電阻爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計

1、中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計說明書1 緒論1.1 研究的目的及意義自從發(fā)現(xiàn)電流的熱效應(yīng)(即楞次-焦耳定律)以后，電熱法首先用于家用電器，后來又用于實驗室小電爐1。隨著鎳鉻合金的發(fā)明，到20世紀20年代，電阻爐已在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)上用的電阻爐一般由電熱元件、砌體、金屬殼體、爐門、爐用機械和電氣控制系統(tǒng)等組成。加熱功率從不足一千瓦到數(shù)千千瓦。工作溫度在650以下的為低溫爐；6501000為中溫爐；1000以上為高溫爐。在高溫和中溫爐內(nèi)主要以輻射方式加熱。在低溫爐內(nèi)則以對流傳熱方式加熱，電熱元件裝在風(fēng)道內(nèi)，通過風(fēng)機強迫爐內(nèi)氣體循環(huán)流動，以加強對流傳熱。電阻爐有室式、井式、臺車式、推桿式、步進式

2、、馬弗式和隧道式等類型?？煽貧夥諣t、真空爐、流動粒子爐等也都是電阻爐2。電阻爐與火焰爐相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、爐溫均勻、便于控制、加熱質(zhì)量好、無煙塵、無噪聲等優(yōu)點，但使用費較高3。電熱元件具有很高的耐熱性和高溫強度，很低的電阻溫度系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。常用的材料有金屬和非金屬兩大類。金屬電熱元件材料有鎳鉻合金、鉻鋁合金、鎢、鉬、鉭等，一般制成螺旋線、波形線、波形帶和波形板。非金屬電熱元件材料有碳化硅、二硅化鉬、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、帶等形狀。電熱元件的分布和線路接法，依爐子功率大小和爐溫要求而定4。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實驗中，溫度是極為普遍的又極為重要的熱工參數(shù)之一。為了保證生產(chǎn)過程正常

3、安全地進行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量以及減輕工人的勞動強度，節(jié)約能源，對加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動或爐內(nèi)物體而變化，也有的電爐的爐溫根據(jù)工藝要求按照某個指定的升溫或保溫規(guī)律而變化等。因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實驗中常常要求不斷地測量溫度，同時還進行控制5。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通過布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能并借助輻射與對流的傳熱方式加熱工件。熱處理是提高金屬材料及其制品性能的工藝6。根據(jù)不同的目的，將材料及其制件加熱到適宜的溫度，保溫，隨后用不同的方法冷卻，改變其內(nèi)部組織，以獲得所要求的力學(xué)性能，通過熱處理可以提高制件的使用效能或壽命7。

4、1.2 溫度控制研究目前，我國電阻熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段。近年來隨著工業(yè)的發(fā)展，對金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無公害方向發(fā)展8。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，這樣加熱時均溫過程的測量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)，促使人們更加積極地研究控制熱加工工藝過程的方法9。爐控制設(shè)備的現(xiàn)狀是一小部分比較先進的設(shè)備和大部分比較落后的設(shè)備并存。整體上，我國的電阻爐控制系統(tǒng)與國外發(fā)達國家相比還比較落后。占主導(dǎo)地位的是儀表控制，這種系統(tǒng)的控制參數(shù)由人工選擇，需要配置專門的儀表調(diào)試人員，費時、費力且不準確?？刂凭纫蕾囉谠囼炚叩恼{(diào)節(jié)，控制精度不

5、高，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設(shè)置。操作不方便，控制數(shù)據(jù)無法保存。因而，對生產(chǎn)工藝的研究很困難，因此造成產(chǎn)品質(zhì)量低、廢品率高、工作人員的勞動強度大、勞動效率低，這些都影響了企業(yè)的效益。近年來 ，雖然引進了國外的一些控制器，如日本島電的r四3型40段(步)可編程pid調(diào)節(jié)器，全部操作窗口按功能分為6個窗口群，共95個子窗口，其設(shè)置仍然繁雜10。 電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過程，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求11。電阻爐在國民經(jīng)濟中有著廣泛的應(yīng)用，而大功率的電阻爐則應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)過程中。然而

