電加熱爐溫度微機控制系統(tǒng)

1、 課程設計說明書 電加熱爐溫度微機控制系統(tǒng) 班 級：自動化2班 學 號： 姓 名： 指導教師： 設計時間：2011.12.19-2011.12.23沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.1目錄一 引言2二 系統(tǒng)工作原理2三 硬件的設計與實現(xiàn)33.1 系統(tǒng)硬件設計33.2 單片機最小系統(tǒng)33.3 A/D轉換器43.4 LED數(shù)碼管63.5鍵盤電路73.6 晶閘管及其控制電路73.7 爐溫檢測電路8四 系統(tǒng)控制流程及軟件設計94.1 總體流程圖94.2 程序塊流程圖10 4.2.1 溫度控制系統(tǒng)主程序及流程圖10 4.2.2 LED數(shù)碼管顯示子程序及其流程圖11 4.2.3 A/D轉換程序及流程圖

2、14 4.2.4 數(shù)字控制器的設計15 4.2.5 鍵盤控制流程圖17五 設計工作總結及心得體會19六 參考文獻19沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.2一引言 溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一。為了保證生產過程正常安全地進行，提高產品的質量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動強度，節(jié)約能源，對加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動或爐內物體而變化，或者有的電爐的爐溫根據工藝要求按照某個指定的升溫或保溫規(guī)律而變化，等等。工業(yè)生產過程中，用模擬控制來控制電加熱爐溫已經取得了較為成熟的經驗，但他的控制精度較低，顯示操作不方便，為此引入了計算機控制系統(tǒng)對溫度進行數(shù)字算法控制。由于電爐

3、加熱的時間常數(shù)相對于采樣周期來說很大，所以電爐加熱控制系統(tǒng)的動態(tài)特性可以看作一階滯后環(huán)節(jié)來近似，在控制算法上可采用PID控制或其他純滯后補償算法。 本課程設計所控制的電加熱爐的加熱能源是熱阻絲，根據控制系統(tǒng)要求，設計控制方案和主電路及各檢測控制模塊電路，然后針對溫度控制要求計算電路元件所需參數(shù)，應用PID控制算法，實現(xiàn)溫箱的閉環(huán)控制。進而了解溫度控制系統(tǒng)的特點及運用計算機設計控制程序實現(xiàn)計算機自動控制溫度的方法。2 系統(tǒng)工作原理 整個加熱爐的溫度控制系統(tǒng)采用典型的反饋式閉環(huán)控制，系統(tǒng)結構框圖如圖2.1所示。爐內溫度 電加熱爐 執(zhí)行器數(shù)字控制器給定值-溫度測量與變送器圖2.1 電加熱爐計算機控制

4、系統(tǒng)框圖 數(shù)字控制器的功能采用單片機AT89c51實現(xiàn)，執(zhí)行器的作用由可控硅實現(xiàn)，溫度有采樣與測量采用熱電偶及變送器實現(xiàn)。 數(shù)字控制器的設計：在溫度調節(jié)系統(tǒng)中，由于加熱爐溫度的時間常數(shù)很大（相對于采樣周期而言），所以其閉環(huán)調節(jié)可以用一個一階滯后環(huán)節(jié)來近似?？缮?陽 大 學 課程設計說明書 NO.3以采用直數(shù)字控制，也可以采用模糊控制和PID控制，本設計中采用PID控制，其控制系統(tǒng)的調節(jié)原理如圖2.2所示：m(t)e(t)r(t) P(k) 加熱爐-單片機圖2.2 電加熱爐計算機控制系統(tǒng)的調節(jié)原理爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓可在0140V內變

5、化。溫度傳感器是通過一只熱敏電阻及其放大電路組成，溫度越高其輸出電壓越小。外部LED燈的亮滅表示可控硅的導通與關斷的占空比時間，如果爐溫低于設定值則可控硅導通，系統(tǒng)加熱，否則系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設定值。三硬件的設計與實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)的硬件設計主要包括：單片機最小系統(tǒng)、模數(shù)轉換器、溫度變送器、控制鍵盤、LED顯示數(shù)碼管、光電隔離可控硅觸發(fā)電路。硬件系統(tǒng)框圖如圖3.1所示：單片機AT89c51圖3.1 電加熱爐計算機控制系統(tǒng)硬件框圖可控硅觸發(fā)信號光電隔離05V420mA供電可控硅電壓調整器A/D轉換器溫度變送器15V加熱爐熱電偶脈沖電平鍵盤LED顯示3.2 單片機最小系統(tǒng)本系

