基于單片機的真空冷凍干燥試驗儀溫度控制器設計

1 引言

真空冷凍干燥技術(shù)在低壓、真空的條件下使物料水分升華，是干燥技術(shù)領(lǐng)域中科技含量高、涉及知識面廣的一種技術(shù)，由于其干燥產(chǎn)品具有復水性能佳、色澤保持好、營(yíng)養成分損失少、產(chǎn)品重量輕、便于攜帶運輸、易于長(cháng)期保存等優(yōu)點(diǎn)，在品質(zhì)上遠優(yōu)于其它干燥制品，使其成為干燥技術(shù)研究和發(fā)展的前沿。

真空冷凍干燥技術(shù)對于不同的應用場(chǎng)合有不同的試驗及溫度要求。本系統試驗對象為某種生物材料，采用液態(tài)氮作為冷卻液，要求溫度的控制設定值為-60℃，溫度的最小分辨率為0.5℃，偏差要求≤2℃。要求能實(shí)時(shí)顯示當前與設定的溫度值，并且可通過(guò)鍵盤(pán)調整設定溫度值。

2 系統硬件體系設計及關(guān)鍵電路設計分析

硬件系統采用atmel公司的at89c52單片機為控制核心，其內部含有8kb的e2prom和256b的ram，能滿(mǎn)足一般需求，而無(wú)需擴展外部程序存儲器，系統時(shí)鐘采用12mhz?？刂破鞯闹饕布Y構框圖如圖1所示。

圖1 控制器的硬件結構

2.1 溫度傳感器電路

考慮要求的控制精度較高，溫度傳感器選用pt100型鉑熱電阻溫度傳感器。pt100測溫精度高、穩定性好，非常適合-200～+650℃溫度范圍的精確測量，由于傳感器電阻rt和溫度t之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的，為消除非線(xiàn)性對測溫精度的影響，設計非線(xiàn)性的校正電路，且考慮采用四線(xiàn)制接法來(lái)消除引線(xiàn)電阻的影響。如圖2所示，圖中互導放大器的互導為g，可以使輸出帶電壓得到一個(gè)1/(1-grt)的比例系數，適當的選取g值就可以將非線(xiàn)性誤差降到一個(gè)很小的范圍內。g值可以通過(guò)校正試驗來(lái)確定，本設計中通過(guò)試測取g=0.38ma/v，測量誤差可達到小于0.1℃的精度。

圖2 pt100溫度變送器模型電路

圖2中，4根導線(xiàn)的電阻為ra，rb，rc，rd。則rb可以看作是a1差模輸入阻抗的一部分，而rc可看作是a1輸出阻抗的一部分。閉環(huán)后，rb和rc的影響均可消除。采用電壓緩沖器，使從d點(diǎn)向左方看進(jìn)去的輸入阻抗ri為極大，又采用電流源電路使從c點(diǎn)向左方向看進(jìn)去的輸出阻抗rd為極大，這樣就消除了引線(xiàn)電阻對測溫的影響。

2.2 a/d轉換

由于真空干燥試驗儀是液氮傳導輻射冷卻，是典型的大滯后的溫度系統，同時(shí)試驗要求有很高的精度控制要求，所以選用雙積分型的a/d轉換器，雙積分型由于兩次積分的時(shí)間比較長(cháng)，所以a/d轉換速度慢，但精度很高，而且對周期變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能很好。十分適合本系統所面對的控制狀況。

選用位雙積分a/d轉換器mc14433（精度相當于11位二進(jìn)制數），具有精度高，抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)，速度約為1～10次/s，mc14433 a/d轉換器的被轉換電壓量程為199.9mv。轉換完后以bcd碼的形式分4次送出。mc14433電路結構圖如圖3所示。

圖3 mc14433電路結構圖

mc14433的a/d轉換結果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出的bcd碼，q3～q0為千、百、十、個(gè)位bcd碼，而ds1～ds4引腳輸出分別為千、百、十、個(gè)位的選通信號。

圖4中mc14433為+2.5v精密集成電壓基準源，經(jīng)電位器分壓后作為a/d轉換用基準電壓。du端與eoc端相連，即選擇連續轉換方式，每次轉換結果都送至輸出寄存器。eoc是a/d轉換結束的輸出標志信號。at89c52讀取轉換結果采用中斷方式。

圖4 mc14433與at89c52連接的硬件接口

2.3 鍵盤(pán)/顯示系統設計

顯示功能和輸入功能是單片機系統的人機接口，是其最基本的組成部分。由于單片機at89c52本身的i/o口數量有限，同時(shí)要考慮必須的數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)，因此i/o口資源緊張，要實(shí)現顯示和輸入功能必須擴展i/o口。常用的i/o擴展芯片有ttl、cmos鎖存器、緩沖器芯片和8255a、8155等，考慮到系統擴展對整個(gè)系統的穩定性和運行效率的影響，選用8155進(jìn)行擴展，選用共陰極led數碼管顯示溫度，實(shí)現實(shí)測溫度的實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)能顯示初始設定溫度值。設定溫度值由鍵盤(pán)中斷輸入，并實(shí)時(shí)顯示。

