計算機控制課程設(shè)計電阻爐溫度控制系統(tǒng)

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。.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MCS—52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。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。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20kW;（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(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±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。核心處理模塊一一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)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心。選擇單片機的理由：單片機的特點是體積較小，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(xué)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，而且單片機無需占用很大的空間。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)字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內(nèi)部完成。人機交互及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?？刂茍?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，可以達到超溫報警及升溫或者降溫目的，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、溫度采集、A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示電路、報警等功能電路組成。、核心部分單片機AT89S52單片機為主控制單元。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，利用PWM脈沖調(diào)制技術(shù)調(diào)整占空比，達到使?fàn)t溫控制在某一設(shè)定溫度。AT89S52單片機還負(fù)責(zé)按鍵處理、溫度顯示以及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。、溫度采集轉(zhuǎn)換模塊溫度采集電路主要由粕銠-粕熱電偶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(biāo)準(zhǔn)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。這種信號在進行A/D轉(zhuǎn)換時，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ADC0809,ADC0809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(dāng)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?fàn)t內(nèi)工件過熱，破壞金屬組織結(jié)構(gòu)。、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(dāng)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(dǎo)通角減小，導(dǎo)通時間變短，加熱器功率降低爐溫適當(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鍵盤模塊電路采用4X4矩陣鍵盤接單片機的P1口，然后實現(xiàn)對設(shè)定溫度的修改，將它與實際溫度進行對比，實現(xiàn)要求的功能。矩陣鍵盤如下圖3所示：A/D轉(zhuǎn)換電路如圖所示：變送電路XTR101為4?20mA線性化變送器，它可與鎳絡(luò)-銀硅測溫傳感器構(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-40℃?+85℃的工作溫度內(nèi)，傳送電流的總誤差不超過1%,供電電源可以從11.6V到40丫,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：RCV420是一種精密電流/電壓變換器，它能將4?20mA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-25℃?+85℃和0℃?70℃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?±18V。RCV420的外形采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳DIP封裝。它的典型應(yīng)用如下：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。主程序模塊主程序流程圖功能實現(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。該中斷是單片機內(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)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：T1中斷子程序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。該子程序作用是將溫度信號(00H~FFH)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行比較。所用線形標(biāo)度變換公式為:式中,Ax：實際測量的溫度值;Nx：經(jīng)過A/D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?？刂扑惴ǎ篜ID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算法的表達式為：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。在計算機控制中，為實現(xiàn)數(shù)字控制，必須對上式進行離散化處理。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時刻進行采樣，式中e(k)：根據(jù)本次采樣值所得到的偏差；e“k由上次采樣所得到的偏差。(k-1)將上面的三個式子代入，則有式中，T為采樣時間，項為積分項的開關(guān)系數(shù)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[1]張艷兵,王忠慶,鮮浩編著,計算機控制技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社,2006［2］于海生編著,微型計算機控制技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,1999［3］楊進才,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,2006［4］夏云龍編著,最新VisualC++使用手冊.北京：電子工業(yè)出版社,2005［5］黃迪明,許家珀,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,2008［6］顏永軍等,Protel99電路設(shè)計與應(yīng)用，國防工業(yè)出版社,2001［7］樓然苗，李光飛,51系列單片機設(shè)計實例（第二版），2006［8］李朝青單片機原理及接口技術(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,#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,A；MOV30H,A；MOV3BH,A；MOV3CH,A；MOV3DH,A；清暫存單元MOV3EH,A；MOV44H,A；MOVDISM0,A；MOVDISM1,A；MOVDISM2,A；MOVDISM3,A；清顯示緩沖區(qū)MOVDISM4,A；MOVDISM5,A；MOVTMOD,#56H；設(shè)T0為計數(shù)器方式2,T1為方式1MOVTL0,#06H；MOVTH0,06H；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；開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,則TPLWL:MOVC,5EH；MOV5FH,C；5EH送5FHCLR5EH；清5EH單元ACALLUPL；轉(zhuǎn)上限處理程序POPDPHPOPDPLPOPACCRETI；中斷返回TPL:JNCTPL1；若Ui（k）大等Umax，則TPL1CLR5FH