1、 计算机控制技术课程设计报告 题 目 电加热炉计算机温度测控系统设计 学院(部) 电子信息工程学院 专 业 自 动 化 学生姓名 学 号 年级 指导教师 职称 2011 年 7 月 1 日目录第一章 引言 2第二章 系统工作原理 3第三章 硬件设计部分 43.1 电源部分 43.2 A/D 转换电路 43.3 温度采样测量部分 .63.4 LED 显示电路 63.5 功能键 .73.6 信号输出电路 .8第四章 软件设计部分 94.1 系统总程序设计 .94.2 A/D 转换器程序流程图 114.3 LED 显示模块程序流程图 .124.4 报警模块程序设计 124.5 键盘模块程序设计 .1
2、34.6 控制对象数学模型 .13心得体会 15参考文献 16第一章 引言温度是工业对象中的很重要参数的之一。广泛应用在冶金、化工、机械各类加热炉热、处理炉和反应炉等工业中。电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进
3、行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。第二章 系统工作原理本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、传感器、温度变送器以及被控对象组成。系统硬件结构框图如图 2.1 所示。其工作原理：炉温控制程序及温度与热电偶电势之间的对于关系表存放在EPROM2746 中，双向可控硅采用过零触发方式。触发脉冲由过零同步脉冲形成电路提供。在每个工作周期 T 内的工作占空比与单片机输出的门控脉冲信号决定。键盘与显示器用于各种参数的设置和显示。热电偶与放大器将被测温度转换成热电势信号并放大，再由 A/D转换器换成相应的数字量供单片机识别处理。单片机每隔一定时间要启动一次 A/D 转换、
4、采样一次现场温度，将温度数据与给定温度 W 进行比较，得到温差，再根据偏差的大小和正负，通过 PID 控制算法送出 1 个相应脉冲，让一定数量的触发脉冲在高电平上通过控制门去触发可控硅，送入 8031，通过键盘显示来去控制温度。同时反应炉温的热电偶的电势，经冷端补偿后送运算放大器放大，其电压范围为 010V，将此电压经多路开关送入 12 位A/D 转换器后，计算机通过数据口获得相应的表征炉温的数字量。该数字量经数字滤波、线性化处理以及标度变换后，一方面通过 LED 显示炉温，另一方面当采样周期到达时，与设定温度进行比较，再做 PD/PID 运算；根据运算结果。计算机通过 I/O 口改变控制脉冲
5、宽度，从而改变双向可控硅在一个固定的控制周期 T 内导通的时间（或交流电的周波数），即改变电加热炉的平均输入功率，以此达到控温的目的。51单片机电源LED 显示键盘温度变送电加热固态继电器温度控制低漂移毫伏放大器A/D转换器温度给定值热电偶图 2.1 系统硬件结构框图第三章 硬件设计部分3.1 电源部分本系统所需电源有 220V 交流市电、直流 5V 电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平
6、滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有+-10% 左右的波动） 、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用 78L05,配合电容将电压稳定在 5V，供控制电路、测量电路和驱动执行电路中弱电部分使用。除此之外，220V交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的功率。低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。3
7、.2 A/D 转换电路本系统采用的是 12 位 A/D 转换器 AD574，这是一种高性能的 12 位逐次逼近式 A/D 转换器，在此设计中采用 AD574 转换器对信号进行模/数转换。工作流程是：当由传感器传过来模拟信号经放大器放大后，送到 AD574 转换器转换成单片机能够识别的数字信号。其电路图如图 3.1报警模 块图 3.1.1 单片机系统及与 A/D 转换接口图 3.2.2 A/D574 电路及与单片机的相关接口3.3 温度采样测量部分温度的采集我们可以选择温度变送器，对于简单的控制可以采用惠更斯电桥做采集电路。经信号滤波，放大处理后形成标准的工控模拟信号（电流 4mv10mv,电压
8、 1v5v）,便于传输和模数转换。3.4 LED 显示电路系统中我们需进行参数设置以及温度的显示，因此需要显示电路，本实验采用七段数码管显示。采用静态显示的方式，减少程序的执行时间，进而提高系统工作的可靠性。同时采用蜂鸣器进行声音报警。其具体显示电路如图 3.4 所示。图 3.4 数码管静态显示及声音报警电路3.5 功能键此系统需进行参数的设定，因此需要将按键设计在此系统之内。具体电路如图 3.4 所示。其中，具体功能为：K1加 1 键（按下时数据自加 1） 。K2减 1 键， （按下时数据自减 1） 。K3F键， （按下时进入下一个参数的设定） 。K4ok键，按下时结束参数设定，开始运行主程
9、序。图 3.5 功能键及与单片机的相关接口3.6 信号输出电路3.6.1 PWM 控制原理通过改变电阻丝电压的接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电阻丝的平均电压，控制其输出功率，进而控制炉内温度. 在此系统中，就只需要控制采样周期和导通时间即可，即将周期 T 内导通 T1 时间（采用定时/计数器 T0） ，定时到了以后，关闭固态继电器。直到下一个周期需要接通时。3.6.2 输出电路及接口单片机通过 PWM 脉冲调宽功率放大器控制 SSR 固态继电器调节电炉丝的功率而达到调节温度的目的。调功的原理为：设电网连续 N 个完整的正弦波为一个控制周期 T，则gTf式中 -电网频率，HZgf若在
10、设定的周期 T 内控制主回路导通 n(nN)个完整的正弦波 (周波),则负载功率为2UnPRN式中 U-电网电压的有效值R-负载的有效电阻因此, 只要控制在设定的周期 T 内主回路导通的周波数 n 的个数,就可调节负载的功率P。固态继电器控温电路如图 4 所示,采用 Z 型交流固态继电器 SSR,实现零触发交流调功。SSR 内设光电隔离电路,可减少与电网间的相互干扰,其电路图如下：图 3.6 输出电路及其接口第四章 软件设计部分 4.1 系统总程序设计本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程序主要由系统
