基于PID控制的淬火爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)PAGEPAGE2計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)號題目基于PID控制的淬火爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題性質(zhì)課程設(shè)計(jì)課題來源自擬課題指導(dǎo)教師主要內(nèi)容針對淬火爐爐溫控制系統(tǒng)的控制功能要求，設(shè)計(jì)一個計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?qū)Υ慊馉t內(nèi)的溫度進(jìn)行測量及顯示，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制淬火爐內(nèi)的溫度保持在給定值。任務(wù)要求第1天：熟悉課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求，針對課題查閱技術(shù)資料。第2天：確定設(shè)計(jì)方案。要求對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、比較、論證，畫出方框圖，并簡述工作原理。第3-4天：按照確定的方案設(shè)計(jì)單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，各單元電路的設(shè)計(jì)要有詳細(xì)論述。第5天：撰寫課程設(shè)計(jì)報告。要求內(nèi)容完整、圖表清晰、文理流暢、格式規(guī)范、方案合理、設(shè)計(jì)正確，篇幅不少于5000字。主要參考資料[1]沙占友.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例.北京：電子工業(yè)出版社，2005[2]樓然苗.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007[3]張毅剛等，MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)，哈工大出版社，2007年[4]張晉格．計(jì)算機(jī)控制原理與應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，1995審查意見系（教研室）主任簽字：年月日目錄1引言 31.1課題背景 31.2控制對象 31.3系統(tǒng)功能及技術(shù)要求 32總體方案設(shè)計(jì) 42.1控制方案選擇 42.2數(shù)學(xué)模型的建立 42.3控制算法的確定 52.4系統(tǒng)組成框圖及工作原理 53硬件電路設(shè)計(jì) 63.1微控制器 63.2A/D轉(zhuǎn)換模塊 63.3溫度測量電路 73.4溫度控制電路 73.5鍵盤與顯示電路 83.6報警電路 94軟件設(shè)計(jì) 94.1主程序流程圖 94.2中斷程序流程圖 105總結(jié) 12參考文獻(xiàn) 13附錄系統(tǒng)總原理圖 14圖2.1系統(tǒng)組成框圖工作原理：淬火爐的溫度由溫度傳感器獲得，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后送給單片機(jī)，然后經(jīng)相應(yīng)的顯示電路顯示出來。工作人員根據(jù)工序所需溫度然后通過鍵盤把相應(yīng)的指令送入單片機(jī)，經(jīng)過光耦驅(qū)動電路和可控硅控制器的控制使淬火爐的溫度滿足工序的需要。報警電路則是在淬火爐溫度低于600℃或高于800℃的時候發(fā)出報警信號。3硬件電路設(shè)計(jì)3.1微控制器AT89C51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(jī)。單片機(jī)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。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價格低廉的方案。3.2A/D轉(zhuǎn)換模塊系統(tǒng)中的AD轉(zhuǎn)換模塊的功能主要是由AD574來實(shí)現(xiàn)的，AD574是12位逐次逼近型的AD轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)有數(shù)據(jù)輸出寄存器并有三態(tài)輸出的控制邏輯。其運(yùn)算方式靈活，可進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換，也可進(jìn)行8位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果可直接12位輸出，也可先輸出高8位，后輸出低4位。片內(nèi)有時鐘電路，無需外部時鐘。3.3溫度測量電路本系統(tǒng)采用熱電偶來采集溫度，熱電偶是一種感溫元件，它把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢，即熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表，分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。3.4溫度控制電路電阻絲由過零觸發(fā)型的雙向晶閘管整流電路驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)加熱阻絲上的平均電壓來控制加熱功率，最終達(dá)到控制爐溫的目的，其原理見圖3.1。MOC3021是晶閘管型光電隔離器件，它只能觸發(fā)小功率晶閘管。因此，本系統(tǒng)中通過MOC3021控制雙向晶閘管T1，再由T1控制主電路的雙向晶閘管T2。將當(dāng)前溫度與預(yù)置溫度比較，當(dāng)前溫度小于預(yù)置溫度時，繼電器閉合，接通電阻絲加熱；當(dāng)前溫度大于預(yù)置溫度時，繼電器斷開，停止加熱；當(dāng)二者相等時電路保持原來狀態(tài)；當(dāng)溫度降低到比預(yù)置溫度低2℃時，再重新啟動加熱；當(dāng)前溫度超出報警上下限時將啟動報警，并停止加熱。由于淬火爐加熱時，當(dāng)前溫度有可能低于報警下限，為防止誤報，在未達(dá)到預(yù)置溫度時，不允許報警，為此設(shè)置了報警允許標(biāo)志位F0。圖加熱控制電路原理圖3.5鍵盤與顯示電路鍵盤可以分為獨(dú)立連接式和行列式（矩陣式）兩類。獨(dú)立式鍵盤是各按鍵相互獨(dú)立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線，電路簡單。