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基于单片机的真空冷冻干燥试验仪温度控制器设计

发布时间:2020-07-21 18:23:56 阅读: 来源:阻火模块厂家

摘要:介绍了一种真空冷冻干燥试验仪的温度控制器设计,以AT89C52为控制核心,选用PT100传感器,MC14433A/D,利用增量式PID算法来完成对电机执行机构的运动控制,从而实现温度的精确控制。 关键字:温度/单片机/PT100/MC14433 1 引言

真空冷冻干燥技术在低压、真空的条件下使物料水分升华,是干燥技术领域中科技含量高、涉及知识面广的一种技术,由于其干燥产品具有复水性能佳、色泽保持好、营养成分损失少、产品重量轻、便于携带运输、易于长期保存等优点,在品质上远优于其它干燥制品,使其成为干燥技术研究和发展的前沿。

真空冷冻干燥技术对于不同的应用场合有不同的试验及温度要求。本系统试验对象为某种生物材料,采用液态氮作为冷却液,要求温度的控制设定值为-60℃,温度的最小分辨率为0.5℃,偏差要求≤2℃。要求能实时显示当前与设定的温度值,并且可通过键盘调整设定温度值。

2 系统硬件体系设计及关键电路设计分析

硬件系统采用atmel公司的at89c52单片机为控制核心,其内部含有8kb的e2prom和256b的ram,能满足一般需求,而无需扩展外部程序存储器,系统时钟采用12mhz。控制器的主要硬件结构框图如图1所示。

图1 控制器的硬件结构

2.1 温度传感器电路

考虑要求的控制精度较高,温度传感器选用pt100型铂热电阻温度传感器。pt100测温精度高、稳定性好,非常适合-200~+650℃温度范围的精确测量,由于传感器电阻rt和温度t之间的关系是非线性的,为消除非线性对测温精度的影响,设计非线性的校正电路,且考虑采用四线制接法来消除引线电阻的影响。如图2所示,图中互导放大器的互导为g,可以使输出带电压得到一个1/(1-grt)的比例系数,适当的选取g值就可以将非线性误差降到一个很小的范围内。g值可以通过校正试验来确定,本设计中通过试测取g=0.38ma/v,测量误差可达到小于0.1℃的精度。

图2 pt100温度变送器模型电路

图2中,4根导线的电阻为ra,rb,rc,rd。则rb可以看作是a1差模输入阻抗的一部分,而rc可看作是a1输出阻抗的一部分。闭环后,rb和rc的影响均可消除。采用电压缓冲器,使从d点向左方看进去的输入阻抗ri为极大,又采用电流源电路使从c点向左方向看进去的输出阻抗rd为极大,这样就消除了引线电阻对测温的影响。

2.2 a/d转换

由于真空干燥试验仪是液氮传导辐射冷却,是典型的大滞后的温度系统,同时试验要求有很高的精度控制要求,所以选用双积分型的a/d转换器,双积分型由于两次积分的时间比较长,所以a/d转换速度慢,但精度很高,而且对周期变化的干扰信号积分为零,抗干扰性能很好。十分适合本系统所面对的控制状况。

选用位双积分a/d转换器mc14433(精度相当于11位二进制数),具有精度高,抗干扰性能好等优点,速度约为1~10次/s,mc14433 a/d转换器的被转换电压量程为199.9mv。转换完后以bcd码的形式分4次送出。mc14433电路结构图如图3所示。

图3 mc14433电路结构图

mc14433的a/d转换结果是动态分时输出的bcd码,q3~q0为千、百、十、个位bcd码,而ds1~ds4引脚输出分别为千、百、十、个位的选通信号。

图4中mc14433为+2.5v精密集成电压基准源,经电位器分压后作为a/d转换用基准电压。du端与eoc端相连,即选择连续转换方式,每次转换结果都送至输出寄存器。eoc是a/d转换结束的输出标志信号。at89c52读取转换结果采用中断方式。

图4 mc14433与at89c52连接的硬件接口

2.3 键盘/显示系统设计

显示功能和输入功能是单片机系统的人机接口,是其最基本的组成部分。由于单片机at89c52本身的i/o口数量有限,同时要考虑必须的数据总线和地址总线,因此i/o口资源紧张,要实现显示和输入功能必须扩展i/o口。常用的i/o扩展芯片有ttl、cmos锁存器、缓冲器芯片和8255a、8155等,考虑到系统扩展对整个系统的稳定性和运行效率的影响,选用8155进行扩展,选用共阴极led数码管显示温度,实现实测温度的实时显示,同时能显示初始设定温度值。设定温度值由键盘中断输入,并实时显示。

