(整理)電阻爐溫度控制系統(tǒng)1

1、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(jī)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(yīng)爐等，對工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制，計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)使溫度控制指標(biāo)得到了大幅度提高。以8031單片機(jī)為核心，采用溫度變送器橋路和固態(tài)繼電器控溫電路，實(shí)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(qiáng)等特點(diǎn)。電阻爐爐溫控制系統(tǒng)的控制過程是：單片機(jī)定時對爐溫進(jìn)行檢測，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片得到相應(yīng)的數(shù)字量，經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到應(yīng)有的控制量，去控制加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的控制。關(guān)鍵詞：電爐溫度控制系

2、統(tǒng)ADC0809AD轉(zhuǎn)換器精品文檔目錄1 控制方案總述12 硬件電路設(shè)計(jì)22.1 溫度檢測和變送器部分32.2 接口電路32.2.1 主要特性32.2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)42.2.3 外部特性（引腳功能）42.3 接口電路63 軟件設(shè)計(jì)73.1 主程序83.2 TO中斷服務(wù)程序93.3 子程序113.3.1采樣子程序SAMP113.3.2數(shù)字濾波子程序FILTER123.3.3積分分離PID控制算法的程序設(shè)計(jì)134基于MATLAB仿真被控對象145結(jié)果分析16設(shè)計(jì)小結(jié)18參考文獻(xiàn)19附錄2O溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1控制方案總述隨著電子技術(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

3、化，特別是微型計(jì)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(diǎn)。本設(shè)計(jì)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(shí)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ADC08

4、09芯片和具有零點(diǎn)遷移、冷端補(bǔ)償功能的溫度變送器橋路使實(shí)際測溫范圍縮小。采用AT80C51為核心，結(jié)合溫度傳感器熱電偶和AD轉(zhuǎn)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(jī)同時顯示實(shí)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(jī)把其和測量溫度進(jìn)行比較處理，從而控制執(zhí)行系統(tǒng)的開關(guān)量的通斷狀態(tài)，達(dá)到溫度檢測、賦值和控制的作用。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：精品文檔ILJi1B呻l:,-160171s、2硬件電路設(shè)計(jì)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(jì)的檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度及進(jìn)度等級有關(guān)。鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于01000攝氏度的溫度測

5、量范圍，相應(yīng)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(nèi)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(nèi)的電壓。為了提高測量精度，變送器可以進(jìn)行零點(diǎn)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(diǎn)遷移后輸出010mA范圍的電流。這樣，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器就可以量化溫度誤差達(dá)到正負(fù)2.34攝氏度以內(nèi)。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可以作為803

6、1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(jìn)行模一一數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。2.2.1主要特性1) 8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。2) 具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。3）轉(zhuǎn)換時間為100us4）單個+5V電源供電5）模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。6）工作溫度范圍為-40+85攝氏度7）低功耗，約15mW。2.2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1322所示，它由8路模擬開關(guān)、

7、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型DA轉(zhuǎn)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。IN3128IN2IN4227IN1IN5526UlNOIN6-425ADDAIN7-524ADDBSTART一&23ADDCEOC722ALEr5-8212-1MSBOUTPUTENABLE920一2叱CLOCK-102一円VCC"1113-2"4VREr（4）-1217GND-131VrEF円一1415一嚴(yán)圖3ADC0809引腳圖精品文檔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)

8、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(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)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(dāng)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(zhǔn)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

9、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(fù)位。下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)0E輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。8155有40條引腳，如圖4所示。圖48155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(fù)用線。地址可以是8155片內(nèi)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(nèi)地址鎖存器。也就是由AIE信號來區(qū)

10、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(nèi)部存儲器中。10/M：/0端口和RAM選擇信號。當(dāng)10/M=1時,AD0AD7的地址位8155I/O端口地址，選擇I/O端口。當(dāng)IO/M=0時，AD0AD7的地址位8155片內(nèi)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(nèi)部存儲器。RD：讀選通信號。低電平有效。當(dāng)RD=0，CE=0時開啟AD0AD7的緩沖器,被選中的片內(nèi)RAM單元或IO口的內(nèi)容送到AD0AD7上。WR：寫選通信

11、號。低電平有效，當(dāng)CE,WR都有效時，CPU輸出到AD0AD7上的信息想偶爾到8155片內(nèi)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(diào)功器電路實(shí)現(xiàn)的，如硬件電路圖（圖2）所示。雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V，50Hz交流電回路中。在精品文檔給定周期T內(nèi)，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(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。如下圖所示，可控硅在給定周期T內(nèi)具有不同接通時間的情況。顯然，可控硅在給定周期T的100%時

