Kiểm soát nhiệt độ chính xác cao đơn chip

Kiểm soát nhiệt độ là kiểm soát quá trình thường gặp trong sản xuất công nghiệp. Hiệu ứng kiểm soát nhiệt độ của một số quy trình ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Do đó, rất có giá trị khi thiết kế một hệ thống kiểm soát nhiệt độ lý tưởng.

1. Trình diễn và so sánh các sơ đồ thiết kế hệ thống

    Theo yêu cầu của đối tượng, hệ thống điều khiển nhiệt độ nồi hơi điện bao gồm một mô đun xử lý lõi, mô đun thu nhiệt độ, mô đun hiển thị bàn phím và mô đun thực hiện điều khiển.

    Solution One sử dụng 8031 làm lõi điều khiển và sử dụng thiết bị phổ biến nhất ADC0809 để chuyển đổi tương tự sang số. Trong điều khiển, dây điện trở được bật để làm nóng nó và quạt được bật để làm mát. Sơ đồ này đơn giản và khả thi, giá của thiết bị rẻ, nhưng không có bộ nhớ chương trình bên trong 8031, cần được mở rộng, làm tăng độ phức tạp của mạch và ADC0809 là một chuyển đổi tương tự sang số 8 bit, không thể đáp ứng các yêu cầu chính xác của chủ đề này.

    Giải pháp thứ hai sử dụng AT89S51 phổ biến hơn làm lõi điều khiển của mạch và sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang số kỹ thuật số chính xác cao 12 bit AD574A để chuyển đổi dữ liệu. Phần mạch điều khiển sử dụng PWM để điều khiển bật và tắt nhiệt độ của nồi hơi. Mạch của sơ đồ là đơn giản và có thể đáp ứng độ chính xác của từng yêu cầu trong câu hỏi.

    Theo đặc điểm của thay đổi nhiệt độ chậm và độ chính xác điều khiển khó khăn, chúng tôi đã thiết kế một hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ nồi hơi điện với máy vi tính đơn chip AT89S51 làm trung tâm phát hiện và điều khiển. Điều khiển nhiệt độ áp dụng thuật toán điều khiển kỹ thuật số PID cải tiến và màn hình hiển thị màn hình tĩnh LED 3 chữ số. Thiết kế có cấu trúc đơn giản, thuật toán điều khiển mới lạ, độ chính xác điều khiển cao và tính linh hoạt mạnh mẽ. Hệ thống điều khiển được thiết kế có các chức năng sau:

Phạm vi dao động cài đặt điều khiển nhiệt độ nhỏ hơn ± 1%, độ chính xác của phép đo nhỏ hơn ± 1%, độ chính xác của điều khiển nhỏ hơn ± 2%, điều chỉnh quá mức nhỏ hơn ± 4%;

· Thực hiện kiểm soát có thể được làm nóng hoặc làm mát;

· Hiển thị thời gian thực của giá trị nhiệt độ hiện tại;

· Điều khiển nút: đặt nút đặt lại, nút chạy, nút chuyển đổi chức năng, cộng với một nút, trừ một nút;

· Báo động quá giới hạn.

Thiết kế hai phần cứng

    Mạch phần cứng chủ yếu bao gồm hai phần: phần tương tự và phần kỹ thuật số: từ mô đun chức năng, được chia thành: mạch chủ, mạch thu thập dữ liệu, mạch hiển thị bàn phím và mạch thực hiện điều khiển.

1 Thiết kế mạch chủ

    Chủ nhà chọn AT89S51 chip đơn 51 series của ATMEL để nhận ra điều đó, sử dụng các đặc điểm của mức độ tự do linh hoạt và lớn của lập trình phần mềm đơn chip, và cố gắng sử dụng phần mềm để hoàn thiện các thuật toán điều khiển và điều khiển logic khác nhau. Đồng hồ của chip AT89S51 được lựa chọn bởi hệ thống này có thể đạt 12 MHz, tốc độ hoạt động nhanh và chức năng điều khiển hoàn hảo. Nó có 128 byte RAM bên trong và ROM flash 4KB bên trong không yêu cầu bộ nhớ mở rộng bên ngoài, điều này làm cho cấu trúc tổng thể của hệ thống đơn giản và thiết thực hơn.

