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1、基于单片机控制的微波加热系统 周 治 国 ， 陈 顺 (昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明 650051) 摘要：介 绍了以 AT89C52 单片机为控制核心的微波加热系统，通过 P1D 算法对测量数据和设定数据进行处理， 通过控制单相交流调压模块控制磁控管的功率，从而控制炉子的温度。用 K 型热电偶来检测炉子的温度。该微 波加热系统加热物体效率高，而且物体受热均匀。 关键 词：微波加热系统； PID 算法；热电偶；磁控管 中图分类号 ： TN015; TP273.5 文献标志码： A 文章编号 ： 1002-1639(2010)04-0023-25 The Design of Mic
2、rowave Heating Systems Base on Microcontroller ZHOUZhi-guo, CHENQi (Information Engineering and Automation Institute, Kunming University of Science And Technology, Kunming 650051, China) Abstract： This paper introduces the microcontroller of AT89C52 as the central controller of microwave heating sys
3、tems. AT89C52 process the data measurement and data setting by PID control algorithm. By controlling the single-phase AC voltage regulator module to control the voltage of the magnetron, and then control the temperature of the stove. The temperature of the stove is detected by K-thermocouple. The mi
4、crowave heating system is efficient, and the objects are heated uniformly. Keywords： microwave heating system; PID algorithm; thermocouple; magnetron 微波技术是 20世纪 20年代初发展起来的一门新技 术。微波加热在工业领域也得到了重大的运用。微波具 有内部加热，可克服物料中的“冷中心”，快速加热，易 自动控制，节能等特点 m。本文用 AT89C52 单片机为控 制 核心，釆用 K 型热电偶和新型数字器件 MAX6675 构 成温度测量电路。用数
5、字 PID 算法对炉温进行控制，具 有精度高，稳定性好的特点，单片机通过 PID 算法对测 量数据和设定数据进行处理，以此来控制单相交流调压 模块，从而来控制炉温。 1 硬件设计及系统原理 本系统由单片机 AT89C52、 温度检测电路、温度控 制电路、键盘及报警电路、时钟电路、显示电路等部分 组成。系统中釆用了新型元件 MAX6675,功能强大、精 确度高、稳定性好、内部集成了冷端补偿电路从而简化 了系统的软硬件设 计。系统硬件原理图如图 1 所示。在 系统中，温度的控制核心主要是 AT89C52 单片机。它是 美国 ATMEL公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单 片机，片内含8KB
6、 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储 器和 256KB 的随机数据存储器，与标准的 MCS-51 指令 系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器 (CPU)和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机 适合于许多较为复杂控制应用场合。 收稿日期 ： 2010-05-07;修 回日期 ： 2010-05-19 作者简介： 周治国（ 1982 )， 男 ，湖北省汉川市人，硕士研究生， 研究领域是微波加热的计算机控制技术 . 图 1 硬件原理图 时 钟 电 路 主 要 是 达 拉 斯 公 司 的 日 历 时 钟 芯 片 DS12C887来作为实时时钟芯片，为
7、系统提供详细的年、 月、日、星期和小时、分钟等时间信息。 DS12C887 具有 时钟、闹钟、 12/24 小时选择和闰年自动补偿功能；包含 有 10B 的时钟控制寄存器、 4B 的状态寄存器和 114B 的 通用 RAM。本系统的键盘为弹性小按键。显示部分是 12864 液晶，其使用 ST7920 控制器， 5 V 电压驱动，带 背光，用来显示时间，温度等基本信息。 利用 K 型 热电偶测得炉子实际温度并转换成毫伏级 电压信号，该电压信号经过 MAX6675 转换成与炉温相对 应的数字信号送人单片机，单片机采用 PID 控制算法对 采集的数据和设定数据进行数据处理，并把处理后的数 据经DAC