6、，大多數(shù)電阻爐存在著各種干擾因素，將會給工業(yè)生產(chǎn)帶來極大的不便。因此，在電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)盡量考慮到如何有效地避免各種干擾因素而采用一個較好的控制方案，選擇合適的芯片及控制算法是非常有必要的12。一直以來，人們采用了各種方法來進行溫度控制，都沒有取得很好的控制效果。起先由于電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲，傳統(tǒng)方法大多采用儀表測量溫度，并通過控制交流接觸器的通斷時間比例來控制加熱功率。由于模擬儀表本身的測量精度差，加上交流接觸器的壽命短，通斷比例低，故溫度控制精度低，且無法實現(xiàn)按程序設(shè)定的升溫曲線升溫和故障自診斷功能，因此要對傳統(tǒng)的溫度控制方法進行改造13。如今,隨著以微機為核心的溫度控制技

7、術(shù)不斷發(fā)展,用微機取代常規(guī)控制已成必然，因為它確保了生產(chǎn)過程的正常進行，提高了產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量，減輕了工人的勞動強度以及節(jié)約了能源，并且能夠使加熱對象的溫度按照某種指定規(guī)律變化，而且微型計算機在智能溫度測量和控制電器中的控制作用是一種智能行為，所以，它在能量消耗上是比較少的，和普通儀表溫度測量相比，智能溫度測量與控制電器是一種節(jié)能電器。這不但對用戶來說具有很大的意義，而且對整個社會來說都是有重大意義的14。1.3 工作內(nèi)容系統(tǒng)要求電阻爐爐內(nèi)的溫度按圖1.1的規(guī)律變化。從室溫開始到點為自由升溫段，溫度一旦達到，就進入系統(tǒng)調(diào)節(jié)；從點到點為保溫段，要始終在系統(tǒng)的控制之下，以保證所需的爐內(nèi)溫度的精度，

8、保溫的時間為75min；加工結(jié)束后，由點到點為自然降溫段。圖1.1 爐溫控制要求爐溫變化曲線要求參數(shù)：過渡時間100min；超調(diào)量10；靜態(tài)誤差2。溫度的變化范圍為20220，保溫值為200。本次設(shè)計主要做的是硬件電路的設(shè)計及軟件的編程，用計算機進行溫度的控制，同時采用pid算法使系統(tǒng)獲得較好的性能指標(biāo)。系統(tǒng)分為四個部分：a/d轉(zhuǎn)換、pid控制、外部中斷、單片機控制。第 46 頁 共 46 頁2 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 控制方法常見電阻爐的溫度控制方法：串級控制；前饋-反饋控制；比值控制；smith預(yù)估控制。2.2 工作原理一個反饋系統(tǒng)，在干擾的作用下，被控量偏離給定值，即出現(xiàn)系統(tǒng)偏差時，通過控制

9、器的控制作用來抵消干擾的影響。大多被控制對象有純滯后現(xiàn)象，因此采用反饋控制提高精度，提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。2.3 爐溫控制系統(tǒng)工作原理電阻爐溫度自動控制體統(tǒng)采用了at89s52單片機作為控制器，擴展了數(shù)碼管顯示、鍵盤、報警及a/d轉(zhuǎn)換電路等，其系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。控制系統(tǒng)采用鉑電阻測量加熱電阻的入口溫度和出口溫度，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后送入單片機與給定溫度比較，其偏差經(jīng)pid運算后輸出，控制晶閘管三相調(diào)功模塊導(dǎo)通和斷開時間的不同來控制電熱元件的通斷時間，并由此來控制加熱電阻的加熱溫度?？刂葡到y(tǒng)控制固態(tài)繼電器（ssr）的通斷控制循環(huán)泵的運轉(zhuǎn)，循環(huán)泵不運轉(zhuǎn)，加熱爐不能通電加熱。入口溫度出口溫度at89s

10、52固態(tài)繼電器晶閘管三相調(diào)功模塊a/d轉(zhuǎn)換鍵盤、顯示加熱爐eeprom循環(huán)泵報警電路信號處理電路圖2.1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)3 硬件設(shè)計及器件選擇3.1 單片機的選擇選擇at89s52單片機作為控制系統(tǒng)的核心，at89s52內(nèi)部有8kb的程序儲存器，256b的數(shù)據(jù)儲存器，因而無需再擴展儲存器，使系統(tǒng)大大簡化。at89s52主要完成溫度的采集、控制、顯示和報警等功能。at89s52引腳說明at89s52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，at89s52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。

11、其將通用的微處理器和flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。表3.1 at89s52的管腳功能特性主要功能特性： 兼容mcs52指令系統(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫(1000次）flash rom 32個雙向i/o口 256x8bit內(nèi)部ram 3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷 時鐘頻率0-24mhz 2個串行中斷 可編程uart串行通道 2個外部中斷源 共6個中斷源 2個讀寫中斷口線 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能3.2 數(shù)據(jù)儲存器擴展設(shè)定的溫度曲線需要長期保存，擴展一片串行eeprom at24c256來保存設(shè)定的溫度曲線。3.2.