Thiết kế mạch phần cứng 2 kênh I / 0

    Theo như hệ thống này, dữ liệu nhiệt độ nước cần được thu thập trong thời gian thực, sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu số bằng A / D, được gửi đến một đơn vị cụ thể trong vi điều khiển và sau đó một phần của nó được gửi đến màn hình; phần khác được so sánh với giá trị đặt và được điều khiển bởi thuật toán PID Đầu ra của máy vi tính đơn chip được sử dụng để điều khiển quá trình làm nóng hoặc làm mát nồi hơi điện.

2.1 Thiết kế mạch thu thập dữ liệu

    Mạch thu thập dữ liệu chủ yếu bao gồm AD590, 0P07, 74LS373, AD574A, v.v. Do độ chính xác của điều khiển được yêu cầu là 0,1 độ và xem xét các lỗi đo nhiễu và xử lý dữ liệu, độ chính xác của cảm biến nhiệt độ và bộ chuyển đổi AD phải cao hơn để đảm bảo độ chính xác của điều khiển. Độ chính xác này có thể được đặt ở mức 0,1 độ. Do đó, cảm biến nhiệt độ cần có khả năng phân biệt 0,1 độ, đối với bộ chuyển đổi AD, vì phạm vi đo là 40-90 độ, với 0,1 độ là yêu cầu phân biệt AD đáp ứng, AD cần phân biệt (90-40) /0.1=500 chữ số Rõ ràng là một bộ chuyển đổi AD có hơn 10 bit là bắt buộc. Vì lý do này, AD574A 12 bit có độ chính xác cao được chọn.

    Để đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác của phép đo cao, cảm biến nhiệt độ AD590 được chọn. AD590 có độ chính xác và độ lặp lại cao (độ lặp lại tốt hơn 0,1oC và hình dạng phi tuyến tính tốt của nó có thể đảm bảo độ chính xác của phép đo tốt hơn 0,1oC. Đặc tính của độ lặp lại tốt, thông qua bù phi tuyến tính, có thể đạt được độ chính xác của phép đo 0,1oC.) Bộ khuếch đại hoạt động độ chính xác cao độ trôi cực thấp 0P07 khuếch đại tín hiệu điện áp nhiệt độ, thuận tiện cho chuyển đổi A / D để cải thiện độ tin cậy của mạch thu nhiệt độ .

2.2 Thiết kế mạch điều khiển điện

Lò điện được điều khiển bởi đầu ra, và lò điện có thể được thiết lập xấp xỉ như một mô hình toán học liên kết quán tính bậc nhất với độ trễ. Biểu mẫu hàm truyền là:

    Thyristor có thể được coi là một liên kết tuyến tính để thực hiện kiểm soát nhiệt độ nước. Đầu ra của máy vi tính đơn chip và công suất của lò điện lần lượt thuộc về các bộ phận yếu và mạnh, và cần phải cách ly. Ở đây, phần tử quang điện TLP521 được sử dụng để cách ly quang điện trong phần điều khiển và cách ly máy biến áp được sử dụng để nhận ra sự cách ly công suất của dòng điện yếu và mạnh.

    Khi mức đầu ra PWM của máy vi tính chip đơn là 0, phần tử opt optpler được bật, để bóng bán dẫn được phân cực và bật một cách hiệu quả. Điện áp đi qua cầu chỉnh lưu đi qua điện trở của bộ thu và độ lệch ngược của bộ phát, và điện áp khoảng 7V được thêm vào Thiết bị đầu cuối điều khiển Triac, để thyristor được bật, đường dẫn AC được hình thành và lò điện trở hoạt động, ngược lại, khi mức đầu ra của máy vi tính chip đơn là 0, phần tử opt optpler không thể được bật và có thể điều khiển ba cực Điện áp của thiết bị đầu cuối điều khiển silicon gần như bằng không, thyristor bị cắt để cắt đường AC và lò điện ngừng hoạt động. Ngoài ra, có các báo động quá giới hạn. Khi nhiệt độ thấp hơn giới hạn dưới, đèn LED sẽ sáng lên, khi giới hạn trên cao, tiếng chuông kêu.

