電加熱爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、天津工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電加熱爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)姓 名 李順 學(xué) 院 繼續(xù)教育學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 賈文民 職 稱 講師 2014年 4 月 20日電加熱爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)摘 要溫度是工業(yè)對(duì)象中的很重要參數(shù)的之一。廣泛應(yīng)用在冶金、化工、機(jī)械各類加熱爐熱、處理爐和反應(yīng)爐等工業(yè)中。電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。對(duì)于這樣一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效

2、果。關(guān)鍵詞：加熱爐；PID；單片機(jī)ABSTRACTTemperature is one of the important parameters in the industrial object. Widely used in metallurgy, chemical industry, machinery and all kinds of heating furnace, heat treatment furnace and furnace industry etc. Electric heating furnace with the development of science and te

3、chnology and industrial production level, has been widely used in metallurgy, chemical, machinery and other kinds of industrial control, and has play a decisive role in the national economy status. For such a nonlinear, large delay, large inertia, time-varying, unidirectional rising, control object,

4、 it is difficult to establish accurate mathematical model, so the traditional control theories and methods are difficult to achieve good control effect.Key words：Heating furnace; PID; MCU 目 錄第一章 緒論1第二章 系統(tǒng)工作原理2第三章 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)33.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)33.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)33.3 A/D轉(zhuǎn)換器43.4 LED數(shù)碼管53.5 鍵盤電路63.6 晶閘管及其控制電路63.7爐溫檢測(cè)電路7

5、第四章 系統(tǒng)控制流程及軟件設(shè)計(jì)94.1 總體流程圖94.2 程序塊流程圖9第五章 心得體會(huì)17參考文獻(xiàn)18謝辭19第一章 緒論溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約能源，對(duì)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(dòng)或爐內(nèi)物體而變化，或者有的電爐的爐溫根據(jù)工藝要求按照某個(gè)指定的升溫或保溫規(guī)律而變化，等等。 工業(yè)生產(chǎn)過程中，用模擬控制來控制電加熱爐溫已經(jīng)取得了較為成熟的經(jīng)驗(yàn)，但他的控制精度較低，顯示操作不方便，為此引入了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行數(shù)字算法控制。由于電爐加熱的時(shí)間常數(shù)相對(duì)于采樣周期來說很大

6、，所以電爐加熱控制系統(tǒng)的動(dòng)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(bǔ)償算法。 本課程設(shè)計(jì)所控制的電加熱爐的加熱能源是熱阻絲，根據(jù)控制系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)控制方案和主電路及各檢測(cè)控制模塊電路，然后針對(duì)溫度控制要求計(jì)算電路元件所需參數(shù)，應(yīng)用PID控制算法，實(shí)現(xiàn)溫箱的閉環(huán)控制。進(jìn)而了解溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)控制程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制溫度的方法。 第二章 系統(tǒng)工作原理 整個(gè)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(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。 圖2.1 電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖數(shù)字控制器的功能采用單片機(jī)AT89c51實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行器的作用由可控硅實(shí)現(xiàn)，溫度有采

7、樣與測(cè)量采用熱電偶及變送器實(shí)現(xiàn)。 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)：在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于加熱爐溫度的時(shí)間常數(shù)很大（相對(duì)于采樣周期而言），所以其閉環(huán)調(diào)節(jié)可以用一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)來近似?？梢圆捎弥睌?shù)字控制，也可以采用模糊控制和PID控制，本設(shè)計(jì)中采用PID控制，其控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理如圖2.2所示： 圖2.2 電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理 可控硅觸發(fā)信號(hào) 爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導(dǎo)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(nèi)變化。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(dǎo)通與關(guān)斷的占空比時(shí)間，如果爐溫低于設(shè)定值則可控硅導(dǎo)通，

8、系統(tǒng)加熱，否則系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設(shè)定值。 第三章 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)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： 圖3.1 電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件框 3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為該控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集、檢測(cè)和控制。單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器，接收由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波、標(biāo)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(dá)到期望值所需要的控制量。通過調(diào)節(jié)高低電平輸出時(shí)間，

9、控制可控硅的接通時(shí)間，從而改變電爐的輸出功率，達(dá)到調(diào)溫的作用。單片機(jī)及其接口電路圖如圖3.2所示：圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)及其外圍電路接口圖3.3 A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器在該系統(tǒng)中的功能是將溫度變送器輸出的15V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制代碼，供給單片機(jī)做進(jìn)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(nèi)，則可選擇8位A/D轉(zhuǎn)換器，其最小精度可以達(dá)到1000256=3.9215，則選擇ADC0808或ADC0809均可滿足設(shè)計(jì)要求，這里選擇ADC0809。 ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、

