1、武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书1基于 PID 电加热炉温度控制系统设计 1 概述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。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。在本控制对象电阻加热炉功率为 800W，由
2、 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：1)(sTeKGd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2 系统硬件的设计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、热电偶武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书2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下：图 2-1 系统硬件结构框图看门狗
3、报警提醒通信接口LED 显示键盘 微型控制机AT89S52温度检测PT100驱动执行机构8 路 D/A 转换器DAC0832测量变送8 路 A/D 转换器ADC0809加热电阻温度武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书3武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书4图 2-2 系统电路图2.1 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，从而得到平滑
4、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。2.2
5、 采样测量部分在检测装置中，温度检测用WZP-231铂热电阻（Pt100），采用三线制接法，采样电路为桥式测量电路，其输入量程为50350C，经测量电路采样后输出25V电压，再经模数转换芯片ADC0809进行转换，变为数字量后送入单片机进行分析处理。铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200 650)范围的温度测量中。PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50600范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要
6、进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。 常用的 Pt 电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将 PT100 的两侧武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书5相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。在本系统设计中，采用了第一种方法，即桥式测温。测温原理：电路采用TL431和电位器VR1调节
7、产生 4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100 构成测量电桥（其中R1R2，VR2为100精密电阻），当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个 mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3 R4、 R5 R6、放大倍数R5/R3，运放采用单一5V供电。 设计及调试注意点： 1. 同幅度调整R1和R2 的电阻值可以改变电桥输出的压差大小； 2. 改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求 3. 放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作
8、 。4. VR2也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，例如Pt100的零点温度为 0，即0时电阻为100，当电位器阻值调至109.885时，温度的零点就被设定在了25。测量电位器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变。5. 理论上，运放输出的电压为输入压差信号放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为 4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) （1） 式中电阻值以电路工作时量取的为准。 6. 电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直
9、接VCC 的话，当网压波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以VCC 未发生波动时建立的温度-电阻表中查表求值时就不准确。2.3 驱动执行部分硬件输出通道主要包括加热电阻的控制环节，而此控制环节的核心是双向可控硅，但电路的关键是设计双向可控硅的驱动电路。双向可控硅的通断直接决定加热电阻的工武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书6作与不工作，本部分用带过零触发的光耦 MOC3061 来驱动。2.3.1 光耦驱动电路在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因此必须要加入抗干扰措施，将
10、强弱电隔离。光耦合器是靠光传送信号，切断了各部件之间地线的联系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号。此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。因此，能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得到触发脉冲，具有可靠、体积小、等特点。所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器 MOC3061，用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。MOC3061 是一片把过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。其输出端的额定电压是 400V，最大重复浪涌电流为 1.2A，最大电压上升率 dv/dt 为1000v/us,输入输出隔离电压为 7500V，输
