HEFEIUNIVERSITY基于大林算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程名稱計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)班級(jí)10級(jí)自動(dòng)化1班日期2013/06/202010級(jí)自動(dòng)化專業(yè)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書任務(wù)分工針對(duì)本次設(shè)計(jì)課題，我們明確了各自的分工，顧勝池主要負(fù)責(zé)軟件程序的編寫、連接和調(diào)試，黃安福主要負(fù)責(zé)各個(gè)模塊硬件的仿真和調(diào)試和部分模塊程序的編寫，柴文峰負(fù)責(zé)報(bào)告的整理。論文題目基于大林算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)類型設(shè)計(jì)型導(dǎo)師姓名主要內(nèi)容及目標(biāo)電阻加熱爐用于合金鋼產(chǎn)品熱力特性實(shí)驗(yàn)，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。在本控制對(duì)象電阻加熱爐功率為8KW，有220V交流電源供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)針對(duì)一個(gè)溫區(qū)進(jìn)行控制，要求控制溫度范圍50350，保溫階段溫度控制精度為1。選擇合適的傳感器，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過(guò)雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓，其對(duì)象溫控?cái)?shù)學(xué)模型為其中時(shí)1SDKEGST間常數(shù)350秒，放大系數(shù)50，滯后時(shí)間10秒，控制算法選用大林算DTDK法。件條1PC機(jī)一臺(tái)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)計(jì)劃學(xué)生數(shù)及任務(wù)3人（1）明確課題功能。（2）把復(fù)雜問(wèn)題分解為若干模塊，確定各模塊處理方法，畫出流程圖。（3）存儲(chǔ)器資源分配（4）編制程序，根據(jù)流程圖來(lái)編制源程序（5）對(duì)程序進(jìn)行匯編，調(diào)試和修改，直到程序運(yùn)行結(jié)果正確為止。計(jì)劃設(shè)計(jì)進(jìn)程一、總體方案設(shè)計(jì)二、控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)三、硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1、選擇計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)選用51內(nèi)核的單片機(jī)2、設(shè)計(jì)支持計(jì)算機(jī)工作的外圍電路EPROM、RAM、I/O端口、鍵盤、顯示接口電路等；3、設(shè)計(jì)輸入信號(hào)接口電路；4、設(shè)計(jì)DA轉(zhuǎn)換和電流驅(qū)動(dòng)接口電路；5、其它相關(guān)電路的設(shè)計(jì)或方案電源、通信等。四、軟件設(shè)計(jì)1、分配系統(tǒng)資源，編寫系統(tǒng)初始化和主程序模塊框圖；2、編寫AD轉(zhuǎn)換和溫度檢測(cè)子程序框圖；3、編寫控制程序和DA轉(zhuǎn)換控制子程序模塊框圖；4、其它程序模塊顯示與鍵盤等處理程序框圖。五、編寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖A3幅面。摘要電加熱爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。其控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、控制精度低。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。常規(guī)的溫度控制方法以設(shè)定溫度為臨界點(diǎn)，超出設(shè)定允許范圍即進(jìn)行溫度調(diào)控低于設(shè)定值就加熱，反之就停止或降溫。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、容易引起震蕩，達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)的時(shí)間也長(zhǎng)，因此，只能用在精度要求不高的場(chǎng)合。電加熱爐是典型的工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象，在我國(guó)應(yīng)用廣泛。電加熱爐的溫度控制具有升溫單向性，大慣性，大滯后，時(shí)變性等特點(diǎn)。其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無(wú)法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達(dá)到理想的控制效果。本設(shè)計(jì)采用大林算法進(jìn)行溫度控制，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)延遲環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的較為精確的控制。關(guān)鍵詞單片機(jī)；A/D、D/A；達(dá)林算法；傳感器；爐溫控制目錄一、緒論511系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景512技術(shù)綜述5二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)52、1系統(tǒng)概述52、2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖5三、硬件設(shè)計(jì)73、1微處理器80C5173、2溫度傳感器83、3驅(qū)動(dòng)電路93、4鍵盤模塊93、5LED顯示模塊10四、軟件設(shè)計(jì)114、1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)114、2大林算法的系統(tǒng)設(shè)計(jì)114、3程序控制流程圖13五、調(diào)試運(yùn)行14六、課程設(shè)計(jì)總結(jié)15參考文獻(xiàn)17附錄一系統(tǒng)原理圖18附錄二程序18一、緒論11系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景近年來(lái)，加熱爐溫度控制系統(tǒng)是比較常見(jiàn)和典型的過(guò)程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的被控參數(shù)之一，冶金機(jī)械食品化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛使用的各種加熱爐熱處理爐反應(yīng)爐，對(duì)工件的處理均需要對(duì)溫度進(jìn)行控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和家居生活過(guò)程中常需對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。