12、1 at24c56引腳說明其引腳排列如圖3.1所示，管腳配置如表3.2所示。表3.2 at24c256管腳配置管腳名管腳功能a0a1地址線sda數(shù)據(jù)線scl串口時鐘脈沖wp寫保護nc未定義 圖3.1 at24c256引腳圖a0、a1：地址選擇輸入端。在串行總線結(jié)構(gòu)中，可以連接4個at24c256。用a0、a1來區(qū)分各ic。a0、a1懸空時為0。scl：串行時鐘輸入。上升沿將sda上的數(shù)據(jù)寫入存儲器，下降沿從存儲器讀出數(shù)據(jù)送sda上。sda：雙向串行數(shù)據(jù)輸入輸出口。用于存儲器與單片機之間的數(shù)據(jù)交換。wp：寫保護輸入。此引腳與地相連時，允許寫操作；與vcc相連時，所有的寫存儲器操作被禁止。如果不連

13、，芯片內(nèi)部下拉到地。vcc：電源。gnd：地。nc：空。3.2.2 at24c256的工作原理at24c256內(nèi)部有512頁，每一頁為64字節(jié)，任一單元的地址為15位。地址范圍0000h7fffh。3.2.3 芯片工作狀態(tài)1）時鐘和數(shù)據(jù)傳送一般情況下，sda被外部的設(shè)備拉到高，只有當(dāng)scl為低電平時，sda上的數(shù)據(jù)變化，表示要傳送數(shù)據(jù)。scl為高時sda變化表示狀態(tài)變化。2）開始狀態(tài)（start） 當(dāng)scl為高時，sda由高到低表示數(shù)據(jù)傳送開始，這一狀態(tài)必須在所有命令之前。3）結(jié)束狀態(tài)（stop） 當(dāng)scl為高時，sda由低到高表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束狀態(tài)。4）應(yīng)答狀態(tài)（ack）所有的地址和數(shù)據(jù)都是以

14、8位的形式串行傳送給存儲器或從存儲器讀出的。存儲器在第9個時鐘周期sda發(fā)零信號表示已經(jīng)收到8位數(shù)據(jù)。3.3 傳感器的選擇及設(shè)計目前在溫度測量領(lǐng)域內(nèi)除了廣泛使用熱電偶外，電阻溫度計也得到了廣泛的應(yīng)用，尤其工業(yè)生產(chǎn)中-120+500范圍內(nèi)的溫度測量常常使用電阻溫度計。本設(shè)計中采用鉑電阻來測量溫度，由于鉑電阻有精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，且在氧化性氣氛中，甚至在高溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定，在1000的范圍內(nèi)，鉑電阻值與溫度變化曲線基本是線性的，因此選擇其作為電阻溫度計，其分度號為，電阻的初值為=100.00，溫度每升高1，鉑電阻的阻值約增加0.39.其測量放大線路如圖3.2所示。圖3.2的測

15、量部分是一個不平衡電橋，鉑電阻與固定電阻組成不平衡電橋的4個橋臂。為了保證測溫的精度，采用兩次溫壓。在0時，鉑電阻的阻值為=100.00，電橋平衡，對角線沒有電壓差；當(dāng)溫度變化時，鉑電阻的阻值變?yōu)?，其變化值與溫度成正比，電橋不平衡，使對角線兩點有電壓差，此電壓差送到運算放大器的輸入端，經(jīng)過放大后送到a/d轉(zhuǎn)換芯片。圖3.2 鉑電阻及其信號放大電路本放大器的整定值如表3.3所示。表3.3 放大器整定值溫度/ r/放大器輸出/v0.00100.000.0064.0125.161.25128149.842.50192174.043.75256197.965.00由此可知，3.4 a/d轉(zhuǎn)換器的選擇及

