電熱爐溫度控制設(shè)計

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)計報告書課程名稱： 電爐溫度控制系統(tǒng)班 級： 自動化2008級（1）班 學(xué) 號： 200804134012 姓 名： 鄭振 二一一年 十二月設(shè)計題目: 電爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計要求: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 。采用雙向晶閘管對電爐系統(tǒng)進行控制，采用16位A/D和8位單片機實現(xiàn)溫度控制。設(shè)計內(nèi)容：1 設(shè)計電氣原理圖2 寫出詳細設(shè)計過程3 采用Smith預(yù)估算法，畫出程序框圖設(shè)計方案:方案概覽：結(jié)合本設(shè)計的要求和技術(shù)指標，通過對系統(tǒng)大致程序量的估計和系統(tǒng)工作速度的估計以及I/O口

2、需求量的估計，考慮價格因素。選8051單片機作為系統(tǒng)的主要控制芯片，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1143，采用鎳鉻/鎳硅熱電偶進行溫度檢測其測溫范圍為0-1000，8051對溫度的控制是通過雙向可控硅實現(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間即可改變加熱絲的功率，以達到調(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)換為對應(yīng)的電信號的變化，由于熱電偶的結(jié)構(gòu)簡單制造容易，測量范圍廣，在高溫測量中有較高的精度，所以選用鎳鉻/鎳硅熱電偶做熱電傳感器，測溫范圍0-1000，最高可測量1300。滿足0-600的要求。熱電

3、偶把測量的爐溫溫度信號轉(zhuǎn)換成弱電壓信號，經(jīng)過信號放大電路，放大后的信號輸人到A/D轉(zhuǎn)換器(ADC1143)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸人主機(單片機8051)，并送往外接顯示電路，主機對電爐溫度和設(shè)定溫度進行比較后如果越限，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)，門電路信號輸人光偶管轉(zhuǎn)換成電流信號，經(jīng)過三級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)脈沖的來臨時間，從而控制可控硅的通斷時間，以達到對電爐加熱絲溫度的調(diào)節(jié)和功率的改變，實現(xiàn)對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。此時繼電器不工作。按下F1按鍵，溫度控制系統(tǒng)進入溫度控制點的設(shè)制。此時，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”按鍵的時候，單片機就會根據(jù)所寫入的程序，對系統(tǒng)進行控制。當(dāng)設(shè)置的溫度高于當(dāng)前的溫度時，單片機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，單片機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，從而達到自動控制溫度的功能?？傮w結(jié)構(gòu)圖：系統(tǒng)的硬件電路有溫度檢測、信號放大、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。爐溫采樣點溫度傳感器濾波信號放大AD轉(zhuǎn)換單片機系統(tǒng)（8031）雙向可控硅光耦驅(qū)動過零脈沖提取計時電爐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量溫度的方法分為兩大類:一類是接觸式的,即通過測溫元件與被測物體的接觸而感知物體的溫度；另一類是非接觸的,即通過接收被測物體發(fā)出的輻射熱來判斷溫度。由于本系統(tǒng)測量的溫度值在：0600，所以最常用的最經(jīng)濟的方法是用熱電偶來測量。熱電偶出來的電壓為mv級，所以必須放大后進入A/D電路。采用OP07運放組成低漂移高精度前置放大器，對幾十微伏變化信號測量比較精確，其放大倍數(shù)與

6、RF3/RF2成正比，可根據(jù)需要設(shè)計。其中OP07的1、4、5端與RW1構(gòu)成調(diào)零電路。再接一級由運放741構(gòu)成的放大器就可將毫伏級信號放大到需要的幅度，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單片機的接口一

7、文。A/D轉(zhuǎn)換 電路選用ADC1143.特點：16位高分辨率轉(zhuǎn)換時間：ADC1143J最大轉(zhuǎn)換時間70ADC1143K最大轉(zhuǎn)換時間為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)動后才能與8051數(shù)據(jù)線P0口連接，啟動命令由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)信號經(jīng)一級反相后再接P3.2（INT0）即可。由P2.5（A13），P2.4（A12），P3.7（/ RD）通過兩個或門分別選擇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)碼顯示在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，同時需要使用鍵盤與顯示器接口時，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)成實用鍵盤和顯示電路，下圖是典型實用的、采用8155并行擴展口構(gòu)成的鍵盤、顯示器電路。圖中設(shè)置了15個鍵，單片機應(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LED顯示器采用共陰極方式，段選碼由8155PB口提供，位信號有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個按鍵，用于方便設(shè)定溫度。數(shù)字按鍵10個，輸入數(shù)字09和小數(shù)點；確認鍵一個，設(shè)置的確認，修改設(shè)置溫度時進行確認；清除鍵一個，設(shè)置的清除，修改設(shè)置溫度時進行刪除；F1鍵一個，顯示及設(shè)置轉(zhuǎn)換到預(yù)設(shè)溫度點，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：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直流電壓，那么，在電壓過零時，晶閘管會自行關(guān)斷?？刂撇糠衷砜驁D：220V交流電變壓器比較器單片機觸發(fā)脈沖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器同步光耦及驅(qū)動雙向晶閘管加熱絲溫度控制原理框圖單片機對溫度的控制是通過可控硅調(diào)功電路實現(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間便可改變加熱絲功率，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的?？煽毓柙诮o定周期T的100%時間內(nèi)接通時的功率最大?？煽毓杞油〞r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)動器輸出送到可控硅的控制

12、級上。過零同步脈沖是一種50HZ交流電壓過零時刻的脈沖，使可控硅在交流電壓正弦波過零時刻觸發(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 行 嗎？N中 斷Y 圖4.1 主程序流程簡圖T1中斷程序清標志位D5H停止輸出返回圖4.2 T1中斷程序流程采樣爐溫數(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)場返回鍵盤掃描和溫度顯示程序設(shè)計DIS指向顯示緩沖區(qū)末址7EH先點亮最右邊的LED送

13、位控制信號查表取字形碼送出一位顯示延時1ms指向下一格緩沖單元R0-1最左邊一位顯示嗎？位控制信號左移一位結(jié)束YNLP0 顯示程序流程行列式矩陣鍵盤，單片機對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？判斷閉合鍵鍵號棧鍵入鍵號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)計采樣值起始地址送R0采樣次數(shù)送R2選通IN0啟動AD574延時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)，被控對象傳遞函數(shù)為Gp(s)e-ts，被控對象中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)為Gp(s)，被控對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：史密斯補償?shù)脑硎牵号c控制器D(s)并接一個補償環(huán)節(jié)，用來補償被控對象中的純滯后部分，這個補償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為Gp(s)(1-e-ts)，t為純滯后時間，補償后的系統(tǒng)如圖所示。控制器D(s)和史密斯預(yù)估器組成的補償回路稱為純滯后補償器，其傳遞函數(shù)為 (6.44)可得史密斯預(yù)估器補償后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 為了補償滯后部分，添加補償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為Gp(s)(1-e-ts)。t為純滯后時間。在此處，需要使用計算機實現(xiàn)smith預(yù)估器。結(jié)構(gòu)框圖：史密斯補償計算機控制系統(tǒng)其中，H0(s)為零階保持器，帶零階保持器的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為D(z)就是要在計算機控制系統(tǒng)中實現(xiàn)的史密斯補償器，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)造一個無時間滯后的閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)理想特性要求確定