Kontrol suhu presisi tinggi chip tunggal

Kontrol suhu adalah kontrol proses yang sering dijumpai dalam produksi industri. Efek kontrol suhu dari beberapa proses secara langsung mempengaruhi kualitas produk. Oleh karena itu, sangat berharga untuk merancang sistem kontrol suhu yang ideal.

1. Demonstrasi dan perbandingan skema desain sistem

    Menurut persyaratan subjek, sistem kontrol suhu ketel listrik terdiri dari modul pemrosesan inti, modul perolehan suhu, modul tampilan keyboard, dan modul eksekusi kontrol.

    Solution One menggunakan 8031 sebagai inti kontrol, dan menggunakan perangkat ADC0809 yang paling umum untuk konversi analog ke digital.Dalam kontrol, kawat resistan dinyalakan untuk memanaskannya dan kipas dihidupkan untuk mendinginkannya. Skema ini sederhana dan layak, dan harga perangkat murah, tetapi tidak ada memori program di dalam 8031, yang perlu diperluas, yang meningkatkan kompleksitas sirkuit, dan ADC0809 adalah konversi analog-ke-digital 8-bit, yang tidak dapat memenuhi persyaratan akurasi topik ini.

    Solusi kedua menggunakan AT89S51 yang lebih populer sebagai inti kontrol rangkaian, dan menggunakan konverter analog-ke-digital 12-bit AD574A untuk konversi data. Bagian rangkaian kontrol menggunakan PWM untuk mengontrol nyala dan padam thyristor untuk menerapkan kontrol kontinyu suhu boiler. Rangkaian skema ini sederhana dan dapat memenuhi keakuratan setiap persyaratan dalam pertanyaan.

    Sesuai dengan karakteristik perubahan suhu yang lambat dan akurasi kontrol yang sulit, kami merancang sistem kontrol otomatis suhu boiler listrik dengan mikrokomputer chip tunggal AT89S51 sebagai pusat deteksi dan kontrol. Kontrol suhu mengadopsi algoritma kontrol digital PID yang ditingkatkan, dan layar mengadopsi tampilan statis LED 3 digit. Desainnya memiliki struktur sederhana, algoritme kontrol baru, presisi kontrol tinggi, dan fleksibilitas yang kuat. Sistem kontrol yang dirancang memiliki fungsi-fungsi berikut:

Kisaran fluktuasi pengaturan kontrol suhu kurang dari ± 1%, akurasi pengukuran kurang dari ± 1%, akurasi kontrol kurang dari ± 2%, penyesuaian berlebihan kurang dari ± 4%;

· Realisasi kontrol dapat dipanaskan atau didinginkan;

· Tampilan waktu nyata dari nilai suhu saat ini;

· Kontrol tombol: atur tombol reset, tombol run, tombol fungsi, plus satu tombol, minus satu tombol;

· Alarm melebihi batas.

Dua desain sirkuit perangkat keras

    Rangkaian perangkat keras terutama terdiri dari dua bagian: bagian analog dan bagian digital: dari modul fungsional, dibagi menjadi: sirkuit host, sirkuit akuisisi data, sirkuit tampilan keyboard, dan sirkuit eksekusi kontrol.

1 Desain sirkuit host

    Tuan rumah memilih AT89S51 51-chip seri tunggal perusahaan ATMEL untuk mewujudkannya, memanfaatkan karakteristik fleksibilitas dan kebebasan yang besar dari pemrograman perangkat lunak chip tunggal, dan berusaha menggunakan perangkat lunak untuk menyempurnakan berbagai algoritma kontrol dan kontrol logika. Jam chip AT89S51 yang dipilih oleh sistem ini dapat mencapai 12MHz, kecepatan operasi cepat, dan fungsi kontrolnya sempurna. Ini memiliki 128 byte RAM di dalamnya, dan ROM flash 4KB di dalamnya tidak memerlukan memori ekspansi eksternal, yang membuat struktur keseluruhan sistem lebih sederhana dan lebih praktis.

Desain sirkuit perangkat keras 2 saluran I / 0

    Sejauh menyangkut sistem ini, data suhu air perlu dikumpulkan secara real time, dan kemudian diubah menjadi sinyal digital oleh A / D, dikirim ke unit tertentu dalam mikrokontroler, dan kemudian sebagiannya dikirim ke layar, bagian lain dibandingkan dengan nilai yang ditetapkan dan dikendalikan oleh algoritma PID Output dari mikrokomputer chip tunggal digunakan untuk mengontrol pemanasan atau pendinginan ketel listrik.