16、設(shè)計模擬輸入量采用tlc0834串行a/d轉(zhuǎn)換芯片完成，串行芯片占用單片機口線較少，由于溫度變化緩慢，所以轉(zhuǎn)換速度完全可以滿足要求。tlc0834簡介tlc0834是ti公司生產(chǎn)的八位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有輸入可配置的多通道多路器和串行輸入方式。tlc0834是ti公司生產(chǎn)的8位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有輸入可配置的多通道多路器和串形輸入輸出方式。其多路器可由軟件配置為單端或差分輸入，也可以配置為偽差分輸入。另外，其輸入基準電壓大小可以調(diào)整。在全8位分辨率下，它允許任意小的模擬電壓編碼間隔。由于tlc0834采用的是串行輸入結(jié)構(gòu)，因此封裝體積小，可節(jié)省51系列單片機i/0資源，價格也較適中。主

17、要特點如下： 8位分辨率； 易于和微處理器接口或獨立使用； 可滿量程工作； 可用地址邏輯多路器選通4輸入通道； 單5v供電，輸入范圍為05v； 輸入和輸出與ttl、cmos電平兼容； 時鐘頻率為250khz時，其轉(zhuǎn)換時間為32s； 可以和美國國家半導(dǎo)體公司的adc0834和adc0838進行替換，但它內(nèi)部不帶齊納穩(wěn)壓器網(wǎng)絡(luò)； 總調(diào)整誤差為26%。工作特點：tlc0834可通過和控制處理器相連的串行數(shù)據(jù)鏈路來傳送控制命令，因而可用軟件對通道進行選擇和輸入端進行配置。圖3.3 tlc0834引腳圖引腳功能：tlc0834的引腳排列如圖3.3所示，其中ch0ch3為模擬輸入端; cs為片選端；di為

18、串行數(shù)據(jù)輸入，該端僅在多路器尋址時（mux settling time）才被檢測；do為a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端；clk為時鐘；sart為轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端，該端為高電平時，表示轉(zhuǎn)換正在進行，為低電平則表示轉(zhuǎn)換完成；ref為參考電壓輸入端；vcc為電源；dgtl gnd為數(shù)字地，angl gnd為模擬地。由圖3.4可知，差模運算放大器的輸出信號經(jīng)tlc0834的ch0通道送入tlc0834進行a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過clk,sart,do(di)三個引腳送入單片機的p1.1p1.3口，使其與設(shè)定的溫度進行比較，其偏差經(jīng)pid運算后輸出，控制晶閘管三相調(diào)功模塊導(dǎo)通和斷開時間的不同來控制

19、電熱元件的通斷時間，并由此來控制加熱電阻的加熱溫度?？刂葡到y(tǒng)控制固態(tài)繼電器（ssr）的通斷控制循環(huán)泵的運轉(zhuǎn)，循環(huán)泵不運轉(zhuǎn)，加熱爐不能通電加熱。p2.5p2.7接報警電路，溫度超限時有聲音、燈光兩種報警功能。p2.3p2.4接晶閘管三相調(diào)功模塊和ssr。p0.0p0.3接鍵盤顯示電路。x1、x2接外部晶體和微調(diào)電容的一端。p1.1p1.3接數(shù)據(jù)儲存器的test、scl、sda的三個引腳，用于保存電阻爐的出口溫度曲線。p3.2接zlg7289a的key引腳，低電平有效，有鍵按下產(chǎn)生中斷。圖3.4 爐溫模擬量采樣電路原理圖3.5 顯示器、鍵盤接口設(shè)計溫度的設(shè)定與測量結(jié)果通過鍵盤和數(shù)碼管顯示電路完成。

20、鍵盤顯示電路由zlg7289a芯片完成。3.5.1 zlg7289a的簡介zlg7289a是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司自行設(shè)計的，具有spi串行接口功能的可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管(或64只獨立led)的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成led顯示鍵盤接口的全部功能,不需要的按鍵可以不接。zlg7289a內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受bcd碼或16進制碼，并同時具有2種譯碼方式.此外還具有多種控制指令，如消隱閃爍左移右移段尋址等。zlg7289a具有片選信號，可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。系統(tǒng)中擴展了二片zlg7289a驅(qū)動12位數(shù)碼管,用

21、來顯示導(dǎo)熱油出口溫度的給定值,出口溫度和入口溫度的測量值。鍵盤由16個鍵組成,其中10個數(shù)字鍵s1s10用于各種參數(shù)的設(shè)定；6個功能鍵s11s16分別是設(shè)定鍵、循環(huán)泵啟動鍵、加熱啟動鍵、加熱停止鍵、循環(huán)泵停止鍵、修改鍵。鍵盤顯示電路如圖3.5所示。圖3.5 鍵盤顯示電路3.5.2 zlg7289a的特點帶有串行接口，無需外圍元件即可直接驅(qū)動led；各位可獨立控制譯碼不譯碼及消隱和閃爍屬性；具有(循環(huán))左移(循環(huán))右移指令；具有段尋址指令,可方便地控制獨立的led顯示器；內(nèi)含64鍵鍵盤控制器以及去抖動電路；可完全替代其它公司的8279、8155、8255等系列顯示器件。3.5.3 zlg7289