6、統(tǒng)采用AT89C51單片機作為該控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對溫度的采集、沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.4檢測和控制。單片機控制A/D轉換器，接收由A/D轉換器轉換得到的二進制溫度數(shù)據，并對其進行數(shù)字濾波、標度變換并與輸入的參照溫度相比較，得出誤差，根椐PID算法求出控制溫度達到期望值所需要的控制量。通過調節(jié)高低電平輸出時間，控制可控硅的接通時間，從而改變電爐的輸出功率，達到調溫的作用。單片機及其接口電路圖如圖3.2所示： 四位數(shù)碼管段選位A/D轉換器D0-D7四位鍵盤接口四位數(shù)碼管位選圖3.2 單片機最小系統(tǒng)及其外圍電路接口圖3.3 A/D轉換器A/D轉換器在該系統(tǒng)中的功能是將溫度變送器輸出

7、的15V電壓信號轉換為單片機能識別的二進制代碼，供給單片機做進一步的處理。電熱爐的溫度變化范圍為室溫到1000，將控制精度確定限定在5范圍內，則可選擇8位A/D轉換器，其最小精度可以達到1000256=3.9215，則選擇ADC0808或ADC0809均可滿足設計要求，這里選擇ADC0809。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉換器，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型A/D轉換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成，其內部結構如圖3.3所示。ADC0809的工作過程：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一

8、到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.5直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉換結束，結果數(shù)據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據總線上。本設計中只需要用到ADC0809的一個通道即可，故將ADC0809的輸入通道選通地址A、B、C均接地（即只使用輸入通道IN0）。ADC0809的工作時鐘為500KHz，由于單片機的ALE能自動輸出單片機時鐘頻率的1/6（即當單片機的時鐘晶振選擇12MHz時，ALE自動輸

9、出2MHz時鐘信號），ADC0809的時鐘信號通過對單片機ALE的輸出時鐘進行四分頻得到，進行四分頻的器件可采用集成有兩個二分頻器的74LS74。單片機的PA口作ADC0809的控制口，P0口作轉換結束后轉換數(shù)據的接收口。 ADC0809與單片機的接口電路如圖3.4所示。圖3.3 ADC0809內部結構圖圖3.4 ADC0809與單片機接口電路沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.63.4 LED數(shù)碼管數(shù)碼管主要用以顯示設定溫度值與實際測量溫度值。數(shù)碼管根據其連接方式可以分為共陰數(shù)碼管與共陽數(shù)碼管，根據其顯示的段數(shù)可以分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，其中八段數(shù)碼管相比七段數(shù)碼管要多一個小數(shù)位。由于

10、本設計所需用到的最大溫度值為1000，故需選用4位數(shù)碼，在這里選用4位共陰8段數(shù)碼管作為本設計的LED顯示。四位共陰數(shù)碼管的引腳圖如圖3.5所示，數(shù)碼管與單片機的接口電路如圖3.6所示。圖3.5 四位共陰數(shù)碼管引腳圖圖3.6 數(shù)碼管與單片機接口電路沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.73.5 鍵盤電路鍵盤主要用來完成對系統(tǒng)參數(shù)的設置和啟動及停止計算機自動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要采用四位獨立鍵盤完成上述控制功能。鍵盤電路如圖3.7所示，其中，S1、S2對預溫度進行設置，S2為數(shù)碼管移位選擇按扭，被選中的數(shù)位小數(shù)點被點亮，此時再按S1，可以使被選中位從09依次循環(huán)，循環(huán)到所需要值的時候，再按S2移到

