1、 课程设计说明书 电加热炉温度微机控制系统班 级：自动化 2 班学 号：姓 名： 指导教师： 设计时间：2011.12.19-2011.12.23沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.1目录一 引言 2二 系统工作原理 2三 硬件的设计与实现 33.1 系统硬件设计 33.2 单片机最小系统 33.3 A/D 转换器 .43.4 LED 数码管 63.5 键盘电路 .73.6 晶闸管及其控制电路 73.7 炉温检测电路 8四 系统控制流程及软件设计 94.1 总体流程图 94.2 程序块流程图 104.2.1 温度控制系统主程序及流程图 .104.2.2 LED 数码管显示子程序及其流程图 .1
2、14.2.3 A/D 转换程序及流程图 144.2.4 数字控制器的设计 .154.2.5 键盘控制流程图 17五 设计工作总结及心得体会 19六 参考文献 19沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.2一引言 温度是工业对象中主要的被控参数之一。为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。工业生产过程中，用模拟控制来控制电加热炉温已经取得了较为成熟的经验，但他的控制精度较低，显示操作不方便，为此引入了计
3、算机控制系统对温度进行数字算法控制。由于电炉加热的时间常数相对于采样周期来说很大，所以电炉加热控制系统的动态特性可以看作一阶滞后环节来近似，在控制算法上可采用 PID 控制或其他纯滞后补偿算法。本课程设计所控制的电加热炉的加热能源是热阻丝，根据控制系统要求，设计控制方案和主电路及各检测控制模块电路，然后针对温度控制要求计算电路元件所需参数，应用 PID 控制算法，实现温箱的闭环控制。进而了解温度控制系统的特点及运用计算机设计控制程序实现计算机自动控制温度的方法。2系统工作原理整个加热炉的温度控制系统采用典型的反馈式闭环控制，系统结构框图如图 2.1 所示。数字控制器的功能采用单片机 AT89c
4、51 实现，执行器的作用由可控硅实现，温度有采样与测量采用热电偶及变送器实现。数字控制器的设计：在温度调节系统中，由于加热炉温度的时间常数很大（相对于采样周期而言） ，所以其闭环调节可以用一个一阶滞后环节来近似。可炉内温度给定值-数字控制器 执行器 电加热炉温度测量与变送器图 2.1 电加热炉计算机控制系统框图沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.3以采用直数字控制，也可以采用模糊控制和 PID 控制，本设计中采用 PID 控制，其控制系统的调节原理如图 2.2 所示：炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压可在 0140V 内变化。温度传感器是通过一只
5、热敏电阻及其放大电路组成，温度越高其输出电压越小。外部 LED 灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间，如果炉温低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。三硬件的设计与实现3.1 系统硬件设计本系统的硬件设计主要包括：单片机最小系统、模数转换器、温度变送器、控制键盘、LED 显示数码管、光电隔离可控硅触发电路。硬件系统框图如图 3.1 所示：3.2 单片机最小系统本系统采用 AT89C51 单片机作为该控制系统的核心，实现对温度的采集、沈 阳 大 学单片机e(t)r(t)-P(k) 加热炉m(t)图 2.2 电加热炉计算机控制系统的调节原理可控硅触发信号 脉
6、冲电平05V420mA15V加热炉热电偶 温度变送器 A/D 转换器可控硅电压调整器供电光电隔离单片机AT89c51LED 显示 键盘图 3.1 电加热炉计算机控制系统硬件框图课程设计说明书 NO.4检测和控制。单片机控制 A/D 转换器，接收由 A/D 转换器转换得到的二进制温度数据，并对其进行数字滤波、标度变换并与输入的参照温度相比较，得出误差，根椐 PID 算法求出控制温度达到期望值所需要的控制量。通过调节高低电平输出时间，控制可控硅的接通时间，从而改变电炉的输出功率，达到调温的作用。单片机及其接口电路图如图 3.2 所示： 3.3 A/D 转换器A/D 转换器在该系统中的功能是将温度变