22、a的引腳說明zlg7289a芯片具有標(biāo)準的dip28和soic28兩種封裝形式。其引腳排列如圖3.5所示，各引腳的功能說明見表3.4所列。圖3.5 zlg7289a引腳排列圖表3.4 引腳功能3.5.4 控制指令說明zlg7289a的控制指令分為二大類：純指令和帶有數(shù)據(jù)的指令。1）純指令純指令包括復(fù)位（清除）指令（0a4h）、測試指令（0bfh）、左移指令（0a1h）、右移指令（0a0h）、循環(huán)左移指令（0a3h）、循環(huán)右移指令（0a2）等。2）帶有數(shù)據(jù)的指令下載數(shù)據(jù)且按方式0譯碼指令該指令的格式如下：d7d6d5d4d3d2d1d01 0 0 0 0 a2a1 a0d7 d6 d5 d4 d

23、3 d2 d1d0dp x x x d3 d2 d0 d1該命令由二個字節(jié)組成。前半部分為指令，其中a2 a1a0為位地址d0d3數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)接收到此指令時(zlg7289a將按譯碼方式0進行譯碼)，小數(shù)點的顯示可由dp位控制，dp為時，小數(shù)點顯示，dp為0時，小數(shù)點不顯示。在該指令格式中，表示沒有影響。下載數(shù)據(jù)且按方式譯碼指令這種指令與上一個指令基本相同。所不同的是，該指令的d0d3對應(yīng)的數(shù)據(jù)位0ah0fh分別為七段顯示中的a、b、c、d、e、f。該指令的具體格式如下： d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 1 1 0 0 1 a2a1a0d7d6d5d4d3d2d1d0dp x

24、x xd3d2d0d1 讀鍵盤數(shù)據(jù)指令該指令從zlg7289a讀出當(dāng)前的按鍵代碼，格式如下：d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d00 0 1 0 1 0 1 0d7d6d5d4d3d2d1d0d7d6d5d4d3d2d0d1與其它指令不同的是，此命令的前一個字節(jié)00010101b為單片機傳送到zlg7289a的指令，而后一個字節(jié)d0d7則為zlg7289a返回的按鍵代碼。其范圍為03fh（無鍵按下時為0ffh）。在此指令的前半段，zlg7289a的data引腳處于高阻輸入狀態(tài)，可以用來接收來自微處理器的指令；在指令的后半段，data引腳從輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)為輸出狀態(tài)，此時將輸出鍵盤代碼的值。故

25、微處理器連接到data引腳的i/o口應(yīng)當(dāng)有一個從輸出態(tài)到輸入態(tài)的轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)zlg7289a檢測到有效的按鍵時，key腳將從高電平變?yōu)榈碗娖?，并一直保持到按鍵結(jié)束。在此期間，如果zlg7289a接收到“讀鍵盤數(shù)據(jù)指令”，則輸出當(dāng)前按鍵的鍵盤代碼；如果在接收到“讀鍵盤數(shù)據(jù)指令”時沒有有效按鍵，zlg7289a將輸出ffh（11111111b）。其它指令除以上幾個指令外，zlg7289a還具有下載數(shù)據(jù)但不譯碼、閃爍控制、消隱控制、段點亮指令、段關(guān)閉等指令。3.6 執(zhí)行器件的選擇選擇交流接觸器控制循環(huán)泵，晶閘管三相調(diào)功模塊控制加熱元件。三相調(diào)功模塊內(nèi)部含有晶閘管主電路、過零觸發(fā)及控制電路和強弱電隔離

26、電路，并有1個5引腳的控制插口，由單片機控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的時間完成對電熱元件的加熱，達到溫度控制的目的。固態(tài)繼電器是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)器件，為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸人端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端1，2就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)，從而接通交流或直流電路。 圖3.8 固態(tài)繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖固態(tài)繼電器就相當(dāng)于一個無觸點的開關(guān)，如圖3.9所示，通過對輸入控制端信號的給定，對電源（交流或直流）的通斷進行控制。 圖3.9 固態(tài)繼電器外部框圖3.7 報警電路與狀態(tài)顯示電路報警電路由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，當(dāng)

