電加熱爐溫度控制系統(tǒng)

1、 設(shè)計(jì)說明書 設(shè) 計(jì) 題 目 電加熱爐溫度控制系統(tǒng) 完 成 日 期 2013 年 7 月 12 日 專 業(yè) 班 級(jí) 自動(dòng)化12本 設(shè) 計(jì) 者 指 導(dǎo) 教 師 課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)自動(dòng)化12本姓 名學(xué) 號(hào)教研室主任指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師評(píng)語：簽字：年 月 日設(shè)計(jì)成績(jī)：簽字：年 月 日目錄 前言1第一章 設(shè)計(jì)方案概述.21.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容.21.2 設(shè)計(jì)方案.2第二章 硬件部分設(shè)計(jì).22.1溫度檢測(cè)電路.22.2單片機(jī)連接電路.32.3 LCD顯示部分.42.4按鍵與報(bào)警電路.52.5加熱控制電路部分.5第三章 軟件部分設(shè)計(jì).63.1周期采樣程序.63.2數(shù)字濾波程序.63.3 PID程序.

2、73.4總程序.9心得與體會(huì).10參考文獻(xiàn).11設(shè) 計(jì) 用 紙前 言溫度是工業(yè)對(duì)象中一種重要的參數(shù)，特別在冶金、化工、機(jī)械各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐和反應(yīng)爐等。由于爐子的種類不同，因此所采用的加熱方法及燃料也不同，如煤氣、天然氣、油和電等。但是就其控制系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性來說，基本上屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，因而在控制算法上亦基本相同。本次設(shè)計(jì)是電加熱爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的選擇與設(shè)定；實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程中PID控制。它采用溫度傳感器熱電偶將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，送入計(jì)算機(jī)中，與設(shè)定值比較出偏差。對(duì)偏差按PID規(guī)律進(jìn)行調(diào)整，得出對(duì)應(yīng)的控制量來控

3、制固態(tài)續(xù)電器、調(diào)節(jié)電爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度智能控制，能自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、處理、轉(zhuǎn)換、并進(jìn)行PID控制。在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意，采樣周期不能太短，否則會(huì)使調(diào)節(jié)過程過于頻繁，這樣，不但執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能反應(yīng)，而且計(jì)算機(jī)的利用率也大為降低；采樣周期不能太長，否則會(huì)使干擾無法及時(shí)消除，使調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。第一章 設(shè)計(jì)方案概述1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容某工業(yè)電爐在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工的過程中，爐溫從室溫上升到1000應(yīng)為30min，然后溫度保持到1000，其時(shí)間為1小時(shí)。最后斷電，使電爐自然冷卻。電爐的加熱源是熱阻絲，利用大功率可控硅控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)

4、的溫度。爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導(dǎo)通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓可在0140V內(nèi)變化。溫度傳感器是通過一只熱敏電阻及其放大電路組成，溫度越高其輸出電壓越小。外部LED燈的亮滅表示可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷的占空比時(shí)間，如果爐溫低于設(shè)定值則可控硅導(dǎo)通，系統(tǒng)加熱，否則系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設(shè)定值。設(shè)計(jì)要求為：一個(gè)以單片機(jī)為核心，包括主要過程輸入輸出通道及主要接口，外配LED顯示、鍵盤操作以及包括傳感變送器及執(zhí)行器的小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。1.2 設(shè)計(jì)方案該控制系統(tǒng)使用單片機(jī)作為微處理器，連接溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、溫度控制電路，并附加顯示部分及鍵盤部分。它可以實(shí)時(shí)地顯示溫度，實(shí)

5、現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制并設(shè)有報(bào)警電路。還可以通過鍵盤對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。該控制系統(tǒng)使用熱電偶測(cè)出電阻爐實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。此電壓信號(hào)經(jīng)過溫度檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，而單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，控制顯示部分顯示溫度。此外，將溫度與設(shè)定值比較，根據(jù)設(shè)定計(jì)算出控制量，通過控制電阻絲兩端交流電壓的通斷時(shí)間比例來實(shí)現(xiàn)電阻絲發(fā)熱量的控制。第二章 硬件部分設(shè)計(jì)2.1溫度檢測(cè)電路該部分采用熱電偶傳感器，該傳感器具有價(jià)廉、精度高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬（通常從-501600）及反應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)。熱電偶傳感器采用MAX6675，其引腳功能圖如下：表1 MAX6675引腳功能圖引腳號(hào)名稱功能1G

