固態(tài)繼電器在PIC單片機(jī)控制的多回路溫度檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

1.引言

對(duì)于塑料制瓶工藝, 塑料加熱處于溶融狀態(tài), 經(jīng)高壓注射成為管胚, 短時(shí)間冷卻以后, 經(jīng)過高壓空氣的吹脹, 在制瓶模具中成型。其工藝特點(diǎn)之一是: 溶融狀態(tài)下的塑料定時(shí)流動(dòng); 成為管胚之后, 將與外部空氣接觸 2 秒鐘時(shí)間左右, 產(chǎn)品質(zhì)量不可避免地受到環(huán)境溫度的影響。 制瓶工藝要求在不同的制瓶過程中, 恒定在不同的溫度下, 其溫度控制是制瓶的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前這種設(shè)備的溫度控制裝置通常采用單回路的通用溫度控制儀表, 溫度控制無法與工藝過程直接產(chǎn)生聯(lián)系, 使得溫度控制達(dá)不到最優(yōu)狀態(tài), 而且受到環(huán)境溫度的影響, 必須隨環(huán)境溫度的變化調(diào)整溫度控制參數(shù), 否則產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。另一方面, 單回路的通用溫度控制儀表價(jià)格也比較高, 且多采用線性模型及PID控制等經(jīng)典控制方法往往很難達(dá)到理想的控制效果, 而采用模糊控制, 它具有不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型, 魯棒性強(qiáng), 算法簡單容易實(shí)現(xiàn)。因此, 我們研制了采用 PIC16F877 單片機(jī)進(jìn)行控制的低成本、 高性能、與工藝過程直接產(chǎn)生聯(lián)系的, 不受環(huán)境溫度影響的折疊開放式多回路溫度控制裝置。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件系統(tǒng)的構(gòu)成

本系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為 8 個(gè)溫度檢測回路, 每一個(gè)回路將熱電偶產(chǎn)生的對(duì)溫度的微弱信號(hào), 經(jīng)過溫度變送單元轉(zhuǎn)換成 0~5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),送入 PIC單片機(jī)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換后作為模糊控制的輸入, PIC單片機(jī)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)通過模糊控制計(jì)算出控制輸出量, 轉(zhuǎn)化為 PWM信號(hào)的占空比, 由 RD口引腳輸出相應(yīng)的高低電平控制固態(tài)繼電器的動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度的控制, 并通過 C8051F020 單片機(jī)控制 SED1335, 從而控制液晶顯示器對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示。對(duì)于多回路溫度檢測系統(tǒng)的硬件配置, 本設(shè)計(jì)采用折疊開放式結(jié)構(gòu)能夠保證溫度控制回路配置的靈活性和低成本。 系統(tǒng)硬件框圖如圖 1 所示。 整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、 主控模塊、 控制量輸出模塊和人機(jī)通訊模塊四部分組成。

2.2 硬件的模塊化設(shè)計(jì)
2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計(jì)的 8 路溫度檢測電路選用現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中使用極為廣泛的熱電偶為溫敏元件進(jìn)行溫度的測量, 根據(jù)熱電偶的測溫原理及其特點(diǎn), 為了使環(huán)境溫度的變化不會(huì)影響溫度檢測和控制效果, 在整個(gè)制瓶工藝過程中采用了多點(diǎn)多回路檢測和非常實(shí)用的冷端溫度補(bǔ)償電路, 使輸出接近線性化, 在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)該電路的熱電動(dòng)勢與被測溫度基本上成單值函數(shù)關(guān)系。熱電偶經(jīng)過冷端溫度補(bǔ)償后,輸出得到很微弱的模擬信號(hào), 經(jīng)過放大才適合 PIC16F877 單片機(jī)集成的 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào), 并轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)溫度值。

2.2.2 主控制模塊
本系統(tǒng)的控制核心是 PIC單片機(jī)。PIC單片機(jī)是近幾年出現(xiàn)的一種新型的采用 CMOS工藝的 8 位單片機(jī), 所選用的 PIC16F877 單片機(jī)

[1]的內(nèi)部集成有 8 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器, 內(nèi)置 8k× 14 位的 Flash 程序存儲(chǔ)器, 可多次修改程序, 便于系統(tǒng)升級(jí)。 以 PIC16F877 為核心的溫度控制裝置, 無須擴(kuò)展 I/O芯片和 A/D 轉(zhuǎn)換器, 大大地提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性, 并通過通訊口實(shí)現(xiàn)與其它單片機(jī)的通訊, 從而獲得工藝過程的數(shù)據(jù)參數(shù), 使得溫度控制與工藝過程發(fā)生直接聯(lián)系, 提高溫度控制的精度和產(chǎn)品的質(zhì)量。而模糊控制的運(yùn)用可以避免控制對(duì)象