由于許多實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù)，由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)所取代。12技術(shù)綜述自70年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應(yīng)參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2、1系統(tǒng)概述本設(shè)計(jì)在硬件部分選擇了單片機(jī)的AT80C51芯片為核心控制部分，輸出為K型熱電偶傳感器，檢測(cè)溫度后傳回單片機(jī)系統(tǒng)，最后經(jīng)過(guò)溫度控制系統(tǒng)，從而加熱電阻，來(lái)達(dá)到控制電加熱爐的目的。2、2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖電加熱爐控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖21LED顯示驅(qū)動(dòng)模塊熱電偶傳感器AT80C51電加熱爐鍵盤圖21系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖加熱爐溫度控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程是首先溫度傳感器將加熱爐的溫度傳回單片機(jī)，然后AT80C51芯片將給定的溫度值與反饋回來(lái)的溫度值進(jìn)行比較并經(jīng)過(guò)最小拍無(wú)紋波算法運(yùn)算處理后，傳給溫度控制系統(tǒng)，判斷加熱器材輸出端導(dǎo)通與否從而使加熱爐開(kāi)始加熱或停止加熱。既加熱爐溫度控制得到實(shí)現(xiàn)。其中單片機(jī)的80C51系統(tǒng)為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分起著重要作用。三、硬件設(shè)計(jì)3、1微處理器80C51本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單片機(jī)采用80C51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高頻率晶振，以獲得較高的刷新頻率，時(shí)期顯示更穩(wěn)定。圖31單片機(jī)芯片引腳圖3、2溫度傳感器在溫度傳感器部分，選擇了K型熱電偶傳感器。1K型熱電偶的測(cè)溫原理熱電傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件的參數(shù)隨溫度變化的特性，將溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電量變化輸出的裝置。兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路就構(gòu)成了熱電偶，熱電偶兩端為兩個(gè)熱電極，溫度高的接點(diǎn)為熱端、測(cè)量端或自由端；溫度低的接點(diǎn)為冷端、參考端或自由端。測(cè)量時(shí)，將工作端置于被測(cè)溫度場(chǎng)中，自由端恒定在某一溫度。熱電偶是基于熱電效應(yīng)工作的，熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成的。2MAX6675單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其工作原理如下K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，經(jīng)過(guò)低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢(shì)信號(hào)U1，再經(jīng)過(guò)S4送至ADC。對(duì)于K型熱電偶，電壓變化率為（41V/），電壓可由如下公式來(lái)近似熱電偶的特性。U1（41V/）（TT0）上式中，U1為熱電偶輸出電壓（MV），T是測(cè)量點(diǎn)溫度；T0是周圍溫度。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0實(shí)際參考值之間的差值。通過(guò)冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉(zhuǎn)換器。U2（41V/）T0在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫度值T。這就是MAX6675進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測(cè)量溫度的原理如圖32所示。圖32溫度采集電路3、3驅(qū)動(dòng)電路圖33驅(qū)動(dòng)電路3、4鍵盤模塊在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，輸入設(shè)備采用矩陣鍵盤圖34鍵盤模塊電路當(dāng)“設(shè)定”鍵按下時(shí)觸發(fā)鍵盤中斷服務(wù)程序，由程序程控掃描法確定那個(gè)鍵按下并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。程控掃描的任務(wù)是1首先判斷是否有鍵按下。方法使所有的行輸出均為低電平，然后從端口A讀入列值。如果沒(méi)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(dòng)。方法延時(shí)1020MS，再一次判斷有無(wú)鍵按下，如果此時(shí)仍有鍵按下，則認(rèn)為鍵盤上確實(shí)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(duì)鍵盤逐行掃描。（4）程序中需等閉合鍵釋放后才對(duì)其進(jìn)行處理。3、5LED顯示模塊圖35LM016L液晶模塊LM016L液晶模塊采用HD44780控制器。HD44780具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)、閃爍等功能。LM016L與單片機(jī)MCU（MICROCONTROLLERUNIT）通訊可采用8位或者4位并行傳輸兩種方式。HD44780控制器由兩個(gè)8位寄存器、指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）、忙標(biāo)志（BF）、顯示數(shù)據(jù)RAM（DDRAM）、字符發(fā)生器ROM（CGROM）、字符發(fā)生器RAM（CGRAM）、地址計(jì)數(shù)器（AC）。IR用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出；DR用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動(dòng)寫入DDRAM和CGRAM，或者暫存從DDRAM和CGRAM讀出的數(shù)據(jù)。BF為1時(shí)，液晶模塊處于內(nèi)部處理模式，不響應(yīng)外部操作指令和接受數(shù)據(jù)。DDRAM用來(lái)存儲(chǔ)顯示的字符，能存儲(chǔ)80個(gè)字符碼。CGROM由8位字符碼生成57點(diǎn)陣字符160種和510點(diǎn)陣字符32種，8位字符編碼和字符的應(yīng)關(guān)系。四、軟件設(shè)計(jì)4、1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件主要包括溫度的采樣和處理、控制計(jì)算、控制輸出、中斷、顯示、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修改。