27、系統(tǒng)中溫度超限時，燈光報警。 4 數(shù)學(xué)模型與控制算法4.1 數(shù)學(xué)模型建立為了使系統(tǒng)獲得較好的性能指標(biāo)，首先要了解被控對象的的特性，并用以作為設(shè)計自動控制系統(tǒng)的依據(jù)。電阻爐溫度控制采用數(shù)字pid調(diào)節(jié)規(guī)律，為了確定pid上的參數(shù)，采用飛升曲線法來確定電阻爐溫度控制的傳遞參數(shù)。電阻爐出口溫度飛升曲線如圖4.1所示：圖4.1 電阻爐出口溫度的飛升曲線由圖可知，系統(tǒng)是帶純滯后的一階對象，其傳遞函數(shù)為：，式中為放大倍數(shù)；為對象時間常數(shù)；為對象滯后時間。一階對象參數(shù)的求取：對于一階對象的放大倍數(shù)，可由輸出穩(wěn)態(tài)值和輸入階躍信號幅值的比值球得。輸出從起始值達到0.632倍穩(wěn)態(tài)值的時間為對象時間常數(shù)，而滯后時間可

28、直接從圖中測量。根據(jù)溫度變化曲線的要求,可將其分為三段來進行控制:自由升溫段,保溫段和自然降溫段。而真正需要電氣控制的是前面兩個階段,即自由升溫段和保溫段。為避免過沖,從室溫到額定溫度為自由升溫段,在20%額定溫度時為保溫段。在自由升溫段中,希望升溫越快越好,總是將加熱功率全開,因此得到自由升溫段控制方程:當(dāng)溫度時,已較接近需要保溫的值,為此采用保溫段控制方程。保溫控制方法有多種,如果采用比例控制,由于電熱元件所加功率的變化和油溫變化之間存在一段時間延遲,因此當(dāng)以溫差來控制輸出時,系統(tǒng)只有在溫度與給定值相等時才停止輸出。這時由于電阻爐變化的延遲性質(zhì)，爐溫并不因輸入停止而馬上停止上升,從而超過給

29、定值。滯后時間越大,超過給定值也越大。爐溫上升到一定程度后,才開始下降,并下降到小于給定值時系統(tǒng)才重新輸出。同樣,由于爐溫變化滯后于輸出,它將繼續(xù)下降,從而造成溫度的上下波動,即所謂的振蕩?？紤]到滯后的影響,調(diào)節(jié)規(guī)律必須加入微分因數(shù),即pd調(diào)節(jié)。有了pd調(diào)節(jié),系統(tǒng)輸出不僅取決于溫差的大小,還取決于溫差的變化速率。當(dāng)爐溫從自由升溫段進入保溫段時, 爐溫還小于給定值,但溫度變化較大,因而系統(tǒng)可以提前減少或停止輸出,使?fàn)t溫不至于出現(xiàn)過大的超調(diào)。同樣,在降溫過程中也是如此。這樣就改善了爐溫調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)。積分作用可以提高溫度控制的靜態(tài)精度,適當(dāng)選擇積分作用,則可以在不影響動態(tài)性能情況下提高溫度控制的精

30、度。所以保溫段控制最好采用pid控制方法。 4.2 pid算法和參數(shù)選定 連續(xù)系統(tǒng)pid校正的控制量可以表示為： (式4-1） （式4-2）采用離散算法可以表示為(增量式):(式4-3)式中，為采樣周期，微分時間，比例系數(shù)，積分時間。本系統(tǒng)中將用到的實際算法為： (式4-4)4.3 數(shù)字控制器的實現(xiàn)根據(jù)上述連續(xù)系統(tǒng)原理設(shè)計出來的模擬調(diào)節(jié)器,經(jīng)離散化后變成適合于計算機計算的差分方程。根據(jù)差分方程就可以設(shè)計程序流程圖,進行程序設(shè)計。5 程序流程圖6 軟件設(shè)計軟件設(shè)計采用c51語言，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括初始化程序、主程序、a/d轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集程序、pid控制算法程序、鍵盤顯示程序等。主程序：cs1