傳遞函數(shù)的不精確性和非線性所帶來的誤差, 提高溫度控制的精度。由于系統(tǒng)具有大慣性的特點(diǎn)(需要有熱傳導(dǎo)和熱平衡的過程) , 為了提高系統(tǒng)的快速性和模糊控制的精度, 具體控制算法采用了分段控制的方法, 即在對(duì)被控對(duì)象的溫度特性有一定的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)并進(jìn)行粗略的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 把溫度控制過程劃分為前段和后段分別進(jìn)行處理, 在此不作贅述。PIC單片機(jī)作為控制核心與其余各模塊相連接, 處理各種數(shù)據(jù), 發(fā)出各種控制信號(hào)。

2.2.3 控制量輸出模塊

本設(shè)計(jì)輸出模塊是通過 PIC16F877 單片機(jī) RD 口輸出主控模塊的決策信號(hào), 控制對(duì)應(yīng)固態(tài)繼電器(簡稱SSR)的通斷來達(dá)到控制加熱器工作的目的。選用固態(tài)繼電器而沒有使用普通的繼電器與其良好的特性是密切相關(guān)的, 且其價(jià)格并不貴。它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)點(diǎn)接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點(diǎn)開關(guān)器件, 單相SSR 為四端有源器件, 其中兩個(gè)輸入控制端, 兩個(gè)輸出端, 輸入輸出之間光電隔離, 輸入端加上直流或脈沖信號(hào)到一定電流值后, 輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。具體地說, 就是將每隔一定時(shí)間采樣進(jìn)來的信號(hào)經(jīng)過A/D處理并通過模糊控制計(jì)算出控制輸出量, 轉(zhuǎn)化為 PWM信號(hào)的占空比, 由 RD引腳輸出相應(yīng)的高低電平控制固態(tài)繼電器, 如果所測得的溫度值比給定溫度值小, 那么固態(tài)繼電器轉(zhuǎn)變成通態(tài)進(jìn)行加熱升溫處理, 反之則轉(zhuǎn)變成斷態(tài)暫停加熱。

2.2.4 人機(jī)通訊模塊
在溫度檢測系統(tǒng)中, 常常需要設(shè)計(jì)良好的人機(jī)交換界面。設(shè)計(jì)者可以在人機(jī)交換界面中獲得必要的信息, 同時(shí)要把自己想要達(dá)到的目的(即把溫度控制在設(shè)定溫度值)直觀地顯示出來。為此, 我們將檢測所得數(shù)據(jù)和設(shè)定溫度值向 C8051F020 單片機(jī)傳輸并通過點(diǎn)陣液晶顯示器( LCD)顯示。

要使 PIC16F877 單片機(jī)與 C8051F020 單片機(jī)[3]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸, 則必須在它們之間建立準(zhǔn)確的通訊。由于它們在選擇晶體振蕩器時(shí)各不一樣, 因此在計(jì)算系統(tǒng)異步串行通訊波特率時(shí), 由于存在不同的波特率誤差, 往往導(dǎo)致通訊失敗。研究表明[4], 應(yīng)用軟件插值, 調(diào)整串口波特率, 并降低波特率誤差, 可以保證通訊的準(zhǔn)確性; 本設(shè)計(jì)中采用的液晶顯示技術(shù)在實(shí)際生活中得到了廣泛應(yīng)用。 液晶顯示模塊以其微功耗、 體積小、 顯示內(nèi)容豐富、 模塊化以及接口電路簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)在科研、 生產(chǎn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。我們選用 SED1335 作為液晶顯示器控制器。根據(jù)C8051F020 單片機(jī)和 SED1335 的性能特點(diǎn), 直接通過 C8051F020 單片機(jī) I/O 口控制SED1335[6], 從而達(dá)到控制液晶顯示器顯示檢測數(shù)據(jù)的目的; 對(duì)于系統(tǒng)允許測控的最大、 最小和最終需要達(dá)到的溫度值以及翻頁、 跳轉(zhuǎn)(浮動(dòng)光標(biāo))功能都通過鍵盤的操作來實(shí)現(xiàn)。

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì), 分別由主程序、 初始化子程序、 顯示子程序、 鍵處理子程序、 AD轉(zhuǎn)換子程序等模塊構(gòu)成。 主程序主要包括鍵掃描、 顯示和處理子程序。 按照香農(nóng)定理, 按周期定時(shí)采樣。延時(shí)結(jié)束啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過模糊控制進(jìn)行制。

4.結(jié)束語

由于大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展和電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的迅速拓寬, 使得單片機(jī)(嵌入微處理器)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展非常迅猛。采用 PIC單片機(jī)進(jìn)行控制的多回路溫度控制裝置不受環(huán)境溫度的影響, 電路簡單, 容易實(shí)現(xiàn)并達(dá)到較高的可靠性。現(xiàn)場測試表明, 模糊控制的運(yùn)用,系統(tǒng)的控制精度控制在 0.5 以內(nèi)。另外, 在數(shù)據(jù)進(jìn)行 A/D處理過程中可以讓 PIC處于休眠狀態(tài), 讓其減少功耗, 且可以提高轉(zhuǎn)化精度。