CHENGDUUNIVERSITY

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目電加熱爐計(jì)算機(jī)溫度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院（部）電子信息工程學(xué)院專業(yè)自動化學(xué)生姓名學(xué)號年級指導(dǎo)教師職稱2011年7月1日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章引言2\o"CurrentDocument"第二章系統(tǒng)工作原理3\o"CurrentDocument"第三章硬件設(shè)計(jì)部分.4\o"CurrentDocument"3.1電源部分43.2A/D轉(zhuǎn)換電路4\o"CurrentDocument"3.3溫度采樣測量部分63.4LED顯示電路63.5功能鍵7\o"CurrentDocument"3.6信號輸出電路8

\o"CurrentDocument"第四章軟件設(shè)計(jì)部分9\o"CurrentDocument"4.1系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)9\o"CurrentDocument"A/D轉(zhuǎn)換器程序流程圖11LED顯示模塊程序流程圖12\o"CurrentDocument"4.4報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)124.5鍵盤模塊程序設(shè)計(jì)13\o"CurrentDocument"4.6控制對象數(shù)學(xué)模型13\o"CurrentDocument"心得體會15\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)16第一章引言溫度是工業(yè)對象中的很重要參數(shù)的之一。廣泛使用在冶金、化工、機(jī)械各類加熱爐熱、處理爐和反應(yīng)爐等工業(yè)中。電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛使用，并且在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。對于這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效果。單片機(jī)以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛使用。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可以提高控制質(zhì)量和自動化水平。第二章系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)的單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)控制器、可控硅輸出部分、傳感器、溫度變送器以及被控對象組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。其工作原理：爐溫控制程序及溫度和熱電偶電勢之間的對于關(guān)系表存放在EPROM2746中，雙向可控硅采用過零觸發(fā)方式。觸發(fā)脈沖由過零同步脈沖形成電路提供。在每個工作周期T內(nèi)的工作占空比和單片機(jī)輸出的門控脈沖信號決定。鍵盤和顯示器用于各種參數(shù)的設(shè)置和顯示。熱電偶和放大器將被測溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢信號并放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器換成相應(yīng)的數(shù)字量供單片機(jī)識別處理。單片機(jī)每隔一定時間要啟動一次A/D轉(zhuǎn)換、采樣一次現(xiàn)場溫度，將溫度數(shù)據(jù)和給定溫度W進(jìn)行比較，得到溫差，再根據(jù)偏差的大小和正負(fù)，通過PID控制算法送出1個相應(yīng)脈沖，讓一定數(shù)量的觸發(fā)脈沖在高電平上通過控制門去觸發(fā)可控硅，送入8031，通過鍵盤顯示來去控制溫度。同時反應(yīng)爐溫的熱電偶的電勢，經(jīng)冷端補(bǔ)償后送運(yùn)算放大器放大，其電壓范圍為0~10V，將此電壓經(jīng)多路開關(guān)送入12位A/D轉(zhuǎn)換器后，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)口獲得相應(yīng)的表征爐溫的數(shù)字量。該數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波、線性化處理以及標(biāo)度

