基于单片机的远红外烘干机温度控制系统设计

王其利，李宗玉，栾新强

（1.山东铝业第二工程公司，山东淄博 255000；2.山东水利职业学院，山东日照 276826；3.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261000）

1 引言

温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。近年来，温度检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要在控制算法方面，国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如发酵过程的温度控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂燃烧炉中的温度控制等；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的远红外烘干机温度控制系统就是要满足远红外烘干箱中温度控制的要求，实现对温控箱的恒值温度控制。

2 远红外烘干机温控系统组成

远红外烘干机与普通烘干机在结构上的区别主要是：前者将远红外辐射元件布置在炉膛内部，以热辐射加热为主，对流为辅，利用辐射对受烘干物直接加热；普通烘干机将热源置于炉膛之外的加热介质，利用对流热风循环为主。

本文所述远红外烘干机是用来烘干各种蔬菜、粮食等，达到便于储存目的的装置。烘干机采用箱式结构，将远红外辐射器布置在炉膛内部，以辐射加热为主，对流为辅，利用辐射对受热物直接加热。在加热过程中受热物料是缓慢运动的。此烘干装置的加热系统采用了先进的远红外辐射传热技术，加热元件使用了远红外乳白石英加热管。远红外烘干机共有2个烘干箱，4个温区，而因箱体较大，则每个温区又应分为两个区域进行控制，即要对整个烘干机分为8个区域来进行温度测量和控制，各个区域温度测量和控制的原理完全相同。在烘干过程中，箱体内的温度控制，测温范围0℃～125℃，控制精度1℃，功率单层约为50kW。基于以上的各种要求，设计了此温度控制系统，以便满足烘干机所要求的温度范围，及其精度。

本文所设计的温度控制系统硬件按功能大致可以分为以下几个部分：单片主控模块、输入通道、输出通道、报警电路等。硬件总体结构框图如图1所示。由结构框图可见，温度控制系统以单片机为核心，并扩展外部芯片构成主控模块。温控箱的温度通过温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，再通过8位的A／D转换器转换成数字量。此数字量经过数字滤波之后，一方面将温控箱的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来；另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制算法进行运算，最后通过控制双向晶闸管控制周期内的通断占空比（即控制温控箱加热平均功率的大小），达到对温控箱温度进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过了系统给定的极限安全温度，报警电路会做出反应，保护温控箱。

图1 硬件总体结构框图

根据本系统实际情况综合考虑，温度控制系统选用AT89C52单片机作为主控模块的核心芯片。温度控制系统的硬件部分包括：单片机89S52、I／O芯片8155H、PT100温度传感器、运算放大器OP07、放大器 INA118、A／D 转换器 ADC0809、电压基准芯片MC1403D、晶闸管输出电路、锁存器74LS374、液晶显示器 OCMJ4×8C、键盘、报警输出电路、直流稳压电源模块。

3 温度控制系统电路设计

3.1 电源电路

系统所用直流电源由三端集成稳压器组成的串联型直流稳压电源提供。设计中选用了LM7805三端集成稳压器，提供+5V、输出电流为IA。LM78O5的连接方法是变压器将220V的市电降压后再通过整流桥整流之后，采用大容量的电解电容进行滤波，以减小输出电压纹波。由于电解电容器在高频下工作存在电感特性，对于来自电源侧的高频干扰不能抑制，因此在整流电路后加入高频电容改善纹波。电源电路如图2所示。

3.2 温度传感器与单片机接口电路

温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围、测量精度也各不相同。因此在不同的应用场合，应选择不同的温度传感器。Ptl00型铂电阻，在-200℃到850℃范围内是精度最高的温度传感器之一。与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能都非常稳定，耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好。这些特点使得铂电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。由于在本系统中，测温范围较大（室温到600℃之间），且要求检测精度高、稳定性好，因此选用Pt100铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器。热电阻与单片机接口电路包括恒流源电路、电压放大、A／D转换接口电路。A／D转换电路选用CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器ADC0809，恒流源电路如图3所示，放大电路如图4所示。

图2 电源电路图

3.3 晶闸管与单片机接口电路

图3 恒流源电路

图4 电压放大电路图

目前多数温控系统均采用晶闸管来实现功率调节。晶闸管的控制模式有两种：相位控制和零位控制（分配式零位控制、时间比例零位控制）。本系统采用分配式零位控制的模式，控制温控箱加热电阻的平均加热功率，进而控制温控箱的温度，晶闸管配套使用的是MOC3061光电耦合双向晶闸管驱动器，与一般的光耦合器件不同之处是MOC3061输出部分是硅光敏双向晶闸管，还带有过零触发检测器，以保证电压接近零时触发晶闸管正常。晶闸管输出电路如图5所示。

3.4 加热管控制电路

单片机通过晶闸管控制加热管，加热管控制电路如图6所示。

图5 晶闸管输出电路

4 温度控制系统软件的设计

图6 加热管控制电路

4.1 主程序的设计

主程序对系统进行初始化，构建系统整体软件框架，初始化包括对单片机的初始化、A／D芯片初始化和串口初始化等。然后等待温度设定，若温度已经设定好了，判断系统运行键是否按下，若系统运行，则依次调用各个相关模块，循环控制直到系统停止运行。主程序的程序流程图如图7所示。

图7 主程序流程图

图8 增量式PID控制算法程序流程图

4.2 温度控制系统控制方案

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，尽管有许多先进的控制方法不断推出，但由于PID控制方法结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定；P、I、D控制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合；PID控制方法使用的时期较长，控制工程师们已经积累了大量的参数调节经验。因此，PID控制器在工业控制中仍然被广泛地应用着。

增量式PID控制算法与位置式控制算法比较，有以下一些优点。

（l）位置式算法每次输出与整个过去状态有关，容易产生较大的累计误差。而增量控制算法只须计算增量，算式中不需要累加，控制增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，当存在计算误差或者精度不足时，对控制量的影响较小，且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果；

（2）由于计算机只输出控制增量，所以误动作影响小，而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉，对系统安全运行有利；

（3）手动／自动切换时冲击比较小。

鉴于以上优点，本系统的控制算法采用增量式的PID控制算法。其程序流程如图8所示。

5 结论

温度控制在工业生产中起着非常重要的作用。本文完成了基于单片机的温度控制系统的开发，试验表明，该系统控制方法采用PID算法，结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定，P、I、D 控制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合；该系统根据不同区域的温度要求进行控制，可以满足烘干过程中的温度控制的需要，温度控制精度较高，自适应性较好。该系统经改装可用于许多工业上需要温度控制的场合，具有重要的市场价值和现实意义。

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