德州學(xué)院物理系 電子信息工程 課程設(shè)計德州學(xué)院物理系 電子信息工程 課程設(shè)計-1-基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計總體方案設(shè)計根據(jù)功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)可以從元件級開始設(shè)計，選用MCS-51單片機為主控機。通過擴(kuò)展必要的外圍接口電路，實現(xiàn)對溫度的測量和控制。1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)以89C51單片機為核心，由溫度測量變換、測量放大、大功率運放、A/D與D/A轉(zhuǎn)換器、輸入光電隔離、驅(qū)動電路、鍵盤顯示、存儲器共同組成。在系統(tǒng)中，溫度和時間的設(shè)置、溫度值及誤差顯示、控制參數(shù)得設(shè)置、運行、暫停及復(fù)位等功能由鍵盤及顯示電路完成。1-1單片機溫度控制系統(tǒng)方案原理示意圖傳感器把測量的烘箱溫度信號轉(zhuǎn)換成弱電壓信號，經(jīng)過信號放大電路，送入低通濾波電路，以消除噪音和干擾，濾波后的信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入主機（單片機8031)。1.2具體設(shè)計考慮1、由于溫度測量范圍為0?120°C，控制精度也不高，可選用8路8位ADC0809作A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率可達(dá)0.5°C;為了方便操作，系統(tǒng)可不擴(kuò)展專用鍵盤，溫度給定輸入可用2位BCD碼撥盤開關(guān)置數(shù)；溫度顯示可用4位LED;為了實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)蒸汽流量控溫，可擴(kuò)展8位DAC0832作D/A轉(zhuǎn)換器。2、溫度測量可以選用半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590，它的響應(yīng)速度快，與單片機接口簡單。其測溫范圍為-55?+150°C,工作電壓4?30V，輸出電流與絕對這樣就可以讓計算機或者單片機通過釆樣的方式實現(xiàn)PID控制，具體的PID控制又分為位置式PID控制和增量式PID控制，公式4給出了控制量的全部大小，所以稱之為全量式或者位置式控制；如果計算機只對相鄰的兩次作計算，只考慮在前一次基礎(chǔ)上，計算機輸出量的大小變化，而不是全部輸出信息的計算，這種控制叫做增量式PID控制算法，其實質(zhì)就是求Ap的大小，而所以將式4做自減變換有：控制系統(tǒng)的軟件主要包括：采樣、標(biāo)度變換、控制計算、控制輸出、中斷、顯示、報警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修改。其中控制算法釆用數(shù)字PID調(diào)節(jié)，應(yīng)用增量型控制算法，并對積分項和微分項進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到更好的控制效考慮到電加熱爐是一個非線性、時變和分布參數(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)和自動控制理論成果，與定性知識相結(jié)合，做到取長補短，在實時控制中取得較好的成果。三、硬件的設(shè)計和實現(xiàn)3.1選擇計算機機型一8031溫度控制電路8031X寸溫度的控制是通過雙向可控硅實現(xiàn)的。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(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的?？煽毓杞油〞r間可以通過可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8031用軟件在P3.1引腳上產(chǎn)生，在過零同步脈沖同步后經(jīng)光電耦合管和驅(qū)動器輸出送到可控硅的控制極上。如圖是單片機8051的結(jié)構(gòu)。3.2設(shè)計支持計算機工作的外圍電路根據(jù)總體方案，采用8031外擴(kuò)2764作程序存儲器；外擴(kuò)8255用于4位LH)顯示溫度、聲光報警和擴(kuò)展光電隔型DAC產(chǎn)生0?10mA可調(diào)電流控制電動閥；外擴(kuò)8路8位ADC0809作溫度測量和通過3個電位器產(chǎn)生3個可調(diào)控制參數(shù)；2位BCD碼給定撥盤則和8031的P1口相連。完整的硬件電路組成是通過8255的PA口和PC0?PC3口擴(kuò)展4位LH);通過PB口和PC5擴(kuò)展光電隔型D/A,DAC0832設(shè)置為單緩沖方式，Vkhk=_5V,于是經(jīng)運算放大器A1后產(chǎn)生0?5V可調(diào)直流電壓，再經(jīng)運算放大器A2在復(fù)合三極管T的集電極和+12V電源之間產(chǎn)生0?10mA可調(diào)電流，以便控制電動閥的動作（RW1于調(diào)整滿量程值，D1用于保護(hù)三極管T)；通過總線直接擴(kuò)展ADC0809,由于僅使用4路，故選擇通道的C端直接接地，由于溫度傳感器是輸出電流信號且與絕對溫度成正比，故釆用電平移動電路及放大電路使運算放大器A3輸出電壓值與攝氏溫度成正比(RW2,RW3分別用語溫度測量電路的零點調(diào)節(jié)和滿量程調(diào)節(jié)）；聲音報警電路中,蜂鳴器采用長鳴形式，由門電路構(gòu)成Is振蕩器產(chǎn)生的響音；2位BCD碼給定撥盤則和8031的P1口直接接口，各位又通過2kQ電阻接地。由于各擴(kuò)展芯片用線選發(fā)產(chǎn)生片選信號，故他們的接口地址分別為：2764：0000H—1FFFH8255：7000H—7003HADC0809：B000H—B003H3.3轉(zhuǎn)換電路在設(shè)計測溫電路時，首先應(yīng)將電流轉(zhuǎn)換成電壓。