3 Thiết kế bàn phím và màn hình

    Bàn phím được thiết kế bởi sự kết hợp giữa truy vấn phần mềm và gián đoạn bên ngoài, và nó có hiệu quả ở mức độ thấp.

Nút AN3 được kết nối với P3.2, sử dụng chế độ ngắt ngoài và mức ưu tiên được đặt ở mức cao nhất, các nút AN5 và AN4 được kết nối tương ứng với P1.7 và P1.6, sử dụng phương thức truy vấn phần mềm, AN1 là nút đặt lại phần cứng và R , C tạo thành một mạch thiết lập lại.

    Màn hình áp dụng phương pháp hiển thị tĩnh LED anode chung gồm ba chữ số và nội dung hiển thị có hàng chục, một và một vị trí thập phân của giá trị nhiệt độ, do đó chỉ có thể sử dụng cổng P3.0 (RXD) để xuất dữ liệu hiển thị, do đó tiết kiệm tài nguyên cổng của vi điều khiển , Dưới sự kiểm soát của cổng P1.4 và P3.1 (TXD), màn hình tĩnh 3 chữ số được thực hiện thông qua 74LS164. Phần cứng của mạch kỹ thuật số được hiển thị trong Hình 4.

Hình 4 Sơ đồ mạch phần cứng kỹ thuật số

Thiết kế phần mềm ba hệ thống

Phần mềm của hệ thống bao gồm ba mô-đun: mô-đun chương trình chính, mô-đun thực hiện chức năng và mô-đun điều khiển hoạt động.

1 mô-đun chương trình chính

    Trong chương trình chính, giá trị tham số của thuật toán PID được đưa ra trước tiên và sau đó nhiệt độ hiện tại được hiển thị trong một vòng lặp và ngắt bên ngoài bàn phím được đặt ở mức ưu tiên cao nhất để có thể đáp ứng xử lý bàn phím trong thời gian thực, phần mềm đặt bộ hẹn giờ T0 thành bộ định thời 5 giây, Khi không có phản hồi bàn phím, cứ sau 5 giây, nó sẽ phản hồi để thu tín hiệu nhiệt độ sau khi chuyển đổi A / D, đặt bộ định thời T1 làm ngắt thời gian được lồng trong T0 và giá trị ban đầu được cung cấp bởi chương trình con thuật toán PID. Địa chỉ bắt đầu của từng phần của chương trình con phải được phân bổ trong chương trình chính, theo mẫu như sau:

           ORG 0000H

           AJMP CHÍNH

           ORG 0003H

           AJMP VÀO

           ORG 000BH

           AJMP TT0

           ORG 001BH

           AJMP TT1

2 Module thực hiện chức năng

    Được sử dụng để thực hiện điều khiển SCR và lò điện. Mô đun thực hiện chức năng chủ yếu bao gồm chương trình con chuyển đổi A / D, chương trình con xử lý ngắt, chương trình con xử lý bàn phím, chương trình con hiển thị, v.v.

Chương trình con ngắt 2.1 T0

    Ngắt này là ngắt bộ định thời 5s trong vi điều khiển. Ưu tiên được đặt ở mức thấp nhất, nhưng nó là chương trình con quan trọng nhất. Trong phản ứng ngắt này, máy vi tính chip đơn phải hoàn thành thu thập và chuyển đổi dữ liệu A / D, lọc kỹ thuật số, xác định xem có vượt quá giới hạn hay không, xử lý chuyển đổi tỷ lệ, tiếp tục hiển thị nhiệt độ hiện tại, so sánh với giá trị đã đặt, gọi chương trình con thuật toán PID và xuất tín hiệu điều khiển Và các chức năng khác

