電阻加熱爐溫度控制(20210315114255)

1、微型計算機控制技術(shù)課程設(shè)計電阻加熱爐溫度控制學(xué)院：信息工程學(xué)院 專業(yè)班級:自動化0703班 姓名：唐凱學(xué)號：一、摘要二、總體方余設(shè)計1設(shè)計內(nèi)求及要求2、工藝要求3、要求賣現(xiàn)的糸統(tǒng)基本功能4、對集分析5、系統(tǒng)功能設(shè)計三、硬件的設(shè)計和賓現(xiàn)呵、數(shù)孕控制毘的設(shè)計丿五、軼件設(shè)計丿1, 糸統(tǒng)程序流程圖2、程序請單六、屯捷的糸統(tǒng)電煉圖七、糸統(tǒng)調(diào)試入、設(shè)計總錯九、參考丈秋27/27一摘要溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一。特別是在冶金、化工、機械各類 工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。由于爐子的種類不同， 所采用的加熱方法及燃料也不相同,如煤氣、天然氣等。但就控制系統(tǒng)本身的 動態(tài)特性而言,均屬于

2、一階純滯后環(huán)節(jié)，在控制算法上基本相同,可采用PID 控制魁他純滯后補償算法。為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進(jìn)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，或者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z等等。因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實驗中常常對溫度不僅要不斷地測量,而且要 進(jìn)行控制。二、總體方案設(shè)計設(shè)計任務(wù)用一臺計算機及相應(yīng)的部件組成電阻爐爐溫的自動控制系統(tǒng),并使系統(tǒng)達(dá) 到工藝要求的性能指標(biāo)。1. 設(shè)計內(nèi)容及要求電阻加熱爐用于合金鋼產(chǎn)品熱力特性實驗,電加熱爐用電爐絲提供功率， 使其

3、在預(yù)定的時間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。在本控制對象電阻加熱 爐功率為8KW ,有220V交流電源供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控制。系統(tǒng)模型：電阻箜溫度TG 二2. 8e_40s178s4-l2. 工藝要求按照規(guī)定的曲線進(jìn)行升溫和降遍，遍度控制范圍為50350C ,升溫和降溫階段的溫度控制精度為+5C ,保溫階段溫度控制精度為+2C。3. 要求實現(xiàn)的系統(tǒng)基本功能微機自動調(diào)節(jié)：正常工況下，系統(tǒng)投入自動。模擬手動操作：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常z投入手動控制。微機監(jiān)控功能：顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實際值，控制量的輸出值,參數(shù)報警時有燈光報警。4. 對象分析在本設(shè)計中，要求電阻爐爐內(nèi)的溫度，按照上圖所示的規(guī)律變

4、化,從室溫 開始到50C為自由升溫階段，當(dāng)溫度一旦到達(dá)50C ,就進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)節(jié)，當(dāng)溫 度到達(dá)350C時進(jìn)入保溫段,要始終在系統(tǒng)控制下，一保證所需的爐內(nèi)溫度的 精度。加工結(jié)束，要進(jìn)行降溫控制。保溫段的時間為6001800so過渡過程 時間：即從開始控制到進(jìn)入保溫階段的時間要小于600s。在保溫段當(dāng)溫度高于 352C或低于348C時要報警,在升溫和降溫階段也要進(jìn)行控制，使?fàn)t內(nèi)溫度按照曲線的斜率升或降。采用MCS-51單片機作為控制器，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為模擬量輸 入,DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為模擬量輸出，鉗電阻為溫度檢測元件，運算放 大器和可控硅作為功率放大,電阻爐為被控對象,組成電阻爐

5、爐溫控制系統(tǒng), 另外，系統(tǒng)還配有數(shù)字顯示，以便顯示和記錄生產(chǎn)過程中的溫度和輸出值。5、系統(tǒng)功能設(shè)計計算機定時對爐溫進(jìn)行測量和控制一次，爐內(nèi)溫度是由一鉗電阻溫度計來 進(jìn)行測量,其信號經(jīng)放大送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，換算成相應(yīng)的數(shù)字量后,再送入 計算機中進(jìn)行判別和運算，得到應(yīng)有的電功率數(shù)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模 擬量信號，供給可控硅功率調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié),使其達(dá)到爐溫變化曲線的要求。件的設(shè)計和實現(xiàn)1、計算機機型:MCS51 8031 （不包含ROM、EPROM ）系統(tǒng)總線：PC總線2、設(shè)計輸入輸出通道輸入通道：因為所控的實際溫度在50 350C左右，即(350 - 50 )二300所以選用8位A/D轉(zhuǎn)換器,

