電熱爐溫度控制設(shè)計(jì)

1、二一一二一二學(xué)年第 一 學(xué)期信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課程名稱： 電爐溫度控制系統(tǒng)班 級(jí)： 自動(dòng)化2008級(jí)（1）班 學(xué) 號(hào)： 200804134012 姓 名： 鄭振 二一一年 十二月設(shè)計(jì)題目: 電爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求:溫度設(shè)定范圍最高為600 ，設(shè)定值采用鍵盤輸入，具有3位LED顯示，控制溫度誤差為±3 。采用雙向晶閘管對(duì)電爐系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用16位A/D和8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制。設(shè)計(jì)內(nèi)容：1 設(shè)計(jì)電氣原理圖2 寫出詳細(xì)設(shè)計(jì)過程3 采用Smith預(yù)估算法，畫出程序框圖設(shè)計(jì)方案:方案概覽：結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求和技術(shù)指標(biāo)，通過對(duì)系統(tǒng)大致程序量的估計(jì)和系統(tǒng)工作速度的估計(jì)以及I/O口

2、需求量的估計(jì)，考慮價(jià)格因素。選8051單片機(jī)作為系統(tǒng)的主要控制芯片，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1143，采用鎳鉻/鎳硅熱電偶進(jìn)行溫度檢測(cè)其測(cè)溫范圍為0-1000，8051對(duì)溫度的控制是通過雙向可控硅實(shí)現(xiàn)的。雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V、50Hz市電回路。在給定周期T內(nèi)，8031只要改變可控硅管的接通時(shí)間即可改變加熱絲的功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。系統(tǒng)的工作原理：在溫控系統(tǒng)中，需要將溫度的變化轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)的變化，由于熱電偶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造容易，測(cè)量范圍廣，在高溫測(cè)量中有較高的精度，所以選用鎳鉻/鎳硅熱電偶做熱電傳感器，測(cè)溫范圍0-1000，最高可測(cè)量1300。滿足0-600的要求。熱電

3、偶把測(cè)量的爐溫溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成弱電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大電路，放大后的信號(hào)輸人到A/D轉(zhuǎn)換器(ADC1143)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸人主機(jī)(單片機(jī)8051)，并送往外接顯示電路，主機(jī)對(duì)電爐溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行比較后如果越限，則軟件觸發(fā)用8051的P1口控制的輸出控制脈沖，該控制脈沖與單穩(wěn)態(tài)同步觸發(fā)器輸出的同步脈沖送人控制門(與非門)，門電路信號(hào)輸人光偶管轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，經(jīng)過三級(jí)放大電路輸人可控硅的門極，可控硅導(dǎo)通由程序控制同步觸發(fā)脈沖的來臨時(shí)間，從而控制可控硅的通斷時(shí)間，以達(dá)到對(duì)電爐加熱絲溫度的調(diào)節(jié)和功率的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)電爐的恒溫和升溫控制。工作流程：開始，先接通電源，然后將開關(guān)打到開的位置，六段數(shù)碼管顯示

4、器就自動(dòng)顯示出當(dāng)前溫度，并且顯示出設(shè)置溫度的缺省值000000。此時(shí)繼電器不工作。按下F1按鍵，溫度控制系統(tǒng)進(jìn)入溫度控制點(diǎn)的設(shè)制。此時(shí)，顯示設(shè)置溫度的數(shù)碼管閃爍，可以通過鍵盤輸入預(yù)設(shè)置的溫度。當(dāng)按下“確定”按鍵的時(shí)候，單片機(jī)就會(huì)根據(jù)所寫入的程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)設(shè)置的溫度高于當(dāng)前的溫度時(shí)，單片機(jī)通過可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制加熱電路連通。溫度慢慢升高。當(dāng)設(shè)置的溫度低于當(dāng)前的溫度時(shí)，單片機(jī)通過可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制加熱電路斷開。溫度慢慢下降。通過溫度芯片的反饋信息，使水的溫度保持在設(shè)置溫度上，從而達(dá)到自動(dòng)控制溫度的功能。總體結(jié)構(gòu)圖：系統(tǒng)的硬件電路有溫度檢測(cè)、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤接口、

5、LED顯示、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、可控硅控制電路等部分組成，見統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。爐溫采樣點(diǎn)溫度傳感器濾波信號(hào)放大AD轉(zhuǎn)換單片機(jī)系統(tǒng)（8031）雙向可控硅光耦驅(qū)動(dòng)過零脈沖提取計(jì)時(shí)電爐220VLED顯示鍵盤 系統(tǒng)框圖溫度傳感器的選擇及基本工作原理測(cè)量溫度的方法分為兩大類:一類是接觸式的,即通過測(cè)溫元件與被測(cè)物體的接觸而感知物體的溫度；另一類是非接觸的,即通過接收被測(cè)物體發(fā)出的輻射熱來判斷溫度。由于本系統(tǒng)測(cè)量的溫度值在：0600，所以最常用的最經(jīng)濟(jì)的方法是用熱電偶來測(cè)量。熱電偶出來的電壓為mv級(jí)，所以必須放大后進(jìn)入A/D電路。采用OP07運(yùn)放組成低漂移高精度前置放大器，對(duì)幾十微伏變化信號(hào)測(cè)量比較精確，其放大倍數(shù)與

