電阻爐溫度控制課程設(shè)計1

1、淮海工學院課程設(shè)計1緒論隨著鎳鉻合金的發(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。電阻爐是利用電流使爐內(nèi)電熱元件或加熱介質(zhì)發(fā)熱，從而對工件或物料加熱的工業(yè)爐。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。電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中具有重要意義。其控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點，導致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、控制精度低。采用單片機進行爐溫控制，具有電路設(shè)計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點，對提高生產(chǎn)效率、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義。1.1 控制對象電阻爐在化工、

2、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，電阻爐中最重要的被控量就是溫度。因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中具有重要意義。1.2.設(shè)計內(nèi)容及要求 電阻爐加熱爐用于合金鋼產(chǎn)品熱力特性試驗，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預定的時間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。在本控制對象電阻爐功率為8KW，有220V交流電源供電，采用雙向可控硅進行控制。1.3 功能及技術(shù)要求為了保證生產(chǎn)過程正常安全的進行，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；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)律而變化等等。因此，對溫度不僅要不斷

3、地測量，而且還進行控制。對溫度的控制要求是先進、可靠、經(jīng)濟、 安全，能滿足熱處理工藝的要求，并保證工藝的穩(wěn)定和再現(xiàn)性，節(jié)省能源，保護環(huán)境，改善勞動環(huán)境，降低生產(chǎn)成本，提高機械化和自動化水平。2系統(tǒng)原理及整體設(shè)計在系統(tǒng)中，利用溫度傳感器測得電阻爐實際溫度并轉(zhuǎn)換成電流信號。該信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與爐溫相對應(yīng)的數(shù)字信號進入單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理后，通過液晶顯示器顯示溫度，同時將溫度與設(shè)定溫度比較，根據(jù)設(shè)定計算出控制量，根據(jù)控制可控硅的導通角大小即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，以實現(xiàn)對爐溫的控制。該系統(tǒng)該系統(tǒng)有按鍵信號輸入、溫度信號輸入、LED顯示、溫度控制電路等。根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，采用

4、80C51單片機系統(tǒng)組成的數(shù)字控制器代替常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器。整個系統(tǒng)在規(guī)定的采樣時刻經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換采集由溫度傳感器ADC0809反饋回來的溫度反饋測量值，并和給定值進行比較，將經(jīng)過控制運算后的控制量輸出給執(zhí)行元件控制電阻絲的加熱過程。這樣的系統(tǒng)屬于直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，DDC）系統(tǒng)。直接數(shù)字控制系統(tǒng)中的80C51單片機取代了多個模擬調(diào)節(jié)器，在不更換硬件的情況下，只要改變程序或調(diào)用不同子程序，就可實現(xiàn)各種復雜的控制規(guī)律。此外，系統(tǒng)還應(yīng)實現(xiàn)人機接口功能。單片機電阻爐爐溫自動控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示： 圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1.單片機最小系統(tǒng)

5、設(shè)計3.1.1單片機的選擇80C51單片機屬于MCS-51系列單片機，由Intel公司開發(fā)，其結(jié)構(gòu)是8048的延伸，改進了8048的缺點，增加了如乘除減比較16位數(shù)據(jù)指針布爾代數(shù)運算等指令，以及串行通信能力和五個中斷源。80C51采用40引腳雙列直插式DIP，內(nèi)有128個RAM單元以及4K的ROM，80C51有兩個十六位定時計數(shù)器，兩個外中斷，兩個定時計數(shù)中斷，及一個串行中斷，并有4個8位并行輸入口。80C51內(nèi)部有時鐘電路，但需要石英晶體和微調(diào)電容外接，本系統(tǒng)中采用12MHz 晶振頻率。由于80C51的系統(tǒng)性能滿系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時間精度的要求，而且產(chǎn)品產(chǎn)量豐富來源廣，應(yīng)用也很成熟，因此采用作為

6、控制核心。3.1.2晶振電路 利用80C51內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。最常用的是在XTAL1和XTAL2之間連接晶體振蕩器和電容構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。3.1.3復位電路 復位電路的作用是使單片機執(zhí)行復位操作。復位操作主要是把PC初始化為0000H,使單片機從程序存儲器的0000H單元開始執(zhí)行程序。51單片機通常采用上電復位和按鈕復位兩種方式。本次課題采用按鈕復位方式進行復位。如圖3.1.3所示：圖3.1.單片機最小系統(tǒng)3.2.電源電路 本系統(tǒng)所用到的電源是市電220V，所以不能直接給單片機供電。為此設(shè)計了電源電路。先將市電經(jīng)變壓器進行