31、bit p0.0cs2 bit p0.1clkz bit p0.2dioz bit p0.3clk bit p1.4di bit p1,6cs bit p1.7key bit p3.2key-zt bit 00hbiy-cnt data 30hdelay1 data 31hdecimal data 32hrec-buf data 33hsend-buf data 34h org 0000h jmp main org 0003h ajmp read-key 0rg 0030h main: setb cs setb dio ；延時25ms call delay mov send-buf,#1010

32、0100b call send-7289 setb cs ；初始化7289 end；*參數(shù)1示子程序*display1: ；顯示數(shù)字子程序 mov send-buf,#80h ；最低位數(shù)碼管顯示 call send-7289 mov send-buf,dat0 call send-7289 mov send-buf,#81h ；次低位數(shù)碼管顯示 call send-7289 mov send-buf,dat1 call send-7289 setb cs1 retread-key: ；鍵盤中斷子程序 mov send-buf,#00010101b call send call receive

33、setb cs2mov b,#10mov a,rec-bufdiv abmov decimal,amov send-buf,#10100001bcall send-7289setb cs2mov send-buf,#10100001bcall send-7289setb cs2mov send-buf,#10000001bcall send-7289mov seng-buf,decimalcall send-7289setb cs2call display1 reti；*由zlg7289a接收一字節(jié)數(shù)據(jù)，高位在前*receive: setb key-zt call send-7289 call

34、 receive mov a,key-zt mov rec-buf,a mov bit-cnt,#8 setb dat call long-delay jb key-zt,l1 lcall del10ms jb key-zt,l1 jnb s11,l2 jnb s12,l3 jnb s13,l4 jnb s14,l5 jnb s15,l6 jnb s16,l2l2:lcall receivel3: setb p2.4 lcall del100min cjne a,#100,p1 sjmp p3p1：jnc p2sjmp p3p2：lcall soundp3：retlcall read-keyl

35、4: setb p2.3 lcall adconvl5: clr p2.3 lcall read-keyl6: clr p2.4 lcall read-keyreceive-lp: setb clkz call short-delay mov c,dioz mov a,rec-buf rlc a mov rec-buf,a clr clkz call short-delay djnz bit-cnt,receive-lp clr diozret；*顯示子程序，發(fā)送一字節(jié)到zlg7289a*send-7289: mov bit-cnt,#8 clr cs2 call long-delaysend

36、-lp: mov a,send-buf rlc a mov send-buf,a mov dioz,c nop nop setb clkz call short-delay clr clkz call short-delay djnz bit-cnt,send-lp clr dioz retlong-selay: ;50us mov r6,#50 djnz r6,$ retshort-selay: ;10us mov r6,#10 djnz r6,$retdel25ms：mov r7,#25s2：mov r6,#250s1：djnz r6,s1djnz r7,s2nopnopretdel75m

37、in：mov r7,#36s3： mov r6,#250s2： mov r5,#250s1： mov r4,#250s0： djnz r4,s0 djnz r5,s1 djnz r6,s2 djnz r7,s3 nop nop ret del10ms：mov r7,#10s2：mov r6,#250s1：djnz r6,s1djnz r7,s2nopnop retdel100min：mov r7,#48s3： mov r6,#250s2： mov r5,#250s1： mov r4,#250s0： djnz r4,s0 djnz r5,s1 djnz r6,s2 djnz r7,s3 ajmp

38、 $ ret ；*啟動a/d轉(zhuǎn)換子程序*adconv: clr clk ；清時鐘 clr di setb cs ；置片選為高 clr cs ；置片選為低 setb di setb clk clr clk setb di ；1 setb clk clr clk clr di ；0 setb clk clr clk ；選擇ch0，單端輸入 setb clkclr clk ；由輸出狀態(tài)改為輸入狀態(tài) setb di lcall adreadret；*tlc0834讀取采樣數(shù)據(jù)子程序*adread: mov r0,#08hadlop0: ；讀取轉(zhuǎn)化結(jié)果 mov c,di rlc a ；累加器a左移，將結(jié)

39、果逐位移入a中 setb clk clr clk djnz r0,adlop0 mov r0,#07hadlop1: setb clk clr clk djnz r0,adlop1 setb clk clr clk setb clk clr clk setb cs ；置片選信號位高 lcall display1ret ；結(jié)束一次轉(zhuǎn)換；*實測溫度值與設(shè)定溫度值比較子程序*temp： temp1 equ 50hsti equ 51hst2 equ 52hf0 bit p2.5f1 bit p2.6f2 bit p2.7temp-h： ；與上線溫度比較mov a,send-7289mov r0,#2

