热处理炉温控制系统设计

负 载 电 流 ：80（AAC），通 态 压 降＜＝1．8(VAC)。 图 5 为 控 制 电 路
图。
2 系统软件设计
2．1 主程序设计
用汇编进行程序编写，首
先设置堆栈指针，然后进行初
始化， 包括设置有关开关标
志、暂存单元和显示缓冲区清
零、T0 初始化以及 CPU 开中
断，键盘设置初值，然后调用
温度采样程序，温度采样程序
Uab＝ E ×Rcut－ E ×R3
（1）
R1＋Rcut
R2＋R3
假 设 ：R1＝R2≥R3，则 ：
Uab
≈
E R1
×Rcu0
－
E R1
R3＝ E R1
×（Rcu0 －R3）
（2）
R1≈ E×（Rcu0－R3） ＝ 5×（50－54．285） ＝17．974KΩ
（3）
Uab
－1．192
所以取 R1＝R2＝18KΩ。
电路采用差动放大形式， 使热电偶在 1000℃时输出值在 10V 附
近［3］。 运算放大器增益 Av 应为：Av＝10V ／ 41．2756mV≈240，满足
模 数 转 换 器 件 AD574A 的 量 程 （0～10v 或 0～20v）范 围 ，其 中 电
容 C2、R3 起到滤 波 作 用 ，截 止 频 率 f＝15．92Hz，C1 目 的 是 消 除
噪声，容量一般小于 33pF。
1．2 A ／ D 模数转换电路
A ／ D 转 换 器 的 分 辨 率 要 高 于 系 统 的 精 度 要 求 ，AD574A 内
部有时钟脉冲源和基准电压源， 无需外加时钟信号。 通过改变
AD574A 引脚 8、10、12 的外接电路可使其进行单极性和双极性
模拟信号的转换。 本系统采用单极性输入方式［4］。
在带电流检测的非互补控制开关时序图中， 当电压电流方 向为正向时，swc1 斩波但 swc2 开关信号还在 作 用 ， 当 电 压 电 流方向为反向时，swc2 斩波但 swc1 开关信号 还 在 作 用 ， 续 流 开 关 swf1、swf2 的 开 关 信 号 也 一 直 作 用 ， 在 实 际 电 路 设 计 中 ， IGBT 不用的管子尽量加－12V 电压使之关断， 所以此时提出了 优化的非互补控制， 这是在带电流检测的非互补控制方式上使 不用的管子尽量关闭，图 10 为优化的非互补控制时序图。
林算法得出的数字控制器的数学模型。 为了在仿真实现上更加
方便，把 D（z）进一步简化为：
－1
D（z）＝
a0 －a1 z
－1
－n－1
（7）
1－b1 z －b2 z
－T ／ To
a0
＝
（1－e
－T
k（1－e
／
）
T1
）
a1
＝
e －e －T ／ T1
（－T ／ To）－T ／ T1
k
－T
（1－e
／
T1
）
b1
如 图 4，AD 转 换 器 的 数 据 输 出 口 通 过 P0 数 据 总 线 连 至 单
《工业控制计算机》2013 年第 26 卷第 10 期
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图 3 温度测量放大电路 片 机 ， 单 片 机 是 8 位 数 据 口 ，AD574A 的 12 ／ 8 端 口 接 地 表 示 AD574A 工 作 在 12 位 状 态 ，此 时 转 换 值 分 两 次 输 出 ；单 片 机 读 高 8 位的数据地址是 0FEH，读低 4 位 的 数 据 地 址 是 0FFH。 单 片机的 INTO 查询到 STS 端转换结束信号后，先将转换后 的 12 位 A／D 数据的高 8 位读进单片机，然后再将低 4 位读进，这里 不管 AD574A 是处于启动、转换和输出结果，使能端 CE 都必须 为 1，因此单片机的写控制线和读控制线通过与非门 74LS00 与 AD574A 的 使 能 端 CE 相 连 。 AO 端 接 锁 存 器 74LS373 的 Q0 端，R ／ C 接锁存器 74LS373 的 Q1 端。
本文利用大林算法来进行炉温控制，利用单片机 AT89C51， 实现控制算法、程序升温、键盘输入、显示等功能，可实现电炉输 入功率的连续调节和温度的连续控制， 能做到小超调甚至无超 调，小稳态误差甚至无稳态误差［1］；并且 按 照 工 程 经 验 选 取 合 适 参数，通过仿真验证了此方法控制炉温的准确性。 1 系统硬件设计及电路图
Cu50 在 20℃ 时 电 阻 值 为
54．285，因 20℃时 补 偿 电 桥 是
平 衡 的 ，所 以 R3 取 54．285，其
中 20℃ 附 近 的 热 电 势 为
1．192mV， 假 定 目 前 环 境 温 度 为 0℃ ， 则 不 平 衡 电 压 Uab
图 2 电桥补偿电路图
为－1．192mV。
热电偶输出的电压信号较为微弱（只有几毫伏到几十毫伏），
因此需高放大电路将电压信号放大到 A／D 转换器通常所要求的
电压范围，热电偶的输出热电 势 范 围 为 0～56mv，温 度 传 感 器 在