6、其分辨率約為1.5C/字,再加放大器偏置措施 實現(xiàn)。(通過調(diào)整放大器的零點來實現(xiàn)偏置)這里采用一般中速芯片 ADC0809。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器,8路多路開關(guān)以及微型計算機 兼容的控制邏輯的CMOS組件,其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制,可以在8個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。輸出通道：據(jù)其實際情況,D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)可低于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù),因為一般控制系統(tǒng)對輸出通道分辨率的要求比輸入通道的低，所以這里采用常 用的DAC0832芯片DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器,與微處理器完全兼容。期間采用先進(jìn)的CMOS 工藝,因此功耗低,輸出漏電流誤差較

7、小。因DAC0832電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換 芯片，為了取得電壓輸出，需在電流輸出端接運算放大器,Rf為為運算放大器 的反饋電阻端。vnrrrDAC08321 AIIT4|Uwa|rR產(chǎn)RW2RI3、設(shè)計支持計算機工作的外圍電路矩陣鍵盤技術(shù):溫度輸出顯示技術(shù)：LED靜態(tài)顯示接口技術(shù)，所謂靜態(tài)顯示，即CPU輸出顯示值后，由硬件保存輸出值，保持顯示結(jié)果.特點占用機時少，顯示可靠但元件多，線路復(fù)雜、成本高，功耗大。報警電路設(shè)計：正常運行時綠燈亮,在保溫階段爐內(nèi)溫度超出系統(tǒng)允差范圍， 就要進(jìn)行報警。報警時報警燈亮，電笛響,同時發(fā)送中斷信號至CPU進(jìn)行處 理。8255APB7PB6PB5PB4PB3PB2P

8、B1PBO74LS06 電笛Q+5JED GMLED RD正常運轉(zhuǎn)爐混上限報誓於巴列爐溫下限報譽4. 元器件的選擇傳感器的選擇：鉗錯1010熱電偶，S型，正極性,量程01300C ,使用溫度小于等于600C ,允差+1.5C。執(zhí)行元件的選擇：電阻加熱爐采用晶閘管（SCR ）來做規(guī)律控制,結(jié)合電 阻爐的具體要求,為了減少爐溫的紋波，對輸出通道采用較高的分辨率的方 案，因此采用移相觸發(fā)方式，并且由模擬觸發(fā)器實現(xiàn)移相觸發(fā)。變送器的選擇：因為系統(tǒng)要求有偏置，又需要對熱電偶進(jìn)行冷端補償，所 以采用常規(guī)的DDZ系列溫度變送器。控制元件：采用雙向可控硅進(jìn)行控制，其功能相當(dāng)于兩個單向可控硅反向 連接，具有雙向

9、導(dǎo)通功能，其通斷狀態(tài)有控制極G決定。在控制極加上脈沖可使其正向或反向?qū)?。可控硅加熱爐控制原理圖四.數(shù)字控制器的設(shè)計1、控制算法:電阻加熱爐遍度控制系統(tǒng)框圖:R(S)整個閉環(huán)系統(tǒng)可用一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)來近似，所以其控制算法2. 8e-40s G(s) =采用大林算法。電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)模型為178s+1其廣義的傳遞函數(shù)為：大林算法的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計一個合適的數(shù)字控制器，使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即：通常認(rèn)為對象與一個零階保持器相串聯(lián)，相對應(yīng)的整個閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函 c、2&汕G(s)=數(shù)是： 178$+ 12、計算過程:連同零階保持器在內(nèi)的系統(tǒng)廣義

