電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計說明

1、13/14HefeiUniversity計算機控制課程設(shè)計 設(shè)計題目： 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計姓 名： 宏灶 學 號： 0805070110 專業(yè)班級： 08級自動化(2)班 指導老師：丁 健 前 言溫度是工業(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。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食儲備、計算機機房等都需要對溫度進行測

2、量和控制。因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。溫度控制系統(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、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義隨著單片機技術(shù)的迅速興起與蓬勃發(fā)展，其穩(wěn)定、安全、高效、經(jīng)濟等優(yōu)點十分突出，所以其應(yīng)用也十分廣泛。單片機已經(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。單片機的特點是體積較小，也就是其集成特性，其部結(jié)構(gòu)是普通計算機系統(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)，單片機具有很強的可擴展

3、性。它具有和普通計算機類似的、強大的數(shù)據(jù)處理功能，通過使用一些科學的算法，可以獲得很強的數(shù)據(jù)處理能力。所以單片機在工業(yè)應(yīng)用中，可以極提高工業(yè)設(shè)備的智能化、數(shù)據(jù)處理能力和處理效率，而且單片機無需占用很大的空間。隨著檢測理論和技術(shù)的不斷更新, 溫度傳感器的種類也越來越多，在微機系統(tǒng)中使用的傳感器，必須是能夠?qū)⒎请娏哭D(zhuǎn)換成電量的傳感器，目前常用的有熱電偶傳感器、熱電阻傳感器和半導體集成傳感器等，每種傳感器根據(jù)其自身特性，都有它自己的應(yīng)用領(lǐng)域。目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc296454114一、課程設(shè)計任務(wù) PAGEREF _Toc296454114 h 3H

4、YPERLINK l _Toc296454115二、系統(tǒng)總體設(shè)計與方案論證 PAGEREF _Toc296454115 h 4HYPERLINK l _Toc2964541162.1系統(tǒng)總體設(shè)計 PAGEREF _Toc296454116 h 4HYPERLINK l _Toc2964541172.1.1核心處理模塊單片機 PAGEREF _Toc296454117 h 4HYPERLINK l _Toc2964541182.1.2溫度信號采集與傳感器 PAGEREF _Toc296454118 h 4HYPERLINK l _Toc2964541192.1.3人機交互與串口通信 PAGERE

5、F _Toc296454119 h 4HYPERLINK l _Toc2964541202.1.4控制執(zhí)行單元 PAGEREF _Toc296454120 h 5HYPERLINK l _Toc2964541212.2系統(tǒng)功能設(shè)計 PAGEREF _Toc296454121 h 5HYPERLINK l _Toc296454122三、硬件電路設(shè)計 PAGEREF _Toc296454122 h 5HYPERLINK l _Toc2964541233.1、核心部分單片機 PAGEREF _Toc296454123 h 5HYPERLINK l _Toc2964541243.2、溫度采集轉(zhuǎn)換模塊

6、PAGEREF _Toc296454124 h 6HYPERLINK l _Toc2964541253.3、ACSSR交流功率調(diào)節(jié)電路 PAGEREF _Toc296454125 h 6HYPERLINK l _Toc2964541263.4、變送電路 PAGEREF _Toc296454126 h 7HYPERLINK l _Toc2964541273.4.1、420mA變送器XTR101 PAGEREF _Toc296454127 h 7HYPERLINK l _Toc2964541283.4.2、I/V轉(zhuǎn)換器RCV420 PAGEREF _Toc296454128 h 7HYPERLIN

7、K l _Toc2964541293.5、鍵盤與顯示的設(shè)計 PAGEREF _Toc296454129 h 8HYPERLINK l _Toc2964541303.5.1鍵盤設(shè)計 PAGEREF _Toc296454130 h 8HYPERLINK l _Toc2964541313.5.2 LED數(shù)碼管顯示設(shè)計 PAGEREF _Toc296454131 h 8HYPERLINK l _Toc2964541323.6、硬件連接圖 PAGEREF _Toc296454132 h 9HYPERLINK l _Toc296454133四、系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc296454133 h

8、9HYPERLINK l _Toc2964541344.1 主程序模塊 PAGEREF _Toc296454134 h 9HYPERLINK l _Toc2964541354.2 功能實現(xiàn)模塊 PAGEREF _Toc296454135 h 10HYPERLINK l _Toc2964541364.2.1T0中斷子程序 PAGEREF _Toc296454136 h 10HYPERLINK l _Toc2964541374.2.2 T1中斷子程序 PAGEREF _Toc296454137 h 10HYPERLINK l _Toc2964541384.3運算控制模塊 PAGEREF _Toc2