11、下一位，依次設置完4位數(shù)碼管組成的預設溫度值。S3、S4分別為啟動和停止計算機自動控制系統(tǒng)，當S3有按下信號時，單片機開始對系統(tǒng)進行自動調節(jié)控制，當S4有輸入信號時，退出自動控制。對應數(shù)碼加1數(shù)碼位向右移位啟動自動控制系統(tǒng)停止自動控制系統(tǒng)圖3.7 鍵盤電路3.6 晶閘管及其控制電路 晶閘管屬于半控器件，當在基極輸入電流觸發(fā)信號滿足其導通電流強度時，晶閘管即導通，且導通后觸發(fā)信號將失去作用。要使晶閘管關斷，第一可以不斷減小電源電壓或是加大回路電阻，使陽極電流Ia低于維持電流IH之下，晶閘管即可恢復關斷；第二可以給晶閘管施加反電壓，使晶閘管自行關斷。 本系統(tǒng)中晶閘管的關斷方式采用第二種，由于我們生

12、活所用的交流電是頻率為50Hz的正弦交變電壓，系統(tǒng)所要求晶閘管控制電壓有效值在0140V內變化，故采用如圖3.8所示的電路接線方式。當電源電壓處于正弦變化的正半周的時修，通過調節(jié)晶閘管的導通角，即可改變電阻兩端的電壓有效值，當電源電壓處于正弦負半周的時候，加在晶閘管兩端的反電壓使晶閘管自動關斷。沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.8由于觸發(fā)晶閘管導通的電流信號是模擬信號，故需要采取隔離措施，使數(shù)字控制電路與模擬負載電路隔離開，防止模擬信號串入數(shù)字電路造成誤動作或損壞數(shù)字電路。這里采用的隔離措施是使用光電隔離器4N25，當P1.7輸出高電平時，經7404反向為低電平，發(fā)光二極管發(fā)光觸發(fā)模擬電路

13、部分導通，晶閘管IRF640得到觸發(fā)信號從而導通。根據單片機發(fā)出脈沖的間隔時間不同，即可改變晶閘管的導通角，從而起到調壓的作用。圖3.8 晶閘管及其控制電路3.7爐溫檢測電路電爐的溫度先由熱電偶溫度傳感器檢測并轉換成微弱的電壓信號，溫度變送器將此弱信號進行非線性校正及電壓放大后，送至A/D轉換器轉換為數(shù)字量，此數(shù)字量經過單片機數(shù)字濾波誤差校正及查表等處理后，得到電爐內的實測溫度值。溫度檢測原理結構如圖3.9所示：ADC0809變送器熱電偶圖3.9 溫度檢測原理圖沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.94 系統(tǒng)控制流程及軟件設計4.1 總體流程圖單閉環(huán)電加熱爐溫度計算機控制系統(tǒng)總體流程如圖4.1

14、所示圖4.1 程序總體流程圖相等不相等結 束控制可控硅導通智能算法程序求出輸出控制量與給定值相比較送LED顯示非線性轉換數(shù)字濾波啟動A/D轉換器鍵盤輸入給定溫度值系統(tǒng)初始化開 始沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.104.2 程序塊流程圖4.2.1 溫度控制系統(tǒng)主程序及流程圖主程序主要進行初始化，定義I/O端口及定時器參數(shù)，調用子程序以便為系統(tǒng)正常工作創(chuàng)造條件。主程序如下，主程序流程序如圖4.2.1所示：主程序#include鍵入預設溫度#include/*.定義四位數(shù)碼管的位選腳.*/調用：啟動A/D轉換sbit w1=P30; sbit w2=P31; 調用：顯示轉換溫度sbit w3=

15、P32; sbit w4=P33; 調用：PID計算控制輸出/*.定義AD轉換器的啟動引腳.*/ sbit ST=P11; 結 束/*.定義AD轉換器的控制腳.*/圖4.2.1 主程序流程圖sbit EOC=P12;sbit OE=P13;/*.定義09十個數(shù)字代碼.*/unsigned char wu_ds = 0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F;/*.定義按鍵引腳.*/Sbit S1=P3.4;Sbit S2=P3.5;Sbit S3=P3.6;Sbit S4=P3.7;/*.聲明程序中將會調用到的子程序.*/void del

