PID電加熱爐溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、基于PID 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計1概述電加熱爐隨著科學(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。對于這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象，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)到好的控制效果。單片機以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機進(jìn)行爐溫控制，可以提高控制質(zhì)量和自動化水平。在本控制對象電阻加熱爐功率為800W ，由220V 交流電供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控制。本

2、設(shè)計針對一個溫度區(qū)進(jìn)行溫度控制，要求控制溫度范圍50350C，保溫階段溫度控制精度為正負(fù)1度。選擇合適的傳感器，計算機輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓。其對象問溫控數(shù)學(xué)模型為：1(+=-s T e K s G d sd 其中：時間常數(shù)Td=350秒放大系數(shù)Kd=50滯后時間=10秒控制算法選用改PID 控制2系統(tǒng)硬件的設(shè)計本系統(tǒng)的單片機爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機控制器、可控硅輸出部分、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對象組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖2-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 圖2-2 系統(tǒng)電路圖2.1電源部分本系統(tǒng)所需電源有220V 交流市電、直流5V 電壓和低壓

3、交流電，故需要變壓器、整流裝置和穩(wěn)壓芯片等組成電源電路。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V 的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動（一般有+-10%左右的波動）、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后, 還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。整流裝置采用二極管橋式整流，穩(wěn)壓芯片采用78L05, 配合電容將電壓穩(wěn)定在5V ，供控制電路、測量電路和驅(qū)動執(zhí)行電路中弱電部分使用。除此之外，220V

4、 交流市電還是加熱電阻兩端的電壓，通過控制雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來控制加熱電阻的功率。低壓交流電即變壓器二次側(cè)的電壓，通過過零檢測電路檢測交流電的過零點，送入單片機后，由控制程序決定雙向可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到控制加熱電阻功率的目的。2.2采樣測量部分在檢測裝置中，溫度檢測用WZP-231鉑熱電阻（Pt100），采用三線制接法，采樣電路為橋式測量電路，其輸入量程為50350°C ，經(jīng)測量電路采樣后輸出25V電壓，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量后送入單片機進(jìn)行分析處理。鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器, 由于其測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大

5、、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等, 被廣泛用于中溫(-200650 范圍的溫度測量中。PT100是一種廣泛應(yīng)用的測溫元件，在-50600范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt 電阻的電阻值和溫度對應(yīng)起來后存入EEPROM 中，根據(jù)電路中實測的AD 值以查表方式計算相應(yīng)溫度值。常用的Pt 電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將PT100的兩側(cè)相等的

6、的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用了第一種方法，即橋式測溫。測溫原理：電路采用TL431和電位器VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V 的參考電源；采用R1、R2、VR2、Pt100構(gòu)成測量電橋（其中R1R2，VR2為100精密電阻），當(dāng)Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV 級的壓差信號，這個壓差信號經(jīng)過運放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD 轉(zhuǎn)換芯片。差動放大電路中R3R4、 R5R6、放大倍數(shù)R5/R3，運放采用單一5V 供電。設(shè)計及調(diào)試注意點：1. 同

7、幅度調(diào)整R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大?。?. 改變R5/R3的比值即可改變電壓信號的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計者對溫度范圍的要求3. 放大電路必須接成負(fù)反饋方式，否則放大電路不能正常工作 。4. VR2也可為電位器，調(diào)節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點設(shè)定，例如Pt100的零點溫度為0，即0時電阻為100，當(dāng)電位器阻值調(diào)至109.885時，溫度的零點就被設(shè)定在了25。測量電位器的阻值時須在沒有接入電路時調(diào)節(jié)，這是因為接入電路后測量的電阻值發(fā)生了改變。5. 理論上，運放輸出的電壓為輸入壓差信號×放大倍數(shù)，但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非這樣的關(guān)系，壓差信號比理

8、論值小很多，實際輸出信號為4.096*(RPt100/(R1+RPt100- RVR2/(R1+RVR2 （1）式中電阻值以電路工作時量取的為準(zhǔn)。6. 電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)，因為如果直接VCC 的話，當(dāng)網(wǎng)壓波動造成VCC 發(fā)生波動時，運放輸出的信號也會發(fā)生改變，此時再到以VCC 未發(fā)生波動時建立的溫度-電阻表中查表求值時就不準(zhǔn)確。2.3驅(qū)動執(zhí)行部分硬件輸出通道主要包括加熱電阻的控制環(huán)節(jié)，而此控制環(huán)節(jié)的核心是雙向可控硅，但電路的關(guān)鍵是設(shè)計雙向可控硅的驅(qū)動電路。雙向可控硅的通斷直接決定加熱電阻的工作與不工作，本部分用帶過零觸發(fā)的光耦MOC3061來驅(qū)動。2.3.1光耦驅(qū)動電路在驅(qū)動電路

