電阻爐溫度控制系統(tǒng)[1]

1、摘要溫度控制是工業(yè)對象中主要的控制參數(shù)之一,其控制系統(tǒng)本身的動態(tài)特性 屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，象冶金、機械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛使用的 各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對工件的處理溫度要求嚴格控制，計算 機溫度控制系統(tǒng)使溫度控制指標得到了大幅度提高。以8031單片機為核心， 采用溫度變送器橋路和固態(tài)繼電器控溫電路，實現(xiàn)對電爐溫度的自動控制。 該控制系統(tǒng)具有硬件成木低、控溫精度較高、可靠性好、抗干擾能力強等特 點。電阻爐爐溫控制系統(tǒng)的控制過程是：單片機定時對爐溫進行檢測，經(jīng)a/d 轉(zhuǎn)換芯片得到相應(yīng)的數(shù)字量，經(jīng)過計算機進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到應(yīng)有的控制量, 去控制加熱功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。關(guān)鍵詞

2、：電爐溫度控制系統(tǒng)adc0809ad轉(zhuǎn)換器1控儒!j方案丿總述12硬件電路設(shè)計22. 1溫度檢測和變送器部分32.2接口電路32.2. 1主要特性32.2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)42.2.3外部特性（引腳功能）42.3接口電路73軟件設(shè)計83. 1主程序83.2 to中斷服務(wù)程序93.3子程序111釆樣子程序samp113. 3. 2數(shù)字濾波子程序filter123. 3. 3積分分離pid控制算法的程序設(shè)計134基于matlab仿真被控對象155結(jié)果分析17設(shè)計小結(jié)19參考文獻20卩付錄21溫度控制系統(tǒng)設(shè)計1控制方案總述隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生 活帶來了根本性的變化

3、，特別是微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了 質(zhì)的飛躍，利用單片機來改造落后的設(shè)備具有性價比高、提高設(shè)備的使用壽 命、提高設(shè)備的自動化程度的特點。本設(shè)計就是利用單片機來控制高溫加熱 爐的溫度，傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管(scr)控制的高溫電加熱爐采用移相觸 發(fā)電路改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，達到自動控制電加熱爐溫 度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實踐表明這種控制方式產(chǎn)生相 當大的中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸，給電力系統(tǒng)造成“公害”。采用固態(tài)繼 電器控溫電路，通過單片機控制固態(tài)繼電器，其波形為完整的正弦波，是一 種穩(wěn)定、可靠、較先進的控制方法。為了降低成本和保證較高的控溫精度, 采用

4、普通的adc0809芯片和具有零點遷移、冷端補償功能的溫度變送器橋路, 使實際測溫范圍縮小。采用at80c51為核心，結(jié)合溫度傳感器熱電偶和ad轉(zhuǎn)換器來監(jiān)測被控溫 度數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳遞給單片機同時顯示實時數(shù)據(jù)。同時鍵盤會給與要求的 控制溫度大小供單片機把其和測量溫度進行比較處理，從而控制執(zhí)行系統(tǒng)的 開關(guān)量的通斷狀態(tài)，達到溫度檢測、賦值和控制的作用。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如 圖1所示：圖1工作流程圖單 片機74ls3731-: |x尸iph.-、1 l>i1y、 、一 2732執(zhí)行模塊8155變呂器熱電偶2硬件電路設(shè)計硬件電路如圖2所示:圖2硬件電路圖現(xiàn)對各部分電路分述如下:2. 1溫度檢測和變送

5、器部分溫度計的檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度及進度等級有關(guān)。w 銘/鐮鋁熱電偶適用于01000攝氏度的溫度測量范圍，相應(yīng)輸出電壓為 04132mv。變送器rfl毫伏變送器和電流/電壓變送器組成:毫伏變送器用于把熱電偶 輸出的041. 32mv變換成010ma范圍內(nèi)的電流；電流/電壓變送器用于把毫 伏變送器輸出的0、'10ma屯流變換成0、'5v范圍內(nèi)的電壓。為了提高測量精度，變送器可以進行零點遷移。例如，若溫度測量范圍 為0300攝氏度，則熱電偶輸出為012. 396mv,毫伏變送器零點遷移后輸出 01 oma范圍的電流。這樣，采用8位a/d轉(zhuǎn)換器就可以量化溫度誤差達到正

6、 負2. 34攝氏度以內(nèi)。2.2接口電路8031的接口電路有8155、2732和adc0809等芯片。8155用于鍵盤led 顯示器接口，2372可以作為8031的外部rom存儲器，adc0809為溫度測量電 路的輸入接口。adc0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。 其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選 通8路模擬輸入信號中的一個進行a/d轉(zhuǎn)換。2. 2. 1主要特性1) 8路8位a/d轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?）轉(zhuǎn)換吋間為100 u s4）單個+ 5v電源供電5）模擬輸入電壓范圍0+ 5v,不需零點和滿刻度校準。6

