CN203733010U - 一种基于dsp微处理器的电阻炉温度自动控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电阻炉温度控制技术，公开了一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置。该装置包括用于测量电阻炉温度并将温度信号传输给DSP微处理器的数字温度传感器，电阻炉的温度测量端电连接数字温度传感器的输入端，温度传感器的输出端电连接DSP微处理器的GPIO端；用于电阻炉加热的加热器，DSP微处理器的EVA端发出的控制信号依次控制光耦、驱动电路和加热器；DSP微处理器的EVA端电连接光耦的输入端，光耦的输出端电连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端电连接加热器；用于人机交互和系统监控的工控机和触摸屏，工控机通过其I/O接口电连接触摸屏，通过CAN总线接口电路与DSP微处理器电连接。

Description

一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置

技术领域

本实用新型涉及电阻炉温度控制技术，特别涉及一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置。

背景技术

电阻炉作为工业现场的主要生产设备之一，在冶金、机械、化工等领域被广泛使用；由于炉温控制的精度直接影响到产品的质量，因此，在生产实际中如何提高电阻炉温度的控制精度就具有重要意义。

目前，在工业现场中普遍使用的电阻炉温度控制系统存在着以下不足：（1）系统采用单片机控制，主要由模拟电路及分立集成电路组成，系统结构复杂，响应速度慢，控制精度低，故障率高。（2）系统没有提供网络通信功能，使电阻炉的在线监控和数据传送无法实现，没有友好的人机界面，不便于生产操作；无声光报警功能，不便于故障提示。（3）采用常规PID算法，当外界条件变化时，系统参数会随之发生改变，PID参数需要重新调整，否则会导致系统控制精度下降；同时当温度偏差较大时，易出现积分饱和，产生控制时间过长等情况。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，该装置采用具有高速运算能力的DSP微处理器，简化硬件结构，降低成本，提高控制实时性和运行可靠性；其增设了友好的人机界面实现参数设置、指令输入和生产数据实时显示，并具有网络通信功能；系统具有实时诊断、故障报警功能。解决以往采用常规PID控制时存在控制精度低、响应速度慢的问题，通过设计一个二维自动控制器，来克服以上不足；

为实现上述技术目的，本实用新型采用如下技术方案予以达到。

一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，其特征在于，包括：

用于测量电阻炉温度并将温度信号传输给DSP微处理器的数字温度传感器，所述电阻炉的温度测量端电连接数字温度传感器的输入端，所述温度传感器的输出端电连接所述DSP微处理器的GPIO端；

用于电阻炉加热的加热器，DSP微处理器的EVA端发出的控制信号依次控制光耦、驱动电路和加热器；所述DSP微处理器的EVA端电连接所述光耦的输入端，所述光耦的输出端电连接所述驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端电连接所述加热器；

用于人机交互和系统监控的工控机和触摸屏，所述工控机通过其I/O接口电连接触摸屏，通过CAN总线接口电路与所述DSP微处理器电连接。

本实用新型的特点和进一步改进在于：

（1）还包括用于根据所述DSP微处理器的输出的报警信号进行报警的报警电路，所述DSP微处理器的I/O输出端电连接所述报警电路的输入端。

所述报警电路包含灯光报警单元和声音报警单元；

所述灯光报警单元由用于指示正常的绿色二极管、用于指示超过上限的红色二极管、用于指示低于下限的黄色二极管组成，所述绿色二极管的输入端电连接所述DSP微处理器的IOPB2端，所述红色二极管的输入端电连接所述DSP微处理器的IOPB0端，所述黄色二极管的输入端电连接所述DSP微处理器的IOPB1端；

所述声音报警单元由扬声器、乐曲发生器和用于驱动扬声器发出乐曲报警声的放大电路组成，所述DSP微处理器的IOPB0端和IOPB1端经或门电连接于所述乐曲发生器的控制端，所述乐曲发生器的输出端电连接所述放大电路的输入端，所述放大电路的输出端电连接所述扬声器的输入端；所述乐曲发生器采用集成电子音乐芯片7920A；所述放大电路采用集成放大器M51182L。

（2）还包括用于为所述DSP微处理器提供时间基准和使所述DSP微处理器内的电路初始化的时钟复位电路；所述时钟复位电路的输出端电连接所述DSP微处理器的时钟复位端。