11、入控制电流为 15mA。在图 2-2 驱动执行电路中，当单片机的 P2.0、P2.1、P2.2 发出逻辑数字量为高电平时，经过三极管放大后驱动光耦合器的放光二极管，MOC3061 的输入端导通，有大约15mA 的电流输入。当 MOC306 的输出端 6 脚和 4 脚尖电压稍稍过零时，光耦内部双向可控硅即可导通，提供一个触发信号给外部晶闸管使其导通；当 P2.0、P2.1 、P2.2 为低电平时，MOC3061 截止，双向可控硅始终处于截止状态。2.3.2 驱动电路有关元件的选择R25， C10 组成吸收电路，并接在双向可控硅的两极之间。吸收回路组成缓冲器。有了吸收回路，可控硅通断过程中电源电压
12、的变化率受到 R25，C10 的限制。R25 可以抑制双向可控硅通断时产生的浪涌电流。R25 和 C10 根据经验公式选，一般 C10 取0.011.0uF，R25 取几欧到几十欧，本电路中 R25 取 39 欧，C10 取 0.01 uF。R27 为限流电阻，用来限制 MOC3061 的输出驱动电流，其数值为电源电压峰值除以双向可控硅的允许重复电流。在本电路中 R27 取 300 欧。R26：由于 MOC3061 在输出关断状态下也有小于或等于 500mA 的输出电流，所以加入 R26 分流消除这个电流对双向可控硅的影响，以防止双向可控硅误触发，提高了系统的可靠性。在此电路中可以看出单片机的
13、输出通道采用了 MOC3061 进行驱动有以下优点：（1）控制简单。可用 SETB 或 CLR 指令直接控制 P2.0、P2.1 、P2.2 以控制加热电阻武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书7的工作与否。（2）MOC3061 由于采用了过零触发电路大大简化了双向可控硅的触发电路，把SCR 一向控制变为实用的数字脉冲控制。（3）MOC3061 与双向可控硅实际组成了一个固态继电器，实现了无触电控制。（4）输出通道实现了光电隔离，防止了射电干扰。（5）输出通道用 P2.0、P2.1 、P2.2 口直接控制双向可控硅，省去了的 D/A 转换电路，简化了接口电路。2.3.3 双向可控硅电路(1)
14、双向可控硅这种可控硅具有双向导通功能，在交流电的正负半周都可以导通。其英文名 TRIAC即三级交流开关的意思，并把它的两极称为 MT1 和 MT2，其电路符合如图所示。双向可控硅的通断情况由控制极栅极（G）决定，当栅极无信号时 MT1 和 MT2 成高阻态，管截止；而当 MT1 与 MT2 之间加一个阈值电压（一般大于 1.5V）的电压时，就可以利用控制极栅极电压来使可控硅导通。但需要注意的是，当双向可控硅接感性负载时，电流和电压之间有一定的相位差。在电流为零时，反向电压可能不为零，且超过转换电压，使管子反向导通，故要管子能承受这种反向电压，并在回路中加入 RC 网络加以吸收。(2)触发方式控
15、制双向可控硅从高阻态（阻断区）转换到低阻态（导通区）可以用不同的方式实现。相应的分为四种方式：（1） MT1 相对于 MT2 为正，控制脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为正（2） MT1 相对于 MT2 为负，控制脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为负（3） MT1 相对于 MT2 为正，控制脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为负（4） MT1 相对于 MT2 为负，控制脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为正双向可控硅通常工作在控制方式（1）和控制方式（2） 。在这两种控制方式下，控制灵敏度特别高。另外两种控制方式下，要求高一倍的触发电流。在本设计中，选择了控制方式（1）和（2） 。如同晶闸管的控制
16、极那样，双向可控硅的控制极在触发后便失去了作用。双向可控硅长期维持低阻态，直到低于维持电流 I H，然后在转换到高阻态。在控制交流电压武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书8时，每次电源电压过零双向可控硅都会自动截止，所以双向可控硅每半个周期都需要重新触发。在本设计中，考虑到电网电压的稳定和现在市场上销售的双向可控硅型号，选择了工作电压为 400V，通态电流为 4A 的双向可控硅 BT136。利用单片机控制双向可控硅的导通角。在不同时刻利用单片机给双向可控硅的控制端发出触发信号，使其导通或关断，实现负载电压有效值的不同，以达到调压控制的目的。具体如下：（1） 由硬件完成过零触发环节，即在工频
17、电压下，每 10ms 进行一次过零触发信号，由此信号来达到与单片机的同步。（2） 过零检测信号接至单片机的 P2.3 口，由单片机对此口进行循环检测，然后进行延时触发。3 控制电路及程序流程图3.1 微 处理器 89C5189C51 是 一 种 带 4K 字 节 Flash 可 编 程 可 擦 除 的 高 性 能 CMOS8 位 微 处 理 器 ，俗 称 单 片 机 。 单 片 机 的 可 擦 除 只 读 存 储 器 可 以 反 复 擦 除 100 次 。 该 器 件 采 用ATMEL 高 密 度 非 易 失 存 储 器 制 造 技 术 制 造 ， 与 工 业 标 准 的 MCS-51 指 令
18、 集 和 输 出管 脚 相 兼 容 。 由 于 将 多 功 能 8 位 CPU 和 闪 烁 存 储 器 组 合 在 单 个 芯 片 中 ， ATMEL的 89C51 是 一 种 高 效 微 控 制 器 。单片机的抗干扰性设计。单片机干扰最常见的现象就是程序出现不可逆状态，设计系统时一般要添加一个看门狗监控模块，在系统出现不可逆状态的干扰时，监控模块将重启系统。MAX1232 微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能，当电源过电压、欠电压时，MAX1232 将提供至少 250ms 宽度的复位脉冲，其中的容许极限能用数字式的方法来选择 5%或 10%的容限。武汉理工大学计算机控制
19、技术课程设计说明书93.2 模数转换模块ADC0809 是一个典型的逐次逼近型 8 位 A/D 转换器。它由 8 路模拟开关、8 位 A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许 8 路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出） ，可以直接与单片机数据总线连接。ADC0809采用+5V 电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为 500KHz 时，转换时间约为128us.（1） 时钟信号：由于 ADC0809 无片选端，因此电路增加了或非门 74LS02，以便对 ADC0809 进行读/写控制。单片机采用 6MHz/s 的晶振，ALE 输出66MHz/s 时钟信号，经
20、 74LS74 触发器 2 分频，得到 500KHz 的时钟信号，与ADC0809 的时钟端 CLK 相连。（2） 通道选择：三位通道选择端 ADDA、ADDB 、ADDC 与数据线 P1 口的低三位 P1.0、P1.1 、P1.2 相连，用数据线进行通道选择，由 P1.0、P1.1 、P1.2 三位决定选择那一通道。（3） ADC0809 启动：ADC0809 的启动端 START、地址所存端 ALE 均为高电平有效。将 START 和 ALE 连在一起，与 74LS02 的输出端相连。或非门 74LS02的两个输入端/WR 和 P3.5 均为低电平时，其输出为高电平，执行外部 I/O 口的
