電阻爐溫度控制系統(tǒng)[1]

1、武漢理工大學微型計算機控制技術課程設計說明書摘要溫度控制是工業(yè)對象中主要的控制參數(shù)之一，其控制系統(tǒng)本身的動態(tài)特性屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，象冶金、機械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等，對工件的處理溫度要求嚴格控制，計算機溫度控制系統(tǒng)使溫度控制指標得到了大幅度提高。以8031單片機為核心，采用溫度變送器橋路和固態(tài)繼電器控溫電路，實現(xiàn)對電爐溫度的自動控制。該控制系統(tǒng)具有硬件成本低、控溫精度較高、可靠性好、抗干擾能力強等特點。電阻爐爐溫控制系統(tǒng)的控制過程是：單片機定時對爐溫進行檢測，經(jīng)A/D轉換芯片得到相應的數(shù)字量，經(jīng)過計算機進行數(shù)據(jù)轉換，得到應有的控制量，去控制加熱功率，

2、從而實現(xiàn)對溫度的控制。關鍵詞：電爐 溫度控制系統(tǒng) ADC0809AD轉換器目 錄1 控制方案總述12 硬件電路設計12.1 溫度檢測和變送器部分22.2 接口電路22.2.1 主要特性22.2.2 內部結構32.2.3 外部特性（引腳功能）32.3 接口電路53 軟件設計63.1 主程序63.2 T0中斷服務程序73.3 子程序93.3.1采樣子程序SAMP93.3.2 數(shù)字濾波子程序FILTER93.3.3積分分離PID控制算法的程序設計104 基于MATLAB仿真被控對象125 結果分析14設計小結16參考文獻16附錄1728溫度控制系統(tǒng)設計1 控制方案總述隨著電子技術的發(fā)展，特別是隨著大

3、規(guī)模集成電路的產生，給人們的生活帶來了根本性的變化，特別是微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學研究得到了質的飛躍，利用單片機來改造落后的設備具有性價比高、提高設備的使用壽命、提高設備的自動化程度的特點。本設計就是利用單片機來控制高溫加熱爐的溫度，傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管（SCR）控制的高溫電加熱爐采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導通角的大小來調節(jié)輸出功率，達到自動控制電加熱爐溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實踐表明這種控制方式產生相當大的中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸，給電力系統(tǒng)造成“公害”。采用固態(tài)繼電器控溫電路，通過單片機控制固態(tài)繼電器，其波形為完整的正弦波，是一種穩(wěn)定、可靠、較先進的控制方法。為了降

4、低成本和保證較高的控溫精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零點遷移、冷端補償功能的溫度變送器橋路，使實際測溫范圍縮小。采用AT80C51為核心，結合溫度傳感器熱電偶和AD轉換器來監(jiān)測被控溫度數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳遞給單片機同時顯示實時數(shù)據(jù)。同時鍵盤會給與要求的控制溫度大小供單片機把其和測量溫度進行比較處理，從而控制執(zhí)行系統(tǒng)的開關量的通斷狀態(tài)，達到溫度檢測、賦值和控制的作用。其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示：2 硬件電路設計 硬件電路如圖2所示： 圖2 硬件電路圖現(xiàn)對各部分電路分述如下：2.1 溫度檢測和變送器部分溫度計的檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度及進度等級有關。鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于01000

5、攝氏度的溫度測量范圍，相應輸出電壓為041.32mV。變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的041.32mV變換成010mA范圍內的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的010mA電流變換成05V范圍內的電壓。為了提高測量精度，變送器可以進行零點遷移。例如，若溫度測量范圍為0300攝氏度，則熱電偶輸出為012.396mV，毫伏變送器零點遷移后輸出010mA范圍的電流。這樣，采用8位A/D轉換器就可以量化溫度誤差達到正負2.34攝氏度以內。2.2 接口電路8031的接口電路有8155、2732和ADC0809等芯片。8155用于鍵盤LED顯示器接口，2372

6、可以作為8031的外部ROM存儲器，ADC0809為溫度測量電路的輸入接口。ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模數(shù)轉換的器件。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。2.2.1 主要特性1）8路8位AD轉換器，即分辨率8位。2）具有轉換起?？刂贫恕?）轉換時間為100s4）單個5V電源供電5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點和滿刻度校準。6）工作溫度范圍為-4085攝氏度7）低功耗，約15mW。2.2.2 內部結構ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉換器，內部結構如圖1322所示，它由8路模擬開關、

