基于大林算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計

1、-PAGE . z. - - . 可修編. Hefei University基于大林算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計課程名稱 計算機控制技術課程設計 任課教師 丁 健 班 級 10級自動化1班 姓 名 學 號 日 期 2013/06/20 2010級自動化專業(yè)計算機控制技術課程設計任務書論文題目基于大林算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計設計類型設計型導師*丁健主要內(nèi)容及目標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。在本控制對象電阻加熱爐功率為8KW，有220V交流電源供電，采用雙向可控硅進展控制。本設計針對一個溫區(qū)進展控制，要求控

2、制溫度*圍50350，保溫階段溫度控制精度為1。選擇適宜的傳感器，計算機輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓，其對象溫控數(shù)學模型為： 其中：時間常數(shù)=350秒，放大系數(shù)=50，滯后時間=10秒，控制算法選用大林算法 。件條PC機一臺，教學實驗箱一臺;方案學生數(shù)及任務3人1：明確課題功能。2：把復雜問題分解為假設干模塊，確定各模塊處理方法，畫出流程圖。3：存儲器資源分配4：編制程序，根據(jù)流程圖來編制源程序5：對程序進展匯編，調(diào)試和修改，直到程序運行結果正確為止。方案設計進程總體方案設計控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設計硬件的設計和實現(xiàn)選擇計算機字長(選用 51內(nèi)核的單片機)設計

3、支持計算機工作的外圍電路(EPROM、RAM、I/O端口、鍵盤、顯示接口電路等)；設計輸入信號接口電路；設計DA轉(zhuǎn)換和電流驅(qū)動接口電路；其它相關電路的設計或方案(電源、通信等)。軟件設計分配系統(tǒng)資源，編寫系統(tǒng)初始化和主程序模塊框圖；編寫AD轉(zhuǎn)換和溫度檢測子程序框圖；編寫控制程序和DA轉(zhuǎn)換控制子程序模塊框圖；其它程序模塊(顯示與鍵盤等處理程序)框圖。五、編寫課程設計說明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖(A3幅面)。任務分工：針對本次設計課題，我們明確了各自的分工，顧勝池主要負責軟件程序的編寫、連接和調(diào)試，黃安福主要負責各個模塊硬件的仿真和調(diào)試和局部模塊程序的編寫，柴文峰負責報告的整理。摘 要電加熱爐在化

4、工、冶金等行業(yè)應用廣泛，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。采用單片機進展爐溫控制，具有電路設計簡單、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。常規(guī)的溫度控制方法以設定溫度為臨界點，超出設定允許*圍即進展溫度調(diào)控：低于設定值就加熱，反之就停頓或降溫。這種方法實現(xiàn)簡單、本錢低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、容易引起震蕩，到達穩(wěn)定點的時間也長，因此，只能用在精度要求不高的場合。電加熱爐是典型的工業(yè)過程控制對象，在我國應用廣泛。電加熱

5、爐的溫度控制具有升溫單向性，大慣性，大滯后，時變性等特點。其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。當其溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)學方法建立準確的模型和確定參數(shù)，應用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以到達理想的控制效果。本設計采用大林算法進展溫度控制，使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)相當于一個延遲環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)來實現(xiàn)溫度的較為準確的控制。關鍵詞：單片機；A/D、D/A；達林算法；傳感器；爐溫控制目 錄 TOC o 1-3 f h z HYPERLINK l _Toc360457905一、緒論 PAGEREF _Toc360457905 h 5HYPERLIN

6、K l _Toc3604579061.1系統(tǒng)設計背景 PAGEREF _Toc360457906 h 5HYPERLINK l _Toc3604579071.2技術綜述 PAGEREF _Toc360457907 h 5HYPERLINK l _Toc360457908二、系統(tǒng)總體設計 PAGEREF _Toc360457908 h5HYPERLINK l _Toc3604579092、1系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc360457909 h 5HYPERLINK l _Toc3604579102、2系統(tǒng)的構造框圖 PAGEREF _Toc360457910 h 5HYPERLINK l _

