总线智能仪表温度控制系统的设计

引 言

　　随着现场总线技术的发展，传统的模拟仪表逐步让步于智能化数字仪表，并具备数字化通信功能。

　　依据现场总线智能仪表技术的发展，设计了基于现场总线的氧化锆智能氧量分析仪，其温度控制系采用了专家PID控制原理，提高了加热速度与准确性。

　　1 总智能氧量分析仪结构

　　基于CAN总线的智能氧量分析仪以单片C8051F040为中央控制器，系统扩展的外围电路及接口电路数量少，系统的可靠性及稳定性较高，系统功能扩展及软硬件升级比较方便。系统的硬件结构见图1。外围硬件电路主要包括六部分：系统校正、数据采集、温度控制、日历时钟、带触摸的液晶显示、CAN总线接口。

　　图1 系统硬件结构

　　带触摸屏的液晶显示器提供了一个强有力的人机接口，有关信号、可调参数都能在上面显示和修改。本系统采用稳压电源，具有电源电压的适用范围大、抗干扰能力强等优点。主机是一种以单片机为基础的智能仪表，所有的运算、处理和控制都由软件完成。氧电势、温度信号的输人转换和电流输出的转换采用模块化元件。这些元件具有可靠性高、精度高的特点。由于使用的元件集成度较高，使整机结构简单，可靠性提高，使用、维护和维修方便。氧电势和温度信号经各自的处理模块转换成0～5V信号，并由多路开和A／I）转换成数字量，单片机根据“能斯特”公式计算出氧量。系统设有PID温度调节功能，并通过固态继电器控制加热炉。系统还设有组态开关，能使仪表工作在不同的方式下。

　　2 温度控制系统的硬件设计

　　Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内，集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的模拟和数字外设及其他功能部件，代表了目前8位单片机控制系统的发展方向。芯片上有1个12位和1个8位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比较器，1个电压基准，1个32kB的FLASH存储器，与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP一51内核，峰值速度可达25MIPS，并且还有硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN2．0A和CAN2．0B的CAN控制器。

　　C8051F040的18，19脚分别为AIN0．0和AIN0．1引脚，由于C8051F040片内具有ADC模块，因此温度信号可直接经外围滤波、放大电路后输入AIN0．0和AIN0．1引脚，AMUX的工作模式选择单端输入模式。选用热电偶作为温度传感器，其电压经信号放大后，送人C8051F040的A／D端，转换后与给定温度值比较，按PID调节算法和脉宽调功法，计算出该时刻的值，经光电隔离和功率放大后，通过控制大功率交流固态继电器（过零型）的通断时间来控制加热的功率，达到温度控制的目的。冷端测温元件采用集成温度传感器AD590，所测温度由AD590温度传感器检测，经电压放大后直接送至单片机C8051F040的AIN0．1输入口。

　　3 温度控制系统的软件设计

　　3.1 温度控制过程分析

　　加热通断的最小周期为10ms，加热最短脉冲长度为10ms，PID控制输出为加热脉冲数。误差越大，加热脉冲数值就越大；误差小，加热脉冲数就小。为使PID的输出有一定的可调节范围，采样周期，太小会使得控制量的范围很窄；但也不能过大，否则会降低控制精度。综合各方面的考虑及实验测试，采样周期定为2s，这样，PID输出的最大脉冲量（在一个控制周期内）为200。