8、0832 转换成模拟控制量。通过液晶显示器显示 温度，同时将温度与设定温度比较并判断是否报警。根 据模拟控制量来控制单相交流调压模块，调节微波加热 炉中脉冲变压器输入端的电压来改变输出端电压去控制 加热设备 工业加热第 39 卷 2010 年第 4 期 磁控管的功率，从而控制炉温。 MAX6675 与 AT89C52 单片机的连接电路如图 2 所示 K 型热电偶的模拟信号 由MAX6675 的 T +和 T-端输入， T-端必须接地，转 换结果在 SCK 的控制下由 SO 连续输出。 MAX6675 的布 置在远离其他 I/O 芯片的地方，以降低电源噪声的影响。 为了防止电源噪声干扰，可在电源
9、与地之间接一个 .1 HF 陶瓷电容。 图 2 MAX6675 与 AT89C52 单片机的连接电路图 2 软 件 设 计 在系统软件中，主程序完成系统初始化。炉温的检 测，预设温度值的输入，温度和时间的显示， PID 控制算 法等都由子程序来完成；中断服务程序实现定时测温和 与预设温度值进行比较。其中 PID 控制算法是温度控制 系统软件的核心。本系统采用增量式 PID 控制算法，其 表达式 3: u ( =Kpe ( +Kie (t)dt + Kdf (1) 式中： e(?)=r -少是温度调节器的控制量，一般为 给定值与本次釆样值（即输出反馈值）之差。 r为给定 值，为本次采 样值。 &
10、为比例系数，尺为积分系数， A 为微分系数。 若设温度的采样周期为 rs， 第欠釆样得到的输入偏 差为 e (幻，调节器输出为 (幻，则有 4 de (t) _e (k) e ( 1) dt Ts S et)dt=Y,en)Ts n= 式 （ l)可改变为 u ( k ) = K p e ( k ) + K i Y , e ( n ) T s +Kd ? = 1 s (2) 写成递推式即增量表达式为 AM (k) =uk) -u(k l) =Kvek) -ek ) +KiTs e (k) +-jr-e (k) 2e (A： 1) +e (fc 2) (3) 式中： e， e(fl)， e(fc
11、-2)分别是第女， &-1， *-2 次 的偏差值。采样周期的选择应符合香农釆样定理的要求。 采样周期应远小于系统的时间常数，但对于响应很慢或 设定值变化很缓的系统，不必用过短的釆样周期。过短 的采样周期使 PID 的积分项过小，微分项又过大。 离散化后的 PID 算式为 式中：欠为比例系数；。为偏差为零时的控制值；乃为积 分时间为微分时间； e*为设定值与实际釆样值构成的 控制偏差。 在单片机应用中，有很多的控制算法，增量式 PID 控制算法 具有误动作时影响小的优点，算式中不需要累 加，控制增量 (幻的确定仅与最近 W 欠采样值有关，所以 较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果 5。 P
12、ID 控 制能满足相当多的工业控制要求。 PID控制算法的参数整定步骤 :单片机每隔固定时间 釆集当前温度，并将现场温度与用户设定温度的差值带 入增量式 PID 控制算法公式，由公式的输出量来决定磁 控管功率的大小。若现场温度与目标温度的偏差大，调 高交流调压模块的电压，则磁控管的功率变大，使现场 温度与目标温度的偏差变小。反之，若现场温度与目标 温度的偏差小，调低交流调 压模块的电压，则磁控管的 功率变小，直到现场温度与目标温度一致，形成一个闭 环调节系统。增量式 PID 算法程序流程见图 3。 图 3 增量式 PID 算法程序流程图 图 3 中， 9。 =尺 p+irs+， 9i=_( 尺
13、 p + 2 =夺。 系统设计流程见图 4。 24 图 4 系统设计流程图 波加热系统，利用 K 型热电偶和 MAX6675 构成的温度 检测电路来测量温度并配合 PID 算法对温度进行智能控 制。该温度控制系统比传统的温度控制系统控制精度高， 加热快，温度分布均匀，稳定性也好。 参考文献： 1 彭金辉，杨显万 .微波能技术新应用 M.昆明：云南科技 出版社， 1997: 1-2. 2 虞致国，徐健健 .MAX6675 的原理及应用 J国外电子元 器件，2002 (12): 41-43. 3 边春元，李文涛，江杰，等 .C51 单片机典型模块设计与 应用 M.北京：机械工业出版社， 2008:
14、 219-221. 4 陈少敏 .谈谈实用单片机温度控制系统 U.科学探索， 2009 (2) : 97-99. 5 陶永华 .新型 PID 控制及其应用 M.北京：机械工业出版 社，2002. 3 结语 本文主要讲述了以 AT89C52 单片机 为控制核心的微 (上接第 22 页） 非线性大时滞系统本文所提出的方法均能达到较好的控 制效果。 本文基于实际工程背景提出了一种新型的学习算法， 通过理论分析与实际对比可以发现基于这种算法的控制 器可以在保证效果的基础上提高工作效率，减小能量消耗。 参考文献： 1 谷俊杰 .非线性 PID 控制器在主蒸汽温度控制中的应用 J. 热力发电 ， 2009
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