電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

/學(xué)號：0121011360211課程設(shè)計(jì)題目電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)院專業(yè)班級姓名指導(dǎo)老師2013年7月4日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：指導(dǎo)老師：石云工作單位：題目:電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初始條件：設(shè)計(jì)一個(gè)電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度限制系統(tǒng)，系統(tǒng)為一階慣性純滯后特性（參數(shù)自定），溫度限制要求為500℃，溫度限制精度為1℃；通過LED顯示溫度；要求完成的主要任務(wù):輸入通道及輸出通道設(shè)計(jì)；LED接口設(shè)計(jì)；接受改進(jìn)PID限制算法；系統(tǒng)軟件流程及各程序模塊設(shè)計(jì)并用仿真軟件演示；完成符合要求的設(shè)計(jì)說明書。時(shí)間支配：2013年6月25日~2013年7月4日指導(dǎo)老師簽名：年月日系主任（或責(zé)任老師）簽名：年月日書目1限制對象 11.1限制對象介紹 11.2限制性能要求 12方案的比較和確定 13統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 23.1總體設(shè)計(jì) 23.2溫度檢測電路 33.3限制信號輸出通道 33.4LED顯示電路 44系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 54.1程序流程圖 54.2限制算法 65基MATLAB仿真被控對象 86.心得體會(huì) 10參考文獻(xiàn) 11附錄一電路圖 12附錄二程序代碼 13摘要當(dāng)今社會(huì)，隨著產(chǎn)品的精細(xì)化，溫度對產(chǎn)品的影響原來越受到人們的關(guān)注，于是，溫度限制成為了工業(yè)生產(chǎn)中重要的限制參數(shù)之一。這樣，一個(gè)能夠精確限制溫度的系統(tǒng)成為人們迫切的須要，它將能夠廣泛的被運(yùn)用于的各種加熱爐、精密器件制造、甚至于食品德業(yè)等。本次試驗(yàn)便以電阻爐的溫度限制為例，試圖探求一個(gè)具有良好穩(wěn)定性的溫度限制系統(tǒng)。本次試驗(yàn)以C51單片機(jī)為核心，接受溫度變送器橋路和固態(tài)繼電器控溫電路，該限制系統(tǒng)具有硬件成本低、控溫精度較高、牢靠性好、抗干擾實(shí)力強(qiáng)等特點(diǎn)?；镜南敕ㄊ牵篊51單片機(jī)能夠按要求對電阻爐進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和限制算法的確定，發(fā)出精確的限制叮囑；A/D轉(zhuǎn)換芯片將得到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；單片機(jī)對數(shù)字量進(jìn)行處理，得到應(yīng)有的限制量，去限制加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的限制。關(guān)鍵詞：單片機(jī)、電阻爐、溫度測量、限制系統(tǒng)電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1限制對象1.1限制對象介紹電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化工件和物料的熱加工設(shè)備。電阻爐由爐體、電氣限制系統(tǒng)和幫助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。電氣限制系統(tǒng)包括電子線路、微機(jī)限制、儀表顯示及電氣部件等。幫助系統(tǒng)通常指傳動(dòng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，雖爐種的不同而已。電阻爐的主要參數(shù)由額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸。生產(chǎn)率、空爐損耗功率、空爐升溫時(shí)間、爐溫限制精度及爐溫勻整性等1.2限制性能要求本設(shè)計(jì)要求限制一個(gè)電阻爐，它是一個(gè)具有很大滯后性的系統(tǒng)，慣性也很大，其傳遞函數(shù)的形式可以寫為，溫度限制要求為500℃，溫度限制精度為1℃，電阻爐的溫度還要通過LED實(shí)時(shí)顯示出來。2方案的比較和確定方案一系統(tǒng)接受8084芯片作為系統(tǒng)的微處理器。溫度信號由熱電偶檢測后轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)過預(yù)處理（放大）送到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號再送到8084芯片內(nèi)部進(jìn)行推斷或計(jì)算。從而輸出的限制信號來限制鍋爐是否加熱。但對于8084芯片來說，其內(nèi)部只有128個(gè)字節(jié)的RAM，沒有程序存儲器，并且系統(tǒng)的程序許多，要完成鍵盤、顯示等功能就必需對8084芯片進(jìn)行存儲器擴(kuò)展和I/O口擴(kuò)展，并且須要容量較大的程序存儲器，外擴(kuò)時(shí)占用的I/O口較多，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)困難化。方案二系統(tǒng)接受AT89C51作為系統(tǒng)的微處理器來完成對爐溫的限制和鍵盤顯示功能。C51單片機(jī)片內(nèi)除了128KB的RAM外，片內(nèi)又集成了4KB的ROM作為程序存儲器，是一個(gè)程序不超過4K字節(jié)的小系統(tǒng)。