7、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型DA轉換器、逐次逼近。2.2.3 外部特性（引腳功能）ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3所示。圖3 ADC0809引腳圖下面說明各引腳功能。IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START： A/D轉換啟動信號，輸入，高電平有效。EOC： A/D轉換結束信號，輸出，當A/D轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉換結束時，此

8、端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基準電壓。Vcc：電源，單一5V。GND：地。ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。8155有4

9、0條引腳，如圖4所示。圖4 8155引腳圖下面說明各引腳功能：AD0AD7：三態(tài)地址/數(shù)據(jù)線。是低8位地址與數(shù)據(jù)復用線。地址可以是8155片內RAM單元地址或I/O端口地址。AD0AD7上的地址由ALE的下降沿素存到8155片內地址鎖存器。也就是由AIE信號來區(qū)別AD0AD7上出現(xiàn)的地址信息還是數(shù)據(jù)信息。ALE：地址鎖存允許信號。在ALE信號的下降沿把ADOAD7上的8位地址信息，CE片選信號及IO/M信號都鎖存到8155內部存儲器中。IO/：I/O端口和RAM選擇信號。當IO/=1時，AD0AD7的地址位8155I/O端口地址，選擇I/O端口。當IO/=0時，AD0AD7的地址位8155片內

10、RAM單元地址，選擇RAM存儲單元。CE：片選信號。低電平有效。由ALE信號的下降沿鎖存到8155內部存儲器。RD：讀選通信號。低電平有效。當RD=0，CE=0時開啟AD0AD7的緩沖器，被選中的片內RAM單元或IO口的內容送到AD0AD7上。WR：寫選通信號。低電平有效，當CE,WR都有效時，CPU輸出到AD0AD7上的信息想偶爾到8155片內PAM單元或I/O端口。PA0PA7：A口的I/O線。PB0PB7：B口的I/O線。PC0PC5：C口的I/O線。TMRIN：定時器輸入。TMROUT：定時器輸出。2.3 接口電路8031對溫度的控制是通過可控硅調功器電路實現(xiàn)的，如硬件電路圖（圖2）所

11、示。雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V，50Hz交流電回路中。在給定周期T內，8031只要改變可控硅的接通時間便可改變加熱絲的功率，以達到調節(jié)溫度的目的。如下圖所示，可控硅在給定周期內具有不同接通時間的情況。顯然，可控硅在給定周期的100%時間內接通時的功率最大。可控硅接通時間可以通過可控硅控制極上的觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8031用軟件在P1.3引腳上產生，經(jīng)過零同步脈沖同步后經(jīng)光耦管和驅動器輸出送到可控硅的控制極上?？煽毓枵{功器輸出功率與通斷時間的關系如圖5所示。圖5 可控硅調功器輸出功率與通斷時間的關系 _ .-() o( )_-_3 軟件設計溫度控制程序的設計應考慮如下問題：1.

12、鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯示；2.爐溫采樣，數(shù)字濾波；3.數(shù)據(jù)處理時把所有數(shù)按定點純小數(shù)補碼形式轉換，然后把8位溫度采樣值Umin和Umax都變成16位參加運算，運算結果取8位有效值；4.越限報警和處理；5.PID計算，溫度標度轉換。通常，符合上述功能的溫度控制程序由主程序和T0中斷服務程序組成。3.1 主程序主程序應包括8051本身的初始化、8155初始化等。流程圖如6所示。設定堆棧指針清標志和暫存單元清顯示緩沖器區(qū)T0初始化 開CPU中斷掃描鍵盤溫度顯示停止輸出清標志D5HT1中斷程序圖6 主程序流程圖返回3.2 T0中斷服務程序T0中斷服務程序時溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動A/D轉換

13、、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報警和越限處理、PID計算和輸出可控硅的同步觸發(fā)脈沖等。P1.3引腳上輸出的該同步脈沖寬度由T1計數(shù)器的溢出中斷控制，8051利用等待T1溢出中斷空隙時間完成把本次采樣值轉換成顯示值并放入顯示緩沖區(qū)和調用溫度顯示程序。8051從T1中斷服務程序返回后便可恢復現(xiàn)場并返回主程序，以等待下次T0中斷。流程圖如圖7所示。圖7 T0中斷服務流程圖3.3 子程序3.3.1采樣子程序SAMP 采樣子程序流程圖如圖8所示。采樣起始地址送R0，采樣次數(shù)送R2選通IN0，啟動ADC延時A/D完成？所有采樣結束？YY圖8 采樣子程序流程圖返回3.3.2 數(shù)字濾波子程序FILTER數(shù)

