方 歡，王康平，于嘉男，邢永超，厲 斌

(德州學(xué)院，山東 德州 253000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源短缺已成為制約我國(guó)工業(yè)發(fā)展的重要阻礙，社會(huì)各界都對(duì)此積極關(guān)注。加熱爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中的常用設(shè)備，近年來(lái)由于各企業(yè)對(duì)節(jié)源效益的重視，對(duì)加熱爐生產(chǎn)工藝也提出了更高的要求，怎樣在提高產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量的同時(shí)節(jié)能降耗具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保意義。溫度控制失誤就可能引起生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量等一系列問題，因此對(duì)溫度檢測(cè)及控制的意義就越來(lái)越大。

基于以上的背景，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)對(duì)加熱爐的實(shí)際需求，來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的溫度檢測(cè)與模糊控制。

1 總體控制方案

單片機(jī)的溫度控制是數(shù)字控制系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用。本次控制的對(duì)象是加熱爐的溫度，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:要有大量的接口。檢測(cè)，控制，驅(qū)動(dòng)的功能電路，在很大程度上決定了應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)性能，如A/D 轉(zhuǎn)化器的分辨率，轉(zhuǎn)化速度等。

必須適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境要求:如溫度，濕度和電磁干擾。其溫度傳感器用的是TGY－129 高溫傳感器，并設(shè)計(jì)抗干擾電路，以提高控制的精確度。

該溫度控制系統(tǒng)主要包括溫度測(cè)量，A/D 轉(zhuǎn)化，鍵盤操作，溫度顯示電路等。系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示，即整體設(shè)計(jì)原理為:用鍵盤將溫度的設(shè)定值輸入單片機(jī)，啟動(dòng)運(yùn)行后，通過信號(hào)采集電路將溫度信號(hào)采集到后，送到A/D 轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算，控制加熱爐的加熱［1］。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 模糊控制

模糊控制是利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要因素，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，于是工程師便利用各種方法來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)有力的控制能力，但對(duì)于過于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無(wú)能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理這些控制問題。

模糊控制的基本原理是:模糊控制器輸入量通過模糊化處理，經(jīng)過一定語(yǔ)言規(guī)則進(jìn)行模糊推理，推理得出的輸出結(jié)果明晰化，最后得到控制變量精確輸出值［2］。模糊控制基本原理如圖2 所示。

圖2 模糊控制基本原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主流程圖設(shè)計(jì)

圖3 加熱爐溫度控制系統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)主流程圖

3.2 溫度檢測(cè)及中斷程序設(shè)計(jì)及A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

圖4 溫度檢測(cè)及中斷程序流程圖 圖5 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖

4 硬件設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，電源穩(wěn)壓電路，溫度檢測(cè)電路，按鍵，顯示電路等。

4.1 復(fù)位電路

復(fù)位電路是使單片機(jī)的CPU 或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這上狀態(tài)開始工作，除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需按復(fù)位電路以重新啟動(dòng)。

復(fù)位電路包括上電復(fù)位，按鍵電平復(fù)位，按鍵脈沖復(fù)位。本設(shè)計(jì)中采用按鍵電平復(fù)位。按鍵電平復(fù)位是通過復(fù)位端經(jīng)過電阻與VCC 電源接通而實(shí)現(xiàn)的。

4.2 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路由一個(gè)晶體振蕩器12 MHz 和兩個(gè)33 pF 的瓷片電容組成。時(shí)鐘電路產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就如一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格工作。

單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2，在芯片外部通過兩個(gè)引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成 反饋電路，就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。

4.3 電源穩(wěn)壓電路

由于AT89C51 的工作電壓為+5 V，故此需用穩(wěn)壓電路將220 V 電壓變成+5 V。該穩(wěn)壓電路采用LM340T 三端正壓穩(wěn)壓器，以起到穩(wěn)壓作用。

78 系列三端穩(wěn)壓器是最長(zhǎng)見的集成穩(wěn)壓器件。具有過熱，過流，調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)功能。性能優(yōu)良，可靠性高。同時(shí)又由于器件只有三個(gè)引腳，所以使用簡(jiǎn)單方便，價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛。

4.4 按鍵電路

溫度給定選用4 ×4 鍵盤，按鍵功能依次為:數(shù)字0～9、預(yù)置、清除、確認(rèn)/復(fù)位、開關(guān)加熱等。

4.5 溫度檢測(cè)電路［3］

溫度傳感器:選用TGY-129 高溫傳感器，可以測(cè)量的溫度范圍為0～1 800 ℃。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器:選用ADC5G14433。采用集成運(yùn)算放大器AD521 進(jìn)行信號(hào)放大，得到0～1.8 V 模擬電壓，經(jīng)3 位半BCD 碼輸出的雙積分式A/D 轉(zhuǎn)換器ADC5G14433 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。雙積分式A/D 轉(zhuǎn)換器具有消除高頻干擾的作用。

4.6 顯示電路

八段顯示器由LED 發(fā)光二極管組成。其中7 個(gè)長(zhǎng)條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個(gè)黑點(diǎn)形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點(diǎn)用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了鍋爐溫度控制的基本功能，利用繼電器控制燃燒器的工作，并且對(duì)鍋爐水位進(jìn)行控制，并通過顯示屏顯示出水溫水位的狀態(tài)信息，確保了能夠在正常范圍下工作。

系統(tǒng)中以AT89C51 芯片作為控制芯片，采用一線總線的高溫傳感器TGY-129，用8 位數(shù)碼管顯示模塊顯示溫度的狀態(tài)信息，這些都使得硬件電路變得簡(jiǎn)單，性能得到提高。而且有蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，使得本設(shè)計(jì)在應(yīng)用上更加安全。

［1］潘永雄，張曉薊.新編單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［2］燃油燃?xì)忮仩t房設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.燃油燃?xì)忮仩t房設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［3］陳杰，黃鴻.傳感器與檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2002.