12、間內(nèi)接通時的功率最大?？煽毓杞油〞r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(chǎn)生，經(jīng)過零同步脈沖同步后經(jīng)光耦管和驅(qū)動器輸出送到可控硅的控制極上。可控硅調(diào)功器輸出功率與通斷時間的關(guān)系如3軟件設(shè)計(jì)溫度控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下問題：1.鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯精品文檔示；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(diǎn)純小數(shù)補(bǔ)碼形式轉(zhuǎn)換，然后把8位溫度采樣值Umin和Umax都變成16位參加運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果取8位有效值；4.越限報(bào)警和處理；5.PID計(jì)算，溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)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(wù)程序組成。3.1 主程序主程序應(yīng)包

13、括8051本身的初始化、8155初始化等。流程圖如6所示。圖6主程序流程圖精品文檔精品文檔3.2 T0中斷服務(wù)程序T0中斷服務(wù)程序時溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動A/D轉(zhuǎn)換、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報(bào)警和越限處理、PID計(jì)算和輸出可控硅的同步觸發(fā)脈沖等OP1.3引腳上輸出的該同步脈沖寬度由T1計(jì)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(zhuǎn)換成顯示值并放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序。8051從T1中斷服務(wù)程序返回后便可恢復(fù)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。iJi(kl=Unia?5:'i|計(jì)算PID上枝J®越限毗D

14、5H=1“喩復(fù)現(xiàn)場U：)：r:.aUi(k)=iJmm：幟瞬稔送5FH1零巨H單元取叢丈PID值輸出I幟越限標(biāo)志港上貌御艮標(biāo)志越陰計(jì)數(shù)器加1幀復(fù)現(xiàn)場返回舷限標(biāo)志下限報(bào)警可繪乂n洱芟標(biāo)更轉(zhuǎn)換焉査豆示從PL揃出飯字慮注二隈阻哇上愎報(bào)彎保護(hù)現(xiàn)場采樣爐涓精品文檔圖7TO中斷服務(wù)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3.3.2數(shù)字濾波子程序FILTER數(shù)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(shè)計(jì)PID算法的表達(dá)式為：u(t)二Ke(t)+丄Ae(t)dt+TpT0DdtI式中u(

15、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(jì)算機(jī)控制中，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，必須對上式進(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，ffe(t)dt沁工Te(i)0匸ode(t)e(k)-e(k-1)式中e(kdtT)：根據(jù)本次采樣值所得到的偏差；e(k-D：由上次采樣所得到的偏差。e(k)-e(k-1)T將上面的三個式子代入,則有u(k)=嚇(k)+*ZG)+Tde(k)-e(k-1)TIi=0(k)+BkYe(i)+kidi=0式中，T為采樣時間，B項(xiàng)為積分項(xiàng)

16、的開關(guān)系數(shù)|e(k)|<p|e(k)|>p積分分離PID控制算法程序流程圖如圖10所示。開始參數(shù)初始化采入r(k)及y(k)y<E(k)<B?：>rnJPID控制PD控制圖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(shí)現(xiàn)積分分離PID控制算法。仿真圖如圖11所示。選擇合適的Kp,Ki,Kd使系統(tǒng)的仿真效果趨于理想狀態(tài)oMATLAB編寫程序如下：clearall;closeall;ts=10;%采樣時間10ssys=tf(1,30,1,'inputdelay',80);dsys二

17、c2d(sys,ts,'zoh');%將sys離散化num,den二tfdata(dsys,'v');%求sys多項(xiàng)式模型參數(shù)kp=5.2;Ti=0.005;Td=0.005;end仿真波形如圖12所示。54321001020304050GO7080圖12Matlab仿真波形圖5結(jié)果分析當(dāng)Ti,Td定，即當(dāng)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(diào)量的影響。當(dāng)Kp增大時，設(shè)Kp=5.8，此時的波形如圖13。圖13Kp=5.8時的波形圖當(dāng)Kp減小時，設(shè)Kp=4.6，此時的波形如圖14。!1i111|11!1in|_|1'iii111

18、111iiii0102030+050607060圖14Kp=4.6時的波形圖由圖12，圖13，圖14我們可以觀察到當(dāng)Kp增大時系統(tǒng)超調(diào)量增大，當(dāng)Kp減小時系統(tǒng)超調(diào)量減小。設(shè)計(jì)小結(jié)通過兩周的課程設(shè)計(jì)對溫度控制系統(tǒng)有了初步的了解，在本次課程設(shè)計(jì)中，通過查閱資料基本完成了硬件的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)硬件電路進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了電爐的溫度控制。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(shí)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

