通用型压力变送器是利用半导体扩散硅压力传感器及专用放大线路组成, 具有体积小、精度高、电路调试方便、可靠性高、抗干能力强等特点。适用于各种非腐蚀性流体的压力测量和控制, 量程范围宽, 覆盖面广。

控制执行电路采用双向可控硅MOC3041作为功率驱动器件, MOC3041是具有双向晶闸管输出的光电隔离器;功率双向可控硅采用TLC336, 采用了如图2所示的电路, 主要解决两个问题, 一是弱电 (MCU系统) 和强电 (加热器) 的隔离。二是系统的控制驱动。温度调节是由控制加热器的电功率来完成, 由于工频交流电每秒有一百个过零点, 通过调节每秒钟内交流电正弦半波的导通个数N就可达到调节加热器电功率的目的。

电源管理模块采用变压器将220V交流电压整形变压5V和24V, 经过变压, 滤波, 稳压后送给各单元, 对单片机和其外围器件供电。电源地, 信号地彼此隔离, 以避免电机设备工作对数字电路的干扰。

按键采用4键简洁易用, 其功能分别为模式启动键、数值增加键、数值减少键、显示切换键。开机时初始化一个温度值。键的处理通过单片机I/O端口对高低电平转化来实现。

显示模块采用LCD显示。由于PIC单片机I/O端口具有较大的带负载能力, 能满足LCD显示的需要, 温度显示都采用串行连接。



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