（3）还包括用于提供电源的电源电路；所述电源电路的输出端电连接所述DSP微处理器的电源端；所述电源电路采用电源转换芯片TPS7333。

（4）所述CAN总线接口电路包含CAN接口适配卡、CAN驱动器、CAN物理总线；所述工控机通过CAN接口适配卡与CAN物理总线连接，所述DSP微处理器通过CAN驱动器与CAN物理总线连接；所述CAN驱动器采用PCA82C250。

（5）所述数字温度传感器采用DS18B20。

（6）所述DSP微处理器采用TMS320LF2407DSP微处理器。

（7）所述光耦采用双向晶闸管输出型光耦MOC3061。

（8）所述驱动电路采用双向可控硅BTA12-600B。

本实用新型，基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，具有以下优点：

（1）采用具有高速运算能力的DSP微处理器，简化了系统硬件结构，降低了成本，提高了系统的控制实时性和运行可靠性。

（2）系统具有实时诊断、声光报警功能。

（3）采用CAN总线实现了系统与工控机、触摸屏之间的数据通信，增设了友好的人机界面，通过触摸屏实现了参数设置、指令输入和生产数据实时显示功能。

（4）解决了针对炉温变化的非线性与时滞性采用PID控制时存在控制精度低、响应超调量大的问题，提高了系统的动态响应速度和稳态精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型的一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置结构示意框图；

图2为图1中所示的报警电路示意图。

图3为图1中所示的电源电路示意图。

图4为图1中所示的电阻炉CAN总线通信系统结构示意框图。

图中：1、电源电路；2、报警电路；3、时钟复位电路；4、DSP微处理器；5、数字温度传感器；6、电阻炉；7、光耦；8、驱动电路；9、加热器；10、CAN总线接口电路；11、CAN总线上其他设备；12、企业网络；13、工控机；14、触摸屏；L1、绿色二极管；L2、黄色二极管；L3、红色二极管。

具体实施方式

参照图1，为本实用新型的一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置结构框图。DSP为数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)，该装置包括用于测量电阻炉温度并将温度信号传输给DSP（digital signalprocessor）微处理器4的数字温度传感器5，数字温度传感器5采用DS18B20，DSP微处理器4采用TMS320LF2407，电阻炉6的温度测量端电连接数字温度传感器5的输入端，温度传感器的输出端电连接DSP微处理器4的GPIO端；用于电阻炉6加热的加热器9，DSP微处理器4的EVA端发出的控制信号依次控制光耦7、驱动电路8和加热器9，光耦7采用双向晶闸管输出型光耦7MOC3061，驱动电路8采用双向可控硅BTA12-600B；DSP微处理器4的EVA端电连接光耦7的输入端，光耦7的输出端电连接驱动电路8的输入端，驱动电路8的输出端电连接加热器9；用于人机交互和系统监控的工控机13和触摸屏14，工控机13通过其I/O接口电连接触摸屏14，通过CAN总线接口电路10与DSP微处理器4电连接。

还包括用于根据DSP微处理器4的输出的报警信号进行报警的报警电路2，DSP微处理器4的I/O输出端电连接报警电路2的输入端。

如图2所示，报警电路2包含灯光报警单元和声音报警单元；灯光报警单元由用于指示正常的绿色二极管L1、用于指示超过上限的红色二极管L3、用于指示低于下限的黄色二极管L2组成，绿色二极管L1的输入端电连接DSP微处理器4的IOPB2端，红色二极管L3的输入端电连接DSP微处理器4的IOPB0端，黄色二极管L2的输入端电连接DSP微处理器4的IOPB1端；声音报警单元由扬声器、乐曲发生器和用于驱动扬声器发出乐曲报警声的放大电路组成，DSP微处理器4的IOPB0端和IOPB1端经或门电连接于乐曲发生器的控制端，乐曲发生器的输出端电连接放大电路的输入端，放大电路的输出端电连接扬声器的输入端；乐曲发生器采用集成电子音乐芯片7920A；放大电路采用集成放大器M51182L。