16、ay(int t);/聲明程序延時子程序int set_temp(int s);/聲明設置初始值子程序沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.11void cont_temp(int x);/聲明數(shù)據處理，與工程量變換子程序void start_temp(void);/聲明啟動A/D轉換器子程序void _PID_(int y，int z);/聲明 PID 控制程序 /*.開始主函數(shù).*/void main()int data_in; /定義一個用來存放AD轉換器轉換結果的變量int a1,a2,a3,a4,m,t;m=set_temp(0) ;P0=0xFF; /初始化AD轉換器數(shù)據端口whi

17、le(1) cont_temp(data_in);display(a1,a2,a3,a4); /調用數(shù)碼管分時顯示函數(shù)顯示測得溫度t=a1*1000+a2*100+a3*10+a4;_PID_(m,t);4.2.2 LED數(shù)碼管顯示子程序及其流程圖 8段LED顯示屏是最常用的顯示器件，分為共陽極和共陰極兩種形式。共陽極LED將所有發(fā)光二極管的陽極接在一起作為公共端，當公共端接高電平，某一段的發(fā)光二極管陰極接低電平時，相應的字段就被點亮。共陰極LED將所有發(fā)光二極管的陰極接在一起作為公共端，當公共端接低電平，某一段的發(fā)光二極管陽極接高電平時，相應的字段就被點亮。LED數(shù)碼管的顯示方法動態(tài)顯示：動

18、態(tài)掃描，分時循環(huán)； 靜態(tài)顯示：一次輸出，結果保持沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.12(1)動態(tài)顯示 動態(tài)顯示，就是微型機定時地對顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能一個器件顯示。但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺所有的器件都在顯示。 (2)靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示，是由微型機一次輸出顯示后，就能保持該顯示結果，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示占用機時少，顯示可靠。通過比較及對程序的分析，本設計當中兩組數(shù)碼管均采用了共陰極靜態(tài)顯示。本系統(tǒng)采用4位共陰數(shù)碼管用動態(tài)顯示的方式顯示預設值和測得溫度值，其動態(tài)掃顯示程序如下，程序流程圖如圖4.2.2所示：void display(l

19、ong int a,long int b,long int c,long int d)P0=0; /先關閉全部數(shù)碼管w1=0; /顯示千位數(shù)，從左到右P0=wu_dsa;delay(3);w1=1;P0=0;w2=0;P0=you_dsb;顯示百位數(shù)delay(3);w2=1;P0=0;w3=0;P0=wu_dsc;顯示十位數(shù)delay(3);w3=1;P0=0;w4=0; P0=wu_dsd;顯示個位數(shù)delay(3);w4=1;沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.13圖4.2.2 顯示程序流程圖調用程序延時顯示第2位返回關閉第4位顯示第3位關閉段選口消除陰影調用程序延時選通第1位關閉第3

20、位段選和位選顯示第1位開啟第4位位選調用程序延時顯示第4位關閉第1位的段選和位選調用程序延時開啟第2位位選開啟第3位位選顯示程序關閉第2位段選和位選圖4.2.2 顯示程序流程圖 沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.144.2.3 A/D轉換程序及流程圖本系統(tǒng)所使用的A/D轉換器ADC0809接線圖如圖3.4所示，控制其啟動及轉換程序如下，啟動A/D轉換流程圖如圖4.2.3所示：void start_temp(void)ALE=1;_nop_();_nop_();ALE=0; /鎖存通道地址，這里采用通道IN0ST=1;_nop_();_nop_();ST=0;_nop_();_nop_();

21、_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/START下降沿，開始進行A/D轉換while(EOC=0)/轉換時間約為100us，在轉換期間EOC為低電平，利用條件延時_nop_();OE=1; /轉換結束，給OE高電平，請求輸出轉換結果data_in=P3; /用P3口來接收AD轉換器的轉換結果，將結果存入data_inOE=0;沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.15圖4.2.3 A/D轉換程序流程圖返 回將OE置0讀出轉換結果OE=1轉換是否結束（EOC=0？）使ST由高電平跳轉到低電平，啟動A/D轉換器鎖存通道地址確定通道選擇地址