19、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(diǎn)遷移、冷端補(bǔ)償功能的溫度變送器橋路，使實(shí)際測溫范圍縮小。在老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助下，我順利完成了這次課程設(shè)計(jì)，通過這次課程設(shè)計(jì)，使我對單片機(jī)的應(yīng)用、微控控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等等好多專業(yè)知識有了更深的了解，解決了許多在學(xué)習(xí)過程中不能理解的知識，并且提高了自己理論聯(lián)系實(shí)際的能力，為今后在工作中專業(yè)知識的應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對單片機(jī)原理有了更新的認(rèn)識，掌握了常用芯片如AT80C51、ADC0809、8155等器件的功能

20、，懂得了這些器件在實(shí)際生產(chǎn)中的最基礎(chǔ)的應(yīng)用，掌握計(jì)算機(jī)的一些畫圖、排版等軟件的應(yīng)用，真的是受益非淺。參考文獻(xiàn)1 張艷兵,王忠慶,鮮浩編著,計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社,20062 于海生編著,微型計(jì)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(jì)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(jì).成都：電子科技大學(xué)出版社，20086 顏永軍等,Protel99電路設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)

21、例（第二版），2006附錄主程序ORG0400HDISM0DATA78HDISM1DATA79HDISM2DATA7AHDISM3DATA7BHDISM4DATA7CHDISM5DATA7DHMOVSP,#50H;50H送SPCLR5EH;清本次越限標(biāo)志CLR5FH;清上次越限標(biāo)志CLRA;清累加器AMOV2FH,AMOV30H,AMOV3BH,AMOVMOV3CH,A3DH,A;清暫存單元MOV3EH,AMOV44H,AMOVDISM0,AMOVDISM1,AMOVDISM2,AMOVDISM3,A;清顯示緩沖區(qū)MOVDISM4,AMOVDISM5,AMOVTMOD,#56H;設(shè)T0為計(jì)數(shù)器

22、方式2,T1為方式1MOVTL0,#06H9MOVTH0,06H;T0賦初值CLRPT0;令T0為低中斷優(yōu)先級SETBTR0；啟動T0工作SETBET0；允許T0中斷SETBEA；CPU中斷LOOP:ACALLDISPLY；調(diào)用顯示程序ACALLSCAN；調(diào)用掃描程序AJMPLOOP；等待中斷T0中斷服務(wù)程序ORG000BHAJMPCT0ORG0100HCT0:PUSHACC；PUSHDPL；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；若山（k）不等于Umax，則TPLMOVC,5EH；MO

23、V5FH,C；5EH送5FHCLR5EH；清5EH單元ACALLUPL；轉(zhuǎn)上限處理程序POPDPHPOPDPLPOPACCRETI；中斷返回JNCTPL1；若山（k）大等Umax，則TPL1CLR5FH；清上次越限標(biāo)志CJNEA,43H,MTPL；若山（k）不等于Umin，則MTPLSETBP1.1；若溫度不越限則令綠燈亮ACALLPID；調(diào)用計(jì)算PID子程序MOVA,2FH；PID值送ACPLA9INCA；對PID值求補(bǔ)，作為TL1值SETBP1.3；令P1.3輸出高電平脈沖MOVTL1,A9MOVTH1,#0FFH；T1賦初值SETBPT1；T1高優(yōu)先級中斷SETBTR1；啟動T1SETB

24、ET1；允許T1中斷ACALLTRAST；調(diào)用標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序ACALLDISPLY；顯示溫度JBD5H,LOOP；等待T1中斷POPDPH9WL:TPL:HAT:NM:LOOP:RETI；中斷返回MTPL:JNCHAT；若山（k）大于Umin，則HATSETBP1.0；否則越下限聲光報(bào)警MOVA,45H；取PID最大值輸出CPLAINCA；對PID值求補(bǔ)，作為TL1AJMPNM；轉(zhuǎn)“皿執(zhí)行TPL1:SETB5EH；若山（k）大于Umax，貝5EH單元置位JNB5FH,WL；若上次未越限，則轉(zhuǎn)WLINC44H；越限計(jì)數(shù)器加1MOVA,44HCLRCSUBBA,#N;越限N次？JNZWL；越限小于N次，則WLSET