7、送器输出的 15V 电压信号转换为单片机能识别的二进制代码，供给单片机做进一步的处理。电热炉的温度变化范围为室温到 1000，将控制精度确定限定在 5范围内，则可选择 8 位A/D 转换器，其最小精度可以达到 1000256=3.9215，则选择ADC0808 或 ADC0809 均可满足设计要求，这里选择 ADC0809。ADC0809 是 CMOS 单 片 型 逐 次 逼 近 式 A/D 转 换 器 ， 它 由 8 路 模 拟 开 关 、地 址 锁 存 与 译 码 器 、 比 较 器 、 8 位 开 关 树 型 A/D 转 换 器 、 逐 次 逼 近 寄 存 器 、逻 辑 控 制 和 定
8、时 电 路 组 成 ， 其 内 部 结 构 如 图 3.3 所 示 。 ADC0809 的 工 作 过程 ： 首 先 输 入 3 位 地 址 ， 并 使 ALE=1， 将 地 址 存 入 地 址 锁 存 器 中 。 此 地 址经 译 码 选 通 8 路 模 拟 输 入 之 一 到 比 较 器 。 START 上 升 沿 将 逐 次 逼 近 寄 存 器复 位 。 下 降 沿 启 动 A/D 转 换 ， 之 后 EOC 输 出 信 号 变 低 ， 指 示 转 换 正 在 进 行 。A/D 转换器 D0-D7四位数码管段选位四位数码管位选四位键盘接口图 3.2 单片机最小系统及其外围电路接口图沈 阳
9、 大 学课程设计说明书 NO.5直 到 A/D 转 换 完 成 ， EOC 变 为 高 电 平 ， 指 示 A/D 转 换 结 束 ， 结 果 数 据已 存 入 锁 存 器 ， 这 个 信 号 可 用 作 中 断 申 请 。 当 OE 输 入 高 电 平 时 ， 输 出 三态 门 打 开 ， 转 换 结 果 的 数 字 量 输 出 到 数 据 总 线 上 。 本 设 计 中 只 需 要 用 到ADC0809 的 一 个 通 道 即 可 ， 故 将 ADC0809 的 输 入 通 道 选 通 地 址 A、 B、 C 均接 地 （ 即 只 使 用 输 入 通 道 IN0） 。 ADC0809 的
10、工 作 时 钟 为 500KHz， 由 于 单片 机 的 ALE 能 自 动 输 出 单 片 机 时 钟 频 率 的 1/6（ 即 当 单 片 机 的 时 钟 晶 振 选择 12MHz 时 ， ALE 自 动 输 出 2MHz 时 钟 信 号 ） ， ADC0809 的 时 钟 信 号 通 过 对单 片 机 ALE 的 输 出 时 钟 进 行 四 分 频 得 到 ， 进 行 四 分 频 的 器 件 可 采 用 集 成 有两 个 二 分 频 器 的 74LS74。 单 片 机 的 PA 口 作 ADC0809 的 控 制 口 ， P0 口 作 转换 结 束 后 转 换 数 据 的 接 收 口 。
11、 ADC0809 与 单 片 机 的 接 口 电 路 如 图 3.4 所示 。沈 阳 大 学图 3.3 ADC0809 内部结构图图 3.4 ADC0809 与单片机接口电路课程设计说明书 NO.63.4 LED 数码管数码管主要用以显示设定温度值与实际测量温度值。数码管根据其连接方式可以分为共阴数码管与共阳数码管，根据其显示的段数可以分为七段数码管和八段数码管，其中八段数码管相比七段数码管要多一个小数位。由于本设计所需用到的最大温度值为 1000，故需选用 4 位数码，在这里选用 4 位共阴 8 段数码管作为本设计的 LED 显示。四位共阴数码管的引脚图如图3.5 所示，数码管与单片机的接口
12、电路如图 3.6 所示。沈 阳 大 学图 3.5 四位共阴数码管引脚图图 3.6 数码管与单片机接口电路课程设计说明书 NO.73.5 键盘电路键盘主要用来完成对系统参数的设置和启动及停止计算机自动控制系统。本系统主要采用四位独立键盘完成上述控制功能。键盘电路如图 3.7 所示，其中，S1、S2 对预温度进行设置，S2 为数码管移位选择按扭，被选中的数位小数点被点亮，此时再按 S1，可以使被选中位从 09 依次循环，循环到所需要值的时候，再按 S2 移到下一位，依次设置完 4 位数码管组成的预设温度值。S3、S4 分别为启动和停止计算机自动控制系统，当 S3 有按下信号时，单片机开始对系统进行
