計算機控制課程設計(電阻爐溫度控制系統(tǒng))

1、<p><b>　　計算機控制課程設計</b></p><p><b>　　報告</b></p><p>　　設計題目： 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　年級專業(yè)：　 09級測控技術與儀器 　</p><p>　　姓 名 ：　 &

2、lt;/p><p>　　學 號 ：　 　 </p><p>　　任課教師： </p><p>　　電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計</p><p><b>　　0.前言</b></p><p>　　隨著電子技術的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)

3、模集成電路的產生，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使現代的科學研究得到了質的飛躍，利用單片機來改造落后的設備具有性價比高、提高設備的使用壽命、提高設備的自動化程度的特點。溫度是工業(yè)生產中主要的被控參數之一，與之相關的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于冶金、化工、機械、食品等領域。溫度控制是工業(yè)生產過程中經常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量。因而設計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。

4、本設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)電路改變晶閘管導通角的大小來調節(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生相當大的中頻干擾，并通過電網傳輸，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

5、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</p><p>　　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)控制方式超調大、調節(jié)時間長、控制精度低。采用單片機進行溫度控制，具有電路設計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點，對提高生產效率、促進科技進步等方面具有重要的現實意義隨著單片機技術的迅速興起與蓬勃發(fā)展，其穩(wěn)定、安全、高效、經濟等優(yōu)點十分突出

6、，所以其應用也十分廣泛。單片機已經無處不在、與我們生活息息相關，并且滲透到生活的方方面面。</p><p><b>　　1.課程設計任務</b></p><p>　　項目設計：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計</p><p>　　以在工業(yè)領域中應用較為廣泛的電阻爐為被控對象，采用MCS—52單片機實現電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的設計，介紹電阻爐溫度計算機控

7、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計，給出系統(tǒng)硬件原理框圖和軟件設計流程圖等。</p><p>　　1.1電阻爐組成及其加熱方式 </p><p>　　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化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設備。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

8、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。電阻爐的類型根據其熱量產生的方式不同，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生熱

9、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，應用十分廣泛。 </p><p><b>　　1.2控制要求</b>&

10、lt;/p><p>　　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: </p><p>　?。?）采用一臺主機控制8個同樣規(guī)格的電阻爐溫度; </p><p>　?。?）電爐額定功率為20 kW; </p><p>　　（3）恒溫正常工作溫度為1000℃，控溫精度為±1%; </p><p>　

11、?。?）電阻爐溫度按預定的規(guī)律變化，超調量應盡可能小，且具有良好的穩(wěn)定性; </p><p>　?。?）具有溫度、曲線自動顯示和打印功能，顯示精度為±1℃; </p><p>　?。?）具有報警、參數設定、溫度曲線修改設置等功能。</p><p><b>　　二、系統(tǒng)總體設計</b></p><p>　　根

12、據題目要求,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位的模數轉換器AD0808進行數據轉換,控制電路部分采用PWM通過AC-SSR實現鍋爐溫度的連續(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。</p><p>　　2.1核心處理模塊——單片機</p><p>　

13、　該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫度數據、數據處理，同時還要對執(zhí)行單元進行控制。單片機是整個系統(tǒng)的控制核心及數據處理核心。</p><p>　　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，其內部結構是普通計算機系統(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、強大的數據處理功能，通過使用一些科學的算法，可以獲得很強

14、的數據處理能力。所以單片機在工業(yè)應用中，可以極大地提高工業(yè)設備的智能化、數據處理能力和處理效率，而且單片機無需占用很大的空間。</p><p>　　2.2溫度信號采集與傳感器</p><p>　　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。再把電流信號轉換成電壓信號，使用A/D轉換器將模擬電壓信號轉換成單片機能夠進行數據處理的數字電壓信號，本

15、設計采用的是數字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內部完成。 </p><p>　　2.3人機交互及串口通信</p><p>　　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)參數設置，而輸出顯示則完成數據的顯示和系統(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，便于進行溫度數據統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎工作。<

16、/p><p>　　2. 4控制執(zhí)行單元</p><p>　　是單片機的輸出控制執(zhí)行部分，根據單片機數據處理的結果，驅動繼電器控制外部設備，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。</p><p>　　根據溫度變化慢,并且控制精度不易掌握的特點,我們設計了以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