7、）工作溫度范圍為-40+ 85攝氏度7）低功耗，約15mwo2.2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)adc0809是cmos單片型逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖13. 22 所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型d/a 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近。2.2.3外部特性（引腳功能）adc0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3所示。in3 128-in2in4 227-in1in5-326in0in6 425 add ain7-524-add bstart623 add ceoc-722 ale2巧_821一2,msboutput enable一920一 2°2clock一10

8、19一 27vcc"1118一 2“作即”）一1217-2'8lsbgnd-1316-vrefc)2-7-1415一圖3 adc0809弓i腳圖下面說明各引腳功能。in0-in7： 8路模擬量輸入端。2-12-8： 8位數(shù)字量輸出端。adda、addb、addc： 3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 ale：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。start： a/d轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。eoc： a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束吋，此端輸出一個高電 平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。0e：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束吋，此端 輸入

9、個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。clk：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640khzoref ( + )、ref (-)：基準電壓。vcc：電源，單一 + 5vognd：地。adc0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ale二1,將地址存入地 址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。start ±升沿將 逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動a/d轉(zhuǎn)換，之后eoc輸出信號變低，指示 轉(zhuǎn)換正在進行。直到a/d轉(zhuǎn)換完成，eoc變?yōu)楦唠娖剑甘綼/d轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié) 果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當0e輸入高電平 吋，輸 出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出

10、到數(shù)據(jù)總線上。8155有40條引腳,u?1213141516s910-cis1911012 34567 e 彩器4 器 qcerdf.4lbltmrout >tmrinresetsi 2 3 4 5 6 7 o 1 2 3 4 5 b b b b b b b c c c c c c p p p p p- p p p m p p mf p012 34567 d- d- - d- ? ch如圖4所示。圖4 8155引腳圖下面說明各引腳功能：ad0ad7：三態(tài)地址/數(shù)據(jù)線。是低8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用線。地址可以是 8155片內(nèi)ram單元地址或i/o端口地址。ad0ad7上的地址由ale的下降沿 素

11、存到8155片內(nèi)地址鎖存器。也就是由aie信號來區(qū)別ad0ad7上出現(xiàn)的地 址信息還是數(shù)據(jù)信息。ale：地址鎖存允許信號。在ale信號的下降沿把ad0ad7上的8位地址 信息，ce片選信號及io/m信號都鎖存到8155內(nèi)部存儲器中。10/歷：i/o端口和ram選擇信號。當iq/m=l吋,ad0、ad7的地址位81551/0 端口地址,選擇i/o端口。當10/m=0時,ad0ad7的地址位8155片內(nèi)ram 單元地址，選擇ram存儲單元。ce：片選信號。低電平有效。由ale信號的下降沿鎖存到8155內(nèi)部存儲 器。rd：讀選通信號。低電平有效。當rd二0, ce=0時開啟ad0ad7的緩沖器, 被

12、選中的片內(nèi)ram單元或10 口的內(nèi)容送到ad0、ad7上。wr：寫選通信號。低電平有效,當ce, wr都有效時,cpu輸出到ad0ad7 上的信息想偶爾到8155片內(nèi)pam單元或i/o端口。pa0pa7： a 口的 i/o 線。pb0"pb7： b 口的 i/o 線。pc0pc5： cu 的 i/o 線。tmrin：定吋器輸入。tmr0ut：定時器輸出。2.3接口電路8031對溫度的控制是通過可控硅調(diào)功器電路實現(xiàn)的，如硬件電路圖（圖 2）所示。雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220v, 50hz交流電回路中。在 給定周期t內(nèi)，8031只要改變可控硅的接通時間便可改變加熱絲的功率，以 達

13、到調(diào)節(jié)溫度的目的。如下圖所示，可控硅在給定周期t內(nèi)具有不同接通時 間的情況。顯然，可控硅在給定周期t的100%時間內(nèi)接通時的功率最大。可控硅接通時間可以通過可控硅控制極上的觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖 由8031用軟件在p1.3引腳上產(chǎn)生，經(jīng)過零同步脈沖同步后經(jīng)光耦管和驅(qū)動 器輸出送到可控硅的控制極上?？煽毓枵{(diào)功器輸岀功率與通斷吋間的關(guān)系如 圖5所示。3軟件設(shè)計溫度控制程序的設(shè)計應(yīng)考慮如下問題：1 鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯 示；2爐溫采樣，數(shù)字濾波；3數(shù)據(jù)處理時把所有數(shù)按定點純小數(shù)補碼形式 轉(zhuǎn)換，然后把8位溫度采樣值umiri和umax都變成16位參加運算，運算結(jié)果 取8位有效值；4越限報警和處