系統(tǒng)程序較多時(shí)，只須要外擴(kuò)一個(gè)容量較小的程序存儲器，占用的I/O口削減，同時(shí)也為鍵盤、顯示等功能的設(shè)計(jì)供應(yīng)了硬件資源，簡化了設(shè)計(jì)，降低了成本。因此89C51可以完成設(shè)計(jì)要求。綜上所述的二種方案，該設(shè)計(jì)選用方案二比較合適。3統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)3.1總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件包括微限制器部分（主機(jī)）、溫度檢測、溫度限制、人機(jī)對話（鍵盤/顯示）4個(gè)主要部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。系統(tǒng)程序接受模塊化設(shè)計(jì)方法，程序有主程序、中斷服務(wù)子程序和各功能模塊程序組成，各功能模塊可干脆調(diào)用。圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2溫度檢測電路溫度檢測電路包括溫度檢測電路、放大器和A/D轉(zhuǎn)換三部分。原理圖如圖3-2所示圖3-2溫度檢測電路Pt100溫度傳感器的測量范圍為：，符合題目中的溫度測量。它是利用金屬鉑在溫度變更時(shí)自身電阻值也隨之變更的特性來測量溫度的，顯示儀表將會(huì)指示出鉑電阻的電阻值所對應(yīng)的溫度值。當(dāng)被測介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)，測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。鉑電阻的阻值隨溫度的變更而變更的計(jì)算公式：-200<t<0℃Rt=R0[1+At+Bt+C(t-100)t]（3-1）0<t<850℃Rt=R0（1+At+Bt2）（3-2）Rt為t℃時(shí)的電阻值，R0為0℃時(shí)的阻值。公式中的A,B,系數(shù)為試驗(yàn)測定。這里給出標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)：A=3.90802*10-3℃；B=-5.802*10-7℃；C=-4.27350*10-12℃。3.3限制信號輸出通道該電路用到了芯片MOC3021，它是過零觸發(fā)雙硅輸出光耦。過零觸發(fā)是在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)，變更晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)來實(shí)現(xiàn)電壓或功率的限制。事實(shí)上它就相當(dāng)于一個(gè)用于溝通電路中的“電子開關(guān)”，這個(gè)電子開關(guān)的“接通”、“斷開”動(dòng)作是在溝通電流過“0”點(diǎn)完成的。這樣的電路，對用電負(fù)荷不會(huì)造成“電流沖擊”。電路的工作狀況是“斷續(xù)”的，適用于本系統(tǒng)熱慣性較大的電阻爐負(fù)載。限制信號輸出通道的電路圖如圖10所示，考慮到加熱系統(tǒng)具有較大的熱慣性，即一階慣性純滯后特性，本系統(tǒng)接受脈沖寬度調(diào)制（PWM）的限制方法，單片機(jī)輸出控溫信號。單片機(jī)輸出低電平常，使雙向可控硅導(dǎo)通，電熱絲通電；輸出高電平常，雙向可控硅截止，電熱絲斷電。其中，7407用于驅(qū)動(dòng)，供應(yīng)更大的電流驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管?？煽毓栝T極回路和220V電源相通，光電耦合器有效地把單片機(jī)系統(tǒng)和220V強(qiáng)電隔離，確保了單片機(jī)系統(tǒng)的平安性。原理圖如3-3所示圖3-3限制信號輸出通道3.4LED顯示電路由于溫度限制精度為1℃，設(shè)計(jì)中選取型號為7SEG-MPX4-CC的數(shù)碼管顯示器，其為共陰極數(shù)碼管。工作方式為動(dòng)態(tài)顯示方式。動(dòng)態(tài)顯示，就是微型機(jī)定時(shí)地對顯示器件掃描，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，仍感覺全部的器件都在顯示。圖3-4LED顯示電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1程序流程圖該限制系統(tǒng)的流程圖如圖4-1所示，首先對單片機(jī)的各個(gè)限制端口以及各個(gè)參數(shù)初始化，然后就啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等操作，使數(shù)據(jù)的精確性提高，然后進(jìn)行標(biāo)度變換，得到實(shí)際的測量溫度。把測量溫度進(jìn)行處理后送到數(shù)碼管顯示，把測量溫度和規(guī)定溫度作比較，推斷是否動(dòng)作。同時(shí)計(jì)算測量溫度和標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差，依據(jù)偏差推斷是進(jìn)行PID計(jì)算還是積分項(xiàng)改進(jìn)（分別）的PD計(jì)算，得到PWM脈沖限制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，然后程序重復(fù)執(zhí)行。圖4-1電阻爐系統(tǒng)限制流程圖4.2限制算法4.2.1限制算法的確定PID調(diào)整是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟的、應(yīng)用最廣泛的一種限制算方法。