13、自动调节控制，当 S4 有输入信号时，退出自动控制。3.6 晶闸管及其控制电路晶闸管属于半控器件，当在基极输入电流触发信号满足其导通电流强度时，晶闸管即导通，且导通后触发信号将失去作用。要使晶闸管关断，第一可以不断减小电源电压或是加大回路电阻，使阳极电流 Ia 低于维持电流 IH之下，晶闸管即可恢复关断；第二可以给晶闸管施加反电压，使晶闸管自行关断。本系统中晶闸管的关断方式采用第二种，由于我们生活所用的交流电是频率为 50Hz 的正弦交变电压，系统所要求晶闸管控制电压有效值在 0140V内变化，故采用如图 3.8 所示的电路接线方式。当电源电压处于正弦变化的正半周的时修，通过调节晶闸管的导通角
14、，即可改变电阻两端的电压有效值，当电源电压处于正弦负半周的时候，加在晶闸管两端的反电压使晶闸管自动关断。停止自动控制系统数码位向右移位对应数码加 1启动自动控制系统图 3.7 键盘电路沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.8由于触发晶闸管导通的电流信号是模拟信号，故需要采取隔离措施，使数字控制电路与模拟负载电路隔离开，防止模拟信号串入数字电路造成误动作或损坏数字电路。这里采用的隔离措施是使用光电隔离器 4N25，当 P1.7 输出高电平时，经 7404 反向为低电平，发光二极管发光触发模拟电路部分导通，晶闸管 IRF640 得到触发信号从而导通。根据单片机发出脉冲的间隔时间不同，即可改变晶闸管的
15、导通角，从而起到调压的作用。3.7 炉温检测电路电炉的温度先由热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压放大后，送至 A/D 转换器转换为数字量，此数字量经过单片机数字滤波误差校正及查表等处理后，得到电炉内的实测温度值。温度检测原理结构如图 3.9 所示：沈 阳 大 学图 3.8 晶闸管及其控制电路变送器热电偶ADC0809图 3.9 温度检测原理图课程设计说明书 NO.94系统控制流程及软件设计4.1 总体流程图单闭环电加热炉温度计算机控制系统总体流程如图 4.1 所示沈 阳 大 学相等不相等开 始系统初始化键盘输入给定温度值启动 A/D 转换器数字
16、滤波非线性转换智能算法程序求出输出控制量送 LED 显示控制可控硅导通结 束与给定值相比较图 4.1 程序总体流程图课程设计说明书 NO.104.2 程序块流程图4.2.1 温度控制系统主程序及流程图主程序主要进行初始化，定义 I/O 端口及定时器参数，调用子程序以便为系统正常工作创造条件。主程序如下，主程序流程序如图 4.2.1 所示：#include#include/*.定义四位数码管的位选脚.*/sbit w1=P30; sbit w2=P31; sbit w3=P32; sbit w4=P33; /*.定义 AD 转换器的启动引脚.*/ sbit ST=P11; /*.定义 AD 转换
17、器的控制脚.*/sbit EOC=P12;sbit OE=P13;/*.定义 09 十个数字代码.*/unsigned char wu_ds = 0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F;/*.定义按键引脚.*/Sbit S1=P3.4;Sbit S2=P3.5;Sbit S3=P3.6;Sbit S4=P3.7;/*.声明程序中将会调用到的子程序.*/void delay(int t);/声明程序延时子程序int set_temp(int s);/声明设置初始值子程序沈 阳 大 学主程序键入预设温度调用：启动 A/D 转换调用：显示转
18、换温度调用：PID 计算控制输出结 束图 4.2.1 主程序流程图课程设计说明书 NO.11void cont_temp(int x);/声明数据处理，与工程量变换子程序void start_temp(void);/声明启动 A/D 转换器子程序void _PID_(int y，int z);/声明 PID 控制程序 /*.开始主函数.*/void main()int data_in; /定义一个用来存放 AD 转换器转换结果的变量int a1,a2,a3,a4,m,t;m=set_temp(0) ;P0=0xFF; /初始化 AD 转换器数据端口while(1) cont_temp(data