11、初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。系统初始化包括设置栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、定时器的工作方式以及 8255 的初始化、MAX1232 的初始化等。数据采集及处理主要包括实时采集电加热炉的炉温信号，计算出实际炉温与理想值的差值以及温差的变化率，并对炉温信号进行滤波和限幅处理。主程序流程图如图 4.1 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 26-Nov-2009 Sheet of File: F:个个个个个个(个个)Administrator个个个个个个.ddbDrawn
12、 By:P3.1 1 2U?A74F04TRIG2OUT34CVOLT 5THOLD 6DISCHG 781RESET VCCGNDU?555VCCC?CAPR?RES2R?RES2R?RES2C?CAP+-ACACSSRSSRR?RES220V交交交交0140V 有效电压图 4.1 系统主程序控制系统的软件主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用数字 PID 调节，应用增量型控制算法，并对积分项和微分项进行改进，以达到更好的控制效果。 考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能开始系统的初始
13、化温度数据采集及处理温度值显示计算温差 e（k ）和温差变化率智能控制算法程序控制输出求出输出控制量？）（ 0结束NY控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合，做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。4.2 A/D 转换器程序流程图置位状态位 F0关闭报警F0 是否等于零调 PID 控制算法程序报警子程序PSW 出栈并返回输出控制量启动定时器 T1溢出标志 TF1 是否为零设定值与 AD 结果比较交流电是否过零结果=0结果or设定值的 20%-20%结果20%F0=0F0=0NYNY图 4.2 AD 转换程序流程图4.3 LED 显示模块程序流程图8 段 LED 显示屏是
14、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； 静态显示：一次输出，结果保持(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
15、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。图 4.3 显示子程序子程序返回译码选择显示位送入 8255PA 口将数据转换为七段码开始4.4 报警模块程序设计根据设计要求，在保温阶段，温度控制精度为正负 1 度，故当温度下降或上升 2 度时为故障状态，需要报警提醒。所以在电路设计上应用了蜂鸣器和发光二极管，系统正常运行时绿色发光二极管点亮，当出现故障时红色发光二极管点亮并且蜂鸣器鸣叫，提醒操作人员注意。报警状态可通过按键复位和系统恢复正常后自动复位。图 4.4 报警子程序4.5 键盘模
16、块程序设计在本次设计当中，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。4.6 控制对象数学模型在本控制对象电阻加热炉功率为 80
17、0W，由 220V 交流电供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围 50350C，保温阶段温度控制精度为正负 1 度。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。其对象问温控数学模型为：开始置报警位 P3.4子程序返回清除报警状态位 F01)(sTeKsGds其中：时间常数 Td=350 秒放大系数 Kd=50滞后时间 =10 秒控制算法选用改 PID 控制。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此积分和微分项不能直接计算，只能用数值计算的方法逼近。在采样时刻 t=iT（T 为采样周
18、期） ，可得 PID 调节公式： 100 idii jiijiTTuKeeeu如果采样周期 T 取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续控制过程十分接近，我们把这种情况称为“准连续控制” 。上式表示的控制算法提供了执行机构的位置 ui，所以称为位置式 PID 控制算法。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，由上式可导出提供增量的 PID 算法。100 idii jiijiTTuKeeeu11 1200 idii jiijieeeT 只要将上述两个公式相减可得下面的公式： 11 12diiiiiiiiiTuKeee 上式称为增量式 PID 控制算法。也可进一步改写为： 012
19、iiiiudede其中：01diTdK12dT2ddK可见增量式算法只需要保持现时以前三个时刻的偏差值即可。心得体会 在此课程设计中，我选择了电加热炉计算机温度控制系统设计这个课题。这对我来说是一种尝试与创新的过程。经过本次课程设计，使我系统地学习和丰富了计算机控制系统的构成原理，接口电路现应用程序。让我进一步巩固与综合专业基础知识和其他相关专业课程知识。通过资料搜集、方案分析、系统设计与报告撰写的一系列过程，使学生得到一次科学研究工作的初步训练。同时在设计中遇到了一些问题，通过去图书馆查阅相关资料和上网查阅资料，尽最大努力找出问题，解决问题。这个过程培养学生独立自主、综合分析的思维与创新能力，丰富了我的理论知识，加强解决实际问题的实践技能；从而，在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。参考文献1潘新民 王燕芳.微型计算机控制技术.电子工业出版社.2011.12郁有文 常健 程继红.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社.2008.73谢维成 杨加国.单片机原理与应用及 C51 程序设计.清华大学出版社.2009.74林锦国 张利 李丽娟.过程控制.东南大学出版社.2009.8