它結(jié)構(gòu)靈敏，不僅可以用常規(guī)的PID調(diào)整，而且可以依據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行改進(jìn)，適時(shí)的接受各種PID的變型，如PI、PD限制等，本次試驗(yàn)便是運(yùn)用改進(jìn)的PID限制算法，它具有許多特點(diǎn)，如不須要求出數(shù)學(xué)模型、限制效果好、能夠避開積分飽和、能夠消退積分不靈敏區(qū)等，特別是在溫度調(diào)整系統(tǒng)中，由于被控量變更較為緩慢且有慣性和滯后狀況，積分項(xiàng)往往會(huì)產(chǎn)生很大的積累，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生很大超調(diào)，甚至發(fā)生震蕩，運(yùn)用改進(jìn)PID限制算法可以將積分項(xiàng)進(jìn)行分別，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。改進(jìn)PID限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示：圖4-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖具有一階慣性純滯后特性的電阻爐系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型可表示為：（4-1）在改進(jìn)PID調(diào)整中，須要依據(jù)多次測試確定積分分別閾值β，當(dāng)時(shí)，接受PD限制，當(dāng)時(shí)，接受PID限制。閾值β確定要選取合適，若選取過大，達(dá)不到積分分別的目的，若選取過小，被控量無法跳出積分分別區(qū)，始終處于PD限制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。確定β時(shí)，可以先假設(shè)一個(gè)值，然后測試若干個(gè)不同的PI、PD參數(shù)，得出一組較好的限制參數(shù)。積分分別限制算法可表示為：（4-2）式中：T為采樣時(shí)間，a為積分項(xiàng)開關(guān)系數(shù)，當(dāng)時(shí)，a=0；時(shí)，a=1。為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；為比例系數(shù)。因此，爐溫限制系統(tǒng)的輸出量為：a=0，a=1，其中，為輸出量；、、分別為第t次、第t-1次和第t-2次采樣時(shí)刻的偏差值。由式可知：a=1時(shí)，比例系數(shù)和微分系數(shù)同時(shí)起作用，溫度快速接近設(shè)定值。a=0時(shí)，比例系數(shù)和微分系數(shù)同時(shí)起作用，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定接近設(shè)定值，避開超調(diào)和過沖。和PID限制算法相比，改進(jìn)PID限制算法有如下優(yōu)點(diǎn)：單純的PID限制算法無法發(fā)揮計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、邏輯推斷實(shí)力強(qiáng)、編程靈敏等優(yōu)勢，從而很難獲得更好的效果。而改進(jìn)PID限制算法則能夠更加靈敏的依據(jù)輸入量的變更和特點(diǎn)進(jìn)行算法調(diào)整，使輸出更加精確。（2）對于溫度這種變更緩慢的過程，PID算法的積分項(xiàng)會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生很大超調(diào)量和很長的調(diào)整時(shí)間，假如在較大時(shí)取消積分作用，在較小時(shí)才投入積分項(xiàng)，就可以很靈敏的避開這種狀況，獲得更加精確的調(diào)整。正因?yàn)榫哂猩鲜鰞?yōu)點(diǎn)，在實(shí)際限制中，改進(jìn)PID限制算法比標(biāo)準(zhǔn)PID限制算法應(yīng)用更加廣泛。5基MATLAB仿真被控對象由于在硬件電路中，我們看到的只是PID整定的結(jié)果，而對于其工作過程卻不清楚，因此為了更清楚的了解PID的調(diào)整過程，我們運(yùn)用MATLAB的SIMULINK功能對PID調(diào)整進(jìn)行仿真，得出其整定的工作波形，從而更直觀的看到PID調(diào)整過程。接受SIMULINK仿真，通過SIMULINK模塊實(shí)現(xiàn)積分分別PID限制算示。設(shè)采樣時(shí)間Ts=10s，被控對象為：SIMULINK仿真圖如圖5-1所示。圖5-1Simulink仿真圖選擇合適的Kp，Ki，Kd是系統(tǒng)的仿真效果趨于志向狀態(tài)。MATLAB編寫程序如下：clearall;closeall;ts=10sys=tf([1],[30,1],'inputdelay',80);dsys=c2d(sys,ts,'zoh');[num,den]=tfdata(dsys,'v');kp=5.2ki=0.1;kd=0.1MATLAB仿真波形如圖5-2所示。圖5-2MATLAB仿真波形6.心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)之初，通過老師的給的資料，對報(bào)告的要求和所設(shè)計(jì)的內(nèi)容有了確定的了解。由于對電阻爐，溫度傳感器等不是太了解，于是在我查詢了相關(guān)的資料，了解了電阻爐，溫度傳感器，依據(jù)題目的要求選擇了熱電阻中的鉑電阻。同時(shí)本次課程設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了51單片機(jī)、TLC2543等較多的芯片，為此查詢了相關(guān)芯片的引腳圖，對這些芯片有了大致的了解，在學(xué)會(huì)運(yùn)用這些芯片的過程，我也學(xué)到了許多的學(xué)問。本次課程設(shè)計(jì)讓protues，DiagramDesigner，word，Keil等軟件的運(yùn)用，增加了我的電腦操作實(shí)力，對單片機(jī)的運(yùn)用讓我重新回顧了C語言的運(yùn)用，對以前的學(xué)問有了復(fù)習(xí)的機(jī)會(huì)。