7、Toc360457911三、硬件設計 PAGEREF _Toc360457911 h 7HYPERLINK l _Toc3604579123、1微處理器80C51 PAGEREF _Toc360457912 h 7HYPERLINK l _Toc3604579133、2溫度傳感器 PAGEREF _Toc360457913 h 8HYPERLINK l _Toc3604579143、3驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc360457914 h 9HYPERLINK l _Toc3604579153、4鍵盤模塊 PAGEREF _Toc360457915 h 9HYPERLINK l _Toc36

8、04579163、5 LED顯示模塊 PAGEREF _Toc360457916 h 10HYPERLINK l _Toc360457917四、軟件設計 PAGEREF _Toc360457917 h 11HYPERLINK l _Toc3604579184、1系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc360457918 h 11HYPERLINK l _Toc3604579194、2大林算法的系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc360457919 h 11HYPERLINK l _Toc3604579204、3程序控制流程圖 PAGEREF _Toc360457920 h 13HYPERLINK

9、l _Toc360457921五、調(diào)試運行 PAGEREF _Toc360457921 h 14HYPERLINK l _Toc360457922六、課程設計總結 PAGEREF _Toc360457922 h 15HYPERLINK l _Toc360457923參考文獻 PAGEREF _Toc360457923 h 17HYPERLINK l _Toc360457924附錄一系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc360457924 h 18HYPERLINK l _Toc360457925附錄二程序 PAGEREF _Toc360457925 h 18-. z.一、緒論1.1系統(tǒng)設計背景近

10、年來，加熱爐溫度控制系統(tǒng)是比擬常見和典型的過程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，冶金機械食品化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加熱爐熱處理爐反響爐，對工件的處理均需要對溫度進展控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和家居生活過程中常需對溫度進展檢測和監(jiān)控。由于許多實踐現(xiàn)場對溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比擬復雜，傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術，由于采用固定接線的硬件實現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計算機控制技術的開展，傳統(tǒng)繼電器控制技術必然被基于計算機技術而產(chǎn)生的計算機控制技術所取代。1.2技術綜述自70年代

11、以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在電子技術的迅猛開展，以及自動控制理論和設計方法開展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)開展迅速，并在智能化自適應參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應用。二、系統(tǒng)總體設計2、1系統(tǒng)概述本設計在硬件局部選擇了單片機的AT80C51芯片為核心控制局部，輸出為K型熱電偶傳感器，檢測溫度后傳回單片機系統(tǒng)，最后經(jīng)過溫度控制系統(tǒng)，從而加熱電阻，來到達控制電加熱爐的目的。2、2系統(tǒng)的構造框圖電加熱爐控制系統(tǒng)的硬件構造框圖如圖2.1LED顯示驅(qū)動模塊熱電偶傳感器AT80C51電

12、加熱爐鍵盤圖2.1系統(tǒng)的總體構造框圖加熱爐溫度控制實現(xiàn)過程是:首先溫度傳感器將加熱爐的溫度傳回單片機，然后AT80C51芯片將給定的溫度值與反響回來的溫度值進展比擬并經(jīng)過最小拍無紋波算法運算處理后，傳給溫度控制系統(tǒng)，判斷加熱器材輸出端導通與否從而使加熱爐開場加熱或停頓加熱。既加熱爐溫度控制得到實現(xiàn)。其中單片機的80C51系統(tǒng)為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心局部起著重要作用。三、 硬件設計3、1微處理器80C51本系統(tǒng)設計的單片機采用80C51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高頻率晶振，以獲得較高的刷新頻率，時期顯示更穩(wěn)定。圖3.1單片機芯片引腳圖3、2溫度傳感器在溫度傳感器局部，選擇了K型熱電偶

13、傳感器。(1) K 型熱電偶的測溫原理熱電傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件的參數(shù)隨溫度變化的特性，將溫度和與溫度有關的參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電量變化輸出的裝置。兩種不同的導體或半導體組成的閉合回路就構成了熱電偶，熱電偶兩端為兩個熱電極，溫度高的接點為熱端、測量端或自由端；溫度低的接點為冷端、參考端或自由端。測量時，將工作端置于被測溫度場中，自由端恒定在*一溫度。熱電偶是基于熱電效應工作的，熱電效應產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩局部組成的。(2) MA*6675單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢信號U1，再經(jīng)過S4送