22、A/D轉換程序NY4.2.4 數(shù)字控制器設計數(shù)字控制器是本控制系統(tǒng)的核心，用它對被測參數(shù)進行自動調節(jié)，這里采用PID程序設計法進行設計。根據位置型PID設計方法可寫出表達式4-1 P(k)=PP(k)+PI(k)+PD(k) 式4-1沈 陽 大 學 課程設計說明書 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)根據4-1式和圖2.2所示的PID調節(jié)控制圖可得PID數(shù)字控制程序的流程圖如圖4.2.4所示：返 回圖4.2.4 位置型PID運算程序流程圖E(k-1) E(k)計算 P(k)=

23、PP(k)+PI(k)+PD(k)計算 PD(k)=KDE(k)-E(k-1)計算 PI(k)=KIE(k)+PI(k-1)計算 PP(k)=PPE(k)計算 E(k)=R(k)-M(k)PID位置型運算程序將P(k)轉換成雙字字整數(shù)R2R3沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.174.2.5 鍵盤控制流程圖 在本次設計當中，輸入設備采用4*4矩陣鍵盤。當“設定”鍵按下時觸發(fā)鍵盤中斷服務程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執(zhí)行相應的動作。程控掃描的任務是：(1)首先判斷是否有鍵按下。方法：使所有的行輸出均為低電平，然后從端口A讀入列值。如果沒有鍵按下，則讀人值為FFH如果有鏈按下則不為FFH

24、。(2)去除鍵抖動。方法：延時1020 ms，再一次判斷有無鍵按下，如果此時仍有鍵按下，則認為鍵盤上確實有鍵處于穩(wěn)定閉合期。(3)若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。方法：對鍵盤逐行掃描。 (4)程序中需等閉合鍵釋放后才對其進行處理。鍵盤控制程序采用定時器延時掃描的方法控制，當按鍵被按下時輸入一個低電平，其流程圖如圖4.2.5所示：沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.18否否掃描鍵盤的按下狀態(tài)鍵盤控制程序S2是否按下是是否為所需設置溫度位是否S1是否按下是溫度值該位數(shù)字加1該位所示溫度值是否為所需溫度否是否是否為第4位否是S3是否按下是啟動自控系統(tǒng)否S4是否按下是停止自動控制系統(tǒng)圖4.2.5 鍵

25、盤程序流程圖沈 陽 大 學 課程設計說明書 NO.195 設計工作總結及心得體會通過對電加熱爐計算機溫度控制系統(tǒng)的設計，使我對實際工程中的自動控制系統(tǒng)的應用有了初步的設計理念。理論與實踐的結合，使我對自算機控制系統(tǒng)的特點以及其組成原理與應用程序有了更進一步的學習，通過對整個系統(tǒng)的設計，使我更進一步的鞏固了專業(yè)基礎知識，提高了用理論知識解決實際問題的實踐能力。通過資料的收集及整理，也使我學到了許多相關專業(yè)課程的知識，并從中分析得到啟發(fā)，確立系統(tǒng)方案。通過對數(shù)字控制器的設計，使我掌握了運用單片機實現(xiàn)PID算法控制、單片機與A/D轉換器的接口電路、鍵盤與單片機的接口電路、LED與單片機的接口電路以及

26、編程實現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)顯示、A/D轉換器的編程、鍵盤控制的編程和通過單片機觸發(fā)可控硅導通的方法。這次對計算機自動控制系統(tǒng)的設計更加深了我對閉環(huán)控制系統(tǒng)的了解，使我對小型計算機控制系統(tǒng)的硬件及軟件設計有了綜合分析、獨立思考的能力。6 參考文獻1潘新民.微型計算機控制技術.第2版.電子工業(yè)出版社.20112林錦國.過程控制.第3版.東南大學出版社.20113郁有文.傳感器原理及工程應用.第3版.西安電子科技大學出版社.20104謝維成.單片機原理與應用及C51程序設計.第2版.清華大學出版社.20095閻 石.數(shù)字電子技術基礎.第5版.高等教育出版社.20096譚浩強.C程序設計.第3版.清華大學出版社.20087張榮標.微型計算機原理與接口技術.第2版.機械工業(yè)出版社.20108王兆安.電力電子技術.第5版.機械工業(yè)出版社.2010沈 陽 大 學tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA