基于C8051F的高精度溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)高正中1,劉隆吉1,苑紅波2(1.山東科技大學(xué),山東青島266510;2.濟(jì)寧金威熱電有限公司,山東濟(jì)寧272350摘要:介紹了一種利用高速單片機(jī)C8051F021組成的高精度溫度控制系統(tǒng),闡述了系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)利用電橋采樣溫度值,使用PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制,輸出脈沖調(diào)制波,經(jīng)濾波后轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)控制晶閘管調(diào)溫模塊,達(dá)到精確調(diào)節(jié)溫度的目的。實(shí)際應(yīng)用表明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、控制精度高、實(shí)用性強(qiáng)。關(guān)鍵詞:C8051F;溫度控制;PWM;PID中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1003-0794(200809-0033-03DesignofHighPrecisionTemperatureControlSystemBasedonC8051FGAOZheng-zhong1,LIULong-ji1,YUANHong-bo2(1.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266510,China;2.JiningJinweiPowerThermoelectricityCO.,LTD.,Jining272350,ChinaAbstract:Introducedahighprecisiontemperaturecontrolsystemwhichisconstitutedbyahighspeedmicro-chipC8051F021,describedtheprincipleandthedesignofthissystem.Thesystemsamplestemperaturewithelectricalbridge,implementsadigitalPIDfeedbackcontrol,outputPWMwaveforms,andchangesintocurrenttocontroltheSCR,sothatitcanadjustthetemperature.Thepracticalapplicationindicatesthatthesystemissimple,reliableperformance,highprecisionandpracticable.Keywords:C8051F;temperaturecontrol;PWM;PID0引言溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制,尤其在一些特殊的計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中,對(duì)溫度測(cè)量的精度要求非常高。本測(cè)控系統(tǒng)測(cè)溫范圍在-20~100,測(cè)溫精度要求優(yōu)于005,因此設(shè)計(jì)一個(gè)由高速單片機(jī)控制的高精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且成本低的溫度控制系統(tǒng)有著重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理該溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過基于恒流源的鉑電阻橋式測(cè)溫電路測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度值,其輸出電壓范圍為0~1V。考慮到圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度以及穩(wěn)定性的要求,采用CS5532對(duì)此模擬電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,可得到24位分辨率的輸出結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)控制的高精度并充分利用C8051F021單片機(jī)的片上資源,將PID控制的輸出進(jìn)行換算后,以16位PWM波的形式輸出。雖然4結(jié)語通過使用紅外線距離傳感器,使機(jī)器人的自動(dòng)化水平提高了,同時(shí)利用絲杠傳動(dòng)、電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)提高了機(jī)器人的靈敏度與精度。通過計(jì)算機(jī)仿真:(1直觀驗(yàn)證了噴漿口的運(yùn)動(dòng)軌跡;(2由圖4、圖5、圖6可以看出,前10s調(diào)整初始姿態(tài)的時(shí)候其X、Y、Z方向的速度沒有突變,加速度在允許的范圍內(nèi),不存在較大的沖擊,機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定;在22s、34s、46s的時(shí)候,即機(jī)器人小臂運(yùn)動(dòng)到2個(gè)極限位置的時(shí)候,加速度有突變,機(jī)器人不太穩(wěn)定,且噴漿不太均勻;(3得到了一些重要的數(shù)據(jù),為今后機(jī)器人的改進(jìn)提供了重要的依據(jù);(4極大提高了設(shè)計(jì)效率。參考文獻(xiàn):[J].礦山機(jī)械,1994(12.計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真[J].礦山機(jī)械,1998(11.[3]謝存禧,張鐵.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.作者簡(jiǎn)介:雒有成(1965-,河南鞏義人,講師,現(xiàn)在河南工程技術(shù)學(xué)校從事機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)工作.收稿日期:2008-04-08第29卷第9期2008年9月煤礦機(jī)械CoalMineMachineryVol29No9C8051F021單片機(jī)內(nèi)部集成了DAC子系統(tǒng),但只有12位的分辨率,為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度,在本系統(tǒng)中采用以PWM形式輸出控制信號(hào),然后通過濾波、變換后控制晶閘管的導(dǎo)通角。系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。圖2系統(tǒng)控制原理圖本系統(tǒng)具有了良好的人機(jī)對(duì)話功能,以AMT9532四線電阻式觸摸屏與單片機(jī)接口,通過觸摸屏對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(1溫度采集與AD轉(zhuǎn)換在熱電阻溫度傳感器中,鉑電阻具有精度高、性能穩(wěn)定、耐腐蝕及使用方便等優(yōu)點(diǎn),是工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)廣泛使用的一種理想的測(cè)溫元件。在本系統(tǒng)中測(cè)溫范圍在-20~100,選用溫度傳感器Pt1000,其阻值隨著溫度的改變按一定規(guī)律變化,精度、穩(wěn)定性均較優(yōu)。在以鉑電阻作為溫度傳感器的檢測(cè)電路,典型的測(cè)量方式是采用不平衡電橋測(cè)量。但是,鉑電阻阻值與溫度之間的非線性以及不平衡電橋的非線性導(dǎo)致測(cè)量存在一定的誤差,為此,在本系統(tǒng)中對(duì)橋式測(cè)溫電路進(jìn)行了改進(jìn),電橋采用恒流源供電,兩橋臂通過低噪聲、低溫度漂移的精密運(yùn)算放大器連接,使流過鉑電阻的電流恒定且等于恒流源的電流。CS5532為2路模擬量輸入,串行數(shù)據(jù)輸出的24位AD轉(zhuǎn)換器,由多路開關(guān)、可編程增益放大器、程控多階數(shù)字濾波器以及串口、時(shí)鐘發(fā)生器、校準(zhǔn)控制系統(tǒng)和輸出鎖存等組成。圖3為由CS5532組成的模擬量采集通道電路圖。圖3基于CS5532的溫度控制電路圖(2C8051F片上資源C8051Fxxx系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC,具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了包括AD轉(zhuǎn)換器、UART、定時(shí)器等構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。本系統(tǒng)采用C8051F021作為控制器,進(jìn)行通訊、數(shù)據(jù)處理以及控制輸出。下面對(duì)本系統(tǒng)中用到的功能部件及應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹:C8051F021MCU中有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器定時(shí)器陣列(PCA。PCA包括一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器定時(shí)器時(shí)間基準(zhǔn)和5個(gè)可編程的捕捉比較模塊。時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)鐘可以是系統(tǒng)時(shí)鐘12、系統(tǒng)時(shí)鐘4、定時(shí)器0溢出等6個(gè)時(shí)鐘源之一。每個(gè)捕捉比較模塊有6種工作方式,本系統(tǒng)采用16位脈沖寬度調(diào)制器方式,即系統(tǒng)可以通過PCA產(chǎn)生16位PWM直接輸出至MCU的端口IO引腳。串行外設(shè)接口(SPI0提供訪問一個(gè)4線、全雙工串行總線的能力。SPI0支持在同一總線上將多個(gè)從器件連接到一個(gè)主器件。當(dāng)SPI被配置成主器件時(shí),最大數(shù)據(jù)傳輸率(位s是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的12。本系統(tǒng)中C8051F021為主器件,CS5532和ADS7843均為從器件,通過串行外設(shè)接口分時(shí)與MCU通訊。