14、至ADC。對于K型熱電偶，電壓變化率為41V/，電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。U1=41V/T-T0上式中，U1為熱電偶輸出電壓mV，T是測量點溫度；T0是周圍溫度。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進展補償，冷端溫度即是MA*6675周圍溫度與0實際參考值之間的差值。通過冷端溫度補償二極管，產(chǎn)生補償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉(zhuǎn)換器。U2=41V/T0在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測量點的實際溫度值T。這就是MA*6675進展冷端溫度補償和測量溫度的原理如圖3-2所示。圖3.2 溫度采集電路3、3驅(qū)動電

15、路圖3.3 驅(qū)動電路3、4鍵盤模塊在本次設計當中，輸入設備采用矩陣鍵盤：圖3-4鍵盤模塊電路當“設定鍵按下時觸發(fā)鍵盤中斷效勞程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執(zhí)行相應的動作。程控掃描的任務是：(1)首先判斷是否有鍵按下。方法：使所有的行輸出均為低電平，然后從端口A讀入列值。如果沒有鍵按下，則讀人值為FFH如果有鏈按下則不為FFH。2去除鍵抖動。方法：延時1020 ms，再一次判斷有無鍵按下，如果此時仍有鍵按下，則認為鍵盤上確實有鍵處于穩(wěn)定閉合期。3假設有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。方法：對鍵盤逐行掃描。4程序中需等閉合鍵釋放后才對其進展處理。3、5 LED顯示模塊圖3-5 LM016L液晶

16、模塊LM016L液晶模塊采用 HD44780控制器。 HD44780具有簡單而功能較強的指令集，可以實現(xiàn)字符移動、閃爍等功能。LM016L與單片機 MCUMicrocontroller Unit通訊可采用 8位或者 4位并行傳輸兩種方式。 HD44780控制器由兩個 8位存放器、指令存放器 IR和數(shù)據(jù)存放器DR、忙標志BF、顯示數(shù)據(jù) RAMDDRAM、字符發(fā)生器ROMCGROM、字符發(fā)生器 RAMCGRAM、地址計數(shù)器 AC。IR用于存放指令碼，只能寫入不能讀出；DR用于存放數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動寫入 DDRAM和CGRAM，或者暫存從DDRAM和 CGRAM讀出的數(shù)據(jù)。BF為 1時，液晶模

17、塊處于內(nèi)部處理模式，不響應外部操作指令和承受數(shù)據(jù)。 DDRAM用來存儲顯示的字符，能存儲 80個字符碼。 CGROM由 8位字符碼生成 5*7點陣字符 160種和 5*10點陣字符 32種，8位字符編碼和字符的應關系。四、軟件設計4、1系統(tǒng)軟件設計控制系統(tǒng)的軟件主要包括：溫度的采樣和處理、控制計算、控制輸出、中斷、顯示、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設定及修改。其中控制算法采用最小拍無紋波控制算法，以到達更好的控制效果。 考慮到電加熱爐是一個非線性、時變和分布參數(shù)系統(tǒng)，所以本文采用一種新型的智能控制算法。它充分吸取數(shù)學和自動控制理論成果，與定性知識相結合，做到取長補短，在實時控制中取得較好的成果。其中，系

18、統(tǒng)的軟件流程圖如圖4.1 系統(tǒng)軟件流程圖4、2大林算法的系統(tǒng)設計大林算法中D(z)的根本形式 設被控對象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)分別為： 其中t1為被控對象的時間常數(shù)，為被控對象的純延遲時間，為了簡化，設其為采樣周期的整數(shù)倍，即N為正整數(shù)。 由于大林算法的設計目標是使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即 ，其中 由于一般控制對象均與一個零階保持器相串聯(lián)，所以相應的整個閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)是 2-3于是數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為 2-4 D(z)可由計算機程序?qū)崿F(xiàn)。由上式可知，它與被控對象有關。下面對一階純滯后環(huán)節(jié)進展討論。 一階慣性環(huán)節(jié)的大林算法