但是當(dāng)按鍵較多時，要占用較多的I/O口線。為了減少鍵盤與單片機(jī)接口時所占用I/O線的數(shù)目，在鍵數(shù)較多時，通常將鍵盤排列成行列矩陣形式。本系統(tǒng)允許用戶根據(jù)需要隨時改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)和控制參數(shù)，為此設(shè)置了4位LED顯示和相應(yīng)的操作鍵盤，并由專用控制芯片8279實(shí)現(xiàn)與CPU的接口。采用8279后，可以節(jié)省CPU用于查詢鍵盤輸入和管理顯示輸出的時間，降低了對CPU處理速度的要求，同時也減少了軟件工作量。接口電路圖如圖3.2所示。 圖U鍵盤與顯示電路其工作原理：用8行2列擴(kuò)展14個鍵盤。8條行線分別接到8279的RL0～RL7，2條列線接74LS138的BO、B1輸出端。假設(shè)B0為低電平，B1為高電平，若BO這列有鍵按下，則該行被拉為低電平。因此，如果某列掃描信號為低電平，這列中有某一行輸入到8279為低電平，則可以知道該行和列交叉的鍵被按下。當(dāng)然，這些工作是由8279自動掃描來完成的，不需要CPU的干涉。3.6報警電路在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)報警電路是很重要的，在本系統(tǒng)中檢測的溫度信號高于或低于測溫范圍時發(fā)出警告信號，保證性能好、結(jié)構(gòu)簡單、適用，所以選擇鳴音報警。本系統(tǒng)中分別設(shè)計(jì)了斷點(diǎn)報警信號和恒溫完成報警信號，均采用揚(yáng)聲器加指示燈的方法來進(jìn)行報警，其電路如圖3.3所示。若出現(xiàn)斷偶故障，則輸入P2.5由低變高，紅色指示燈亮，同時揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。若恒溫時間到，則輸入P2.4由低變高，黃色指示燈亮，同時揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。P2.5P2.51KYELLOWP2.4R161KR151KR181KREDNPN1+5NPN2A0+5LS2SPEAKERLS1SPEAKERR171K圖3.3報警與指示電路4軟件設(shè)計(jì)4.1主程序流程圖主程序流程圖如圖4.1所示。熱電偶檢測到的溫度經(jīng)MAX6675放大和A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，程序首先在液晶顯示器上顯示開始設(shè)定的溫度和實(shí)際溫度，接著一直掃描鍵盤，如果KS0按下一次，則設(shè)定溫度加1，并在液晶顯示器上顯示出來；如果KS1按下一次，則設(shè)定溫度減1，在液晶顯示器上顯示出來。將設(shè)定值溫度與實(shí)際值比較，計(jì)算差值，如果實(shí)際溫度小于設(shè)定溫度，將差值送入AD轉(zhuǎn)換器，使加熱電路進(jìn)行加熱，如果實(shí)際溫度大于設(shè)定溫度，因?yàn)闆]有冷卻裝置，只能不進(jìn)行加熱，是溫度自然降下來。運(yùn)行過程對鍵盤掃描重復(fù)上述過程。 圖4.1主程序流程圖4.2中斷程序流程圖主程序首先進(jìn)行初始化，包括I/O口、定時器、中斷系統(tǒng)、8255A的初始化，然后等待定時器中斷。在定時器中斷服務(wù)子程序中，先判斷30s到否，若未滿30s，則返回；若到30s，則進(jìn)行一系列操作：檢測鍵盤設(shè)定值、檢測溫度并進(jìn)行標(biāo)度變換，刷新顯示溫度，輸出溫度控制，并根據(jù)溫度檢測值是否超限而報警等。系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)屬中斷方式，系統(tǒng)功能均在中斷服務(wù)子程序中完成，30s完成一次。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)，可將程序劃分為幾個功能模塊：溫度設(shè)定輸入、溫度檢測、溫度值標(biāo)度變換、溫度顯示、PID算法、溫度控制、報警。中斷程序流程圖如圖4.2所示：圖4.2中斷程序流程圖5總結(jié)大三下學(xué)期開了五門專業(yè)課，各種學(xué)科相互交叉，好多東西我都不是很理解不能夠掌握其精髓，課程設(shè)計(jì)幫我及時梳理了這么多的知識，讓我能把所學(xué)的知識應(yīng)用于實(shí)踐，對即將進(jìn)入社會的我有很大的幫助。課程設(shè)計(jì)是對我們這學(xué)期學(xué)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)這門課的理論知識的一個綜合測評，是對我們將理論結(jié)合實(shí)踐的綜合能力的考查，是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識的途徑。在此次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了許多平時課堂上學(xué)不到的東西，比如：單片機(jī)系統(tǒng)的可行性分析、淬火爐的設(shè)計(jì)與制作、各種器件的選型等。在設(shè)計(jì)過程中我還遇到了許多難以解決的問題，并為之投入了大量的時間和精力?；叵肫疬@次的課程設(shè)計(jì)，我感觸頗多，為很多從沒碰到的問題而絞盡腦汁，為無法找出的錯誤而郁悶煩躁,也曾經(jīng)為取得的一小步成功而欣喜過……幾分欣喜幾分愁，終于，功夫不負(fù)有心人,最終我成功了，看著自己做的課程設(shè)計(jì)，看看自己親自用Protel畫的電路圖及用Visio做的程序流程圖，我激動不已。在本次設(shè)計(jì)中，我發(fā)現(xiàn)了自己的許多缺點(diǎn)，比如：知識面太窄，學(xué)習(xí)知識不牢固，在硬件上的水平還比較差，不能很好地將自己所學(xué)的知識與實(shí)際相結(jié)合等。所以，在以后的學(xué)習(xí)中，我會努力完善自己，使自己的實(shí)踐動手能力進(jìn)一步提高。參考文獻(xiàn)[1]趙建領(lǐng)．51單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)詳解．北京：電子工業(yè)出版社，2009[2]熊靜琪．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)．北京：電子工業(yè)出版社，2003[3]高金源．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001[4]張晉格．計(jì)算機(jī)控制原理與應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，1995[5]沙占友