2.1 Desain sirkuit akuisisi data

    Rangkaian akuisisi data terutama terdiri dari AD590, 0P07, 74LS373, AD574A, dll. Karena akurasi kontrol diperlukan 0,1 derajat, dan mempertimbangkan gangguan pengukuran dan kesalahan pemrosesan data, akurasi sensor suhu dan konverter AD harus lebih tinggi untuk memastikan realisasi akurasi kontrol. Akurasi ini secara kasar dapat diatur ke 0,1 derajat. Oleh karena itu, sensor suhu harus dapat membedakan 0,1 derajat; untuk konverter AD, karena rentang pengukuran adalah 40-90 derajat, dengan 0,1 derajat sebagai persyaratan perbedaan respons AD, AD perlu membedakan (90-40) /0.1=500 angka Jelas bahwa konverter AD dengan lebih dari 10 bit diperlukan. Untuk alasan ini, AD574A 12-bit presisi tinggi dipilih.

    Untuk memenuhi persyaratan akurasi pengukuran tinggi, sensor suhu AD590 dipilih. AD590 memiliki akurasi dan pengulangan yang tinggi (pengulangan lebih baik dari 0,1 ℃, dan bentuk non-linier yang baik dapat menjamin akurasi pengukuran lebih baik dari 0,1 ℃. Gunakan Karakteristik pengulangan yang baik, melalui kompensasi non-linear, akurasi pengukuran 0,1 ℃ dapat dicapai.) Penyimpangan operasional presisi tinggi suhu ultra-rendah 0P07 memperkuat sinyal suhu-tegangan, yang nyaman untuk konversi A / D untuk meningkatkan keandalan sirkuit akuisisi suhu .

2.2 Desain sirkuit eksekutif kontrol listrik

Tungku listrik dikendalikan oleh output, dan tungku listrik dapat kira-kira ditetapkan sebagai model matematika inertial link orde pertama dengan histeresis. Bentuk fungsi transfer adalah:

    Thyristor dapat dianggap sebagai tautan linier untuk mewujudkan kontrol suhu air. Output dari mikrokomputer chip tunggal dan kekuatan tungku listrik masing-masing milik bagian yang lemah dan kuat, dan perlu diisolasi. Di sini, elemen optocoupler TLP521 digunakan untuk isolasi fotolistrik pada bagian kontrol, dan isolasi transformator digunakan untuk mewujudkan isolasi daya dari arus lemah dan kuat.

    Ketika tingkat output PWM dari mikrokomputer chip tunggal adalah 0, elemen optocoupler dihidupkan, sehingga transistor secara efektif bias dan dihidupkan. Tegangan yang melewati jembatan penyearah melewati hambatan kolektor dan bias balik emitor, dan tegangan sekitar 7V ditambahkan ke Terminal kontrol triac, sehingga thyristor dihidupkan, jalur AC terbentuk, dan tungku resistansi bekerja, sebaliknya, ketika tingkat output mikrokomputer chip tunggal adalah 0, elemen optocoupler tidak dapat dihidupkan, dan triode tidak dapat membentuk bias efektif dan terputus, yang dapat dikontrol Tegangan terminal kontrol silikon hampir nol, thyristor terputus untuk memutus jalur AC, dan tungku listrik berhenti bekerja. Selain itu, ada alarm batas-lebih.Ketika suhu lebih rendah dari batas bawah, LED menyala, ketika batas atas tinggi, bel berbunyi.

3 Desain keyboard dan tampilan

    Keyboard dirancang oleh kombinasi permintaan perangkat lunak dan gangguan eksternal, dan ini tingkat efektif rendah.

Tombol AN3 terhubung ke P3.2, menggunakan mode interupsi eksternal, dan prioritas diatur ke tertinggi; tombol AN5 dan AN4 masing-masing terhubung ke P1.7 dan P1.6, menggunakan metode permintaan perangkat lunak; AN1 adalah tombol reset perangkat keras, dan R , C merupakan rangkaian reset.

    Layar mengadopsi metode tampilan statis statis tiga digit LED, dan konten tampilan memiliki nilai puluhan, satu, dan satu desimal dari nilai suhu, sehingga hanya port P3.0 (RXD) yang dapat digunakan untuk menampilkan data tampilan, sehingga menghemat sumber daya port mikrokontroler Di bawah kendali port P1.4 dan P3.1 (TXD), tampilan statis 3 digit direalisasikan melalui 74LS164. Bagian perangkat keras dari sirkuit digital ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4 Skema diagram rangkaian perangkat keras digital

Tiga desain perangkat lunak sistem

Perangkat lunak sistem terdiri dari tiga modul: modul program utama, modul realisasi fungsi dan modul kontrol operasi.