14、理；5.pid計算，溫度標度轉(zhuǎn)換。通常，符合上述功能的溫度控制程序由主程序和to屮斷服務(wù)程序組成。3. 1主程序主程序應(yīng)包括8051本身的初始化、8155初始化等。流程圖如6所示。圖6主程序流程圖3.2 to中斷服務(wù)程序to中斷服務(wù)程序時溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動a/d轉(zhuǎn)換、讀入 采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報警和越限處理、pid計算和輸出可控硅的同 步觸發(fā)脈沖等op1.3引腳上輸出的該同步脈沖寬度由t1計數(shù)器的溢出中斷控 制，8051利用等待t1溢出中斷空隙時間完成把本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值并放 入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序。8051從t1中斷服務(wù)程序返回后便可恢復(fù) 現(xiàn)場并返冋主程序，

15、以等待下次t0中斷。流程圖如圖7所示。圖7 to屮斷服務(wù)流程圖3. 3子程序3. 3. 1采樣子程序samp采樣子程序流程圖如圖8所示。:返回i、 / 圖8采樣了程序流程圖3. 3. 2數(shù)字濾波子程序filter數(shù)字濾波子程序用于濾去來自控制現(xiàn)場對采樣值的干擾。流程圖如圖9所z5o圖9數(shù)字濾波了程序流程圖3. 3. 3積分分離pid控制算法的程序設(shè)計pid算法的表達式為:式中u(t)：調(diào)節(jié)器的輸出信號；e (t)：偏差信號；心：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；t1：調(diào)節(jié)器的積分時間；td：調(diào)節(jié)器的微分吋間。在計算機控制中，為實現(xiàn)數(shù)字控制，必須對上式進行離散化處理。用數(shù) 字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程

16、。設(shè)系統(tǒng)的采樣周期為t,在t=kt 時刻進行采樣，卜dr式中c(k)：根據(jù)本次采樣值所得到的偏差;e(“：由上次采樣所得到的偏差。將上面的三個式子代入，則有(k) = kpe (k) +工£e (i) + tz.= kpe (k) +風(fēng)i>(i) + kde(k)-：(k)式中，t為采樣時間，“項為積分項的開關(guān)系數(shù)1|心)|"0 |如>0積分分離pid控制算法程序流程圖如圖10所示。開始參數(shù)初始化采入?yún)[ok；及y qk)<(0k：<e? >返戶圖10積分分離p1d控制算法程序流程圖4基于matlab仿真被控對象采用simul ink仿真，通過s

17、imul ink模塊實現(xiàn)積分分離pti)控制算法。仿 真圖如圖11所示。圖 11 simulink 仿真選擇合適的kp, ki, 序如下：clear all;kd使系統(tǒng)的仿真效果趨于理想狀態(tài)。matlab編寫程close all:ts=10;%采樣時間10ssys=tf(1, 30, 1,' inputdelay，, 80);dsys=c2d (sys, ts, ' zoh，) ; %將 sys 離散化num, den =tfdata (dsys, ' v') ; %求 sys 多項式模型參數(shù) kp=5.2;ti=0.005;td=0.005;end仿真波形如圖

18、12所示。-ik-2 k-4 k501020304050607080圖12 mat lab仿真波形圖5結(jié)果分析當ti, td-定，即當ti二td二0.005時，改變kp的值觀察波形可以知道其 對系統(tǒng)超調(diào)量的影響。當kp增大時，設(shè)kp=5. 8，此時的波形如圖13。420-23-410304080圖13 kp=5. 8時的波形圖當kp減小時，設(shè)kp二4.6,此時的波形如圖14。43210-1-2-34-5102040506080圖14 kp=4. 6時的波形圖由圖12,圖13,圖14我們可以觀察到當kp增大時系統(tǒng)超調(diào)量增大,當 kp減小時系統(tǒng)超調(diào)量減小。設(shè)計小結(jié)通過兩周的課程設(shè)計對溫度控制系統(tǒng)有

19、了初步的了解，在本次課程設(shè)計 中，通過查閱資料基本完成了硬件的設(shè)計，然后根據(jù)硬件電路進行軟件設(shè)計, 基本實現(xiàn)了電爐的溫度控制。傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管（scr）控制的高溫電加熱爐采用移相觸發(fā)電路 改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，達到自動控制電加熱爐溫度的目 的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當大的 中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸，給電力系統(tǒng)造成“公害”。采用固態(tài)繼電器控 溫電路，通過單片機控制固態(tài)繼電器，其波形為完整的止弦波，是一種穩(wěn)定、 可靠、較先進的控制方法。為了降低成本和保證較高的控溫精度，采用普通 的adc0809芯片和具有零點遷移、冷端補償功能的溫度變送器橋路