7、變壓，變壓后再經(jīng)橋式電路進行整流，整流后變成脈沖直流，濾波電路的作用是消除脈沖，由于市電的波動或者負載的變化所以得到的電壓是不穩(wěn)定的。所以需要在濾波電路之后需加上穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓。采用了運用非常廣泛的穩(wěn)壓芯片7805進行穩(wěn)壓。7805由三個引腳構(gòu)成，分；。的穩(wěn)壓和濾波電容的濾波，便可以得到穩(wěn)定性好而且精度高的5V電壓。如圖所示：圖3.2電源電路3.3.按鍵電路 本系統(tǒng)的按鍵用來改變溫度設(shè)定值，一共使用了三個按鍵。一鍵用于重置溫度。第一次按下是進行加調(diào)整，第二次按下是進行減調(diào)整。二鍵用于加減調(diào)整，按一次是在原基礎(chǔ)上加或減。三鍵是確定鍵。圖3.3 按鍵電路圖3.4.溫度檢測電路 3.4.1溫度傳感

8、器 對傳感器的精度高低，性能好壞直接影響到整個自動測試系統(tǒng)的品質(zhì)和運行狀態(tài)。本系統(tǒng)采用集成芯片AD590，它是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。有三個引腳，分別為VCC,地和Vo.它的主要特性如下：1、流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)，即：Ir/T=1UA/K式中：流過器件（AD590）的電流，單位為mA；T熱力學溫度，單位為K。2、AD590的測溫范圍為-55+150。3、AD590的電源電壓范圍為4V30V 。電源電壓可在 4V6V 范圍變化，電流變化1mA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反

9、接也不會被損壞。圖3.4. 溫度測量電路圖如圖所示，用電流源代替AD590。流過電流源的溫度等于273+T(UA). 電流源10k電阻連接，把電流轉(zhuǎn)化為電壓，取出電壓后經(jīng)過一個電壓跟隨器。接穩(wěn)壓管的那一路則是要使50k變阻器的輸出電壓為2.732v,與跟隨器的輸出在經(jīng)過一個差動放大器，求得溫度變化值所對應(yīng)的電壓變化值，送到A/D轉(zhuǎn)換器中去。因為0度時，ad590即圖中的電流源的輸出電流是273.2uA,取出的電壓為273.2*10k=2.732v,及后溫度變化取出的電壓也跟著變化，經(jīng)過差動放大就可以把電壓變化值取出送到A/D轉(zhuǎn)換器中。圖中D1為齊納二極管，此二極管是一種直到臨界反向電壓前都具有

10、很高電阻的半導體器件。在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數(shù)值，在這低阻區(qū)中電流增加而電壓保持恒定，所以可以被當做電壓基準元件使用。3.4.2.A/D轉(zhuǎn)換器 由于溫度傳感送出的是電壓信號，而電壓信號是模擬信號，不能直接送入單片機進行PID運算，所以在此之前需將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這時我們需要添加A/D轉(zhuǎn)換器。 本系統(tǒng)采用ADC0809芯片。片內(nèi)有8路模擬開關(guān)及地址鎖存與譯碼電路，8位A/D轉(zhuǎn)換和三態(tài)輸出鎖存緩沖器。ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插封裝，如圖所示。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

11、：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(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，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。圖3.5.ADC0809與單片

12、機連接圖3.4.5.溫度控制電路 溫度測量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機，與其設(shè)定值進行比較,進行PID運算, PID調(diào)節(jié)在電阻爐控制系統(tǒng)技術(shù)中應(yīng)用的非常多，且是廣泛被推廣的求采用各種PID的變種，如PI、PD控制，不完全微分控制，積分分離式PID控制，帶死區(qū)的PID控制，變換積分PID控制，比例PID控制等等。在PID控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)參數(shù)整定方便，而且在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中效果比較好，不需要求出數(shù)學模型。用數(shù)字PID完全可以代替模擬調(diào)節(jié)器，而且可以得到比較滿意的效果。所以用數(shù)字模型PID是目前應(yīng)用比較廣泛的方法之一。 通過分析控制器和執(zhí)行器的關(guān)系，選用位置式PID控制作為電阻爐控制系統(tǒng)的控制策

13、略。首先，計算出給定值溫度與實際溫度之間的差，反饋給PID控制器，PID控制器根據(jù)其大小，來控制晶閘管的導通角的大小，這樣使得觸發(fā)時間t改變，從而改變電阻爐的通電時間。其次，由于本系統(tǒng)是單向控溫系統(tǒng)，所以在晶閘管沒有導通時其導通角度是。最后，根據(jù)公式： PID控制=-來間接控制電阻爐的電壓加熱情況，使得電阻爐的溫度得以控制。4.輸出控制電路。 4.1.執(zhí)行電路本系統(tǒng)采用晶閘管觸發(fā)電路。80C51的輸出端口P2.7信號，在經(jīng)功率放大器放大后加到雙向晶閘管上。由于熱體電阻絲在冷態(tài)時電阻很小，啟動電流很大，故本電路比繼電器更便于對系統(tǒng)的軟啟動，比繼電器價格便宜很多。當P2.7檢測到有過零跳變時，即由