變換后，一方面通過LED顯示爐溫，另一方面當(dāng)采樣周期到達(dá)時，和設(shè)定溫度進(jìn)行比較，再做PD/PID運(yùn)算；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果。計(jì)算機(jī)通過I/O口改變控制脈沖寬度，從而改變雙向可控硅在一個固定的控制周期T內(nèi)導(dǎo)通的時間（或交流電的周波數(shù)），即改變電加熱爐的平均輸入功率，以此達(dá)到控溫的目的。單片楸第鍵盤A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)彳更件結(jié)構(gòu)框暨器低漂移毫伏放溫度變送熱八、、電偶硬件設(shè)計(jì)部分P固態(tài)繼電器溫度控制電加熱溫度給定值單片楸第鍵盤A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)彳更件結(jié)構(gòu)框暨器低漂移毫伏放溫度變送熱八、、電偶硬件設(shè)計(jì)部分P固態(tài)繼電器溫度控制電加熱溫度給定值本系統(tǒng)所需電源有220V交流市電、直流5V電壓和低壓交流電，故需要變壓器、整流裝置和穩(wěn)壓芯片等組成電源電路。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動（一般有+-10%左右的波動）、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后,還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。整流裝置采用二極管橋式整流，穩(wěn)壓芯片采用78L05，配合電容將電壓穩(wěn)定在5V，供控制電路、測量電路和驅(qū)動執(zhí)行電路中弱電部分使用。除此之外，220V交流市電還是加熱電阻兩端的電壓，通過控制雙向可控硅的導(dǎo)通和截止來控制加熱電阻的功率。低壓交流電即變壓器二次側(cè)的電壓，通過過零檢測電路檢測交流電的過零點(diǎn)，送入單片機(jī)后，由控制程序決定雙向可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到控制加熱電阻功率的目的。3.2A/D轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)采用的是12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574,這是一種高性能的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，在此設(shè)計(jì)中采用AD574轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。工作流程是：當(dāng)由傳感器傳過來模擬信號經(jīng)放大器放大后，送到AD574轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識別的數(shù)字信號。其電路圖如圖3.1vccR14R5R6R7R8vccS1Cl圖3.1.1AT80C51P32P0.3po3po?TP0?0P0/7P0?6po7P04po3P0?2po?Tpo3AD574xxCoxxCxxCc282726252423222120R14R5R6R7R8vccS1Cl圖3.1.1AT80C51P32P0.3po3po?TP0?0P0/7P0?6po7P04po3P0?2po?Tpo3AD574xxCoxxCxxCc28272625242322212019181716151234567891011121314C3RES2+15CAPR9P30P31單片O140O-廣239C廣｝338廠］437zx.7536cky635cJ廣｝734cJO833oO932o1031c廠］1130o.Q1229廠］1328JO1427cJ接I口26cOO1625o-vccPO.OP0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7CS1VCCR1215VP3P3ky*ky*IN+ST-106.6KBZ圖3.2.2A/D574電路及和單片機(jī)的相關(guān)接口3.3溫度采樣測量部分溫度的采集我們可以選擇溫度變送器，對于簡單的控制可以采用惠更斯電橋做采集電路。經(jīng)信號濾波，放大處理后形成標(biāo)準(zhǔn)的工控模擬信號（電流4mv~10mv，電壓1v~5v）,便于