由于AD590為電流輸出元件,它的溫度每升高1K，電流就增加1W\。當(dāng)AD590的電流通過一個10K的電阻時，這個電阻上的壓降為10mV即轉(zhuǎn)換成10mV/K,為了使此電阻精確（0.1%)，可用一個9.6K的電阻與一個1K電位器串聯(lián)，然后通過調(diào)節(jié)電位器來獲得精確的10KQ。圖所示是一個電流/電壓和絕對/攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路，其中運算放大器A1被接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗。而運放A2的作用是把絕對溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)，給A2的同相輸入端輸入一個恒定的電壓（如1.235V),然后將此電壓放大到2.73V。這樣，A1與A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標(biāo)。將AD590放入0°C的冰水混合溶液中，A1同相輸入端的電壓應(yīng)為2.73V，同樣使A2的輸出電壓也為2.73V,因此A1與A2兩輸出端之間的電壓：2.73-2.73=0°C即對應(yīng)于0°C。圖3-3電流/電壓和絕對/攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路3.4信號處理電路溫度檢測的小信號放大與絕對/攝氏溫度轉(zhuǎn)換采用圖電路，其中Rw用來完成絕對/攝氏溫度轉(zhuǎn)換及調(diào)零功能，運放要求采用一片集成普通四運放LM324來完成圖的信號處理功能，其工作電源取單電源VCC=9V。設(shè)計中電阻元件可參考下列取值：R1=R2=10K、R3=R4=20K、R5=R6=20K、Rg=5K、Rw=10K；高頻濾波電容可取C=0.01MF。圖3-4信號處理電路3.5主電路主電路如圖4-4所示，溫度檢測信號輸入ADC0809的IN3引腳，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入AT89C51,結(jié)果從P1口輸出驅(qū)動2個LK)實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示功能。圖3-5溫度檢測主電路四、軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)資源為了編程方便，可以把8031的內(nèi)部128BRAM先進(jìn)行分配；也可在程序中用標(biāo)號代替，最后用EQU或DATA定義。如果先對內(nèi)存進(jìn)行分配，本系統(tǒng)可分配為：24H8031P1口的T給足BCD值暫存。主程序框圖：圖4-1主程序圖4.2編寫A/D轉(zhuǎn)換和位置檢測子程序框圖：ADC0809是一個典型的逐次逼近型8位A/D轉(zhuǎn)換器。它由8路模擬開關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成。它允許8路模擬量分時輸入，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出是三態(tài)的（總線型輸出），可以直接與單片機數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809采用+5V電源供電，外接工作時鐘。當(dāng)?shù)湫凸ぷ鲿r鐘為500KHz時，轉(zhuǎn)換時間約為128us.圖4—2A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)流程圖4.3編寫控制程序和D/A轉(zhuǎn)換控制子程序模塊框圖T0中斷服務(wù)程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動A/D轉(zhuǎn)換，讀入釆樣數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波，越限溫度報警和越限處理，PID計算和輸出可控桂的同步觸發(fā)脈沖等。P1.3引腳上輸出的該同步觸發(fā)脈沖寬度由T1計數(shù)器的溢出中斷控制，8031利用等待T1溢出中斷空隙時間完成把本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示。圖4-3D/A轉(zhuǎn)換程序圖五、軟件說明以及電路圖本設(shè)計介紹的單片機溫度控制系統(tǒng)，可了解微機系統(tǒng)硬、軟件的構(gòu)成及各種控制參數(shù)變化對系統(tǒng)動、靜態(tài)特性的影響。系統(tǒng)用PID控制算法實現(xiàn)溫度控制，可以使系統(tǒng)的精度達(dá)到土0.1°C,準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都可以令人滿意。系統(tǒng)還以單回路控制為例，極易擴(kuò)展成多回路控制。MCS-51單片機，體積小，重量輕，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，即使是非電子計算機專業(yè)人員，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識以后也能依靠自己的技術(shù)力量，來開發(fā)所希望的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。本文的溫度控制系統(tǒng)，只是單片機廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中的一例，相信單片機的應(yīng)用會更加廣泛化。本系統(tǒng)的設(shè)計方案有多種，上述方案是從多種方案中選出的最優(yōu)方案，其具有功能強、成本低、元