計算機(jī)控制課程設(shè)計電阻爐溫度控制系統(tǒng)

1、計算機(jī)控制課程設(shè)計報告設(shè)計題目：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計年級專業(yè)：09級測控技術(shù)與儀器姓名：武帆學(xué)號：P60914001任課教師：謝芳電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計、八0.前言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，特別是微型計算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，利用單片機(jī)來改造落后的設(shè)備具有性價比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動化程度的特點。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械、食品等領(lǐng)域。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。因而設(shè)計一

2、種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。本設(shè)計就是利用單片機(jī)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(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，達(dá)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(chǎn)生相當(dāng)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(jī)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(jìn)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。溫度控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具

3、有大慣性、純滯后、非線性等特點，導(dǎo)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(jī)進(jìn)行溫度控制，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(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實意義隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速興起與蓬勃發(fā)展，其穩(wěn)定、安全、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點十分突出，所以其應(yīng)用也十分廣泛。單片機(jī)已經(jīng)無處不在、與我們生活息息相關(guān)，并且滲透到生活的方方面面。1.課程設(shè)計任務(wù)項目設(shè)計：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計以在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的電阻爐為被控對象，采用MCS52單片機(jī)實現(xiàn)電阻爐溫度計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，介紹電阻爐溫度計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成，并完成系統(tǒng)總體控制方案和達(dá)林算法控制器的設(shè)計，給出

4、系統(tǒng)硬件原理框圖和軟件設(shè)計流程圖等。1.1電阻爐組成及其加熱方式電阻爐是工業(yè)爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設(shè)備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同;產(chǎn)品工藝不同，對控溫精度要求不同，因而控制系統(tǒng)的組成也不相同。電氣控制系統(tǒng)包括主機(jī)與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，因爐種的不同而各異。電阻爐的類型根據(jù)其熱量產(chǎn)生的方式不同，可分為

5、間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導(dǎo)、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)熱從而達(dá)到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場分布均勻、環(huán)保等優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛。1.2控制要求本系統(tǒng)中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為：(1) 采用一臺主機(jī)控制8個同樣規(guī)格的電阻爐溫度；(2) 電爐額定功率為20kW

6、;(3) 恒溫正常工作溫度為1000C，控溫精度為土1%;(4) 電阻爐溫度按預(yù)定的規(guī)律變化，超調(diào)量應(yīng)盡可能小，且具有良好的穩(wěn)定性；(5) 具有溫度、曲線自動顯示和打印功能，顯示精度為土1C;(6) 具有報警、參數(shù)設(shè)定、溫度曲線修改設(shè)置等功能。二、系統(tǒng)總體設(shè)計根據(jù)題目要求，電熱鍋爐溫度控制系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等組成。采用比較流行的AT89S52作為電路的控制核心，使用8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD0808進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，控制電路部分采用PWM通過AC-SSR實現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制，此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度。系統(tǒng)總體框圖如下。2.1核心處理模

7、塊單片機(jī)該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，同時還要對執(zhí)行單元進(jìn)行控制。單片機(jī)是整個系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心。選擇單片機(jī)的理由：單片機(jī)的特點是體積較小，也就是其集成特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是普通計算機(jī)系統(tǒng)的簡化，增加一些外圍電路，就能夠組成一個完整的小系統(tǒng)，單片機(jī)具有很強的可擴(kuò)展性。它具有和普通計算機(jī)類似的、強大的數(shù)據(jù)處理功能，通過使用一些科學(xué)的算法，可以獲得很強的數(shù)據(jù)處理能力。所以單片機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中，可以極大地提高工業(yè)設(shè)備的智能化、數(shù)據(jù)處理能力和處理效率，而且單片機(jī)無需占用很大的空間。2.2溫度信號采集與傳感器本部分的主要作用是用傳感器檢測模擬環(huán)境中的溫度信