傳輸和模數(shù)轉(zhuǎn)換。3.4LED顯示電路系統(tǒng)中我們需進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及溫度的顯示，因此需要顯示電路，本實(shí)驗(yàn)采用七段數(shù)碼管顯示。采用靜態(tài)顯示的方式，減少程序的執(zhí)行時間，進(jìn)而提高系統(tǒng)工作的可靠性。同時采用蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警。其具體顯示電路如圖3.4所示。U2AQABQBCQCD□DBI/RBUQERBIQFLT□G至74LS4E：<TD：T>ju：jfi''U310471132A□AB□BCQC匚iUDBI/RBO□ERBIUFLTQG74LS4€：<TEKT>3W719CD18U4U5q—cne寸gg卜OOOOOOOOA□ABQBCU2AQABQBCQCD□DBI/RBUQERBIQFLT□G至74LS4E：<TD：T>ju：jfi''U310471132A□AB□BCQC匚iUDBI/RBO□ERBIUFLTQG74LS4€：<TEKT>3W719CD18U4U5q—cne寸gg卜OOOOOOOOA□ABQBCQCDQDBI/RBUQERBIQFLTQG74LS4S<TD：T>5130B14?'A□ABQBCQCDQDBI/RBUQERBIQFLTQG74LS48<TBT>4U1XTAL2PLUMBPDMD2PD.3/AD3PLi.4/?mPDMD5PD.職頂iPD.7/^D7RSTP2.D//S6P2.1/.AyPSENP2.2/A10P2.3/A11EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.DP3.D/RXDP1.1P3.1HXDP1.2P3.2/1MIDPI.3P3.3/INT1P3.4jTliP3.5/T1PI.5P1.6P3.6/WRP1.7P3.7/RD8DC51<TE：-：j：=-38EWD2:3G口3.皿35口4:□J9■XiCD□J6□J■r-4mgmiXi0IIIo—CN8寸gggOOOOOOOO3gDD34史:買：匚IE32D7U7...74HC373<te：w?UB..74HC373*T曰<!■>?成?lfl：858Ei?88o■<T\R/nR8nrbhrshr4nRinraIDk388o■:o003IDk<TEtI>IDk<TEtI>■1Dk■<TEh>■1Dk■<TEtji：?：TE±ll■1Dk.<teL>■1Dk.<teL>BUZ1BtIZZff：?:布:丁*SoSEaBBEzi|o^P14pTT2y30315Ei7e23寸r--00寸r--2425?洲8E883s827282122ID1112~13ZJ4151617圖3.4數(shù)碼管靜態(tài)顯示及聲音報(bào)警電路3?5功能鍵此系統(tǒng)需進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，因此需要將按鍵設(shè)計(jì)在此系統(tǒng)之內(nèi)。具體電路如圖3.4所示。其中，具體功能為:K1一加1鍵（按下時數(shù)據(jù)自加1）。K2一減1鍵，（按下時數(shù)據(jù)自減1）。K3—‘F’鍵，（按下時進(jìn)入下一個參數(shù)的設(shè)定）。K4—‘ok’鍵，按下時結(jié)束參數(shù)設(shè)定，開始運(yùn)行主程序。圖3.5功能鍵及和單片機(jī)的相關(guān)接口3?6信號輸出電路3.6.1PWM控制原理通過改變電阻絲電壓的接通時間和通電周期的比值（即占空比）來控制電阻絲的平均電壓，控制其輸出功率，進(jìn)而控制爐內(nèi)溫度.在此系統(tǒng)中，就只需要控制采樣周期和導(dǎo)通時間即可，即將周期T內(nèi)導(dǎo)通T1時間（采用定時/計(jì)數(shù)器T0），定時到了以后，關(guān)閉固態(tài)繼電器。直到下一個周期需要接通時。3.6.2輸出電路及接口單片機(jī)通過PWM脈沖調(diào)寬功率放大器控制SSR固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)電爐絲的功率而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。調(diào)功的原理為：設(shè)電網(wǎng)連續(xù)N個完整的正弦波為一個控制周期T，則式中fg——電網(wǎng)頻率，HZ若在設(shè)定的周期T內(nèi)控制主回路導(dǎo)通n（nWN）個完整的正弦波（周波）,則負(fù)載功率為U2n