2.4 通讯系统设计

单片机系统需要和上位pc机进行通讯。选用较为普及的串行通讯。串行通讯分为同步通讯和异步通讯两种通讯方式。由于同步通讯方式对通讯双方的时钟频率要求相同,而对于单片机和pc机之间难以保证这一点,因此系统通信采用异步通讯方式。另外pc机串口的电平为rs-232电平,而mcs-51单片机串口的电平是ttl电平,要想实现两者之间的通信,需要在它们之间加电平转换电路,使用中很不方便。故使用max232代替。pc机串行口与单片机之间的连接方式一般为3线零moderm方式,即只采txd、rxd和gnd等3根基本的数据线直接相连。单片机将实时采集转换的温度送显示的同时,每隔5分钟将当前温度值送pc机存储,提供打印温度变化曲线。作为扩展,设置并且可以由pc机发送初始设定温度,由单片机接收显示。

2.5 输出控制及报警

单片机的输出控制电机工作,为避免强干扰,选用带有光电隔离功能的晶闸管mc3041。另外,为了保证制件质量,在电路设计中考虑到加设报警电路,当温度低于-80℃时,绿色发光二极管被点亮;当温度高于-30℃时,红色发光二极管被点亮。

2.6 系统抗干扰设计

抗干扰技术主要是硬件和软件上的抗干扰技术,在硬件上采用良好的接地,选用合适的元器件等方面。本系统在充分考虑硬件上的抗干扰后,设计了一系列软件抗干扰措施:(1)在传感器数据采集处理上,采用中值法数字滤波;(2)设置软件陷阱,用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址,在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序,使程序纳入正轨。(3)“看门狗”技术:采用程序监视技术,又称“看门狗”技术(watch-dog),避免程序进入“死循环”。“看门狗”不断监视程序循环运行时间,若发现时间超过已知的设定时间,则认为系统陷入了“死循环”,然后强迫程序返回到0000h入口,在0000h处安排一段出错处理程序,使系统运行纳入正轨。设计2个定时器,一个为短定时器,一个为长定时器,并各自独立,短定时器像典型看门狗一样工作,它保证一般情况下看门狗有快的反应速度,长定时器近定时大于cpu执行一个主循环程序的时间,用来防止看门失效。

3 控制算法设计

根据本系统的温度控制精度≤0.5℃,并考虑误差积累对控制系统的影响,选用增量式pid控制算法,即指单片机数字控制器的输出只是控制量的增量,其控制算式为:

(1)

(1)式中:、、分别为比例、积分、微分系数;为基本偏差,表示当前测量值和设定目标间的差。

(2)

该算法的优点有:(1)计算机输出增量,所以误动作比较小。(2)算式中不需要累加,控制增量的确定仅与最近的3次(系统采用恒定的采样周期时,k取3次)的采样值有关,因而比较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。

4 系统软件设计

系统软件设计采用模块化设计方法,由主程序模块,功能实现模块和运算控制模块等三大模块组成。

4.1 主程序模块

在程序中首先给定pid算法的参数值,然后通过循环显示当前温度,以等待中断,并且设定键盘外部中断为高优先级,使主程序能实时响应键盘处理,软件设定定时器t0为10s定时,在无按键时,应每隔10s响应1次,用来采集温度传感器经a/d转换的温度信号。设置定时器t1为t0的嵌套中断,初值由pid算法子程序来提供。用来执行对电机控制以及报警电路等。流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

4.2 功能实现模块

功能实现模块主要由a/d转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序和显示子程序等组成。其中主要的中断子程序为:(1)t0中断子程序由于温度变化的滞后性,单片机内部设定8s定时中断,低优先级,在该中断响应时,单片机完成以下工作:a/d转换和数据采集、数字滤波、判断温度是否超出范围、显示温度、计算温度偏差、调用增量pid算法并输出控制量。(2)t1中断子程序t1定时中断嵌套在t0中断之中,为高优先级中断。t1的定时初值由pid算法子程序提供,t的中断响应时间用于输出对电机的控制信号。

4.3 运算控制模块

子程序框图如图6所示。主要完成增量式pid算法的运算,计算出输出控制增量,并根据输出控制增量△u(k)设定t1的定时值,控制电机的动作。

图6 子程序流程图

5 结束语

经试验运行,该系统能基本可靠运行,配合软件算法设计,可有效解决温度大滞后控制精度不精确的问题,显著提高温度测量结果精度,并可避免因控制电机执行机构滞后、过量执行而影响测量准确性,从而能娇好的完成试验目的。

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