8、號，溫度傳感器上電流將隨環(huán)境溫度值線性變化。再把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，使用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號，本設(shè)計采用的是數(shù)字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內(nèi)部完成。2.3人機(jī)交互及串口通信人機(jī)交換的目的是為了提高系統(tǒng)的可用性和實用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，便于進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展做好基礎(chǔ)工作。2.4控制執(zhí)行單元是單片機(jī)的輸出控制執(zhí)行部分，根據(jù)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，驅(qū)動繼電器控制外部設(shè)備，可以達(dá)到超溫報警及

9、升溫或者降溫目的，使環(huán)境溫度始終保持在一個范圍之內(nèi)。根據(jù)溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點，我們設(shè)計了以AT89S52單片機(jī)為檢測控制中心的電熱鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進(jìn)的PID數(shù)字控制算法，顯示采用8位LED動態(tài)顯示。三、硬件電路設(shè)計硬件電路如圖所示：硬件系統(tǒng)主要由AT89S52單片機(jī)、溫度采集、A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示電路、報警等功能電路組成。3.1、核心部分單片機(jī)AT89S52單片機(jī)為主控制單元。AT89S52單片機(jī)首先根據(jù)爐溫的給定值和測量值計算出溫度偏差，然后進(jìn)行PID控制并計算出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)由P1.0口輸出。最后將P1.0口輸出的控制數(shù)據(jù)送往光電耦合隔離器的輸入端，利

10、用PW脈沖調(diào)制技術(shù)調(diào)整占空比，達(dá)到使?fàn)t溫控制在某一設(shè)定溫度。AT89S52單片機(jī)還負(fù)責(zé)按鍵處理、溫度顯示以及與上位機(jī)進(jìn)行通信等工作。4位高亮度LED用于顯示設(shè)定溫度或?qū)崪y溫度。3.2、溫度采集轉(zhuǎn)換模塊溫度采集電路主要由鉑銠-鉑熱電偶LB-3。LB-3熱電偶可以在1300C高溫下長時間工作，滿足常規(guī)處理工藝要求。測溫時，熱電阻輸出mV熱電勢，必須經(jīng)過變送器變換成0-5V的標(biāo)準(zhǔn)信號。本系統(tǒng)選用DW饉溫度變送器，并將其直接安裝在熱電偶的接線盒內(nèi)，構(gòu)成一體化的溫度變送器，不僅可以節(jié)省補償導(dǎo)線，而且可以減少溫度信號在傳遞過程中產(chǎn)生的失真和干擾。電阻爐爐溫信號是一種變換緩慢的信號。這種信號在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換

11、時，對轉(zhuǎn)換速度要求不高。因此為了減低成本以及方便選材，可以選用廉價的、常用的A/D芯片ADC0809ADC0809是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8為數(shù)字輸出地A/D轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換時間為100us，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換所得到的實測爐溫數(shù)據(jù)直接送入AT89S52單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此外，為了防止斷偶或者爐溫越限，產(chǎn)生熱處理質(zhì)量事故；同時為了提高溫控系統(tǒng)的智能化控制性能，降低熱處理操作人員的勞動強度，本系統(tǒng)特別設(shè)置了斷偶或爐溫越限自動報警電路。在熱處理生產(chǎn)過程中，當(dāng)發(fā)生斷偶或爐溫越限等異常現(xiàn)象時，主控單元AT89S52單片機(jī)自動啟動報警電路進(jìn)行聲、光報警，以便操作人員快速

12、處理，防止?fàn)t內(nèi)工件過熱，破壞金屬組織結(jié)構(gòu)。3.3、AC-SSR交流功率調(diào)節(jié)電路由輸出來控制電爐，電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：其中時間常數(shù)T=350秒，放大系數(shù)K=50,滯后時間t=10秒。為了避免交流接觸器等機(jī)械觸電因頻繁通斷產(chǎn)生電弧，燒壞觸電或者干擾其他設(shè)備正常工作，本系統(tǒng)選用AC-SSR交流功率調(diào)節(jié)器作為PID控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。AT89S52單片機(jī)P1.0口輸出的溫度控制信號經(jīng)過光電耦合器件隔離，送至過零檢測電路。過零檢測電路產(chǎn)生脈沖控制AC-SSR調(diào)功電路。當(dāng)實測溫度偏低時，單片機(jī)輸出的控制信號使得雙向可控硅的導(dǎo)通角減小，導(dǎo)通時間變短，加熱器