19、_in);display(a1,a2,a3,a4); /调用数码管分时显示函数显示测得温度t=a1*1000+a2*100+a3*10+a4;_PID_(m,t);4.2.2 LED 数码管显示子程序及其流程图8 段 LED 显示屏是最常用的显示器件，分为共阳极和共阴极两种形式。共阳极 LED 将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平，某一段的发光二极管阴极接低电平时，相应的字段就被点亮。共阴极LED 将所有发光二极管的阴极接在一起作为公共端，当公共端接低电平，某一段的发光二极管阳极接高电平时，相应的字段就被点亮。LED 数码管的显示方法动态显示：动态扫描，分时循环； 静态显
20、示：一次输出，结果保持沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.12(1)动态显示动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能一个器件显示。但由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。 (2)静态显示静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠。通过比较及对程序的分析，本设计当中两组数码管均采用了共阴极静态显示。本系统采用 4 位共阴数码管用动态显示的方式显示预设值和测得温度值，其动态扫显示程序如下，程序流程图如图 4.2.2 所示：void display(long int a,l
21、ong int b,long int c,long int d)P0=0; /先关闭全部数码管w1=0; /显示千位数，从左到右P0=wu_dsa;delay(3);w1=1;P0=0;w2=0;P0=you_dsb;显示百位数delay(3);w2=1;P0=0;w3=0;P0=wu_dsc;显示十位数delay(3);w3=1;P0=0;w4=0; P0=wu_dsd;显示个位数delay(3);w4=1;沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.13沈 阳 大 显示程序关闭段选口消除阴影选通第 1 位显示第 1 位关闭第 1 位的段选和位选开启第 2 位位选调用程序延时关闭第 2 位段选和位选
22、开启第 3 位位选显示第 3 位调用程序延时关闭第 3 位段选和位选开启第 4 位位选显示第 4 位调用程序延时图 4.2.2 显示程序流程图关闭第 4 位返回显示第 2 位调用程序延时图 4.2.2 显示程序流程图学课程设计说明书 NO.144.2.3 A/D 转换程序及流程图本系统所使用的 A/D 转换器 ADC0809 接线图如图 3.4 所示，控制其启动及转换程序如下，启动 A/D 转换流程图如图 4.2.3 所示：void start_temp(void)ALE=1;_nop_();_nop_();ALE=0; /锁存通道地址，这里采用通道 IN0ST=1;_nop_();_nop_
23、();ST=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/START 下降沿，开始进行 A/D 转换while(EOC=0)/转换时间约为 100us，在转换期间 EOC 为低电平，利用条件延时_nop_();OE=1; /转换结束，给 OE 高电平，请求输出转换结果data_in=P3; /用 P3 口来接收 AD 转换器的转换结果，将结果存入data_inOE=0;沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.154.2.4 数字控制器设计数字控制器是本控制系统的核心，用它对被测参数进行自动调节，这里采用 PID
24、 程序设计法进行设计。根据位置型 PID 设计方法可写出表达式 4-1P(k)=PP(k)+PI(k)+PD(k) 式 4-1沈 阳 大 学NYA/D 转换程序确定通道选择地址锁存通道地址使 ST 由高电平跳转到低电平，启动 A/D 转换器转换是否结束（EOC=0？）OE=1读出转换结果将 OE 置 0返 回图 4.2.3 A/D 转换程序流程图课程设计说明书 NO.16其中：PP(k)=KPE(k)PI(k)=KI=KIE(k)+ KI= KIE(k)+PI(k-1)PD(k)=KDE(k)-E(k-1)根据 4-1 式和图 2.2 所示的 PID 调节控制图可得 PID 数字控制程序的流程