17、數字控制算法,顯示采用8位LED動態(tài)顯示。</p><p><b>　　三、硬件電路設計</b></p><p>　　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轉換、鍵盤顯示電路、報警等功能電路組成。</p><p>　　3.1、核心部分單片機</p><p>　　AT89S52單片機為主控制

18、單元。AT89S52單片機首先根據爐溫的給定值和測量值計算出溫度偏差，然后進行PID控制并計算出相應的控制數據由P1．0口輸出。最后將P1．0口輸出的控制數據送往光電耦合隔離器的輸入端，利用PWM脈沖調制技術調整占空比，達到使爐溫控制在某一設定溫度。AT89S52單片機還負責按鍵處理、溫度顯示以及與上位機進行通信等工作。4位高亮度LED用于顯示設定溫度或實測溫度。</p><p>　　3.2、溫度采集轉換模塊&l

19、t;/p><p>　　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內，構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

20、轉換時，對轉換速度要求不高。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為數字輸出地A/D轉換器件，轉換時間為100us，完全滿足系統(tǒng)設計的要求。經過ADC0809轉換所得到的實測爐溫數據直接送入AT89S52單片機中進行數據處理。</p><p>　　此外，為了防止斷偶或者爐溫越限，產生熱處理質量事故；同時為了提高溫控系統(tǒng)的智能化控

21、制性能，降低熱處理操作人員的勞動強度，本系統(tǒng)特別設置了斷偶或爐溫越限自動報警電路。在熱處理生產過程中，當發(fā)生斷偶或爐溫越限等異?，F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，防止爐內工件過熱，破壞金屬組織結構。</p><p>　　3.3、AC—SSR交流功率調節(jié)電路</p><p>　　由輸出來控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質的一階慣性

22、環(huán)節(jié)數學模型。其傳遞函數形式為：</p><p>　　其中時間常數T=350秒，放大系數K=50，滯后時間t=10秒。</p><p>　　為了避免交流接觸器等機械觸電因頻繁通斷產生電弧，燒壞觸電或者干擾其他設備正常工作，本系統(tǒng)選用AC-SSR交流功率調節(jié)器作為PID控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構。AT89S52單片機P1.0口輸出的溫度控制信號經過光電耦合器件隔離，送至過零檢測電路。過零檢測電路產生

23、脈沖控制AC-SSR調功電路。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。通過控制輸入到加熱器平均功率的大小達到控制電阻爐爐溫的目的。</p><p>　　控制執(zhí)行部分的硬件電路如下圖</p><p><b>　　3.4鍵盤模塊電路</b></p><p>　　采用4×4

24、矩陣鍵盤接單片機的P1口，然后實現對設定溫度的修改，將它與實際溫度進行對比，實現要求的功能。矩陣鍵盤如下圖3所示：</p><p>　　3.5 A/D轉換電路</p><p><b>　　如圖所示：</b></p><p>　　3.6 變送電路</p><p>　　3.6.1、4~20mA變送器XTR101</

25、p><p>　　XTR101為4~20mA線性化變送器，它可與鎳絡-鎳硅測溫傳感器構成精密的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，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調電壓<±2.5mV，輸入失調電流<20nA。XTR101外形采用標準的14腳DIP封裝。XTR101有如下兩種應用于轉換溫度信號的典型電路：</p&g

26、t;<p>　　3.6.2、I/V轉換器RCV420</p><p>　　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絡外，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0℃~70℃的工作溫度范圍，輸入失調電壓<1mA，總的變換誤差<0.1%，電源電壓范圍&

27、#177;5~±18V。RCV420的外形采用標準的16腳DIP封裝。它的典型應用如下： </p><p><b>　　四、系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現模塊和運算控制模塊。</p><p><b>　　4.1 主程序模塊</b></p>&

28、lt;p><b>　　主程序流程圖</b></p><p>　　4.2 功能實現模塊</p><p>　　以用來執(zhí)行對可控硅及電爐的控制。功能實現模塊主要由A／D轉換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。</p><p>　　4.2.1T0中斷子程序</p><p>　　該中斷是單片機內部1

29、00ms定時中斷,優(yōu)先級設為最高,是最重要的子程序。在該中斷響應中,單片機要完成調用PID算法子程序且輸出PID計算結果等功能。其流程圖如下:</p><p><b>　　T0中斷子程序</b></p><p>　　4.2.2 T1中斷子程序</p><p>　　T1定時中斷用于調制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