600℃ 时 的 输 出 电 势 为 21．2456mV， 在 1000℃ 的 输 出 电 势 为
41．2756mV。 如图 3 本系统选用 AD797 放大器来放大信号，放大
法的基本形式：
－T ／ Tp －1
－T ／ To
D（z）＝
（1－e z ）（1－e ）
－T ／ Tp
－T ／ To －1
－T ／ To －N－1
（6）
k（1－e ）［1－e z －（1－e ）z ］
k 为广义的对象放大倍数；T 为采样周期；Tp 为控制对象惯
性时间常数；To 为闭环系统的时间常数。 D（z）为电阻炉根据大
－T
＝e
／
T0
－T ／ T0
b2 ＝1－e
从而能可得出系统的差分方程：
（8）
（9） （10） （11）
U（k）＝b1 U（k－1）＋b2 U（k－N－1）＋a0 E（k）－a1 E（k－1）
（12）
式 中 ，U（k）为 数 字 控 制 器 的 输 出 ；E（K）为 偏 差 信 号 。
1）按照工程经验，一般取控制周期为 40s，则被控对 象 的 时
包括 A／D 转换子程序和滤波
子程序，A ／ D 转换采用中断方
式，分两次读转换数据；其中 滤波子程序采用算数平均值
图 6 主程序框图
滤波，然后通过标度数值转换将采样值转换后，调用温度显示子
程序显示采集的温度值；用大林算法子程序将采集的数值与设定
的数值进行控制运算，并输出控制量控制固态继电器，改变在设
定周期 T 内主回路导通的周波 n 的个数， 就可调节负载的功率
P，以达到调节温度的目的。
2．2 数字控Biblioteka 器的设计大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数
相 当 于 一 个 延 时 环 节 和 一 个 惯 性 环 节 相 串 联 ［5］， 即 ：
－is
φ（s）＝ e
（5）
TpS＋1
式中 i＝NT；由此可得到带有纯滞后一阶惯性对象的 大 林 算
图 1 测温原理框图 1．1 温度检测电路及放大电路
电阻炉的工作温度为 600℃～1000℃，本系统采用镍铬－镍硅 热电偶检测电阻炉中的温度， 镍铬－镍硅热电偶适用于 0～1000℃ 的温度测量范围，相应输出电压为 0～41．27mV。
图 2 电桥由电阻 R1、R2、R3（锰铜丝绕制，电阻温度系数 很 小 ）、Rcu（铜 丝 绕 制 ，其 阻 值 随 温 度 升 高 而 增 大 ）四 个 桥 臂 和 桥 路稳压电源所组成，串联接在热电偶测温回路中，热电偶冷端与 电阻 Rcu 感受相同的温度，一般 冷 端 补 偿 器 的 电 桥 平 衡 点 温 度 为 20℃，在使用前要先把显示仪表的零位调到相应 的 补 偿 温 度 20℃上，则电桥输出（output）为 0（Uab＝0）。
过控制周期 T 内主回路导通的周波数 n， 就可调节负载的功率
P。 采用交流 过 零
型固态继电器控
温，此电路输出对
应于 50Hz 交 流 电
压过零时刻的脉
图 5 控制电路
冲，在交流电压过零时刻导通。 采用交流过零固态继电器的型号
为：GJH80－W，其控制电压为 12V（VDC），负载电压 480V（VAC），
图 4 A／D 模数转换电路
1．3 执行机构电路
传统的 SSR 控制采用移相触发电路，通过改变晶闸 管 导 通
角的大小来调节输出功率，从而达到自动控温的目的，但这种移
相方式输出一种非正弦波，并有相当大的中频干扰，从而通过电
网传输给电力系统造成“公害”。 本系统采用单片机控制的固态
继电器控温电路，其波形输出为完整的正弦波，对电阻炉这样的
Abstract The hardware is composed by AT89C51 MCU,temperature detection circuit,electric power,signal amplifier,analog－to－digital circuit,keyboard input circuit,monitor circuit and executive circuit．The signal amplifier can amplify the 0－41mV output of temperature detection circuit into 0－10V．Analog－to－digital circuit transfers the analog quantity into digital signal and send it to MCU,then processes the original value and sampling value with Dahllin algorithm,and control the solid state relay by output port to show the temperature of furnace． Keywords:AT89C51,furnace,temperature control,dahllin algorithm,simulation