6、RF3/RF2成正比，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)。其中OP07的1、4、5端與RW1構(gòu)成調(diào)零電路。再接一級(jí)由運(yùn)放741構(gòu)成的放大器就可將毫伏級(jí)信號(hào)放大到需要的幅度，741的輸出送給后面的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。放大電路選用的傳感器的輸出電壓為0mv-43.2mv,根據(jù)ADC1143相關(guān)參數(shù)表，設(shè)定ADC1143的輸入電壓范圍為0-10v，計(jì)算得應(yīng)放大240倍，取OP07放大0倍，741放大24倍，取R4=150, RF2=200由運(yùn)放原理知道： RF1=20×R4=3K RF3=24×RF2=4.8K。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路該部分參考來自互聯(lián)網(wǎng)的16位A D轉(zhuǎn)換器ADC1143及其與8031單片機(jī)的接口一

7、文。A/D轉(zhuǎn)換 電路選用ADC1143.特點(diǎn)：16位高分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)間：ADC1143J最大轉(zhuǎn)換時(shí)間70ADC1143K最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為100低功耗：Vs=±15V，最大功耗175mwVs=±12V，最大功耗150mw最大非線性：ADC1143J為±0.006ADC1143K為±0.003動(dòng)態(tài)非線性溫度系數(shù)：ADC1143J最大為±2ppm/ADC1143K最大為±1ppm/供電范圍:Vs=±11.4V±18.0VVs=+3.0V+18.0V相關(guān)引腳功能：模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC1143輸出不具備三態(tài)功能，因此，輸出需要經(jīng)過

8、74HC244驅(qū)動(dòng)后才能與8051數(shù)據(jù)線P0口連接，啟動(dòng)命令由p1.6發(fā)出。轉(zhuǎn)換結(jié)束的判斷采取查詢方式，若需要采用中斷方式，只須將狀態(tài)信號(hào)經(jīng)一級(jí)反相后再接P3.2（INT0）即可。由P2.5（A13），P2.4（A12），P3.7（/ RD）通過兩個(gè)或門分別選擇74HC244，從圖中，高八位的地址，DFFFH，低八位的地址，EFFFH?，F(xiàn)在設(shè)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分別放在8051的40H，41H單元，并考慮等待時(shí)間。程序段如下：MOVR0，#40HSETB P1.6NOPCLR P1.6MOV R2,#30HM0:DJNZR2,M0MOVDPTR,#DFFFHMOVXA,DPTRMOV R0,AINC

9、R0MOVDPTR,#EFFFHMOVXA,DPTRMOV R0,A鍵盤接口和數(shù)碼顯示在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，同時(shí)需要使用鍵盤與顯示器接口時(shí)，為了節(jié)省I/O口線常常把鍵盤和顯示電路接在一起，構(gòu)成實(shí)用鍵盤和顯示電路，下圖是典型實(shí)用的、采用8155并行擴(kuò)展口構(gòu)成的鍵盤、顯示器電路。圖中設(shè)置了15個(gè)鍵，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路，以及專一的復(fù)位功能外，其它的按鍵或鍵盤都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或是輸入數(shù)據(jù)。3個(gè)LED顯示器采用共陰極方式，段選碼由8155PB口提供，位信號(hào)有PA口提供。鍵盤的列掃描也由PA口提供，查詢輸入由PC0PC1提供，LED采用動(dòng)態(tài)顯示軟件，鍵盤采用逐列掃描查詢

10、工作方式。電路圖：鍵盤設(shè)定如下：鍵盤共有15個(gè)按鍵，用于方便設(shè)定溫度。數(shù)字按鍵10個(gè)，輸入數(shù)字09和小數(shù)點(diǎn)；確認(rèn)鍵一個(gè)，設(shè)置的確認(rèn)，修改設(shè)置溫度時(shí)進(jìn)行確認(rèn)；清除鍵一個(gè)，設(shè)置的清除，修改設(shè)置溫度時(shí)進(jìn)行刪除；F1鍵一個(gè)，顯示及設(shè)置轉(zhuǎn)換到預(yù)設(shè)溫度點(diǎn)，按此按鍵后，顯示預(yù)設(shè)置溫度的數(shù)碼管閃爍；此外，還有兩個(gè)功能鍵。溫度控制電路：根據(jù)要求選用雙向晶閘管。晶閘管的特點(diǎn)：是“一觸即發(fā)”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導(dǎo)通?？刂茦O的作用是通過外加正向觸發(fā)脈沖使晶閘管導(dǎo)通，卻不能使它關(guān)斷。使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，可以斷開陽極電源或使陽極電流小于維持導(dǎo)通的最小值(稱為維持電流)。如果晶閘管陽極和陰