13、功率降低爐溫適當(dāng)降低。通過控制輸入到加熱器平均功率的大小達(dá)到控制電阻爐爐溫的目的?？刂茍?zhí)行部分的硬件電路如下圖3.4鍵盤模塊電路采用4X4矩陣鍵盤接單片機(jī)的P1口，然后實現(xiàn)對設(shè)定溫度的修改，將它與實際溫度進(jìn)行對比，實現(xiàn)要求的功能。矩陣鍵盤如下圖3所示：3.5A/D轉(zhuǎn)換電路如圖所示：AlFINlnWRMHWJ.7図*TO'HUPO1w.2KIHSRirniIIKiKMJ-&3UIN73.6變送電路3.6.1、420mA變送器XTR101XTR101為420mA線性化變送器，它可與鎳絡(luò)-鎳硅測溫傳感器構(gòu)成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測溫范圍，在-40C+85C的工作溫

14、度內(nèi)，傳送電流的總誤差不超過1%供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調(diào)電壓±2.5mV,輸入失調(diào)電流20nA°XTR101外形采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳DIP封裝。XTR101有如下兩種應(yīng)用于轉(zhuǎn)換溫度信號的典型電路：lemperatur&rz-T*J51U5韋«inXIR1U1AA*-AiVR42.5RQ362、l/V轉(zhuǎn)換器RCV420RCV420是一種精密電流/電壓變換器，它能將420mA的環(huán)路電流變?yōu)?5V的電壓輸出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10V基準(zhǔn)電源。對環(huán)路電流由很好的變換能力。具有-25C+85C和OC70

15、C的工作溫度范圍，輸入失調(diào)電壓1mA總的變換誤差0.1%,電源電壓范圍土5±18VoRCV420的外形采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳DIP封裝。它的典型應(yīng)用如下：4M和211V(M2s!'*f*憫Wr7tiH'MiMMcMMn四、系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運算控制模塊。4.1主程序模塊開始主程序流程圖4.2功能實現(xiàn)模塊以用來執(zhí)行對可控硅及電爐的控制。功能實現(xiàn)模塊主要由A/D轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。4.2.1T0中斷子程序該中斷是單片機(jī)內(nèi)部100ms定時中斷，優(yōu)先級設(shè)為最高，是最重要的子程序。在該中斷響應(yīng)

16、中,單片機(jī)要完成調(diào)用PID算法子程序且輸出PID計算結(jié)果等功能。其流程圖如下：T0中斷子程序4.2.2T1中斷子程序T1定時中斷用于調(diào)制PWMI號，優(yōu)先級低于T0中斷，其定時初值由PID算法子程序提供的輸出轉(zhuǎn)化而來，T1中斷響應(yīng)的時間用于輸出控制信號。其流程圖如下：進(jìn)入中斷T1中斷子程序4.3運算控制模塊運算控制模塊涉及標(biāo)度轉(zhuǎn)換、PID算法、以及該算法調(diào)用到的乘法子程序等。4.3.1標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序該子程序作用是將溫度信號(OOHFFH)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值,以便送顯示或與設(shè)定值在相同量綱下進(jìn)行比較。所用線形標(biāo)度變換公式為：N-N_Ao)J1十州式中,Ax:實際測量的溫度值；Nx:經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的