9、中，由于是弱電控制強電，而弱電又很容易受到強電的干擾，影響系統(tǒng)的工作效率和實時性，甚至燒毀整個系統(tǒng)，導(dǎo)致不可挽回的后果，因此必須要加入抗干擾措施，將強弱電隔離。光耦合器是靠光傳送信號，切斷了各部件之間地線的聯(lián)系，從根本上對強弱電進(jìn)行隔離，從而可以有效地抑制掉干擾信號。此外，光耦合器提供了較好的帶寬，較低的輸入失調(diào)漂移和增益溫度系數(shù)。因此，能夠較好地滿足信號傳輸速度的要求，且光耦合器非常容易得到觸發(fā)脈沖，具有可靠、體積小、等特點。所以在本系統(tǒng)設(shè)計中采用了帶過零檢測的光電隔離器MOC3061，用來驅(qū)動雙向可控硅并隔離控制回路和主回路。MOC3061是一片把過零檢測和光耦雙向可控硅集成在一起的芯片。

10、其輸出端的額定電壓是400V ，最大重復(fù)浪涌電流為1.2A ，最大電壓上升率dv/dt為1000v/us,輸入輸出隔離電壓為7500V ，輸入控制電流為15mA 。在圖2-2驅(qū)動執(zhí)行電路中，當(dāng)單片機的P2.0、P2.1、P2.2發(fā)出邏輯數(shù)字量為高電平時，經(jīng)過三極管放大后驅(qū)動光耦合器的放光二極管，MOC3061的輸入端導(dǎo)通，有大約15mA 的電流輸入。當(dāng)MOC306的輸出端6腳和4腳尖電壓稍稍過零時，光耦內(nèi)部雙向可控硅即可導(dǎo)通，提供一個觸發(fā)信號給外部晶閘管使其導(dǎo)通；當(dāng)P2.0、P2.1、P2.2為低電平時，MOC3061截止，雙向可控硅始終處于截止?fàn)顟B(tài)。2.3.2驅(qū)動電路有關(guān)元件的選擇R25，C

11、10組成吸收電路，并接在雙向可控硅的兩極之間。吸收回路組成緩沖器。有了吸收回路，可控硅通斷過程中電源電壓的變化率受到R25，C10的限制。R25可以抑制雙向可控硅通斷時產(chǎn)生的浪涌電流。R25和C10根據(jù)經(jīng)驗公式選，一般C10取0.011.0uF，R25取幾歐到幾十歐，本電路中R25取39歐，C10取0.01 uF。R27為限流電阻，用來限制MOC3061的輸出驅(qū)動電流，其數(shù)值為電源電壓峰值除以雙向可控硅的允許重復(fù)電流。在本電路中R27取300歐。R26：由于MOC3061在輸出關(guān)斷狀態(tài)下也有小于或等于500mA 的輸出電流，所以加入R26分流消除這個電流對雙向可控硅的影響，以防止雙向可控硅誤觸

12、發(fā)，提高了系統(tǒng)的可靠性。在此電路中可以看出單片機的輸出通道采用了MOC3061進(jìn)行驅(qū)動有以下優(yōu)點：（1）控制簡單?？捎肧ETB 或CLR 指令直接控制P2.0、P2.1、P2.2以控制加熱電阻的工作與否。（2）MOC3061由于采用了過零觸發(fā)電路大大簡化了雙向可控硅的觸發(fā)電路，把SCR 一向控制變?yōu)閷嵱玫臄?shù)字脈沖控制。（3）MOC3061與雙向可控硅實際組成了一個固態(tài)繼電器，實現(xiàn)了無觸電控制。（4）輸出通道實現(xiàn)了光電隔離，防止了射電干擾。（5）輸出通道用P2.0、P2.1、P2.2口直接控制雙向可控硅，省去了的D/A轉(zhuǎn)換電路，簡化了接口電路。2.3.3雙向可控硅電路(1雙向可控硅這種可控硅具有