40、20cjne a,r0,loop1sjmp loop3retloop1： jc hp lcall vd1 retloop3： rettemp-l ；與下線溫度比較 mov a,send-7289 mov r0,#20 cjne a,r0,l1 sjmp l3l1： jnc hp lcall vd2l3： ret；*報警子程序*vd1： setb p2.5 clr p2.5 mov r7,#1ehdl： mov r6,#0f9hdl1： djnz r6,dl1 djnz r7,dl ajmp $ setb p2.5vd2： setb p2.6 clr p2.6 mov r7,#1ehdl： mo

41、v r6,#0f9hdl1： djnz r6,dl1 djnz r7,dl ajmp $ setb p2.6del75min：mov r7,#18s3： mov r6,#250s2： mov r5,#250s1： mov r4,#250s0： djnz r4,s0 djnz r5,s1 djnz r6,s2 djnz r7,s3 ajmp $ ret sound： setb p2.7 clr p2.7 mov r7,#1ehdl： mov r6,#0f9hdl1： djnz r6,dl1 djnz r7,dl ajmp $ setb p2.7hp： clr 07h mov a,#200 mov

42、 r2,a mov a,r3 mov r7,a clrlp： mov a,r0 subb a,r1 mov r0,a inc ro inc r1 djnz r7,lp jnc lp0 setb 07h cjne r0,#2b,lp1 lcall del100min lcall pidlp1： jc lp2 lcall read-key retlp0： mov a,r2 mov r0,a retlp2： lcall del100min lcall pid retjb p2.3,lp3lcall adconvlp3： lcall read-keypid： mov 22h,#0 mov 23h,#0

43、 mov 24h,5ch mov 25h,5dh ；load e(n) mov 26h,5eh mov 27h,5fh ；load e(n-1) mov a,24h jnb acc.7,f-is-p ；e(n)為正跳轉(zhuǎn) mov 22h,#0ffh ；e(n)為負 mov 23h,#0ffh ；擴展符號位f-is-p: mov r0,#25h mov r1,#27h lcall sr01t0-4byte ；e(n)-e(n-1) mov r0,#25h mov r1,#27h lcall sr01t0-4byte ；-e(n-1) mov r0,#25h mov r1,#61h ；e(n-2)

44、lcall ar01t0-4byte ；+e(n-2) mov r1,#42h lcall imul ；有符號乘法子程序 mov 2ch,#0 mov 2dh,#0 mov 2eh,5ch mov 2fh,5dh ；load e(n) mov a,2eh jnb acc.7,c-is-p mov 2ch,#0ffh mov 2dh,#0ffhc-is-p: mov r0,#2ch mov r1,#64h ；ki lcall imul ；kie(n) mov a,2fh add a,25h mov 2bh,a mov a,2eh addc a,24h mov 2ah,a mov a,2dh ad

45、dc a,23h mov 29h,a mov a,2ch addc a,22h mov 28h,a ；kie(n)+kde(n)-2e(n-1)+e(n-2) mov r0,#28h lcall idiv ；有符號除法子程序 mov 2fh,5dh mov 2eh,5ch ；load e(n)mov 2dh,#0 mov 2ch,#0 mov a,2eh jnb acc.7,s-is-p mov 2ch,#0ffh mov 2dh,#0ffhs-is-p: mov r0,#2fh mov r1,#5fh ；load e(n-1) lcall sro1t0-4byte ；e(n)-e(n-1)m

46、ov a,2fh add a,2bh mov 2bh,a mov a,2eh addc a,2ah mov 2ah,a mov a,2dh addc a,29h mov 29h,a mov a,2ch addc a,28h mov 28h,a ；a+b+c mov r0,#28h mov r1,#3eh ；kp lcall imul ；kp*(a+b+c) mov r0,#28h lcall idiv mov a,2ah jnz not-set1 mov a,2bh jnz not-seti mov 2ah,#0 mov 2bh,#1not-set1: mov r0,#15h mov r1,#2bh lcall ar01t0 outzh ；計算pid輸出值 ret；*有符號乘法子程序*imul: mov 24h，r1 mov a，r1 add a，r2 dec a mov a，r1 mov a，r1 anl a，#80h mov r6，a jz neg0neg1： mov r1，24h mov 22h，r2 acall negtun neg0： mov 28h，r0 mov a，r0 add a，r3 dec a mov r0，a mov a，r0 anl a，#80h jz ddomul mov r1，