10、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。 直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。本設(shè)計(jì)中只需要用到ADC0809的一個(gè)通道即可，故將ADC0809的輸入通道選通地址A、B、C均接地

11、（即只使用輸入通道IN0）。ADC0809的工作時(shí)鐘為500KHz，由于單片機(jī)的ALE能自動(dòng)輸出單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/6（即當(dāng)單片機(jī)的時(shí)鐘晶振選擇12MHz時(shí)，ALE自動(dòng)輸出2MHz時(shí)鐘信號(hào)），ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)通過對(duì)單片機(jī)ALE的輸出時(shí)鐘進(jìn)行四分頻得到，進(jìn)行四分頻的器件可采用集成有兩個(gè)二分頻器的74LS74。單片機(jī)的PA口作ADC0809的控制口，P0口作轉(zhuǎn)換結(jié)束后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的接收口。 ADC0809與單片機(jī)的接口電路如圖3.4所示。圖3.3 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖3.4 ADC0809與單片機(jī)接口電路3.4 LED數(shù)碼管數(shù)碼管主要用以顯示設(shè)定溫度值與實(shí)際測(cè)量溫度值。數(shù)碼管根據(jù)其連接

12、方式可以分為共陰數(shù)碼管與共陽數(shù)碼管，根據(jù)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(gè)小數(shù)位。 由于本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jī)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(jī)接口電路 3.5 鍵盤電路鍵盤主要用來完成對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和啟動(dòng)及停止計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要采用四位獨(dú)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(duì)預(yù)溫度進(jìn)行設(shè)置，S2為數(shù)碼管移位選擇按扭，被選

13、中的數(shù)位小數(shù)點(diǎn)被點(diǎn)亮，此時(shí)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(shí)候，再按S2移到下一位，依次設(shè)置完4位數(shù)碼管組成的預(yù)設(shè)溫度值。S3、S4分別為啟動(dòng)和停止計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，當(dāng)S3有按下信號(hào)時(shí)，單片機(jī)開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，當(dāng)S4有輸入信號(hào)時(shí)，退出自動(dòng)控制。 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(dāng)在基極輸入電流觸發(fā)信號(hào)滿足其導(dǎo)通電流強(qiáng)度時(shí)，晶閘管即導(dǎo)通，且導(dǎo)通后觸發(fā)信號(hào)將失去作用。要使晶閘管關(guān)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(fù)關(guān)斷；第二可以給晶閘管施加反電壓，使晶閘管自行關(guān)斷。 本

14、系統(tǒng)中晶閘管的關(guān)斷方式采用第二種，由于我們生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(nèi)變化，故采用如圖3.8所示的電路接線方式。當(dāng)電源電壓處于正弦變化的正半周的時(shí)修，通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，即可改變電阻兩端的電壓有效值，當(dāng)電源電壓處于正弦負(fù)半周的時(shí)候，加在晶閘管兩端的反電壓使晶閘管自動(dòng)關(guān)斷。由于觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通的電流信號(hào)是模擬信號(hào)，故需要采取隔離措施，使數(shù)字控制電路與模擬負(fù)載電路隔離開，防止模擬信號(hào)串入數(shù)字電路造成誤動(dòng)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(dāng)P1.7輸出高電平時(shí)，經(jīng)7404反向?yàn)榈碗娖?，發(fā)光二極管發(fā)光觸發(fā)模擬

15、電路部分導(dǎo)通，晶閘管IRF640得到觸發(fā)信號(hào)從而導(dǎo)通。根據(jù)單片機(jī)發(fā)出脈沖的間隔時(shí)間不同，即可改變晶閘管的導(dǎo)通角，從而起到調(diào)壓的作用。 圖3.8 晶閘管及其控制電路3.7爐溫檢測(cè)電路 電爐的溫度先由熱電偶溫度傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)，溫度變送器將此弱信號(hào)進(jìn)行非線性校正及電壓放大后，送至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，此數(shù)字量經(jīng)過單片機(jī)數(shù)字濾波誤差校正及查表等處理后，得到電爐內(nèi)的實(shí)測(cè)溫度值。溫度檢測(cè)原理結(jié)構(gòu)如圖3.9所示： 圖3.9 溫度檢測(cè)原理圖 第四章 系統(tǒng)控制流程及軟件設(shè)計(jì)4.1 總體流程圖 單閉環(huán)電加熱爐溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)總體流程如圖4.1所示 圖4.1 程序總體流程圖4.2 程序塊流程