(3濾波、轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)到模擬量輸出的轉(zhuǎn)換,在本系統(tǒng)中采用二階低通濾波器濾掉高頻成分,保留直流分量,通過改變PWM信號(hào)的占空比即可得到不同電壓的輸出。PWM信號(hào)通過濾波后產(chǎn)生0~25V的電壓,而晶閘管模塊的控制端接入的是4~20mA的電流,因此需要連接電壓電流轉(zhuǎn)換電路,如圖4所示。至此,系統(tǒng)就可以完成由PWM信號(hào)控制晶閘管的導(dǎo)通角,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度的高精度控制。圖44~20mA電流輸出(4觸摸屏控制將觸摸屏引入本系統(tǒng)中可以直接在顯示屏上輸入控制信息,使系統(tǒng)的人機(jī)界面更加友好,操作快捷、方便。本系統(tǒng)選用AMT9532四線電阻式觸摸屏,通過專用控制芯片ADS7843與單片機(jī)接口,對(duì)觸摸信號(hào)進(jìn)行分析、處理。ADS7843是一個(gè)內(nèi)置12位AD轉(zhuǎn)換,低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)的串行接口芯片。模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍為0~4095,工作電壓為27~5V,參考電壓Vref為1V~+Vcc,轉(zhuǎn)換電壓的輸入范圍是0~Vref,最高轉(zhuǎn)換速率為125kHz。可見,ADS7843是一款低功耗、高速率、高精度的接口芯片。在本系統(tǒng)中應(yīng)用電路如圖5所示。圖5ADS7843在本系統(tǒng)中的應(yīng)用3PID控制算法在本溫度控制中采用了PID控制算法,即比例、積分、微分控制,是工業(yè)過程控制中應(yīng)用廣泛的一種基本控制方法。增量式PID控制算法為uk-uk-1=KP(ek-ek-1+KIek+KD(ek-2ek-1+ek-2但是直接采用此算法,在系統(tǒng)啟動(dòng)、停止或大幅調(diào)節(jié)時(shí),容易產(chǎn)生很大的超調(diào)量,引起積分飽和,因此對(duì)PID進(jìn)行改進(jìn),采用積分分離法,可以抑制這一現(xiàn)象。積分分離式PID算法框圖如圖6所示。圖6積分分離式PID算法框圖4結(jié)語通過C8051F021片內(nèi)的PWM輸出,再加上簡(jiǎn)單的濾波、轉(zhuǎn)換電路及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)16位的DA轉(zhuǎn)換,從而得到穩(wěn)定、精確的模擬量輸出。實(shí)際應(yīng)用表明,此溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、功能強(qiáng)、簡(jiǎn)單靈活、節(jié)約成本、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),完全滿足于工業(yè)場(chǎng)合較高的精度要求。參考文獻(xiàn):[1]張靖,劉少強(qiáng).檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:中國電力出版社,2002.[2]李兆軍,紀(jì)平,婁曉光.高精度溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2007,30(2:146-148.[3]潘琢金,施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.[4]夏大勇,周曉輝,趙增,等.MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2007(1:43.[5]翟霄翔,郝久玉,鄭軍.電阻式觸摸屏在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù),2006,29(2:36-37.[6]張占軍,林小玲.磁懸浮系統(tǒng)控制器的分析設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程,2007,24(1:19-21.作者簡(jiǎn)介:高正中(1971-,山東汶上人,講師,畢業(yè)于山東科技大學(xué),研究方向?yàn)橹悄軆x器、儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù).收稿日期:2008-04-26本刊聲明煤礦機(jī)械雜志連續(xù)4次被認(rèn)定為中文核心期刊,黑龍江省優(yōu)秀期刊,列入劍橋科學(xué)文摘、文摘雜志來源期刊。本刊已加入中國期刊網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)網(wǎng)和重慶維普網(wǎng),作者稿酬由本雜志社一次付清。本雜志社屬自負(fù)盈虧單位,在本刊發(fā)表文章收發(fā)表費(fèi),同時(shí)也付給作者稿酬,如有不同意上面所述者,請(qǐng)來函說明,本雜志社將做適當(dāng)處理。投稿必須通過電子信箱發(fā)來,投稿只能用Word排雙欄版并請(qǐng)仔細(xì)閱讀,字?jǐn)?shù)在3000~5000字為宜。投稿之前,請(qǐng)查看mk