6、ND接地端2T-熱電偶負(fù)極（使用時(shí)接地）3T+熱電偶正極4VCC電源端5SCK串行時(shí)鐘輸入端6CS片選信號(hào)7S0數(shù)據(jù)串行輸入端8NC懸空不用MAX6675的數(shù)據(jù)輸出分為3位串行接口，因此只需要占用微處理器的3個(gè)I/O口。圖3為溫度檢測(cè)電路圖，圖中串行外界時(shí)鐘由微處理器的P2.6提供，片選信號(hào)由P2.5提供，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)由P2.7讀取。熱電偶的模擬信號(hào)由T+和T-端輸入，其中T-需接地。MAX6675的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將在SCK的控制下連續(xù)輸出。圖1 溫度檢測(cè)電路熱電偶工作原理如下：熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢(shì)信號(hào)U1,在經(jīng)過S4送至ADC。電壓可由如

7、下公式來近似計(jì)算：2.2單片機(jī)連接電路本設(shè)計(jì)選用了ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)，該型號(hào)單片機(jī)片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)部集成了微處理器、儲(chǔ)存器、I/O接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等基本部件。完全能滿足控制要求。此外，考慮到該設(shè)計(jì)中需使用顯示輸出、A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤輸入、報(bào)警電路、信號(hào)輸出等外部擴(kuò)展功能，固選用經(jīng)典的8255作為并行輸出接口，方便外部數(shù)據(jù)尋址。最小實(shí)

8、現(xiàn)系統(tǒng)示意如下圖2最小實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理圖2.3 LCD顯示部分在該溫度控制系統(tǒng)中，選用AMPIRE 128X64型LCD作為顯示部件，該液晶模塊可以顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16X16點(diǎn)陣），128個(gè)字符（16X16點(diǎn)陣），及64X256點(diǎn)陣顯示RAM?？膳cCPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理器：8位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式。AMPIRE 128X64型LED驅(qū)動(dòng)電路如下所示。圖3 LCD顯示電路2.4按鍵與報(bào)警電路按鍵控制電路如下圖所示，分別接在單片機(jī)P1.0P1.3口。當(dāng)觸發(fā)式按鍵閉合時(shí)，單片機(jī)P1.0P1.3的管腳由“1”變?yōu)椤?”

9、。當(dāng)觸發(fā)式按鍵斷開時(shí)，單片機(jī)P1.0P1.3為高電平“1”。報(bào)警電路采用黃、紅、綠三種顏色的發(fā)光二極管進(jìn)行顯示，黃燈亮表示溫度偏低，綠燈亮表示溫度正常，紅燈亮表示溫度過高。電路如圖4所示。圖4 按鍵、報(bào)警電路2.5加熱控制電路部分MOC3021可以即時(shí)觸發(fā)，只要輸入引腳1輸入15mA的電流，輸出端6引腳、4引腳之間就會(huì)導(dǎo)通，內(nèi)部雙向晶閘管導(dǎo)通，觸發(fā)外部晶閘管導(dǎo)通，當(dāng)MOC3021輸入引腳輸入電流為0時(shí)，內(nèi)部雙向晶閘管關(guān)斷，從而外部晶閘管也關(guān)斷，從而外部晶閘管也關(guān)斷，通過單片機(jī)來控制導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)壓。熱阻絲兩端用220V交流進(jìn)行加熱，因此要控制熱阻絲功率，可以通過調(diào)功實(shí)現(xiàn)，即控

10、制交流電的通斷時(shí)間比例來實(shí)現(xiàn)。把交流電經(jīng)全波整流后通過三極管變成過零脈沖，在反相后加到單片機(jī)的中斷控制端作為同步基準(zhǔn)脈沖。使用定時(shí)器T0計(jì)時(shí)移相時(shí)間Ta,然后發(fā)出觸發(fā)脈沖，改變可控硅的導(dǎo)通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，實(shí)現(xiàn)爐溫控制。電路如圖5所示。圖5 可控硅控制電路第三章 軟件部分設(shè)計(jì)在該溫度控制程序中，溫度信號(hào)要經(jīng)過周期采樣、數(shù)字濾波、PID運(yùn)算、輸出等過程，其過程如圖6所示。信號(hào)周期采樣數(shù)字濾波PID運(yùn)算輸出圖6 信號(hào)流程圖3.1 周期采樣程序在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，執(zhí)行算法時(shí)，需要將外部信號(hào)進(jìn)行離散化處理，因此需要對(duì)外部模擬信號(hào)進(jìn)行周期采樣。從理論上講，采樣頻率越高，失真越小，但從控制器本