9、96454138 h 11HYPERLINK l _Toc2964541394.3.1標度轉(zhuǎn)換子程序 PAGEREF _Toc296454139 h 11HYPERLINK l _Toc2964541404.3.2 PID算法 PAGEREF _Toc296454140 h 11HYPERLINK l _Toc296454141五、結(jié)果分析論述 PAGEREF _Toc296454141 h 12HYPERLINK l _Toc296454142六、參考文獻 PAGEREF _Toc296454142 h 13一、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

10、被控對象，采用MCS51單片機實現(xiàn)電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計，介紹電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的組成，并完成系統(tǒng)總體控制方案和達林算法控制器的設(shè)計，給出系統(tǒng)硬件原理框圖和軟件設(shè)計流程圖等。 1.電阻爐組成與其加熱方式 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)的組成也不一樣。

11、電氣控制系統(tǒng)包括主機與外圍電路、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、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

12、分廣泛。 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）采用一臺主機控制8個同樣規(guī)格的電阻爐溫度; （2）電爐額定功率為20 kW; （3）恒溫正常工作溫度為1000，控溫精度為1%; （4）電阻爐溫度按預定的規(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1; （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)計與方案論證2.1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、與控制執(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)

13、轉(zhuǎn)換器AD0808進行數(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。圖2.1 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖2.1.1核心處理模塊單片機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)行單元進行控制。單片機是整個系統(tǒng)的控制核心與數(shù)據(jù)處理核心。2.1.2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)換成單片機能夠進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號，本設(shè)計采用的是數(shù)

14、字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器部完成。2.1.3人機交互與串口通信人機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與上位機的通信，便于進行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎(chǔ)工作。2.1.4控制執(zhí)行單元是單片機的輸出控制執(zhí)行部分，根據(jù)單片機數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，驅(qū)動繼電器控制外部設(shè)備，可以達到超溫報警與升溫或者降溫目的，使環(huán)境溫度始終保持在一個圍之。2.2系統(tǒng)功能設(shè)計根據(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單片機為檢測控制中心

15、的電熱鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進的PID數(shù)字控制算法,顯示采用8位LED動態(tài)顯示。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,控制算法新穎,控制精度高,有較強的通用性。所設(shè)計的控制系統(tǒng)有以下功能：1、溫度控制設(shè)定波動圍小于1%,測量精度小于1%,控制精度小于2%,2、實時顯示當前溫度值;3、按鍵控制：設(shè)置復位鍵、運行鍵、功能轉(zhuǎn)換鍵、加一鍵、減一鍵;4、越限報警。三、硬件電路設(shè)計硬件系統(tǒng)主要由AT89S52單片機、溫度采集、AD轉(zhuǎn)換、光耦隔離、鍵盤顯示電路、蜂鳴報警、等功能電路組成。3.1、核心部分單片機AT89S52單片機為主控制單元。AT89S52是ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS 8位單片機它除

16、正常工作以外還可以工作于低功耗和掉電模式，進一步減少了芯片的功耗。降低芯片的溫升，延遲了芯片的使用壽命。其部配有8K的Flash程序存儲器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。所配置的Flash程序存儲器，便于實現(xiàn)ISP在線下載，降低了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)成本。除此之外，AT89S52還具有2個16位定時計數(shù)器。5個兩級中斷源結(jié)構(gòu)，32位并行輸人輸出端口和一個全雙工的串行口，以與看門狗定時器等功能單元。AT89S52單片機首先根據(jù)爐溫的給定值和測量值計算出溫度偏差，然后進行PID控制并計算出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)由P10口輸出。最后將P10口輸出的控制數(shù)據(jù)送往光電耦合隔離器的輸入端，利用PWM脈沖調(diào)制技術(shù)調(diào)整占空比，達

17、到使爐溫控制在某一設(shè)定溫度。AT89S52單片機還負責按鍵處理、溫度顯示以與與上位機進行通信等工作。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1300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的標準信號。本系統(tǒng)選用DWB型溫度變送器，并將其直接安裝在熱電偶的接線盒，構(gòu)成一體化的溫度變送器，不僅可以節(jié)省補償導線，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。這種信號在進行A/D轉(zhuǎn)換時，對轉(zhuǎn)換速度要求不高。因此為了減