25、图如图 4.2.4 所示：沈 阳 大 学PID 位置型运算程序计算 E(k)=R(k)-M(k)计算 PP(k)=PPE(k)计算 PI(k)=KIE(k)+PI(k-1)计算 PD(k)=KDE(k)-E(k-1)计算 P(k)=PP(k)+PI(k)+PD(k)将 P(k)转换成双字字整数R2R3E(k-1) E(k)返 回图 4.2.4 位置型 PID 运算程序流程图课程设计说明书 NO.174.2.5 键盘控制流程图在本次设计当中，输入设备采用 4*4 矩阵键盘。当“设定”键按下时触发键盘中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。程控扫描的任务是：(1)首先判断是否
26、有键按下。方法：使所有的行输出均为低电平，然后从端口 A 读入列值。如果没有键按下，则读人值为 FFH如果有链按下则不为 FFH。(2)去除键抖动。方法：延时 1020 ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。(3)若有键闭合，则求出闭合键的键值。方法：对键盘逐行扫描。(4)程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。键盘控制程序采用定时器延时扫描的方法控制，当按键被按下时输入一个低电平，其流程图如图 4.2.5 所示：沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.18沈 阳 大 学否是是否否是否是否是否是是否键盘控制程序扫描键盘的按下状态S2 是否按下是否为所需设
27、置温度位温度值该位数字加 1S1 是否按下该位所示温度值是否为所需温度是否为第 4 位S3 是否按下启动自控系统S4 是否按下停止自动控制系统图 4.2.5 键盘程序流程图课程设计说明书 NO.195设计工作总结及心得体会通过对电加热炉计算机温度控制系统的设计，使我对实际工程中的自动控制系统的应用有了初步的设计理念。理论与实践的结合，使我对自算机控制系统的特点以及其组成原理与应用程序有了更进一步的学习，通过对整个系统的设计，使我更进一步的巩固了专业基础知识，提高了用理论知识解决实际问题的实践能力。通过资料的收集及整理，也使我学到了许多相关专业课程的知识，并从中分析得到启发，确立系统方案。通过对
28、数字控制器的设计，使我掌握了运用单片机实现 PID 算法控制、单片机与 A/D 转换器的接口电路、键盘与单片机的接口电路、LED 与单片机的接口电路以及编程实现数码管的动态显示、A/D 转换器的编程、键盘控制的编程和通过单片机触发可控硅导通的方法。这次对计算机自动控制系统的设计更加深了我对闭环控制系统的了解，使我对小型计算机控制系统的硬件及软件设计有了综合分析、独立思考的能力。6参考文献1潘新民.微型计算机控制技术.第 2 版.电子工业出版社.20112林锦国.过程控制.第 3 版.东南大学出版社.20113郁有文.传感器原理及工程应用.第 3 版.西安电子科技大学出版社.20104谢维成.单
29、片机原理与应用及 C51 程序设计.第 2 版.清华大学出版社.20095阎 石.数字电子技术基础.第 5 版.高等教育出版社.20096谭浩强.C 程序设计.第 3 版.清华大学出版社.20087张荣标.微型计算机原理与接口技术.第 2 版.机械工业出版社.20108王兆安.电力电子技术.第 5 版.机械工业出版社.2010沈 阳 大 学6WnsK28XmkxMfhGj477Rl2qY0jqOHEp3gbqa5dh2zKF7oewQ4qexPpQ9jn2RzXXtTtP7POyaR5Ph6bKYC4Exl22xCBGwq8vfgIvY5BDTdU3qjff0NEzu7yzbfQ3foeqDh
30、15sOk1LyxfDHU8vpbWTzCOPMewA9RX0iD4wj4DgXfTilIGDsST4f2CAXaETEiNRhWkhx7c1xMUhT8uNvfbpwjcDrU4fknry8nnJkkn3VWIPdUwANZFJoVQGl7FQTswU89iO2zbnk7izlufhRR1Dnnf1jEpdK8CxiB2kC6M8UZsuVAbykInVy7r9gQu8VsbMmRs5yHVEMpGiHMAzSbm0xy7ZQ3Gziw5mQtdNRinKvO2AVAwj6QBqaupohh9x2YSeGleAqOvrwWflIrG2i6fibWyLzLtwyeovRRZxBhSLDSDUi
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