2.4 通訊系統設計

單片機系統需要和上位pc機進(jìn)行通訊。選用較為普及的串行通訊。串行通訊分為同步通訊和異步通訊兩種通訊方式。由于同步通訊方式對通訊雙方的時(shí)鐘頻率要求相同，而對于單片機和pc機之間難以保證這一點(diǎn)，因此系統通信采用異步通訊方式。另外pc機串口的電平為rs-232電平，而mcs-51單片機串口的電平是ttl電平，要想實(shí)現兩者之間的通信，需要在它們之間加電平轉換電路，使用中很不方便。故使用max232代替。pc機串行口與單片機之間的連接方式一般為3線(xiàn)零moderm方式，即只采txd、rxd和gnd等3根基本的數據線(xiàn)直接相連。單片機將實(shí)時(shí)采集轉換的溫度送顯示的同時(shí)，每隔5分鐘將當前溫度值送pc機存儲，提供打印溫度變化曲線(xiàn)。作為擴展，設置并且可以由pc機發(fā)送初始設定溫度，由單片機接收顯示。

2.5 輸出控制及報警

單片機的輸出控制電機工作，為避免強干擾，選用帶有光電隔離功能的晶閘管mc3041。另外，為了保證制件質(zhì)量，在電路設計中考慮到加設報警電路，當溫度低于-80℃時(shí)，綠色發(fā)光二極管被點(diǎn)亮；當溫度高于-30℃時(shí)，紅色發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。

2.6 系統抗干擾設計

抗干擾技術(shù)主要是硬件和軟件上的抗干擾技術(shù)，在硬件上采用良好的接地，選用合適的元器件等方面。本系統在充分考慮硬件上的抗干擾后，設計了一系列軟件抗干擾措施：（1）在傳感器數據采集處理上，采用中值法數字濾波；（2）設置軟件陷阱，用引導指令強行將捕獲到的亂飛程序引向復位入口地址，在此處將程序轉向專(zhuān)門(mén)對程序出錯進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌。（3）“看門(mén)狗”技術(shù)：采用程序監視技術(shù)，又稱(chēng)“看門(mén)狗”技術(shù)(watch-dog)，避免程序進(jìn)入“死循環(huán)”?！翱撮T(mén)狗”不斷監視程序循環(huán)運行時(shí)間，若發(fā)現時(shí)間超過(guò)已知的設定時(shí)間，則認為系統陷入了“死循環(huán)”，然后強迫程序返回到0000h入口，在0000h處安排一段出錯處理程序，使系統運行納入正軌。設計2個(gè)定時(shí)器，一個(gè)為短定時(shí)器，一個(gè)為長(cháng)定時(shí)器，并各自獨立，短定時(shí)器像典型看門(mén)狗一樣工作，它保證一般情況下看門(mén)狗有快的反應速度，長(cháng)定時(shí)器近定時(shí)大于cpu執行一個(gè)主循環(huán)程序的時(shí)間，用來(lái)防止看門(mén)失效。

3 控制算法設計

根據本系統的溫度控制精度≤0.5℃，并考慮誤差積累對控制系統的影響，選用增量式pid控制算法，即指單片機數字控制器的輸出只是控制量的增量，其控制算式為：

（1）式中:、、分別為比例、積分、微分系數；為基本偏差，表示當前測量值和設定目標間的差。

該算法的優(yōu)點(diǎn)有：（1）計算機輸出增量，所以誤動(dòng)作比較小。（2）算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近的3次(系統采用恒定的采樣周期時(shí)，k取3次)的采樣值有關(guān)，因而比較容易通過(guò)加權處理而獲得比較好的控制效果。

4 系統軟件設計

系統軟件設計采用模塊化設計方法，由主程序模塊，功能實(shí)現模塊和運算控制模塊等三大模塊組成。

4.1 主程序模塊　

在程序中首先給定pid算法的參數值，然后通過(guò)循環(huán)顯示當前溫度，以等待中斷，并且設定鍵盤(pán)外部中斷為高優(yōu)先級，使主程序能實(shí)時(shí)響應鍵盤(pán)處理，軟件設定定時(shí)器t0為10s定時(shí)，在無(wú)按鍵時(shí)，應每隔10s響應1次，用來(lái)采集溫度傳感器經(jīng)a/d轉換的溫度信號。設置定時(shí)器t1為t0的嵌套中斷，初值由pid算法子程序來(lái)提供。用來(lái)執行對電機控制以及報警電路等。流程圖如圖５所示。

圖5 主程序流程圖

4.2 功能實(shí)現模塊

功能實(shí)現模塊主要由a/d轉換子程序、中斷處理子程序、鍵盤(pán)處理子程序和顯示子程序等組成。其中主要的中斷子程序為:（1）t0中斷子程序　由于溫度變化的滯后性，單片機內部設定8s定時(shí)中斷，低優(yōu)先級，在該中斷響應時(shí)，單片機完成以下工作：a/d轉換和數據采集、數字濾波、判斷溫度是否超出范圍、顯示溫度、計算溫度偏差、調用增量pid算法并輸出控制量。（2）t1中斷子程序t1定時(shí)中斷嵌套在t0中斷之中，為高優(yōu)先級中斷。t1的定時(shí)初值由pid算法子程序提供，t的中斷響應時(shí)間用于輸出對電機的控制信號。

4.3 運算控制模塊

子程序框圖如圖６所示。主要完成增量式pid算法的運算，計算出輸出控制增量，并根據輸出控制增量△u(k)設定t1的定時(shí)值，控制電機的動(dòng)作?！?/FONT>