16、圖4.2.1 溫度控制系統(tǒng)主程序及流程圖 圖4.2.1 主程序流程圖 主程序主要進(jìn)行初始化，定義I/O端口及定時(shí)器參數(shù)，調(diào)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： #include #include /*.定義四位數(shù)碼管的位選腳.*/ sbit w1=P30; sbit w2=P31; sbit w3=P32; sbit w4=P33; /*.定義AD轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)引腳.*/ sbit ST=P11; /*.定義AD轉(zhuǎn)換器的控制腳.*/ sbit EOC=P12; sbit OE=P13; /*.定義09十個(gè)數(shù)字代碼.*/ unsigned char wu

17、_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(huì)調(diào)用到的子程序.*/ void delay(int t);/聲明程序延時(shí)子程序 int set_temp(int s);/聲明設(shè)置初始值子程序 void start_temp(void);/聲明啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)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 m

18、ain() int data_in; /定義一個(gè)用來存放AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果的變量 int a1,a2,a3,a4,m,t; m=set_temp(0) ; P0=0xFF; /初始化AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)端口 while(1) cont_temp(data_in); display(a1,a2,a3,a4); /調(diào)用數(shù)碼管分時(shí)顯示函數(shù)顯示測(cè)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(dāng)公共端接高電平

19、，某一段的發(fā)光二極管陰極接低電平時(shí)，相應(yīng)的字段就被點(diǎn)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(dāng)公共端接低電平，某一段的發(fā)光二極管陽極接高電平時(shí)，相應(yīng)的字段就被點(diǎn)亮。 LED數(shù)碼管的顯示方法 動(dòng)態(tài)顯示：動(dòng)態(tài)掃描，分時(shí)循環(huán)； 靜態(tài)顯示：一次輸出，結(jié)果保持(1)動(dòng)態(tài)顯示 動(dòng)態(tài)顯示，就是微型機(jī)定時(shí)地對(duì)顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時(shí)工作，每次只能一個(gè)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(jī)一次輸出顯示后，就能保持該顯示結(jié)果，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示占用機(jī)時(shí)少，顯示可靠。 通過比較及對(duì)程序的分析，本設(shè)計(jì)

20、當(dāng)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(dòng)態(tài)顯示的方式顯示預(yù)設(shè)值和測(cè)得溫度值，其動(dòng)態(tài)掃顯示程序如下，程序流程圖如圖4.2.2所示：void display(long int a,long int b,long int c,long int d) P0=0; /先關(guān)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

21、=wu_dsd;顯示個(gè)位數(shù) delay(3); w4=1; 圖4.2.2 顯示程序流程圖4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換程序及流程圖 轉(zhuǎn)換程序及流程圖轉(zhuǎn)換程序及流程圖轉(zhuǎn)換程序及流程圖 本系統(tǒng)所使用的A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809接線圖如圖3.4所示，控制其啟動(dòng)及轉(zhuǎn)換程序如下，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)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IN0 ST=1;_nop_();_nop_();ST=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_no

22、p_();_nop_();/START下降沿，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換 while(EOC=0)/轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100us，在轉(zhuǎn)換期間EOC為低電平，利用條件延時(shí) _nop_(); OE=1; /轉(zhuǎn)換結(jié)束，給OE高電平，請(qǐng)求輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果 data_in=P3; /用P3口來接收AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，將結(jié)果存入data_in OE=0; 圖4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖4.2.4 數(shù)字控制器設(shè)計(jì)數(shù)字控制器是本控制系統(tǒng)的核心，用它對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，這里采用PID程序設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)位置型PID設(shè)計(jì)方法可寫出表達(dá)式4-1 P(k)=PP(k)+PI(k)+PD(k) 式4-1 PP(k)=KPE

23、(k) PI(k)=KI =KIE(k)+KI =KIE(k)+PI(k-1) PD(k) =KDE(k)-E(k-1)根據(jù)4-1式和圖2.2所示的PID調(diào)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：圖4.2.4 位置型PID運(yùn)算程序流程圖4.2.5 鍵盤控制流程圖在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，輸入設(shè)備采用4*4矩陣鍵盤。當(dāng)“設(shè)定”鍵按下時(shí)觸發(fā)鍵盤中斷服務(wù)程序，由程序程控掃描法確定那個(gè)鍵按下并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。程控掃描的任務(wù)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。 (2)去除鍵抖動(dòng)。方法：延時(shí)1020 ms，再一次判斷有無鍵按下，如果此時(shí)仍有鍵按下，則認(rèn)為鍵盤上確實(shí)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(duì)鍵盤逐行掃描。 (4)程序中需等閉合鍵釋放后才對(duì)其進(jìn)行處理。 鍵盤控制程序采用定時(shí)器延時(shí)掃描的方法控制，當(dāng)按鍵被按下時(shí)輸入一個(gè)低電平，其流程圖如圖4.2.5所示：