30、提供的輸出轉化而來，T1中斷響應的時間用于輸出控制信號。其流程圖如下:</p><p><b>　　T1中斷子程序</b></p><p>　　4.3運算控制模塊 </p><p>　　運算控制模塊涉及標度轉換、PID算法、以及該算法調用到的乘法子程序等。</p><p>　　4.3.1標度轉換子程序</p>

31、<p>　　該子程序作用是將溫度信號(00H~FFH)轉換為對應的溫度值,以便送顯示或與設定值在相同量綱下進行比較。所用線形標度變換公式為：</p><p>　　式中,Ax： 實際測量的溫度值;Nx：經過A／D轉換的溫度量；</p><p>　　Am =90；Ao=40；Nm =FEH; No=01H；</p><p>　　單片機運算采用定點數運算，并

32、且在高溫區(qū)和低溫區(qū)分別用程序作矯正處理。</p><p>　　4.4 控制算法：PID算法</p><p>　　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，超調量增大；當偏差e(k)絕對值小于某一設定值M時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度， </p><p>　　PID算法的表達式為：</

33、p><p>　　式中u(t)：調節(jié)器的輸出信號；</p><p>　　e (t)：偏差信號；</p><p>　?。赫{節(jié)器的比例系數；</p><p>　　TI：調節(jié)器的積分時間；</p><p>　　TD：調節(jié)器的微分時間。</p><p>　　在計算機控制中，為實現數字控制，必須對上式進行離散化

34、處理。用數字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。設系統(tǒng)的采樣周期為T，在t=kT時刻進行采樣，</p><p>　　式中e(k)：根據本次采樣值所得到的偏差；</p><p>　　e(k-1)：由上次采樣所得到的偏差。</p><p>　　將上面的三個式子代入，則有</p><p>　　式中，T為采樣時間，項為積分項的開關系數</p&

35、gt;<p>　　積分分離PID控制算法程序流程圖如圖10所示。</p><p>　　積分分離PID控制算法程序流程圖</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張艷兵, 王忠慶,鮮浩編著,計算機控制技術.北京:國防工業(yè)出版社,2006</p><p>　　[2] 于海生編著

36、,微型計算機控制技術.北京:清華大學出版社,1999</p><p>　　[3] 楊進才,沈顯君,劉蓉編著,C++語言程序設計教程.北京:清華大學出版社,2006</p><p>　　[4] 夏云龍編著,最新Visual C++ 使用手冊.北京:電子工業(yè)出版社,2005</p><p>　　[5] 黃迪明,許家珆,胡德昆編著,C語言程序設計.成都:電子科技大學出版社

37、,2008</p><p>　　[6] 顏永軍等,Protel99電路設計與應用,國防工業(yè)出版社,2001</p><p>　　[7] 樓然苗,李光飛,51系列單片機設計實例（第二版）,2006</p><p>　　[8] 李朝青 單片機原理及接口技術. 北京航空航天大學出版社</p><p>　　[9]劉洪恩.利用熱電偶轉換器的單片機溫度

38、測控系統(tǒng)[J]儀表技術,2005.2: 29- 30。</p><p>　　[10]孫凱, 李元科.電阻爐溫度控制系統(tǒng)[J].傳感器技術,2003.2:50- 52.。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　主程序</b></p><p><b>　　ORG

39、 0400H</b></p><p>　　DISM0 DATA 78H</p><p>　　DISM1 DATA 79H</p><p>　　DISM2 DATA 7AH</p><p>　　DISM3 DATA 7BH</p><p>　　DISM4 DATA 7CH</p>

40、;<p>　　DISM5 DATA 7DH</p><p>　　MOV SP,#50H ；50H送SP</p><p>　　CLR 5EH ；清本次越限標志</p><p>　　CLR 5FH ；清上次越限標志</p><p>　　CLR A

41、 ；清累加器A</p><p>　　MOV 2FH,A ；</p><p>　　MOV 30H,A ；</p><p>　　MOV 3BH,A ；</p><p>　　MOV 3CH,A ；</p><p>　　MOV 3DH,A

42、 ； 清暫存單元</p><p>　　MOV 3EH,A ；</p><p>　　MOV 44H,A ；</p><p>　　MOV DISM0,A ；</p><p>　　MOV DISM1,A ；</p><p>　　MOV DISM2,A

43、 ；</p><p>　　MOV DISM3,A ； 清顯示緩沖區(qū)</p><p>　　MOV DISM4,A ；</p><p>　　MOV DISM5,A ；</p><p>　　MOV TMOD,#56H ；設T0為計數器方式2，T1為方式1</p><p>

44、;　　MOV TL0,#06H ；</p><p>　　MOV TH0,06H ； T0賦初值</p><p>　　CLR PT0 ；令T0為低中斷優(yōu)先級</p><p>　　SETB TR0 ；啟動T0工作</p><p>　　SETB ET0 ；允

45、許T0中斷</p><p>　　SETB EA ；開CPU中斷</p><p>　　LOOP:ACALL DISPLY ；調用顯示程序</p><p>　　ACALL SCAN ；調用掃描程序</p><p>　　AJMP LOOP ；等待中斷</p>

46、;<p><b>　　T0中斷服務程序</b></p><p>　　ORG 000BH</p><p><b>　　AJMP CT0</b></p><p>　　ORG 0100H</p><p>　　CT0: PUSH ACC ；</p>

47、<p>　　PUSH DPL ；保護現場</p><p>　　PUSH DPH ；</p><p>　　SETB D5H ；置標志</p><p>　　ACALL SAMP ；調用采樣子程序</p><p>　　ACALL FILTER

48、；調用數字濾波程序</p><p>　　CJNE A,42H,TPL ；若Ui（k）不等于Umax，則TPL</p><p>　　WL: MOV C,5EH ；</p><p>　　MOV 5FH,C ； 5EH送5FH</p><p>　　CLR 5EH ；清5EH單元<

49、/p><p>　　ACALL UPL ；轉上限處理程序</p><p><b>　　POP DPH</b></p><p><b>　　POP DPL</b></p><p><b>　　POP ACC</b></p><p>

50、　　RETI ；中斷返回</p><p>　　TPL: JNC TPL1 ；若Ui（k）大等Umax，則TPL1</p><p>　　CLR 5FH；清上次越限標志</p><p>　　CJNE A,43H,MTPL ；若Ui（k）不等于Umin，則MTPL</p><p>　　H

51、AT: SETB P1.1 ；若溫度不越限則令綠燈亮</p><p>　　ACALL PID ；調用計算PID子程序</p><p>　　MOV A,2FH ；PID值送A</p><p>　　CPL A ；</p><p>　　INC A

52、 ； 對PID值求補，作為TL1值</p><p>　　NM: SETB P1.3 ；令p1.3輸出高電平脈沖 </p><p>　　MOV TL1,A ；</p><p>　　MOV TH1,#0FFH ； T1賦初值</p><p>　　SETB PT1 ；T1高

53、優(yōu)先級中斷</p><p>　　SETB TR1 ；啟動T1</p><p>　　SETB ET1 ；允許T1中斷</p><p>　　ACALL TRAST ；調用標度轉換程序</p><p>　　LOOP: ACALL DISPLY ； 顯示溫度 </p>

54、<p>　　JB D5H,LOOP ；等待T1中斷</p><p>　　POP DPH ；</p><p>　　POP DPL ； 恢復現場</p><p>　　POP ACC ；</p><p>　　RETI ；中斷返回&

55、lt;/p><p>　　MTPL: JNC HAT ；若Ui（k）大于Umin，則HAT</p><p>　　SETB P1.0 ；否則越下限聲光報警</p><p>　　MOV A,45H ；取PID最大值輸出</p><p>　　CPL A ；</p><

56、;p>　　INC A ； 對PID值求補，作為TL1</p><p>　　AJMP NM ；轉NM執(zhí)行</p><p>　　TPL1: SETB 5EH ；若Ui（k）大于Umax，則5EH單元置位</p><p>　　JNB 5FH,WL ；若上次未越限，則轉WL</p>

57、<p>　　INC 44H ；越限計數器加1</p><p>　　MOV A,44H </p><p>　　CLR C </p><p>　　SUBB A,#N ；越限N次？</p><p>　　JNZ WL ；越限小于N次，則WL</p&

58、gt;<p>　　SETB P1.2 ；否則，越上限聲光報警</p><p>　　CLR 5EH ；</p><p>　　CLR 5FH ； 清越限標志</p><p>　　POP DPH ；</p><p>　　POP DPL ； 恢復現

59、場</p><p>　　POP ACC ；</p><p>　　RETI ；中斷返回</p><p><b>　　T1中斷服務程序</b></p><p>　　ORG 001BH</p><p>　　AJMP CT1</p><