18、低成本以與方便選材，可以選用廉價的、常用的A/D芯片ADC0808，ADC0808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ADC0808轉(zhuǎn)換所得到的實測爐溫數(shù)據(jù)直接送入AT89S52單片機中進行數(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，當發(fā)生斷偶或爐溫越限等異?，F(xiàn)象時，主控單元AT89S52單片機自動啟動報警電路進行聲、光報警，以便操作人員快速處理，防止爐工件過熱，破壞金屬組

19、織結(jié)構(gòu)。3.3、ACSSR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)行機構(gòu)。AT89S52單片機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。當實測溫度偏低時，單片機輸出的控制信號使得雙向可控硅的導通角減小，導通時間變短，加熱器功率降低爐溫適當降低。通過控制輸入到

20、加熱器平均功率的大小達到控制電阻爐爐溫的目的。采用過零觸發(fā)的方式，使可控硅輸出為正弦波，有效地避免了移相觸發(fā)輸出非正弦波而造成的對電網(wǎng)的公害?？刂茍?zhí)行部分的硬件電路如下圖控制執(zhí)行部分的硬件電路3.4、變送電路3.4.1、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圍，在-40+85的工作溫度，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外形采用標準的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：3.

21、4.2、I/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基準電源。對環(huán)路電流由很好的變換能力。具有-25+85和070的工作溫度圍，輸入失調(diào)電壓1mA，總的變換誤差0.1%，電源電壓圍518V。RCV420的外形采用標準的16腳DIP封裝。它的典型應(yīng)用如下：3.5、鍵盤與顯示的設(shè)計3.5.1鍵盤設(shè)計位選鍵SW與P23相連,INTO與外部中斷0（P3.2）相連，INT1與外部中斷1（P3.3）相連。采用外部中斷方式實現(xiàn)溫度的設(shè)置。功能定義如下：（1）、當SW撥

22、到下面時，INT0健實現(xiàn)溫度值的十位加1，INT1健實現(xiàn)溫度值的十位減1（2）、當SW撥到上面時，INT0健實現(xiàn)溫度值的個位加1，INT1健實現(xiàn)溫度值的個位減13.5.2 LED數(shù)碼管顯示設(shè)計顯示采用8位共陰LED動態(tài)顯示方式,顯示容有溫度值的百位、十位與個位,這樣可以只用P3.0(RXD)口來輸出顯示數(shù)據(jù),從而節(jié)省了單片機端口資源,在P2.5，P2.6，P2.7三個IO口和P3.1(TXD)的控制下通過74LS138和74LS164來實現(xiàn)8位動態(tài)顯示。3.6、硬件連接圖四、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 主程序模塊主程序流程圖4.2 功能

23、實現(xiàn)模塊以用來執(zhí)行對可控硅與電爐的控制。功能實現(xiàn)模塊主要由AD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)中,單片機要完成調(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PWM信號，優(yōu)先級低于T 0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:T1中斷子程序4.3運算控制模塊運算控制模塊涉與標度轉(zhuǎn)換、PID算法、以與該算法調(diào)用到的乘法子程序

24、等。4.3.1標度轉(zhuǎn)換子程序該子程序作用是將溫度信號(00HFFH)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值,以便送顯示或與設(shè)定值在一樣量綱下進行比較。所用線形標度變換公式為：式中,Ax： 實際測量的溫度值;Nx：經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的溫度量；Am =90；Ao=40；Nm =FEH; No=01H；單片機運算采用定點數(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。4.3.2PID算法積分分離控制的基本思路是：當偏差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，即：1、當|e(k)|時，說明系統(tǒng)實測溫度遠離設(shè)定值，應(yīng)快速調(diào)整爐溫度。在這種情況下采用PD控制，而不因入積分空制可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，避免產(chǎn)生過大的超調(diào)減小動態(tài)誤差。2、 當|e(k)|時，說明系統(tǒng)溫度已經(jīng)接近設(shè)定值，此時加入積分作用，可以消除系統(tǒng)靜差，保證系統(tǒng)的控制精度。上述各式中：u。k)第k次取樣時刻PID空制器輸出值；e(k)=r(k)-y(k)為第k時刻所得偏差信號；kp、ki,kd分別為比例增益系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。由式(2)可以