11、極之間外加的是交流電壓或脈動(dòng)直流電壓，那么，在電壓過零時(shí)，晶閘管會(huì)自行關(guān)斷。控制部分原理框圖：220V交流電變壓器比較器單片機(jī)觸發(fā)脈沖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器同步光耦及驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管加熱絲溫度控制原理框圖單片機(jī)對(duì)溫度的控制是通過可控硅調(diào)功電路實(shí)現(xiàn)的，雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V、50HZ交流市電回路中。在給定的周期T內(nèi)，8051只要改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的?？煽毓柙诮o定周期T的100%時(shí)間內(nèi)接通時(shí)的功率最大?？煽毓杞油〞r(shí)間可以通過可控硅控制極上的觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8051用軟件在P1.3引腳上產(chǎn)生，受過零脈沖同步后經(jīng)光耦管和驅(qū)動(dòng)器輸出送到可控硅的控制

12、級(jí)上。過零同步脈沖是一種50HZ交流電壓過零時(shí)刻的脈沖，使可控硅在交流電壓正弦波過零時(shí)刻觸發(fā)導(dǎo)通。此脈沖一方面作為可控硅的觸發(fā)同步脈沖加到溫度控制電路，另一方面還作為計(jì)數(shù)器脈沖加到8051的T0,T1端。光電耦合器在此處的作用是抗干擾，電氣隔離。具體電路圖如下所示：主程序結(jié)構(gòu)圖開 始8031系統(tǒng)初始化輸入被控參數(shù)8155初始化鍵盤顯示器監(jiān)控程序運(yùn) 行 嗎？N中 斷Y 圖4.1 主程序流程簡(jiǎn)圖T1中斷程序清標(biāo)志位D5H停止輸出返回圖4.2 T1中斷程序流程采樣爐溫?cái)?shù)字濾波=設(shè)定值？ NY采樣爐溫執(zhí)行加溫部分恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回鍵盤掃描和溫度顯示程序設(shè)計(jì)DIS指向顯示緩沖區(qū)末址7EH先點(diǎn)亮最右邊的LED送

13、位控制信號(hào)查表取字形碼送出一位顯示延時(shí)1ms指向下一格緩沖單元R0-1最左邊一位顯示嗎？位控制信號(hào)左移一位結(jié)束YNLP0 顯示程序流程行列式矩陣鍵盤，單片機(jī)對(duì)它的控制采用程序掃描即中斷查詢方式，A口為選通口，B口為顯示口，C口為查詢輸入口。調(diào)用子程序延遲12ms開始有鍵閉合否？有鍵閉合否？閉合鍵釋放？判斷閉合鍵鍵號(hào)棧鍵入鍵號(hào)A返回YYYNNN鍵盤掃描子程序流程圖爐溫采樣、數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)采樣值起始地址送R0采樣次數(shù)送R2選通IN0啟動(dòng)AD574延時(shí)A/D完成？所有采樣結(jié)束返回YNN采樣子程序流程圖（2CH）送A(2CH）（2DH）？(2CH）（2DH）？(2EH）（2CH）？(2DH）（2EH

14、）？(2DH）（2EH）？(2CH）（2EH）？（2CH）和（2DH）互換2（CH）送2AH返 回YNYYN（2DH）送2AH2DHNN（2DH）送2AH2DH（2EH）送2AH2DH（2EH）送2AH2DHYNNYY 數(shù)字濾波程序流程帶smith預(yù)估器的PID控制算法單回路控制系統(tǒng)中，控制器的傳遞函數(shù)為D(s)，被控對(duì)象傳遞函數(shù)為Gp(s)e-ts，被控對(duì)象中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)為Gp(s)，被控對(duì)象純滯后部分的傳遞函數(shù)為e-ts。傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)框圖：史密斯補(bǔ)償?shù)脑硎牵号c控制器D(s)并接一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用來補(bǔ)償被控對(duì)象中的純滯后部分，這個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為Gp(s)(1-e-ts)，t為純滯后時(shí)間，補(bǔ)償后的系統(tǒng)如圖所示?？刂破鱀(s)和史密斯預(yù)估器組成的補(bǔ)償回路稱為純滯后補(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)為 (6.44)可得史密斯預(yù)估器補(bǔ)償后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 為了補(bǔ)償滯后部分，添加補(bǔ)償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為Gp(s)(1-e-ts)。t為純滯后時(shí)間。在此處，需要使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)smith預(yù)估器。結(jié)構(gòu)框圖：史密斯補(bǔ)償計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)其中，H0(s)為零階保持器，帶零階保持器的廣義對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為D(z)就是要在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的史密斯補(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)為 D(z)，可以采用如下方法確定：不考慮系統(tǒng)純滯后部分，先構(gòu)造一個(gè)無時(shí)間滯后的閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)理想特性要求確定