13、雙向?qū)üδ?，在交流電的正?fù)半周都可以導(dǎo)通。其英文名TRIAC 即三級交流開關(guān)的意思，并把它的兩極稱為MT1和MT2，其電路符合如圖所示。雙向可控硅的通斷情況由控制極柵極（G ）決定，當(dāng)柵極無信號時MT1和MT2成高阻態(tài)，管截止；而當(dāng)MT1與MT2之間加一個閾值電壓（一般大于1.5V ）的電壓時，就可以利用控制極柵極電壓來使可控硅導(dǎo)通。但需要注意的是，當(dāng)雙向可控硅接感性負(fù)載時，電流和電壓之間有一定的相位差。在電流為零時，反向電壓可能不為零，且超過轉(zhuǎn)換電壓，使管子反向?qū)ǎ室茏幽艹惺苓@種反向電壓，并在回路中加入RC 網(wǎng)絡(luò)加以吸收。(2觸發(fā)方式控制雙向可控硅從高阻態(tài)（阻斷區(qū)）轉(zhuǎn)換到低阻態(tài)（導(dǎo)通

14、區(qū)）可以用不同的方式實現(xiàn)。相應(yīng)的分為四種方式：（1） MT1相對于MT2為正，控制脈沖電壓Ug 相對于MT1為正（2） MT1相對于MT2為負(fù)，控制脈沖電壓Ug 相對于MT1為負(fù)（3） MT1相對于MT2為正，控制脈沖電壓Ug 相對于MT1為負(fù)（4） MT1相對于MT2為負(fù)，控制脈沖電壓Ug 相對于MT1為正雙向可控硅通常工作在控制方式（1）和控制方式（2）。在這兩種控制方式下，控制靈敏度特別高。另外兩種控制方式下，要求高一倍的觸發(fā)電流。在本設(shè)計中，選擇了控制方式（1）和（2）。如同晶閘管的控制極那樣，雙向可控硅的控制極在觸發(fā)后便失去了作用。雙向可控硅長期維持低阻態(tài)，直到低于維持電流I H，然

15、后在轉(zhuǎn)換到高阻態(tài)。在控制交流電壓時，每次電源電壓過零雙向可控硅都會自動截止，所以雙向可控硅每半個周期都需要重新觸發(fā)。在本設(shè)計中，考慮到電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定和現(xiàn)在市場上銷售的雙向可控硅型號，選擇了工作電壓為400V ，通態(tài)電流為4A 的雙向可控硅BT136。利用單片機控制雙向可控硅的導(dǎo)通角。在不同時刻利用單片機給雙向可控硅的控制端發(fā)出觸發(fā)信號，使其導(dǎo)通或關(guān)斷，實現(xiàn)負(fù)載電壓有效值的不同，以達(dá)到調(diào)壓控制的目的。具體如下：（1） 由硬件完成過零觸發(fā)環(huán)節(jié)，即在工頻電壓下，每10ms 進(jìn)行一次過零觸發(fā)信號，由此信號來達(dá)到與單片機的同步。（2） 過零檢測信號接至單片機的P2.3口，由單片機對此口進(jìn)行循環(huán)檢測，然后

16、進(jìn)行延時觸發(fā)。3控制電路及程序流程圖3.1 微處理器89C5189C51是一種帶4K 字節(jié)Flash 可編程可擦除的高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的89C51是一種高效微控制器。單片機的抗干擾性設(shè)計。單片機干擾最常見的現(xiàn)象就是程序出現(xiàn)不可逆狀態(tài)，設(shè)計系統(tǒng)時一般要添加一個看門狗監(jiān)控模塊，在系統(tǒng)出現(xiàn)不可逆狀態(tài)的干擾時，監(jiān)控模塊將重啟系統(tǒng)。MAX1232微處理器監(jiān)控電路給微處理器

17、提供輔助功能以及電源供電監(jiān)控功能，當(dāng)電源過電壓、欠電壓時，MAX1232將提供至少250ms 寬度的復(fù)位脈沖，其中的容許極限能用數(shù)字式的方法來選擇5%或10%的容限。3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0809是一個典型的逐次逼近型8位A/D轉(zhuǎn)換器。它由8路模擬開關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成。它允許8路模擬量分時輸入，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出是三態(tài)的（總線型輸出），可以直接與單片機數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809采用+5V電源供電，外接工作時鐘。當(dāng)?shù)湫凸ぷ鲿r鐘為500KHz 時，轉(zhuǎn)換時間約為128us.（1） 時鐘信號：由于ADC0809無片選端，因此電路增加了或非門74LS02，以便