14、字濾波子程序用于濾去來自控制現(xiàn)場對采樣值的干擾。流程圖如圖9所示。圖9 數(shù)字濾波子程序流程圖3.3.3積分分離PID控制算法的程序設計PID算法的表達式為：式中u(t)：調節(jié)器的輸出信號；e (t)：偏差信號；：調節(jié)器的比例系數(shù)；TI：調節(jié)器的積分時間；TD：調節(jié)器的微分時間。在計算機控制中，為實現(xiàn)數(shù)字控制，必須對上式進行離散化處理。用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。設系統(tǒng)的采樣周期為T，在t=kT時刻進行采樣，式中e(k)：根據(jù)本次采樣值所得到的偏差； e(k-1)：由上次采樣所得到的偏差。將上面的三個式子代入，則有式中，T為采樣時間，項為積分項的開關系數(shù)積分分離PID控制算法程序

15、流程圖如圖10所示。圖10 積分分離PID控制算法程序流程圖4 基于MATLAB仿真被控對象采用simulink仿真，通過simulink模塊實現(xiàn)積分分離PID控制算法。仿真圖如圖11所示。圖11 Simulink仿真選擇合適的Kp，Ki，Kd使系統(tǒng)的仿真效果趨于理想狀態(tài)。MATLAB編寫程序如下：clear all;close all;ts=10; %采樣時間10ssys=tf(1,30,1,inputdelay,80);dsys=c2d(sys,ts,zoh); %將sys離散化num,den=tfdata(dsys,v); %求sys多項式模型參數(shù)kp=5.2;Ti=0.005;Td=0

16、.005;end仿真波形如圖12所示。圖12 Matlab仿真波形圖5 結果分析當Ti，Td一定，即當Ti=Td=0.005時，改變Kp的值觀察波形可以知道其對系統(tǒng)超調量的影響。當Kp增大時，設Kp=5.8，此時的波形如圖13。圖13 Kp=5.8時的波形圖當Kp減小時，設Kp=4.6，此時的波形如圖14。圖14 Kp=4.6時的波形圖由圖12，圖13，圖14我們可以觀察到當Kp增大時系統(tǒng)超調量增大，當Kp減小時系統(tǒng)超調量減小。設計小結通過兩周的課程設計對溫度控制系統(tǒng)有了初步的了解，在本次課程設計中，通過查閱資料基本完成了硬件的設計，然后根據(jù)硬件電路進行軟件設計，基本實現(xiàn)了電爐的溫度控制。傳統(tǒng)

17、的以普通雙向晶閘管（SCR）控制的高溫電加熱爐采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導通角的大小來調節(jié)輸出功率，達到自動控制電加熱爐溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實踐表明這種控制方式產生相當大的中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸，給電力系統(tǒng)造成“公害”。采用固態(tài)繼電器控溫電路，通過單片機控制固態(tài)繼電器，其波形為完整的正弦波，是一種穩(wěn)定、可靠、較先進的控制方法。為了降低成本和保證較高的控溫精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零點遷移、冷端補償功能的溫度變送器橋路，使實際測溫范圍縮小。在老師的指導和同學們的幫助下，我順利完成了這次課程設計，通過這次課程設計，使我對單片機的應用、微控控制技術、傳感器技術等

18、等好多專業(yè)知識有了更深的了解，解決了許多在學習過程中不能理解的知識，并且提高了自己理論聯(lián)系實際的能力，為今后在工作中專業(yè)知識的應用積累了寶貴的經(jīng)驗。通過這次畢業(yè)設計，使我對單片機原理有了更新的認識，掌握了常用芯片如AT80C51、ADC0809、8155等器件的功能，懂得了這些器件在實際生產中的最基礎的應用，掌握計算機的一些畫圖、排版等軟件的應用 ，真的是受益非淺。參考文獻1 張艷兵,王忠慶,鮮浩編著,計算機控制技術.北京:國防工業(yè)出版社,20062 于海生編著,微型計算機控制技術.北京:清華大學出版社,19993 楊進才,沈顯君,劉蓉編著,C+語言程序設計教程.北京:清華大學出版社,2006