17、溫度量；Am=90;Ao=40;Nm=FEH;No=01H;單片機(jī)運算采用定點數(shù)運算，并且在高溫區(qū)和低溫區(qū)分別用程序作矯正處理。4.4控制算法：PID算法積分分離控制的基本思路是：當(dāng)偏差e(k)絕對值較大時。取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)偏差e(k)絕對值小于某一設(shè)定值M時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度，PID算法的表達(dá)式為：1tde(t)u(t)KJe(t)0e(t)dtTdTi0dt式中u(t):調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(t):偏差信號；KP:調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；TI:調(diào)節(jié)器的積分時間；TD:調(diào)節(jié)器的微分時間。在計算機(jī)控制中，為實現(xiàn)數(shù)字控制，必須對上式

18、進(jìn)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(shè)系統(tǒng)的采樣周期為T,在t=kT時刻進(jìn)行采樣，t0e(t)dtTe(i)i0de(t)e(k)e(k1)dtT式中e(k):根據(jù)本次采樣值所得到的偏差；e(k-i):由上次采樣所得到的偏差。將上面的三個式子代入，則有/、/、Tk/、e(k)e(k1)u(k)Kpe(k)e(i)TdpTiioTKpe(k)kkie(i)i0kd1)式中，T為采樣時間，項為積分項的開關(guān)系數(shù)1e(k)0e(k)積分分離PID控制算法程序流程圖如圖10所示。積分分離PID控制算法程序流程圖參考文獻(xiàn)1 張艷兵，王忠慶，鮮浩編著，計算機(jī)控制技術(shù)北京：國防工業(yè)出版

19、社，20062 于海生編著，微型計算機(jī)控制技術(shù)北京:清華大學(xué)出版社，19993 楊進(jìn)才，沈顯君，劉蓉編著，C+語言程序設(shè)計教程北京:清華大學(xué)出版社，20064 夏云龍編著，最新VisualC+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(shè)計.成都:電子科技大學(xué)出版社,20086顏永軍等,Protel99電路設(shè)計與應(yīng)用,國防工業(yè)出版社,20017樓然苗,李光飛,51系列單片機(jī)設(shè)計實例（第二版）,20068李朝青單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社9 劉洪恩利用熱電偶轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)溫度測控系統(tǒng)J儀表技術(shù)，2005.2:29-30。10 孫凱,李元科.電阻

20、爐溫度控制系統(tǒng)J.傳感器技術(shù),2003.2:50-52.。附錄主程序ORG0400HDISM0DATA78HDISM1DATA79HDISM2DATA7AHDISM3DATA7BHDISM4DATA7CHDISM5DATA7DHMOVSP,#50HCLR5EHCLR5FHCLRAMOV2FH,AMOV30H,AMOV3BH,AMOV3CH,AMOV3DH,AMOV3EH,AMOV44H,AMOVDISM0,AMOVDISM1,AMOVDISM2,AMOVDISM3,AMOVDISM4,AMOVDISM5,AMOVTMOD,#56HMOVTL0,#06HMOVTH0,06HCLRPT0SETBT

21、R0SETBET0SETBEALOOP:ACALLDISPLYACALLSCANAJMPLOOP；50H送SP；清本次越限標(biāo)志；清上次越限標(biāo)志；清累加器A清暫存單元清顯示緩沖區(qū)；設(shè)T0為計數(shù)器方式2，T1為方式1；T0賦初值；令T0為低中斷優(yōu)先級；啟動T0工作；允許T0中斷;開CPU中斷；調(diào)用顯示程序;調(diào)用掃描程序;等待中斷T0中斷服務(wù)程序ORG000BHAJMPCT0ORG0100HCT0:PUSHACCPUSHDPL；保護(hù)現(xiàn)場PUSHDPH；SETBD5H；置標(biāo)志ACALLSAMP；調(diào)用采樣子程序ACALLFILTER；調(diào)用數(shù)字濾波程序CJNEA,42H,TPL;若Ui(k)不等于Umax貝UTPLWL:MOVC,5EH；MOV5FH,C;5EH送5FHCLR5EH;清5EH單元ACALLUPL;轉(zhuǎn)上限處理程序POPDPHPOPDPLPO