该装置还包括用于为DSP微处理器4提供时间基准和使DSP微处理器4内的电路初始化的时钟复位电路3；时钟复位电路3的输出端电连接DSP微处理器4的时钟复位端。

如图3所示，该装置还包括用于提供电源的电源电路1；电源电路1的输出端电连接DSP微处理器4的电源端；电源电路1采用电源转换芯片TPS7333。

如图4所示，CAN总线接口电路10包含CAN接口适配卡、CAN驱动器、CAN物理总线；工控机13通过CAN接口适配卡与CAN物理总线连接，DSP微处理器4通过CAN驱动器与CAN物理总线连接；CAN驱动器采用PCA82C250。

该装置采用TMS320LF2407DSP为DSP微处理器4，通过GPIO端口的IOPA6引脚直接读取采样到的温度数字量，将其与温度设定值相比较得到温度偏差及偏差变化率，调用自动控制算法，求出输出控制量。

功率驱动电路8中的光耦7用双向晶闸管输出型光耦7MOC3061，驱动电路8用双向可控硅BTA12-600B，加热器9用加热丝；功率驱动电路8由DSP微处理器4的T1PWM引脚输出的PWM波进行控制。该装置通过控制可控硅的通断，控制加热功率，实现温度调节。

报警电路2具有故障诊断和声光报警功能，当炉温超过上、下限阀值时发出报警信号，提醒工作人员排除故障。电路包括两部分，一部分是“乐曲发生器”，由集成电子音乐芯片7920A组成，当其输入端MT为1.5V高电平时，输出端V_OUT便可输出乐曲信号；另一部分是“放大电路”，采用集成放大器M51182L，可以驱动扬声器发出乐曲报警声，音量可由10KΩ电位器调整。DSP微处理器4的IOPB0、IOPB1引脚分别用于控制上、下限报警，IOPB2用于指示系统正常，三个引脚分别接三个发光二极管显示系统状态；IOPB0、IOPB1引脚经或门接至7920A控制端MT，实现报警控制。

由于TMS320LF2407采用3.3V电源供电，而外部提供的电源是直流5V，故设计了如图3所示的电源电路1。电路采用电源转换芯片TPS7333，其输入电压5V，输出电压3.3V，输出最大电流500mA，电路具有欠压保护功能。

系统采用CAN总线实现DSP微处理器4与工控机13、触摸屏14之间的数据通信，CAN总线通信系统结构框图如图4所示。该系统中，工控机13通过CAN接口适配卡与CAN物理总线相连；DSP微处理器4TMS320LF2407通过CAN驱动器PCA82C250连接至CAN物理总线。将工控机13连接到企业网络12中，有利于企业进行监控和管理；在CAN物理总线上还可以根据需要接入CAN总线上其他设备11；在此网络系统中，可配置多个节点，并且各个节点间都能通过CAN总线进行信息交换。

系统通过触摸屏14来完成参数设置、指令输入、生产状态实时显示。

针对电阻炉6温度变化的非线性和时滞性，并考虑到二维自动控制可保证系统稳定性，减少超调量，故本系统自动控制器设计成二维结构。

二维自动控制器的输入语言变量为温度误差e及误差变化率ec，输出变量为PWM波输出占空比变化量u。温度误差变化率ec=e(k)-e(k-1)。

（1）温度误差e的基本论域为[-40℃，+40℃]，温度误差变化率ec的基本论域为[-20，+20]，PWM波输出占空比变化量u的基本论域为[-0.6，0.6]。

（2）温度误差e的自动论域X、温度误差变化率ec的自动论域Y和PWM波输出占空比变化量u的自动论域Z全为：[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]

（3）温度误差e的量化因子k_e=6/40=0.15，温度误差变化率ec的量化因子k_ec=6/20=0.3，控制量变化u的比例因子k_u=0.6/6=0.1。

语言变量分别选取7个语言值：[PB，PM，PS，0，NS，NM，NB]。通过实践经验总结，确定出各语言变量自动子集的隶属度函数，建立如下所示语言变量的赋值表。

通过对实际运行经验和专家知识的总结，确定出如下所示的电阻炉6温度自动控制规则表。

表中控制规则总的自动关系可表示为：

$R=\underset{l=1}{\overset{47}{\∪}}{R}_l=\underset{\∀i,j}{\∪}{A}_i\×B_j\×C_{\mathrm{ij}}(i=\mathrm{1,2},\·\·\·,7;j=\mathrm{1,2},\·\·\·,7)$