19、4 夏云龍編著,最新Visual C+ 使用手冊.北京:電子工業(yè)出版社,20055 黃迪明,許家珆,胡德昆編著,C語言程序設計.成都:電子科技大學出版社,20086 顏永軍等,Protel99電路設計與應用,國防工業(yè)出版社,20017 樓然苗,李光飛,51系列單片機設計實例（第二版）,2006附錄主程序 ORG 0400HDISM0 DATA 78HDISM1 DATA 79HDISM2 DATA 7AHDISM3 DATA 7BHDISM4 DATA 7CHDISM5 DATA 7DH MOV SP,#50H ;50H送SP CLR 5EH ;清本次越限標志 CLR 5FH ;清上次越限標志

20、 CLR A ;清累加器A MOV 2FH,A ; MOV 30H,A ; MOV 3BH,A ; MOV 3CH,A ; MOV 3DH,A ; 清暫存單元 MOV 3EH,A ; MOV 44H,A ; MOV DISM0,A ; MOV DISM1,A ; MOV DISM2,A ; MOV DISM3,A ; 清顯示緩沖區(qū) MOV DISM4,A ; MOV DISM5,A ; MOV TMOD,#56H ；設T0為計數(shù)器方式2，T1為方式1 MOV TL0,#06H ； MOV TH0,06H ； T0賦初值 CLR PT0 ；令T0為低中斷優(yōu)先級 SETB TR0 ；啟動T0工作

21、SETB ET0；允許T0中斷 SETB EA ；開CPU中斷LOOP:ACALL DISPLY ；調用顯示程序 ACALL SCAN ；調用掃描程序 AJMP LOOP ；等待中斷T0中斷服務程序 ORG 000BH AJMP CT0 ORG 0100HCT0: PUSH ACC ； PUSH DPL ；保護現(xiàn)場 PUSH DPH ； SETB D5H ；置標志 ACALL SAMP ；調用采樣子程序 ACALL FILTER ；調用數(shù)字濾波程序 CJNE A,42H,TPL ；若Ui（k）不等于Umax，則TPLWL: MOV C,5EH ； MOV 5FH,C ； 5EH送5FH CLR

22、 5EH ；清5EH單元 ACALL UPL ；轉上限處理程序 POP DPH POP DPL POP ACC RETI ；中斷返回TPL: JNC TPL1 ；若Ui（k）大等Umax，則TPL1 CLR 5FH；清上次越限標志 CJNE A,43H,MTPL ；若Ui（k）不等于Umin，則MTPLHAT: SETB P1.1 ；若溫度不越限則令綠燈亮 ACALL PID ；調用計算PID子程序 MOV A,2FH ；PID值送A CPL A ； INC A ； 對PID值求補，作為TL1值NM: SETB P1.3 ；令p1.3輸出高電平脈沖 MOV TL1,A ； MOV TH1,#0

23、FFH ； T1賦初值 SETB PT1 ；T1高優(yōu)先級中斷 SETB TR1 ；啟動T1 SETB ET1 ；允許T1中斷 ACALL TRAST ；調用標度轉換程序LOOP: ACALL DISPLY ； 顯示溫度 JB D5H,LOOP ；等待T1中斷 POP DPH ； POP DPL ； 恢復現(xiàn)場 POP ACC ； RETI ；中斷返回MTPL: JNC HAT ；若Ui（k）大于Umin，則HAT SETB P1.0 ；否則越下限聲光報警 MOV A,45H ；取PID最大值輸出 CPL A ； INC A ； 對PID值求補，作為TL1 AJMP NM ；轉NM執(zhí)行TPL1: SETB 5EH ；若Ui（k）大于Umax，則5EH單元置位 JNB 5FH,WL ；若上次未越限，則轉WL INC 44H ；越限計數(shù)器加1 MOV A,44H CLR C SUBB A,#N ；越限N次？ JNZ WL ；越限小于N次，則WL SETB P1.2 ；否則，越上限聲光報警 CLR 5EH ； CLR 5FH ； 清越限標志 POP DPH ； POP DPL ； 恢復現(xiàn)場 POP ACC ； RETI ；中斷返回T1中斷服務程序 ORG 001BH AJM