10、被控對象的傳遞函數(shù)17i C Q c一必 2.8G =Z_-s 178s+ 1_40=2-8(1-，)ZnyR訃A=2.8(1- z1 )z-4 S 1-平t0.154z-51-0.945 z系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)嚴(yán)CT + 1數(shù)字控制器：DQ) =G1-jV-i Z1 7Z (1- r)JJ1 一丁TUP7)君 NTG 10z5d-/7)1-0.945Z1DQ)=ioiol-/Tz-l-(l-/7)z-56.448(1-0.945 z1)一 10.007z -0.933z*054廠6.448(1-0945廠)(1一廣|)1 + 0933丁 +0.933廣2 +0933z +0.933Z4消除振鈴現(xiàn)

11、象后的數(shù)字控制器:D(z) =6448(1 0945廠)rr51.297 -1.297 x 0.945 z1i-r*將上式離散化:U ( Z ) U ( Z ) Z1 二 1.279E ( Z ) 1.226E ( Z) Z1U ( K ) U ( K1 ) =1.279E ( K ) 1.226E ( K1)最終得：U ( K )二U ( K1 ) +1.279E ( K ) 1.226E ( K1)五.軟件設(shè)計h系統(tǒng)程底流程圖a、系統(tǒng)主程序框圖初始化參數(shù)設(shè)置調(diào)用溫度采樣子程序勰ri調(diào)用顯示子程序溫度丈于上限設(shè)定值？縣度小于下限設(shè)定值？啟動就電器(Ob、A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖C、數(shù)字控制算法

12、子程序流程圖（數(shù)字控制計算程序）Id、LED顯示流程圖2、程序清單ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP KEYSORG 000BHAJMP PITOORG 001BHAJMP PIT 1MAIN： MOVSP,#00HCLR5FHMOVA, #00HMOVR7,#09HMOVRO,#28HLP1：MOVR0,AINCRODJNZR7,LP1MOVR7,#06HMOVRO,#39HLP2：MOVR0,AINCRODJNZR7,LP2MOVR7,#06HMOVRO,#50H:中斷入口及優(yōu)先級:淸上下限越限標(biāo)志LP3：MOVR0,AINCRODINZR7, LP3MOV33

13、H,#00HMOV34H,#00HMOV35H,#00HMOV36H,#00HMOV37H,#00HMOV38H,#00HMOV42H,#00HMOV43H,#00HMOVTMOD, #56HMOVTLO,#06HMOVTHO,#06HMOV25H,#I63HSETBTROSETBETOSETBEXOSETBEALOOP：MOVRO, #56H:淸顯示緩沖區(qū):賦KP高低字節(jié):賦KI高低字節(jié):賦KD高低字節(jié):賦K高低字節(jié)；TO方式2, T1方式計數(shù):設(shè)定值默認(rèn)值350:鍵盤高優(yōu)先級開鍵盤TO。T1中斷:標(biāo)度轉(zhuǎn)化MOV Rl, #55H LCALLSCACOVMOV RO, #53HLCALL D

14、IRNOPLCALL DLY10MSNOPLCALL DLY10MSAJMP LOOP:等中斷鍵盤子程序KEYS：CLREXOCLR EAPUSH PSWPUSH ACC:關(guān)中斷LCALL DLY10MS:消抖CC：JBP3.2 AASETB5DH:置“顯示設(shè)定值溫度值標(biāo)志”MOVA, 25H:取運算位的值MOVB, #10H:BCD碼轉(zhuǎn)化DIVABMOV52H, AMOVA.BMOV51H,AMOVR0.#50HLCALLDIR;顯示設(shè)泄溫度NOPLCALLDLY10MSNOPLCALLDLY10MSJBPl.7 .BBMOVRL#25HLCALLDA ADINOPLCALLDLY10MSA

15、JMPCCBB:JBPl.6 CCMOVRL#25HLCALLDEEC1NOPLCALLDLY10MSAJMPCCAA:POPACCPOPPSWSETB EXOSETB EA;出棧RETI顯示子程序DIR:MOVSCON ,#00H;置串行口移位寄存器狀態(tài)SETBPl.4;開顯示JB5DH.DL1;顯示設(shè)定溫度DL2:MOVDPTR.#SEGTDLO:MOVA,R0MOVCA,A+DPTRMOVSBUF 4LOOP1:JNBTI, LOOP1CLRTIINCROMOVA,R0MOVCA,A+DPTRANLA, #7FH:使數(shù)帶小數(shù)點MOVSBUF ,ALOOP2:JNBTLLOOP2CLRTI