14、觸發(fā)電路輸出一個觸發(fā)脈沖，使晶閘管導通，因而通過晶閘管是完整的正弦波，減少了對電網(wǎng)的干擾公害。一個周期的正弦波等于360度，那么半個正弦波就是180度。在這個180度里面，某個時候打開可控硅，相當于對應(yīng)了一個角度打開可控硅。所以，叫導通角。這個角度的大小決定了輸出電流的大小。如果從0度開始打開，那么所有的電能將全部接到負載上面去。同理，如果從90度開始導通的話，相當于只有一半的電能接到負載。相當于只有110V接到負載（電源為220V）。所以，通過調(diào)整這個導通角，可以改變負載的做功能量。 實現(xiàn)這個功能，必須知道什么時候是0度。所以，必須有一個交流零點檢測電路。一個交流周期會有兩個零點信號。采用雙

15、向可控硅，則可以實現(xiàn)雙向電流控制。 單片機實現(xiàn)時，首先得到交流零點信號，然后采用延時的方式（定時器中斷輸出或PWM輸出）控制可控硅的輸出。根據(jù)傳感器的反饋值來修改導通角度。實現(xiàn)恒定的輸出要求。圖4.1 執(zhí)行電路圖4.2顯示電路顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極顯示到CRT顯示器，都可以與微機配接。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器簡稱LED顯示器以及液晶顯示器LCD等。LED、LCD顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動壽命長的優(yōu)點。本系統(tǒng)要求顯示數(shù)字所以選擇LED顯示器。顯示電路采用3位共陽LED動態(tài)顯示方式，共陽極數(shù)碼管的八個發(fā)光二極管的陽極連

16、接在一起。通常公共陽極接高電平，其他管腳接驅(qū)動電路的輸出端。當驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則對應(yīng)的字段導通。而所謂動態(tài)顯示就是首先從段選線上送出字段碼，再控制位選線，字符就顯示在指定的位置上。持續(xù)一段時間，再送出新的字段碼。本次選用7段顯示7SEG-COM-ANODE.顯示內(nèi)容有溫度值的百位，十位及各個位。用74LS245作驅(qū)動。模塊電路圖如下：圖4.2 顯示電路圖5單片機電阻爐爐溫控制系統(tǒng)總體設(shè)計軟件設(shè)計圖5.1 系統(tǒng)總流程圖系統(tǒng)上電后，按下按鈕，開始工作。首先輸入目標溫度，通過溫度檢測電路將溫度測量出，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機。并通過顯示電路的LED顯示出。測出的溫度與設(shè)定值進行比較。若等

17、于設(shè)定值，則不進行任何操作，只是顯示。如果小于設(shè)定值，則進行加熱，一直到與設(shè)定值相同。5.2 A/D轉(zhuǎn)換器程序流程圖 圖5.2 A/D轉(zhuǎn)換器流程圖A/D轉(zhuǎn)換器的工作流程為（1）取樣。將時間連續(xù)變化的模擬量變成時間離散的模擬量。（2）保持。（3）量化。將將采樣保持后的信號轉(zhuǎn)化為最小量化單位的整數(shù)倍。（4）編碼。將量化后的數(shù)字量用其相對應(yīng)的二進制數(shù)表示出來。5.3 顯示器流程圖指向緩沖區(qū)首址取顯示位指針取要顯示的數(shù)將數(shù)變成段碼將段碼送入段控制器位碼送入位控制器延時是最后一位修改該緩沖區(qū)指針和位碼退出圖5.3 LED顯示流程圖 動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,

18、g,Dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。首先驅(qū)動段電路，將要顯示的數(shù)字顯示出來，因為是動態(tài)顯示，所以需要位驅(qū)動，移位顯示。當掃描速度足夠快時，不會有閃爍感。4.PID控制器流程圖如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號為，輸送信號，則離散的遞推算法如下：U(k)=Kpe(k)+Kie(k)+Kd(e(k)-e(k-1),其中e(k2)是誤差累積和。數(shù)字控制計算程序輸入濾波后的采樣值及給定值采樣偏差值E(K)計算Kc*E(K)計算Ki*E(K)2計算Kd*E(k)-E(k-1)Uk=Kc*E(k)+Ki*E(K)2+Kd*E(k)-E(k-1)+u0傳遞數(shù)據(jù)為下一次采樣作準備子程序返回圖5.4 PID控制器流程圖課程設(shè)計心得經(jīng)過為期兩周的課程設(shè)計，最真實的感受就是充實。一是為自己完成任務(wù)而充實，更主要的是自己在此過程中不僅鞏固