.3 Chương trình con ngắt T1

     Ngắt thời gian T1 được lồng trong ngắt T và mức ưu tiên cao hơn ngắt T. Giá trị ban đầu thời gian của nó được cung cấp bởi chương trình con thuật toán PID. Thời gian đáp ứng ngắt T1 được sử dụng để xuất tín hiệu điều khiển của thyristor (lò điện). Hay nói, là một tài tài của, qua, qua, qua một tài khác, qua giữ, qua một tài khác

3 Module điều khiển vận hành

    Mô-đun điều khiển hoạt động bao gồm chuyển đổi tỷ lệ, thuật toán PID và chương trình con nhân được gọi bởi thuật toán.

3.1 Chương trình con chuyển đổi quy mô

    Chức năng của chương trình con này là chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ (00H ~ FFH) thành giá trị nhiệt độ tương ứng để hiển thị hoặc so sánh với giá trị đặt trong cùng một chiều. Công thức biến đổi quy mô tuyến tính được sử dụng là:

Trong công thức, Ax: giá trị nhiệt độ đo thực tế; Nx: nhiệt độ sau khi chuyển đổi A / D;

Am = 90; Ao = 40; Nm = FEH; Không = 01H;

    Hoạt động đơn chip áp dụng tính toán điểm cố định và sử dụng các chương trình để hiệu chỉnh ở vùng nhiệt độ cao và vùng nhiệt độ thấp tương ứng. Giá trị đo của nhiệt kế và màn hình LED được hiển thị trong Hình 7.

3.2 Chương trình con thuật toán PID

    Điều khiển thuật toán hệ thống áp dụng điều khiển kỹ thuật số PID loại vị trí thường được sử dụng trong ngành và kết hợp hệ thống cụ thể để cải thiện thuật toán, tạo thành thuật toán điều khiển nhận dạng tự động kết hợp điều khiển PID tách rời tách rời tích phân tốc độ biến đổi. Phương pháp này không chỉ làm giảm đáng kể độ vọt lố (xem Hình 9), mà còn khắc phục hiệu quả hiệu quả bão hòa tích phân, cải thiện đáng kể độ chính xác của điều khiển. Lưu đồ của thuật toán điều khiển PID được hiển thị trong Hình 8.

e (k) sử dụng thuật toán PD;

e (k) <ε sử dụng thuật toán tích phân PID tốc độ biến.

Chỉ đường cong kết quả điều khiển của thuật toán này được đưa ra ở đây (xem Hình 9 bên dưới).

Hình 9 Đường cong kiểm soát nhiệt độ

Chương trình bốn nguồn

Phần mềm thực hiện chương trình thiết kế này hoàn toàn sử dụng ngôn ngữ hợp ngữ. Mã nguồn cụ thể được bỏ qua.

Phân tích năm kết quả

    Bài viết này đề xuất một sơ đồ thiết kế dựa trên AT89S51 đơn chip cho mô hình hệ thống kiểm soát nhiệt độ của nồi hơi sưởi điện. Thuật toán PID được sử dụng trong thiết kế để cập nhật hằng số thời gian của T1 và đầu ra PWM điều khiển bật và tắt thyristor, để đạt được điều khiển nhiệt độ liên tục. Các kết quả thiết kế có thể được nhìn thấy từ Hình 7 và Hình 9: Bộ điều khiển được thiết kế trong thiết kế này hoạt động ổn định, có độ chính xác điều khiển cao và thuật toán PID cải tiến giúp giảm đáng kể độ vọt lố; phần mềm áp dụng cấu trúc mô đun, giúp cải thiện tính linh hoạt. Mục đích của thiết kế này không chỉ là kiểm soát nhiệt độ mà chủ yếu cung cấp ý tưởng về mạch ngoại vi vi điều khiển và phần mềm bao gồm thiết kế thuật toán điều khiển. Cần phải nói rằng ý tưởng này quan trọng hơn chính hệ thống điều khiển.