—式中U-----電網(wǎng)電壓的有效值

R-----負(fù)載的有效電阻因此，只要控制在設(shè)定的周期T內(nèi)主回路導(dǎo)通的周波數(shù)n的個數(shù)，就可調(diào)節(jié)負(fù)載的功率P。固態(tài)繼電器控溫電路如圖4所示，采用Z型交流固態(tài)繼電器SSR，實(shí)現(xiàn)零觸發(fā)交流調(diào)功°SSR內(nèi)設(shè)光電隔離電路，可減少和電網(wǎng)間的相互干擾，其電路圖如下：vce圖3.6，輸出電路及其接第四章軟件設(shè)計(jì)部分R?RES2RES212RESETTRIG4.1系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)VCCDISCHGTHO第四章軟件設(shè)計(jì)部分R?RES2RES212RESETTRIG4.1系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)VCCDISCHGTHOLDCVOLTD開始55T165C?本系統(tǒng)的使用程序主要由主淆、中斷服務(wù)程序和孚程序組成。主程序的任務(wù)是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制電加熱爐的正常運(yùn)行。主程序主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)^作寄存器組、控制量的初的初始化、MAX1232的初一RES計(jì)算出實(shí)際爐溫和理想交流電壓源采集及姓理、智能推理等部分組成。系統(tǒng)初始化包括設(shè)詈柱底、IyjR?B+始值、采樣周期、中斷方式和狀態(tài)數(shù)定集及處理作方式以及8255始化等。數(shù)據(jù)采集及處理主要包括實(shí)時采集電加熱爐髀塘溫信的差值以及溫差的變化率，并對爐溫信值進(jìn)行濾波和限幅處理。主程序流程圖如圖￡1所示。□號,vAC1二算溫差4.1系統(tǒng)主差變化率］控制系統(tǒng)的軟件主要包才氣采樣、標(biāo)度變換、控制計(jì)算、控制輸出、中斷、顯示、報(bào)警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修'改。■其中控制算法采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)，使用增量型控制算法，并對積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到更好的控制效果?？紤]到電加熱爐是一個非智能控制算法程序參數(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)和自動控制理論成果，和定性知識相結(jié)合，做到取長補(bǔ)短，在實(shí)時控制中取得較好的成果。求出輸出控制量42A/D轉(zhuǎn)換器程序流程輸出-20%〈結(jié)果<20%4?3岬。顯閉報(bào)警塊程序流程圖8段LED顯示屏結(jié)束結(jié)果=0SizeF0=0File:Title結(jié)果＞or＜-20%〈結(jié)果<20%4?3岬。顯閉報(bào)警塊程序流程圖8段LED顯示屏結(jié)束結(jié)果=0SizeF0=0File:Title結(jié)果＞or＜設(shè)定值的20%置位狀態(tài)位F0RevisionDatF0是否等于OV-20是最常用的顯示器件個人重要資料寸共陽極和共F0=0皆\Admlinistrator\桌面\最兩種形式。共陽極LEDheetof小Wi系y統(tǒng).ddb將所有發(fā)報(bào)警子程序調(diào)PID控制算法程序光二極管的陽極接在一起作為公共端，當(dāng)公共端接高電平，某一段的發(fā)光二極管陰極接低電平時，相應(yīng)的字段就被點(diǎn)亮。共陰極LED將所有發(fā)光二極管的陰極接在一起作為公共端，當(dāng)公共端接低電平，某一段的發(fā)光二極管陽極接高電平時，相應(yīng)的字段就被點(diǎn)亮。LED數(shù)碼管的顯示方法動態(tài)顯示：動態(tài)掃描，分時循環(huán)；靜態(tài)顯示：一次輸出，結(jié)果保持(1)動態(tài)顯示動態(tài)顯示，就是微型機(jī)定時地對顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能一個器件顯示。但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺所有的器件都在顯示。(2)靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示，是由微型機(jī)一次輸出顯示后，就能保持該顯示結(jié)果，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示占用機(jī)時少，顯示可靠。通過比較及對程序的分析，本設(shè)計(jì)當(dāng)中兩組數(shù)碼管均采用了共陰極靜態(tài)顯示。［開始圖4^顯示子程序*4.4報(bào)警模塊程序一根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在保溫I介段，溫送史制5精度口正負(fù)1度，故當(dāng)溫度下降或上升2度時為故障狀態(tài)，需要報(bào)警提醒。所以在電路設(shè)計(jì)上使用了蜂鳴器和發(fā)光二極管，系統(tǒng)正常運(yùn)行時綠色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，當(dāng)出現(xiàn)故障時紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮并且蜂鳴器鳴叫，提醒操作人員注意。報(bào)警狀態(tài)可通過按鍵復(fù)位和系譯恢選正顯示位動復(fù)位。開始~圖4子程序返程序4.5鍵盤模塊程序設(shè)計(jì)置報(bào)警位P3.4在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，輸入設(shè)備采清除報(bào)警矩陣鍵位車0當(dāng)“設(shè)定”鍵按下時觸發(fā)鍵盤中斷服務(wù)程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執(zhí)行相應(yīng)的動作。程控掃描的任務(wù)是：.則不為FFH。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。如果沒有鍵按下，則讀人值為ffH程序果有鏈按下.則不為FFH。去除鍵抖動。方法：延時10-20ms，再一次判斷有無鍵按下，如果此時仍有鍵按下，則認(rèn)為鍵盤上確實(shí)有鍵處于穩(wěn)定閉合期。若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。方法：對鍵盤逐行掃描。程序中需等閉合鍵釋放后才對其進(jìn)行處理。

4.6控制對象數(shù)學(xué)模型在本控制對象電阻加熱爐功率為800W，由220V交流電供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)針對一個溫度區(qū)進(jìn)行溫度控制，要求控制溫度范圍50~350C，保溫階段溫度控制精度為正負(fù)1度。選擇合適的傳感器，計(jì)算機(jī)輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓。其對象問溫控?cái)?shù)學(xué)模型為:G(s)G(s)dT^s+1其中：時間常數(shù)Td=350秒放大系數(shù)Kd=50滯后時間t=10秒控制算法選用改PID控制。由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量。因此積分和微分項(xiàng)不能直接計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近。在采樣時刻t=iT(T為采樣周期)，可得PID調(diào)節(jié)公式：u—K[e+ze+d(e—e為+uiiTjTii-10如果采樣周期T取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程和連續(xù)控制過程十分接近，我們把這