基于C51单片机的电加热炉温度控制系统设计

陈 强

0 引言

电加热炉在冶金、化工、机械等领域具备广泛的用途，但是其控制具有非线性、大滞后、大惯性和时变性等特点，常规控制方法难以实现较高的控制精度和响应速度。相比之下，经典的增量PID控制算法，无需针对控制对象建立数学模型，便可实现较发复杂系统的精确控制。因此，基于简单的C51单片机控制器设计了电加热炉温度控制系统，采用经典PID算法进行温度控制，实验结果表明，该PID控制达到了较高的温度控制效果。

1 系统整体设计

整个系统由C51单片机、温度控制驱动电路、电加热炉、传感器阵列、放大和滤波电路、多通道转换开关、ADC模块和LCD显示模块组成。C51单片机为普通80C51单片机，用于整个系统的控制、传感器信号的采集以及电加热控制算法的实现。温度控制驱动电路是电加热炉和控制器之间的桥梁，实施电加热炉的电源开断的实现。传感器阵列采用多个温度传感器，分布在加热炉的不同地方，以实现整个加热炉的温度精准采集。放大和滤波电路用于进行传感器信号的放大和滤除干扰信号。ADC模块用于采集各个传感器的实时温度数据。

温度传感器阵列用于感知加热炉内各点温度，由于炉内温度不均匀，则由各点值平均值作为控制依据。温度传感器均为模拟温度传感器，其信号输出需要经过放大器和滤波器进行放大和滤波，之后送至AD转换器，进行多路信号切换采样。最终该信号送至单片机控制器中，由单片机控制对采集值进行换算，并将换算值显示在LCD屏上，同时，将该温度值与设定值进行比较，计算误差值，并将该误差代入增量PID控制算法，进而计算出控制增量，进而产生PWM信号控制加热丝进行加热。依次进行，直至实测温度值与设定值之差满足设定误差，即达到温度平衡。

2 系统硬件设计

2.1 传感器采样电路

传感器采样电路如图1所示，整个采样电路由惠更斯桥和比例放大电路构成。传感器采用Pt电阻丝，其0到500℃的测量区间，其电阻变化为100-280.9Ω，该电阻变化可被由R4、R5、R7构成的桥式电路采样得到，进而送入由R6、R8、R3、R9和LM324构成的比例放大电路进行信号放大，放大倍数为20倍，进而输入至下一级处理电路中。

2.2 控温驱动电路

单片机控制器的驱动对象一般为低压低流对象，电热炉电热丝需要通过较大的电流才能进行快速加热，因此，需要设置温控驱动电路实现单片机控制引脚与加热炉的连接。

温控驱动电路如图2所示，该电路由非门U2、555定时器和SSR继电器构成，单片机控制器通过非门U2控制555定时器的第2脚，实现单片机控制555定时器的PWM波形输出，该输出经过控制SSR继电器进而驱动电炉丝，从而完成PWM控制。

图1 传感 器采样电路

图2 温控驱动电路

2.3 ADC传感器数据采样电路

图3 ADC采样电路

设计中选用的A/D转换器为AD574，配合LF398峰值采样保持电路以及非门构成，采样电路参考电压由通过条件滑动变阻器R3构成，电路两端接+12V和-12V电源，加上模拟输入，给出启动转换信号，即可实现12位A/D转换。AD转换电路如图3所示，模拟电压信号由LF398的3脚输入，从其5脚OUT端输出至AD574，经过AD574进行电压转换后，其输出端DB0-DB11用于连接单片机的IO口，可实时读取转换后的信号。

3 系统软件设计

系统上电后进行初始化，包含时钟、中断和IO等，之后系统进入循环等待状态，一旦有中断产生表明定时时间到，则开始切换开关进行温度采样，之后在单片机内部进行数字平滑滤波、非线性校正等操作后即可计算出当前测量温度，然后将计算设置温度与当前温度进行比较，进而实施PID控制算法。当温度达到设定值时，则再次进入循环等待状态，否则持续进行温度采样，实施PID算法，直到温度达到设定值误差允许范围以内。

图4 系统算法执行流程

4 实验与结果分析

为验证系统设计的稳定性，以及掌握温度控制的性能情况，我们进行相关的温度控制测试试验，试验数据记录如表1所示，可见在低温阶段，温度误差相对较高，可达到1%，而在高温阶段，随着基数的增加，相对误差降低。从表1整体可以看出，整个系统的控温精度非常高，总体误差可被控制在1%以内。

表1 温度控制试验数据

5 结论

采用C51单片机，搭配传感器阵列、控温驱动电路等设计并实现了电加热炉的温度控制，经过测试实验证明，该系统在低温阶段，温度误差相对较高，可达到1%；而在高温阶段，随着基数的增加，相对误差降低。整体上系统控温精度非常高，误差可被控制在1%以内。