16、INCROMOVA,R0MOVCA,A+DPTRMOVSBUEALOOP3:JNBTLLOOP3CLRTICLRPl.4CLR5DHRETDL1:MOV50H,#0AH；小數(shù)位黑屏AJMPDL2SEGT:DBOCOH ,0F9H.0A4H,0B0H.99H.92H.82H.0F8H.80H.90H.0FFH子程序DA ADI: MOVA,#00HORLA,R1ADDA.#01HCJNEA.#3OHDAAD2；超過 48 度了 嗎？加DAAD3: MOVRI,ADAA: RETDAAD2: JCDAAD3MOVR1,#15EH；超過48則轉(zhuǎn)回到355AJMPDAA減一子程序DEEC1:MOVAR

17、1DECACJNEA.#15EHQEEC2;低于355度了嗎？DEEC3:MOVR1,ADEE:RETDEEC2: JNCDEEC3MOVR1,#3OH;低于355則轉(zhuǎn)回到48AJMP DEETO中斷子程序PTTO:CLR EAPUSHACCPUSHPSWPUAHDPLPUSHDPHSETBEA;壓棧后開中斷響應(yīng)鍵盤PPP:LCALL SMAP:采樣數(shù)據(jù)LCALLFILTER;數(shù)字濾波MOVA,2AH;取采樣值CJNEA,#07HAAA；下限48比較AJMPBBBAAA:JCCCC；小于48度轉(zhuǎn)CJNEA,#0FEH ,DDD；上限355比較AJMPBBB;轉(zhuǎn)至48-355正常范圍處理DDD:

18、JCBBBCLRPl.2;大于355黃燈亮SETB5EHCLRAJMPPl.lPPP；置標(biāo)志啟動風(fēng)扇ccc：CLRPl.3;小于48紅燈亮SETB5FHBBB:CLRP1.0；置標(biāo)志啟動電爐AJMPPPPSETBP1.0SETBPl.lSETBPl.2SETBPl.3CLR5EHCLR5FH150-350之間正常LCALL PIDJNB20H.EEF;設(shè)定溫度小于實際值轉(zhuǎn)到風(fēng)扇MOVA,29HLCALLFFFCLRP1.0LOOP 10: MOVR0,#56H;存放相乘結(jié)果的首址MOVR1,#55H;賦顯示緩沖區(qū)最高位地址LCALLSCACOV;標(biāo)度轉(zhuǎn)化MOVR0,#53H;賦顯示首址CLRD

19、IRJBD5H.LOOP10;等待T1中斷CLREAPOPDPHPOPDPLPOPPSWSETBEAPOPACCRETIEEE:MOVA,28H;風(fēng)扇處理LCALLFFFCLR Pl.lAJMPLOOP 10FFF: CRLA;根據(jù)PID結(jié)果計算T1初值INCAMOVTL1,AMOVTHL#OFFHSETB PHSETB TRISETB ET1RET標(biāo)度轉(zhuǎn)化SCACOV :PROCNEARMOVDX,0MOVDATAL#258HMOVDATA2,#708HMOVDATA3,#960HPROCNEARMOVDX,0MOVAX.DATAP;取采樣時間CMPAX.DATA3;時間大于2400?JAE

20、Q3DORCMPAX.DATA2JAEQ3-Q2;1800v 時間 2400CMPAX.DATA3JAEQ2-Q1;600v 時間 1800QO:MOV BX,0.8H;600S Q=50+t/2MULBXADCDX,0JMPDONEQ2-Q1: MOVAX,#15EH;Q=350Q3-Q2: SUBAX.DATA2MOV BX,08H:Q=350-(t-1800)/2MULBXMOVAX.#15EHSUBMOVAX.BXR1,APP:采樣子程序SWAP:RETMOV R0.#20HMOVRl.#03HSAW1: MOVDPTR.#7FF8HMOVXDPTRA:A/D轉(zhuǎn)化MOVR2.#20HD