21、写操作。（4） 转换数据的读取：当转换结束时，EOC 端输出高电平。可用查询和中断的方法进行数据读取处理。输出允许 OE 端为高电平，8 位转换数据 D0D7 输出到数据线上。只有 P3.5 和/ RD 同时为低电平时， OE 端才为高电平。执行外部 I/O 口读操作/ RD 为低电平。（5） 转换结束标志 EOC:转换结束标志 EOC 端经反向器与单片机的 /INT1 相连，即转换一旦结束，外部中断 1 则申请中断。开始将 PSW 压栈调显示程序读 A/D 结果置位状态位 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 TF
22、1 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武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书10图 3-1 A/D 转换结束中断服务程序流程图3.3 LED 显示模块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
23、：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。武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书11(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。图 3-2 显示子程序3.4 报警模块根据设计要求，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。
24、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 3-3 报警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开始置报警位 P3.4子程序返回清除报警状态位 F0武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书123.5 键盘模块在本次设计当中，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
25、，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。3.6 通信模块在此部分主要是实现下位机与上位机之间的通信，将实时数据传送到上位机，进行同一协调和集中管理。RS232 的电气接口是单端的、双极性电源电路。由于 RS-232 采用的数据传输线路是非平衡，且是误无差分的接收方式，当信号穿过电气干扰环境时，发送的信号将会受到影响。故
26、数据传输速率局限于 20KB/s；传输距离局限于 15m，但 RS-232 也是目前最广泛使用的串行通信接口标准。在本设计当中，考虑到系统调试的方便，采用了 RS232 串行总线。M AX232 芯 片是 美 信 公 司 专 门 为 电 脑 的 RS-232 标 准 串 口 设 计 的 接 口 电 路 ,使 用 +5v 单 电 源 供 电 。内 部 结 构 基 本 可 分 三 个 部 分 ：（ 1） 第 一 部 分 是 电 荷 泵 电 路 。 由 1、 2、 3、 4、 5、 6 脚 和 4 只 电 容 构 成 。 功 能是 产 生 +12v 和 -12v 两 个 电 源 ， 提 供 给 RS
27、-232 串 口 电 平 的 需 要 。（ 2） 第 二 部 分 是 数 据 转 换 通 道 。 由 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14 脚 构 成 两个 数 据 通 道 。 其 中 13 脚 （ R1IN） 、 12 脚 （ R1OUT） 、 11 脚 （ T1IN） 、 14 脚 （ T1OUT） 为 第 一 数 据 通 道 。 8 脚 （ R2IN） 、 9 脚 （ R2OUT） 、 10 脚 （ T2IN） 、 7 脚 （ T2OUT） 为 第 二 数 据 通 道 。武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书13TTL/CMOS 数 据 从 T1IN、 T2IN 输
28、入 转 换 成 RS-232 数 据 从 T1OUT、 T2OUT 送 到电 脑 DB9 插 头 ； DB9 插 头 的 RS-232 数 据 从 R1IN、 R2IN 输 入 转 换 成 TTL/CMOS 数据 后 从 R1OUT、 R2OUT 输 出 。（ 3） 第 三 部 分 是 供 电 。 15 脚 GND、 16 脚 VCC（ +5v）4 系统软件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
29、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 3 所示。开始系统的初始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武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书14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
30、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。武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书15心得体会通过为期一周的课程设计，让我学习了很多，也了解了很多，真的可以说是受益匪浅。此次课程设计中，我做的课题是基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统 。整个系统分为四个部分：测量检测模块，控制调节模块，驱动执行和电源模块。查阅了很多资料并且对以前学习的专业知识系统并有针对性的复习设计出了自己满意作品，进
31、而得到同学和老师的肯定，也只有这样才能起到此次课程设计的目的。通过各方面的努力，最终设计出了自己较为满意的系统。虽然这一周过得很辛苦，但是自己付出的努力得到了回报，那种成就感是任何事物都无法代替的。还有在设计过程中，我们积累的经验，对我们以后的学习和工作会有莫大的帮助。武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书16参考文献1 康华光编著 .电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，20002 于海生编著 .计算机控制技术.机械工业出版社，20033 李晓莹编著 .传感器与测设技术.高等教育出版社，20024 付家才编著 .单片机实验与实践.高等教育出版社，20045 谭浩强编著 .MCS-51 单片机应用教程.清华大学出版社，2001武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书17本科生课程设计成绩评定表姓 名 性 别 男专业、班级课程设计题目：基于 PID 电加热炉温控制系统设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书18年 月 日