其中控制算法采用最小拍無(wú)紋波控制算法，以達(dá)到更好的控制效果?？紤]到電加熱爐是一個(gè)非線性、時(shí)變和分布參數(shù)系統(tǒng)，所以本文采用一種新型的智能控制算法。它充分吸取數(shù)學(xué)和自動(dòng)控制理論成果，與定性知識(shí)相結(jié)合，做到取長(zhǎng)補(bǔ)短，在實(shí)時(shí)控制中取得較好的成果。其中，系統(tǒng)的軟件流程圖如圖41系統(tǒng)軟件流程圖4、2大林算法的系統(tǒng)設(shè)計(jì)大林算法中DZ的基本形式設(shè)被控對(duì)象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)分別為其中T1為被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，為被控對(duì)象的純延遲時(shí)間，為了簡(jiǎn)化，設(shè)其為采樣周期的整數(shù)倍，即N為正整數(shù)。由于大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即，其中由于一般控制對(duì)象均與一個(gè)零階保持器相串聯(lián)，所以相應(yīng)的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)是（23）于是數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為（24）DZ可由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。由上式可知，它與被控對(duì)象有關(guān)。下面對(duì)一階純滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行討論。一階慣性環(huán)節(jié)的大林算法的DZ基本形式當(dāng)被控對(duì)象是帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)，由式（21）的傳遞函數(shù)可知，其脈沖傳遞函數(shù)為將此式代入（24），可得（25）式中T采樣周期350秒被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)50；閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)10秒。4、3程序控制流程圖1、程序流程基本思路控制過(guò)程手動(dòng)輸入一個(gè)溫度設(shè)定值，需要調(diào)用鍵盤掃描子程序，再由傳感器檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度值，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送單片機(jī)處理，調(diào)用溫度控制子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制，調(diào)用顯示子程序?qū)⑻幚砗蟮慕Y(jié)果送LCD顯示。在使用鍵盤時(shí)，要考慮鍵盤的去抖問(wèn)題，消抖處理有硬件和軟件兩種方法硬件消抖是利用加抖動(dòng)電路濾避免產(chǎn)生抖動(dòng)信號(hào)；軟件消抖是利用數(shù)字濾波技術(shù)來(lái)消除抖動(dòng)。我們采用軟件的方法，利用主程序循環(huán)掃描，主程序每循環(huán)一次掃描到的鍵值相同時(shí)，則說(shuō)明是某鍵按下。2、A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖43所示返回圖43A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖3、溫度控制流程圖如圖44所示圖44溫度控制流程圖五、調(diào)試運(yùn)行通過(guò)PROTEUS仿真和程序調(diào)試，基本完成了設(shè)計(jì)任務(wù)溫度傳感器將加熱爐的溫度傳回單片機(jī)，然后AT80C51芯片將給定的溫度值與反饋回來(lái)的溫度值進(jìn)行比較并經(jīng)過(guò)算法處理后，傳給溫度控制系統(tǒng)，判斷加熱器材輸出端導(dǎo)通與否從而使加熱爐開(kāi)始加熱或停止加熱，使加熱爐溫度控制得到實(shí)現(xiàn)返回圖51運(yùn)行顯示狀態(tài)六、課程設(shè)計(jì)總結(jié)兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會(huì)了合作，學(xué)會(huì)了運(yùn)籌帷幄，學(xué)會(huì)了寬容，學(xué)會(huì)了理解，也學(xué)會(huì)了做人與處世。課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程”千里之行始于足下”，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開(kāi)這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)這次模具設(shè)計(jì)，本人在多方面都有所提高。通過(guò)這次模具設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)進(jìn)行一次基于達(dá)林算法的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立工作能力，鞏固與達(dá)林算法設(shè)計(jì)等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握基于達(dá)林算法的設(shè)計(jì)的方法和步驟，掌握達(dá)林算法設(shè)計(jì)的基本的模型，怎樣確定設(shè)計(jì)方案，提高了計(jì)算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的能力也有了提高。在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，體現(xiàn)出自己?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)的能力以及綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，體會(huì)了學(xué)以致用、突出自己勞動(dòng)成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時(shí)學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。在此感謝我們的丁健老師，老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪；這次模具設(shè)計(jì)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和每個(gè)數(shù)據(jù)，都離不開(kāi)老師您的細(xì)心指導(dǎo)。而您開(kāi)朗的個(gè)性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設(shè)計(jì)。同時(shí)感謝對(duì)我?guī)椭^(guò)的同學(xué)們，謝謝你們對(duì)我的幫助和支持，讓我感受到同學(xué)的友誼。由于本人的設(shè)計(jì)能力有限，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，懇請(qǐng)老師們多多指教,我十分樂(lè)意接受你們的批評(píng)與指正，本人將萬(wàn)分感謝。參考文獻(xiàn)1梅麗鳳，單片機(jī)原理及接口技術(shù)，北京