19、的D(z)根本形式 當被控對象是帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)時，由式2-1的傳遞函數(shù)可知，其脈沖傳遞函數(shù)為 ：將此式代入2-4，可得 2-5 式中：T采樣周期350秒： 被控對象的時間常數(shù)50； 閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)10秒。4、3程序控制流程圖程序流程根本思路：控制過程：手動輸入一個溫度設定值，需要調(diào)用鍵盤掃描子程序，再由傳感器檢測現(xiàn)場的溫度值，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送單片機處理，調(diào)用溫度控制子程序來實現(xiàn)溫度控制，調(diào)用顯示子程序?qū)⑻幚砗蟮慕Y果送LCD顯示。在使用鍵盤時，要考慮鍵盤的去抖問題，消抖處理有硬件和軟件兩種方法：硬件消抖是利用加抖動電路濾防止產(chǎn)生抖動信號；軟件消抖是利

20、用數(shù)字濾波技術來消除抖動。我們采用軟件的方法，利用主程序循環(huán)掃描，主程序每循環(huán)一次掃描到的鍵值一樣時，則說明是*鍵按下。A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖4-3所示返回圖4-3 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖溫度控制流程圖如圖4-4所示返回圖4-4溫度控制流程圖五、調(diào)試運行通過Proteus仿真和程序調(diào)試，根本完成了設計任務：溫度傳感器將加熱爐的溫度傳回單片機，然后AT80C51芯片將給定的溫度值與反響回來的溫度值進展比擬并經(jīng)過算法處理后，傳給溫度控制系統(tǒng)，判斷加熱器材輸出端導通與否從而使加熱爐開場加熱或停頓加熱，使加熱爐溫度控制得到實現(xiàn)：圖5-1 運行顯示狀態(tài)六、課程設計總結兩周的課程設計完畢了，在這次的課程設

21、計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)視。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程千里之行始于足下，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認真的進展課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的根底。通過這次模具設計，本人在多方面都有所提高。通過這次模具設計，綜合運用本專業(yè)所學課程的理論和生產(chǎn)實際

22、知識進展一次基于達林算法的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計從而培養(yǎng)和提高學生獨立工作能力，穩(wěn)固與達林算法設計等課程所學的內(nèi)容，掌握基于達林算法的設計的方法和步驟，掌握達林算法設計的根本的模型，怎樣確定設計方案，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)*和標準，同時各科相關的課程都有了全面的復習，獨立思考的能力也有了提高。在這次設計過程中，表達出自己單獨設計的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學習的缺乏和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。在此感謝我們的丁健教師.，教師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的典范；教師循循善誘的教誨和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪

23、；這次模具設計的每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開教師您的細心指導。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設計。同時感謝對我?guī)椭^的同學們，謝謝你們對我的幫助和支持，讓我感受到同學的友誼。由于本人的設計能力有限，在設計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請教師們多多指教,我十分樂意承受你們的批評與指正，本人將萬分感謝。參考文獻1 梅麗鳳，單片機原理及接口技術，：清華大學，2004：19-48，81-932 周繼明，江世明. 傳感技術與應用M，：中南大學，2005：45-563 *毅剛，單片機原理及應用，：高等教育，2003：126-1354 顧興源，計算機控制系統(tǒng)，：冶金工業(yè), 1981

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25、ar dis2=now T:;uchar dis3=set T:;uchar flag=0;uchar temp;sbit SO=P31;sbit CS=P34;sbit SCK=P35;sbit ADD=P05;sbit SUB=P06;sbit HOLD=P07;uchar ADH,ADL;int i,z,j;void delay(uchar a) uchar i,j; for(i=0;ia;i+) for(j=0;j0;i-) /D15D11 SCK=0;ADH=SO;ADH=ADH0;i-) /D103 SCK=0;ADL=SO;ADL=ADL1; SCK=1; SCK=0;flag=SO; SCK=1;SCK=0;