1 modul program utama

    Dalam program utama, nilai parameter dari algoritma PID pertama kali diberikan, dan kemudian suhu saat ini ditampilkan dalam satu lingkaran, dan interupsi eksternal keyboard diatur ke prioritas tertinggi sehingga dapat menanggapi pemrosesan keyboard secara real time, perangkat lunak menetapkan timer T0 sebagai timer 5 detik, Ketika tidak ada respons keyboard, ia merespons setiap 5 detik untuk mengumpulkan sinyal suhu setelah konversi A / D, mengatur timer T1 sebagai penghentian waktu yang bersarang di T0, dan nilai awal disediakan oleh subrutin algoritma PID. Alamat awal setiap bagian dari subrutin harus dialokasikan dalam program utama, dalam bentuk sebagai berikut:

           ORG 0000H

           AJMP UTAMA

           ORG 0003H

           AJMP KE DALAM

           ORG 000BH

           AJMP TT0

           ORG 001BH

           AJMP TT1

2 Modul realisasi fungsi

    Digunakan untuk melakukan kontrol SCR dan tungku listrik. Modul realisasi fungsi terutama terdiri dari A / D konversi subroutine, subroutine pemrosesan interupsi, subroutine pemrosesan keyboard, display subroutine dan sebagainya.

2.1 T0 mengganggu subrutin

    Interupsi ini adalah interupsi timer 5s dalam mikrokontroler. Prioritas diatur ke terendah, tetapi ini adalah subrutin terpenting. Dalam respons interupsi ini, mikrokomputer chip tunggal harus menyelesaikan akuisisi dan konversi data A / D, penyaringan digital, menentukan apakah batas terlampaui, skala pemrosesan konversi, terus menampilkan suhu saat ini, dibandingkan dengan nilai yang ditetapkan, sebut subrutin algoritma PID dan output sinyal kontrol Dan fungsi lainnya

.3 T1 mengganggu subrutin

     Interupsi waktu T1 bersarang di interupsi T, dan prioritasnya lebih tinggi daripada interupsi T. Nilai awal waktunya disediakan oleh algoritma PID subrutin. Waktu respons interupsi T1 digunakan untuk mengeluarkan sinyal kontrol dari thyristor (tungku listrik).

3 Modul kontrol operasi

    Modul kontrol operasi melibatkan konversi skala, algoritma PID, dan subrutin penggandaan yang disebut oleh algoritma.

3.1 Skala konversi subrutin

    Fungsi dari subrutin ini adalah untuk mengubah sinyal suhu (00H ~ FFH) menjadi nilai suhu yang sesuai untuk tampilan atau perbandingan dengan nilai yang diatur dalam dimensi yang sama. Formula transformasi skala linier yang digunakan adalah:

Dalam rumus, Ax: nilai suhu terukur aktual; Nx: suhu setelah konversi A / D;

Am = 90; Ao = 40; Nm = FEH; No = 01H;

    Operasi chip tunggal mengadopsi perhitungan titik tetap, dan menggunakan program untuk koreksi di zona suhu tinggi dan zona suhu rendah masing-masing.Nilai terukur termometer dan tampilan LED ditunjukkan pada Gambar 7.

3.2 Subrutin algoritma PID

    Kontrol algoritme sistem mengadopsi kontrol digital PID tipe-posisi yang biasa digunakan dalam industri, dan menggabungkan sistem spesifik untuk meningkatkan algoritme, membentuk algoritma kontrol identifikasi otomatis yang menggabungkan kecepatan variabel integral PID-integral pemisahan kontrol PID. Metode ini tidak hanya sangat mengurangi overshoot (lihat Gambar 9), tetapi juga secara efektif mengatasi efek saturasi integral, sangat meningkatkan akurasi kontrol. Flowchart dari algoritma kontrol PID ditunjukkan pada Gambar 8.

e (k) ≥ε menggunakan algoritma PD;

e (k) <ε menggunakan algoritma PID integral kecepatan variabel.

Hanya kurva hasil kontrol dari algoritma ini yang diberikan di sini (lihat Gambar 9 di bawah).

Gambar 9 Kurva kontrol suhu

Program empat sumber

Implementasi perangkat lunak dari program desain ini sepenuhnya menggunakan bahasa assembler. Kode sumber tertentu dihilangkan.

Lima hasil analisis

    Artikel ini mengusulkan skema desain berdasarkan pada chip tunggal AT89S51 untuk model sistem kontrol suhu boiler pemanas listrik. Algoritma PID digunakan dalam desain untuk memperbarui tetapan waktu T1, dan output PWM mengontrol on dan off thyristor, sehingga mencapai kontrol suhu terus menerus. Hasil desain dapat dilihat dari Gambar 7 dan Gambar 9: Kontroler yang dirancang dalam desain ini bekerja secara stabil, memiliki akurasi kontrol yang tinggi, dan algoritma PID yang ditingkatkan sangat mengurangi overshoot, perangkat lunak ini mengadopsi struktur modular, yang meningkatkan fleksibilitas. Tujuan dari desain ini tidak hanya kontrol suhu itu sendiri, tetapi terutama memberikan gagasan tentang rangkaian periferal mikrokontroler dan perangkat lunak termasuk desain algoritma kontrol. Harus dikatakan bahwa ide ini lebih penting daripada sistem kontrol itu sendiri.