18、對ADC0809進(jìn)行讀/寫控制。單片機采用6MHz/s的晶振，ALE輸出66MHz/s時鐘信號，經(jīng)74LS74觸發(fā)器2分頻，得到500KHz 的時鐘信號，與ADC0809的時鐘端CLK 相連。（2） 通道選擇：三位通道選擇端ADDA 、ADDB 、ADDC 與數(shù)據(jù)線P1口的低三位P1.0、P1.1、P1.2相連，用數(shù)據(jù)線進(jìn)行通道選擇，由P1.0、P1.1、P1.2三位決定選擇那一通道。（3） ADC0809啟動：ADC0809的啟動端START 、地址所存端ALE 均為高電平有效。將START 和ALE 連在一起，與74LS02的輸出端相連?；蚍情T74LS02的兩個輸入端/WR和P3.5均為低

19、電平時，其輸出為高電平，執(zhí)行外部I/O口的寫操作。（4） 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀?。寒?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC 端輸出高電平。可用查詢和中斷的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取處理。輸出允許OE 端為高電平，8位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)D0D7輸出到數(shù)據(jù)線上。只有 P 3.5和/ RD同時為低電平時，OE 端才為高電平。執(zhí)行外部I/O口讀操作/ RD為低電平。（5） 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志EOC 端經(jīng)反向器與單片機的/INT1相連，即轉(zhuǎn)換一旦結(jié)束，外部中斷1則申請中斷。 圖3-1 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)程序流程圖3.3 LED顯示模塊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

20、極接在一起作為公共端，當(dāng)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(yīng)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(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，相應(yīng)的字段就被點亮。 LED 數(shù)碼管的顯示方法動態(tài)顯示：動態(tài)掃描，分時循環(huán) 靜態(tài)顯示：一次輸出，結(jié)果保持(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(jié)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

21、過比較及對程序的分析，本設(shè)計當(dāng)中兩組數(shù)碼管均采用了共陰極靜態(tài)顯示。 圖3-2顯示子程序根據(jù)設(shè)計要求，在保溫階段，溫度控制精度為正負(fù)1度，故當(dāng)溫度下降或上升2度時為故障狀態(tài)，需要報警提醒。所以在電路設(shè)計上應(yīng)用了蜂鳴器和發(fā)光二極管，系統(tǒng)正常運行時綠色發(fā)光二極管點亮，當(dāng)出現(xiàn)故障時紅色發(fā)光二極管點亮并且蜂鳴器鳴叫，提醒操作人員注意。報警狀態(tài)可通過按鍵復(fù)位和系統(tǒng)恢復(fù)正常后自動復(fù)位 圖3-3報警子程序3.5鍵盤模塊在本次設(shè)計當(dāng)中，輸入設(shè)備采用4*4矩陣鍵盤。當(dāng)“設(shè)定”鍵按下時觸發(fā)鍵盤中斷服務(wù)程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執(zhí)行相應(yīng)的動作。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

22、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。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(rèn)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(jìn)行處理。在此部分主要是實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信，將實時數(shù)據(jù)傳送到上位機，進(jìn)行同一協(xié)調(diào)和集中管理。RS232的電氣接口是單端的、雙極性電源電路。由于RS-232采用的數(shù)據(jù)傳輸線路是非平衡，且是誤無差分的接收方式，當(dāng)信號穿過電氣干擾環(huán)境時，發(fā)送的信號將會受到影響。故數(shù)據(jù)傳輸速率局限于

23、20KB/s；傳輸距離局限于15m ，但RS-232也是目前最廣泛使用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。在本設(shè)計當(dāng)中，考慮到系統(tǒng)調(diào)試的方便，采用了RS232串行總線。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路, 使用+5v單電源供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：（1）第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v 兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。 （2）第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN ）、12腳（R1OUT ）、11腳（T1IN ）、14腳（T1O

24、UT ）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN ）、9腳（R2OUT ）、10 腳（T2IN ）、7腳（T2OUT ）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN 、T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT 、T2O UT 送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN 、R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成T TL/CMOS 數(shù)據(jù)后從R1OUT 、R2OUT 輸出。（3）第三部分是供電。15腳GND 、16腳VCC （+5v）4系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成。主程序的任務(wù)是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，實現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制電加熱爐的正常運行。主程序主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集及處理、智能推理等部分組成。系統(tǒng)初始化包括設(shè)置棧底、工作寄存器組、控制量的初始值、采樣周期、中斷方式和狀態(tài)、定時器的工作方式以及8255的初始化、MAX1232的初始化等。數(shù)據(jù)采集及處理主要包括實時采集電加熱爐的爐溫信號，計算出實際爐溫與理想值的差值以及溫差的變化率，并對爐溫信號進(jìn)行濾