20、，使實際 測溫范圍縮小。在老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助下，我順利完成了這次課程設(shè)計，通過這 次課程設(shè)計，使我對單片機的應(yīng)用、微控控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等等好多專 業(yè)知識有了更深的了解，解決了許多在學(xué)習(xí)過程中不能理解的知識，并且提 高了 口己理論聯(lián)系實際的能力，為今后在工作中專業(yè)知識的應(yīng)用積累了寶貴 的經(jīng)驗。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我對單片機原理有了更新的認識，掌握了常用芯 片如at80c5k adc0809. 8155等器件的功能，懂得了這些器件在實際生產(chǎn)中 的最基礎(chǔ)的應(yīng)用，掌握計算機的一些畫圖、排版等軟件的應(yīng)用，真的是受益 非淺。參考文獻1 張艷兵，王忠慶，鮮浩編著，計算機控制技術(shù)北京:國防工業(yè)出版社

21、,20062 于海生編著,微型計算機控制技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,19993 楊進才，沈顯君，劉蓉編著,c卄語言程序設(shè)計教程.北京：清華大學(xué)出版 社,20064 夏云龍編著，最新visual c+使用手冊北京：電子工業(yè)出版社,20055 黃迪明，許家給，胡德昆編著,c語言程序設(shè)計成都：電子科技大學(xué)出版 社,20086 顏永軍等,protel99電路設(shè)計與應(yīng)用，國防工業(yè)出版社,20017 樓然苗，李光飛,51系列單片機設(shè)計實例（笫二版），2006附錄主程序org 0400hdismodata78hdism1data79hdism2data7ahdism3data7bhdism4data7chd

22、ism5data7dhmovsp, #50h;50h 送 spclr5eh；清本次越限標志clr5fh；清上次越限標志clra；清累加器amov2fh, atmov30h, atmov3bh, atmov3ch, atmov3dh, a;清暫存單元mov3eh, atmov44h, atmovdismo,atmovdismi, atmovdism2,atmovdism3, a;清顯示緩沖區(qū)movdism4,atmovdism5, atmovtmod, #56h;設(shè)to為計數(shù)器方式2, t1為方式1movtlo,#06hmovtho, 06h;to賦初值clrpto;令to為低中斷優(yōu)先級setb

23、tro;啟動to工作setbeto ；允許to中斷setbea;開cpu中斷l(xiāng)oop:acalldisply;調(diào)用顯示程序acallscan;調(diào)用掃描程序ajmploop;等待中斷to中斷服務(wù)程序org 000bhajmp ctoorg 0100hcto:pushacc ；pushdpl ；保護現(xiàn)場pushdph ；setbd5h;置標志acallsamp;調(diào)用采樣子程序acallfilter:調(diào)用數(shù)字濾波程序cjnea, 42h, tpl；若ui (k)不等于umax,則tplwl:movc, 5eh；mov5fh,c； 5eh 送 5fhclr5eh;清5eh單元acallupl;轉(zhuǎn)上限處

24、理程序popdphpopdplpopaccret i;中斷返凹tpl:jnctpl1；若 ui (k)大等 umax,則 tpl1clr5fh ；清上次越限標志cjnea, 43h, mtpl；若ui (k)不等于umin,則mtplhat:setbpl. 1;若溫度不越限則令綠燈亮acallpid;調(diào)用計算pid子程序mova, 2fh；pid值送acplainca;對pid值求補，作為tl1值nm:setbpl. 3；令pl3輸出高電平脈沖movtl1, amovth1, #offh;t1賦初值setbpt1;t1高優(yōu)先級中斷setbtri;啟動t1setbet1；允許t1中斷acallt

25、rast:調(diào)用標度轉(zhuǎn)換程序loop: acalldisply;顯示溫度jb i)5h,loop;等待t1中斷pop i)phpop i)pl;恢復(fù)現(xiàn)場pop accret i;中斷返回mtpl: jnchat；若 ui (k)大于 umin,則 hatsetbp1.0;否則越下限聲光報警mova, 45h;取pid最大值輸出cplainca； 對pid值求補，作為tl1ajmpnm；轉(zhuǎn)nm執(zhí)彳亍tpl1: setb5eh；若ui (k)大于umax,則5eh單元置位jnb5fh, wl;若上次未越限，則轉(zhuǎn)wlinc44h;越限計數(shù)器加1mova, 44hclrcsubba, #n;越限n次？jnzwl;越限小于n次