[发明专利]一种石墨电热板温度控制装置与控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及仪器设备自动控制领域，尤其提供了一种石墨电热板温度控制装置与控制方法。  

背景技术

现有各种实验室用的电加热板，其中石墨电热板最受消费者欢迎。石墨电热板具有面板采用耐酸碱、耐高温的高纯度石墨材料，专为实验室量身定做；具有加热面积大，能同时处理多个样品；各加热点温度均匀；升温速度快；耐用，作为工业上用于加热，它还具有连续工作时间长，可持续工作48小时以上的特点。但目前市面上的石墨电热板采用普通温控仪，存在温度测量不够准确、温度测量范围有限、温度控制算法简单和温控平衡时间长等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中的缺点和不足，为石墨电热板提供一种性能稳定可靠、温度控制准确、温控平衡时间短的数字式温度控制装置与控制方法。

本发明的技术方案是：一种石墨电热板温度控制装置与控制方法，控制装置包括以下模块：主控制器模块、温度采集模块、温度控制模块、按键模块、显示模块、报警模块、电源模块。

所述主控制器模块采用增强型C8051F410芯片作为控制器。C8051F410作为与51系列单片机完全兼容的增强型，继承了51单片机的所有优点，且内部集成了数据采集与控制系统所需的几乎所有的模拟与数字外设。

所述温度采集模块的整体技术方案是：采用K型热电偶测量石墨电热板的温度，选用AD849X芯片进行温度信号的调节放大。选用C8051F410内部12位A/D进行数值转换，电路简单实用。通过设计抗干扰辅助电路为AD849X芯片提供稳定的电源电压和参考电压，提高温度测量稳定性。

所述温度控制模块的技术方案是：基于PWM脉冲宽度调制技术，采用分段式数字PID算法和抗积分饱和PID算法实现石墨电热板的精确温度控制，即通过PWM脉冲宽度调节继电器的通断时间，继电器的通断时间调节石墨电热板的加热时间，其中PWM脉冲宽度的计算由分段式数字PID算法和抗积分饱和PID算法综合实现。PWM脉冲宽度体现为PWM脉冲的占空比，占比高表示脉冲高电平时间长，否则高电平时间短。由于温度控制系统控制的石墨电热板具有惯性较大的特点，热量传递的时候也有阻力，所以将它归于具有纯滞后的惯性环节。对于这种存在大的滞后特性的过渡过程控制，采用以下控制方案：使用采集到的实际温度与期望温度进行PID（比例积分微分）运算，结果计为占空比K，编写单片机软件产生占空比为K的PWM(Pulse_Width Modulation,脉宽调制)脉冲信号控制继电器的通断时间，继而继电器控制石墨电热板中的电热丝的通电时间，以达到控制精准加热的目的。

所述按键模块包括四个按键，分别为编号为按键0、按键1、按键2和按键3，通过按键组合方式，实现进入温度设定模式、退出温度设定模式、期望温度设定位左移、期望温度设定位右移、设定温度加1、设定温度减1、解除温度报警的功能。

所述显示模块显示采用两组8位LED数码管显示。因为显示的内容只有数字，从实现的复杂度及成本考虑，都不需要选用液晶显示。第一组8位数码管显示期望温度，即设定温度，另一组8位数码管显示实际温度。

所述报警模块技术方案是通过C8051F410芯片的I/O口控制一个三极管的通断，三极管集电极与电源之间连接报警蜂鸣器，当三极管接通时，蜂鸣器发出声音，达到报警目的。所述报警模块的功能包括超限报警，即石墨电热板的测量温度超过设定温度值20摄氏度时发出超限报警，蜂鸣器发出急促的“滴滴滴”报警声音，此时若有按键按下，或温度已回落到设定温度以下时超限报警取消；定时报警，即设定的加热时间结束时，温度控制器停止石墨电热板加热，同时报警器发出间断的“滴滴”报警声音，持续5~8秒。 

所述电源模块输入220V交流市电，电源设计主要包括变压、整流、滤波、稳压四个部分。所述电源模块提供两组直流电源输出，一组大小为3V至12V，供给温度控制模块，另一组大小为5V，供给温度控制模块之外的模块。

 

本发明的有益效果是：基于PWM脉冲宽度调制技术，采用分段式数字PID算法和抗积分饱和PID算法实现石墨电热板的温度控制，通过分段式数字PID算法减少继电器的频繁开关，提高继电器的使用寿命，通过抗积分饱和PID算法克服积分饱和危害，减少温控平衡时间；通过设计抗干扰辅助电路为温度测量信号的调节放大芯片提供稳定的电源电压和参考电压，提高温度测量稳定性；集成双电源设计，分别为温度控制模块和温度控制模块之外的其它模块提供电源。本发明为石墨电热板提供一种性能稳定可靠、温度控制准确、温控平衡时间短的分段式数字温度控制装置与控制方法。