而本次課程設(shè)計(jì)主要的難點(diǎn)也是在于程序的設(shè)計(jì)。本次課程設(shè)計(jì)中也遇到了些問題，如剛起先時(shí)題目的理解錯(cuò)誤，程序運(yùn)行出錯(cuò)，仿真出問題等，在同學(xué)的指導(dǎo)和幫助下，這些問題得到了確定的解決。在今后的學(xué)習(xí)生活中也是如此，除了自己的努力外，還需請教他人，學(xué)習(xí)他人的閱歷，讓今后的路更加的平坦。參考文獻(xiàn)[1]陳立周、陳宇.《單片機(jī)原理及其應(yīng)用》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006[2]于海生編著.計(jì)算機(jī)限制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2003[3]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì).北京：清華高校出版社，2005[4]于海生.《計(jì)算機(jī)限制技術(shù)》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.[5]劉紅麗、張菊秀.傳感和檢測技術(shù).國防工業(yè)出版社，2007.[6]康華光編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.高等教化出版社，2000附錄一電路圖附錄二程序代碼#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitD_OUT=P3^0;sbitD_IN=P3^1;sbit_CS=P3^2; sbitCLOCK=P3^3;//單片機(jī)和TLC2543連接的端口定義sbitC1=P2^1;sbitC0=P2^0;sbitC2=P2^2;sbitC3=P2^3;//單片機(jī)和數(shù)碼管位選連接的端口定義sbitdip=P0^7;//數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)的定義sbitgreen=P3^4;sbitred=P3^5;//報(bào)警燈的定義uintKP=10;//比例系數(shù)uintKI=5;//積分系數(shù)uintKD=3;//微分系數(shù)uintKC=5;//速度調(diào)整sbitHEAT=P2^7;//執(zhí)行裝置端口定義floatPWM;//脈沖調(diào)制寬度uinttemp;//溫度值ucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//數(shù)碼管顯示表/**************************************精確延時(shí)模塊*************************************/voiddelay(ucharn){ uchari; for(i=0;i<n;i++) _nop_();}/**************************************毫秒級延時(shí)模塊*************************************/voiddelayms(ucharm){ uintx,y; for(x=m;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);}/**************************************TLC2543驅(qū)動(dòng)模塊*************************************/uintread2543(ucharport){ uintad=0,i; CLOCK=0; _CS=0; port<<=4; for(i=0;i<12;i++) { if(D_OUT)ad|=0x01; D_IN=(bit)(port&0x80); CLOCK=1; delay(3); CLOCK=0; delay(3); port<<=1; ad<<=1; } _CS=1; ad>>=1; return(ad);}/**************************************溫度顯示函數(shù)*************************************/voiddisplay(ucharqian,ucharbai,ucharshi,ucharge){ P0=table[qian]; C0=0; delayms(2); C0=1; P0=table[bai]; C1=0; delayms(2); C1=1; P0=table[shi]; dip=1;C2=0; delayms(2); C2=1; P0=table[ge]; C3=0; delayms(2); C3=1;}/**************************************PID程序推斷計(jì)算模塊*************************************/voidPID(){uintdiff[19]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};uintum_diff=0;//Σ(diff)uinturr_=0;floatp_out,i_out,d_out,temp_pid;floatpwm_0;temp_pid=diff[curr_];if(curr_+1>=19)curr_=0;sum_diff-=diff[curr_];diff[curr_]=abs(key-(uint)(temp));sum_diff+=diff[curr_];p_out=KP*diff[curr_];//比例項(xiàng)輸出i_out=KI*sum_diff;//積分項(xiàng)輸出d_out=KD*(diff[curr_]-temp_pid);//微分項(xiàng)輸出pwm_0=KC*key;//維持功率項(xiàng)if(i_out>100)i_out=100;//積分分別