式中：A_i、B_j、C_ij分别为误差、误差变化、控制量变化在各自论域上的自动子集。当误差、误差变化分别取A_i、B_j时，得输出控制量：

为了实现对电阻炉温度的快速控制，采用最大隶属度法进行解模糊，对于论域X，Y全部元素的组合，求取控制量u。在离线计算的基础上，建立起自动控制查询表，当实时控制时，可用查表法获得输出控制量u。

本实用新型的工作原理是：

系统通过数字温度传感器5DS18B20采样炉温，通过DSP微处理器4的IOPA6引脚读取采样到的温度数字量，将其与温度设定值相比较得到温度偏差及偏差变化率；然后，调用自动控制算法，求出PWM波输出占空比α，据此设置DSP微处理器4内部定时器1的T1PR、T1CMPR寄存器，由T1PWM引脚输出PWM波控制功率驱动电路8，实现电阻炉温度调节；同时，通过CAN总线技术完成系统的数据通信功能，当系统温度超过上、下限阀值时，控制报警电路2进行声光报警。

尽管以上结合附图对本实用新型的实施方案进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本实用新型保护之列。

Claims (10)

1.一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，其特征在于，包括：

用于测量电阻炉温度并将温度信号传输给DSP微处理器的数字温度传感器，所述电阻炉的温度测量端电连接数字温度传感器的输入端，所述温度传感器的输出端电连接所述DSP微处理器的GPIO端；

用于电阻炉加热的加热器，所述DSP微处理器的EVA端发出的控制信号依次控制光耦、驱动电路和加热器；所述DSP微处理器的EVA端电连接所述光耦的输入端，所述光耦的输出端电连接所述驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端电连接所述加热器；

用于人机交互和系统监控的工控机和触摸屏，所述工控机通过其I/O接口电连接触摸屏，通过CAN总线接口电路与所述DSP微处理器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，还包括用于根据所述DSP微处理器的输出的报警信号进行报警的报警电路，所述DSP微处理器的I/O输出端电连接所述报警电路的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，所述报警电路包含灯光报警单元和声音报警单元；

所述灯光报警单元由用于指示正常的绿色二极管、用于指示超过上限的红色二极管、用于指示低于下限的黄色二极管组成，所述绿色二极管的输入端电连接所述DSP微处理器的IOPB2端，所述红色二极管的输入端电连接所述DSP微处理器的IOPB0端，所述黄色二极管的输入端电连接所述DSP微处理器的IOPB1端；

所述声音报警单元由扬声器、乐曲发生器和用于驱动扬声器发出乐曲报警声的放大电路组成，所述DSP微处理器的IOPB0端和IOPB1端经或门电连接于所述乐曲发生器的控制端，所述乐曲发生器的输出端电连接所述放大电路的输入端，所述放大电路的输出端电连接所述扬声器的输入端；所述乐曲发生器采用集成电子音乐芯片7920A；所述放大电路采用集成放大器M51182L。

4.根据权利要求1所述的一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，还包括用于为所述DSP微处理器提供时间基准和使所述DSP微处理器内的电路初始化的时钟复位电路；所述时钟复位电路的输出端电连接所述DSP微处理器的时钟复位端。

5.根据权利要求1所述的一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，还包括用于提供电源的电源电路；所述电源电路的输出端电连接所述DSP微处理器的电源端；所述电源电路采用电源转换芯片TPS7333。

6.根据权利要求1所述的一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，所述CAN总线接口电路包含CAN接口适配卡、CAN驱动器、CAN物理总线；所述工控机通过CAN接口适配卡与CAN物理总线连接，所述DSP微处理器通过CAN驱动器与CAN物理总线连接；所述CAN驱动器采用PCA82C250。

7.根据权利要求1所述的一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，所述数字温度传感器采用DS18B20。

8.根据权利要求1所述的一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，所述DSP微处理器采用TMS320LF2407。

9.根据权利要求1所述的一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，所述光耦采用双向晶闸管输出型光耦MOC3061。

10.根据权利要求1所述的一种基于DSP微处理器的电阻炉温度自动控制装置，所述驱动电路采用双向可控硅BTA12-600B。