21、LY:DJNZR2.DLY涎時HERE:JBP3.3 .HEREMOVDPTR.#7FF8HMOVXMOVA.DPTRR0.A；讀轉(zhuǎn)化結(jié)果INCRODJNZRLSAM1RET數(shù)字濾波FILTER: MOV A. 20HCJNEA.2DH CMP1AJMPCMP2CMP1: JNCCMP2XCH A2DHXCH A,2CHCMP2: MOVA.2DHCJNE A22EH.CMP3MOV 2AH,AAJMP RRCMP3: JCCMP4MOV 2AH,AAJMP RRCMP4: MOVA,2EHCJNEA,2CH.CMP5MOV2AH ,AAJMPRRCMP5: JCCMP6XCH A,2CHCM

22、P6:MOV2AH,ARR:RETT1中斷PIT1:CLROOHJB20H. GGGSETBP1.0GG:CLRPT1RETIGGG:SETBPl.lCLR20HAJMPGG延時10MS子程序DLY10MS: MOVR7.#0A0HDLOO: MOVR6.#0FFHDL11:DJNZR6.DL11DJNZR7.DL00RET數(shù)字PID算法子程序PID:MOVR5.#00HMOVR4.2DHMOVR3.#00HMOVR2,#32HLCALLCPL1LCALLDSUMMOVR0,#5AHMOVR5.#05HMOVRO1CHLCALLMULTMOV31H.5BH；關(guān)閉電爐；關(guān)閉風(fēng)扇；取NX值;取50

23、;求(NX-32H)值；賦乘法算法運算暫存單元地址首址；賦參數(shù);調(diào)無符號數(shù)乘法MOV 32H ,5AHMOV R5.31HMOV R4,32HMOV R3,2AHMOV R2.#00HACALL CPL1ACALL DSUMMOV 39H. R7MOV 3AH.R6MOV R5,35HMOV R436HMOV R0.#4AHACALL MULTIMOV R239HMOV R43AHMOV R33BHMOV R2.3CHMOV R5.33HMOV R4,34HMOV R0.#46HACALL MULTIMOV R5.49HMOV R4.48HMOV R3.4DHMOV R2.4CHLCALL D

24、SUMMOV 4AH, R7MOV 4BH.R6MOV R5.39HMOV 3CH,3AHMOV A,31HCJNE A.2AH.AA2AA3:CLR20HAA1:RETAA2 JNCAA3SETB20HMOVR339HMOVR2.3AHLCALLCPL1MOVA,R3MOVR7,AMOVA.R2MOVR6,AMOVR5.42H；存放結(jié)果有效值；取雙字節(jié)UR(設(shè)宦)；取雙字節(jié)實測值;取U(K)補碼；計算E(K)；存 E(K)；取11參數(shù);計算 PI=KI*E(K)；取 E(K)；取 E(K-l)；取KP參數(shù);KP*E(K) E(K-l );KP*( E(K). E(K1)+ KI*E(K);保

25、存上式之和;存 E(K)到 E(K-l);取設(shè)定值;比較設(shè)定值與實測值;淸電爐標(biāo)志;淸風(fēng)扇標(biāo)志位MOV R4,43HMOV R0.#5AH；取1JNCPOS1；為正數(shù)則轉(zhuǎn)MOVA,R1;為負(fù)數(shù)求補CPLAADDA,#01HMOVR6.AMOVA.R7CPLAADDCA,#00HMOVR7,APOS1:MOVA,R5;取乘數(shù)RLCA；乘數(shù)符號C2 一MOV5DH,CJNCPOS2；為正數(shù)則轉(zhuǎn)MOVA.R4CPLAADDA,#01HMOVR4.AMOV A.R5CPL AADDC A.#00HMOV R5.APOS2:ACALLMULTMOVANLJCMOVMOVJNCDECMOVCPLADDMOVINCMOVCPLADDCMOVTPL:RETMUUT: MOVC,5CHC5DHTPLC,5CHC5DHTPLROA,RO AA,#01R0,AROA,R0AA