11、身而言，大都依靠偏差信號(hào)E(k)進(jìn)行調(diào)節(jié)器計(jì)算。當(dāng)采樣周期T太小時(shí)，偏差信號(hào)E(k),也會(huì)過小，此時(shí)計(jì)算機(jī)將會(huì)失去調(diào)節(jié)作用，而采樣周期T過長又會(huì)引起誤差。因此采樣周期必須綜合考慮，一般而言采樣周期根據(jù)外部信號(hào)變化快慢而定，如在該溫度控制系統(tǒng)中，水箱溫度變化比較緩慢，因此采樣時(shí)間T應(yīng)該適當(dāng)大一些。其程流程圖如圖7.周期采樣程序定時(shí)計(jì)數(shù)器初始化初值設(shè)置開定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷程序定時(shí)器重賦初值啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果圖7 周期采樣程流程圖3.2 數(shù)字濾波程序在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，由于被控對(duì)象所處的環(huán)境比較惡劣，常存在干擾源，如環(huán)境溫度、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等，使得采樣值可能偏離真實(shí)值。對(duì)于各種隨機(jī)出現(xiàn)的干擾信號(hào)，

12、在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，應(yīng)該對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，以及平滑加工，以提高信號(hào)的可信度，減小乃至消除各種干擾及噪聲，以保證系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字濾波有如下優(yōu)點(diǎn):1.無須增加任何硬件設(shè)備，只要在程序進(jìn)入數(shù)據(jù)處理和控制算法之前，附加一段數(shù)字濾波程序即可。2.由于數(shù)字濾波器不需增加硬件設(shè)備，所以系統(tǒng)可靠性高，不存在阻抗匹配問題。3.對(duì)于模擬濾波器，通常是各通道專用的，而對(duì)于數(shù)字濾波器來說，則可多通道共享，從而降低了成本。4.可以對(duì)頻率很低（如0.01Hz）的信號(hào)進(jìn)行濾波，而模擬濾波器由于受電容容量的限制，頻率不可能太低。5.使用靈活、方便，可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法或改變?yōu)V波器的參數(shù)。在該系統(tǒng)中，我選用限幅濾

13、波。限幅濾波的基本思路是：求出本次采樣值與前一次采樣值之差，該差值與最大允許差值比較，若小于或等于,則取本次采樣值，若大于，則取上一次采樣值，即：數(shù)字濾波程流程圖如圖8所示。數(shù)字濾波程序計(jì)算返回圖8 數(shù)字濾波程序框圖3.3 PID程序PID調(diào)節(jié)由比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)、微分調(diào)節(jié)三者組成，是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果用于控制輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)被控對(duì)象的特征和控制要求，課靈活地改變PID的結(jié)構(gòu)，取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律，如比例調(diào)節(jié)、比例積分調(diào)節(jié)、比例積分微分調(diào)節(jié)等。PID算法表達(dá)式： （1）離散化

14、后的PID表達(dá)式： （2）在該系統(tǒng)中，選用位置型PID進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，位置型PID輸出表達(dá)式如下： （3）在進(jìn)行程序編寫時(shí)，一般將（3）式作一下改進(jìn)： （4）根據(jù)該表達(dá)式，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行具體的PID運(yùn)算，PID程序流程圖如圖9。PID程序輸入R(k)、M(k)計(jì)算計(jì)算計(jì)算計(jì)算計(jì)算返回圖9 PID程序框圖3.4 總程序當(dāng)把以上程序都編好后，主程序只需要調(diào)用子程序即可，這樣方便參數(shù)調(diào)整，以及程序修改，在該系統(tǒng)中主程序需要調(diào)用的子程序有：周期采樣子程序、數(shù)字濾波子程序、PID運(yùn)算子程序、輸出子程序以及系統(tǒng)初始化。主程序程序流程圖如圖10?？偝绦虺跏蓟芷诓蓸幼映绦驍?shù)字濾波子程序PID子程序輸出子程序返

15、回圖10 主程流程圖心得與體會(huì)這次的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是對(duì)我們進(jìn)入大學(xué)以來學(xué)習(xí)微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)果的一次大考驗(yàn)。自己動(dòng)手，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。并發(fā)現(xiàn)了許多自己的不足，平時(shí)沒掌握的知識(shí)在實(shí)踐中暴漏，經(jīng)過不斷的思考，查閱書籍和上網(wǎng)查資料，解決了大部分問題，還稍微有些小問題。但是，我相信在今后的學(xué)習(xí)中，一定能把它解決好。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，當(dāng)今計(jì)算機(jī)應(yīng)用在是生活中可以說得是無處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來說掌握計(jì)算機(jī)開發(fā)技術(shù)十分重要的?；仡櫰鸫舜握n程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設(shè)計(jì)之后，不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我了解了微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)的真正用意培養(yǎng)自學(xué)能力，養(yǎng)成程序編輯的好習(xí)慣，懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理