電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、學(xué) 號(hào)： 0121111360323課 程 設(shè) 計(jì)題 目電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué) 院自動(dòng)化專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)1103姓 名薩楚拉指導(dǎo)教師張素文2014年7月4日武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 薩楚拉 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化1103 指導(dǎo)教師： 張素文 工作單位： 自動(dòng)化 題 目: 電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初始條件： 設(shè)計(jì)一個(gè)電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)為一階慣性純滯后特性（參數(shù)自定），溫度控制要求為500，溫度控制精度為 1；通過(guò)LED 顯示溫度；要求完成的主要任務(wù): 1 輸入通道及輸出通道設(shè)計(jì)；2 LED接口設(shè)計(jì)；3 采用改進(jìn)PID控

2、制算法；1 系統(tǒng)軟件流程及各程序模塊設(shè)計(jì)并用仿真軟件演示；4 完成符合要求的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。時(shí)間安排：2013年6月25日2013年7月4日指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄1 控制對(duì)象1 1.1控制對(duì)象介紹1 1.2 控制性能要求12方案的比較和確定13統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)2 3.1總體設(shè)計(jì)2 3.2溫度檢測(cè)電路3 3.3 控制信號(hào)輸出通道3 3.4 LED顯示電路44 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5 4.1 程序流程圖5 4.2控制算法65基MATLAB仿真被控對(duì)象86.心得體會(huì)10參考文獻(xiàn)11附錄一 電路圖12附錄二 程序代碼13武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘要當(dāng)今社會(huì)

3、，隨著產(chǎn)品的精細(xì)化，溫度對(duì)產(chǎn)品的影響原來(lái)越受到人們的關(guān)注，于是，溫度控制成為了工業(yè)生產(chǎn)中重要的控制參數(shù)之一。這樣，一個(gè)能夠精確控制溫度的系統(tǒng)成為人們迫切的需要，它將能夠廣泛的被使用于的各種加熱爐、精密器件制造、甚至于食品行業(yè)等。本次試驗(yàn)便以電阻爐的溫度控制為例，試圖探求一個(gè)具有良好穩(wěn)定性的溫度控制系統(tǒng)。本次試驗(yàn)以C51單片機(jī)為核心，采用溫度變送器橋路和固態(tài)繼電器控溫電路，該控制系統(tǒng)具有硬件成本低、控溫精度較高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)?；镜南敕ㄊ牵篊51單片機(jī)能夠按要求對(duì)電阻爐進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制算法的確定，發(fā)出準(zhǔn)確的控制命令；A/D轉(zhuǎn)換芯片將得到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；單片機(jī)對(duì)數(shù)字量進(jìn)行處

4、理，得到應(yīng)有的控制量，去控制加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)、電阻爐、溫度測(cè)量、控制系統(tǒng)電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 控制對(duì)象1.1控制對(duì)象介紹電阻爐是利用電流通過(guò)電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)加熱或者熔化工件和物料的熱加工設(shè)備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。電氣控制系統(tǒng)包括電子線路、微機(jī)控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統(tǒng)通常指?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，雖爐種的不同而已。 電阻爐的主要參數(shù)由額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸。生產(chǎn)率、空爐損耗功率、空爐升溫時(shí)間、爐溫控制精度及爐溫均勻性等1.2 控

5、制性能要求本設(shè)計(jì)要求控制一個(gè)電阻爐，它是一個(gè)具有很大滯后性的系統(tǒng)，慣性也很大，其傳遞函數(shù)的形式可以寫(xiě)為，溫度控制要求為500，溫度控制精度為 1，電阻爐的溫度還要通過(guò)LED 實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。2方案的比較和確定方案一系統(tǒng)采用8084芯片作為系統(tǒng)的微處理器。溫度信號(hào)由熱電偶檢測(cè)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理（放大）送到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)再送到8084芯片內(nèi)部進(jìn)行判斷或計(jì)算。從而輸出的控制信號(hào)來(lái)控制鍋爐是否加熱。但對(duì)于8084芯片來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部只有128個(gè)字節(jié)的RAM，沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，并且系統(tǒng)的程序很多，要完成鍵盤、顯示等功能就必須對(duì)8084芯片進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展和I/O口擴(kuò)展，并且需要容量較大的程序

6、存儲(chǔ)器，外擴(kuò)時(shí)占用的I/O口較多，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。方案二系統(tǒng)采用AT89C51作為系統(tǒng)的微處理器來(lái)完成對(duì)爐溫的控制和鍵盤顯示功能。C51單片機(jī)片內(nèi)除了128KB的RAM外，片內(nèi)又集成了4KB的ROM作為程序存儲(chǔ)器，是一個(gè)程序不超過(guò)4K字節(jié)的小系統(tǒng)。系統(tǒng)程序較多時(shí)，只需要外擴(kuò)一個(gè)容量較小的程序存儲(chǔ)器，占用的I/O口減少，同時(shí)也為鍵盤、顯示等功能的設(shè)計(jì)提供了硬件資源，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了成本。因此89C51可以完成設(shè)計(jì)要求。綜上所述的二種方案，該設(shè)計(jì)選用方案二比較合適。3統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)3.1總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件包括微控制器部分（主機(jī)）、溫度檢測(cè)、溫度控制、人機(jī)對(duì)話（鍵盤/顯示）4個(gè)主要部分，系統(tǒng)的結(jié)

7、構(gòu)框圖如圖3-1所示。系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法，程序有主程序、中斷服務(wù)子程序和各功能模塊程序組成，各功能模塊可直接調(diào)用。圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2溫度檢測(cè)電路溫度檢測(cè)電路包括溫度檢測(cè)電路、放大器和A/D轉(zhuǎn)換三部分。原理圖如圖3-2所示圖3-2溫度檢測(cè)電路Pt100溫度傳感器的測(cè)量范圍為：，符合題目中的溫度測(cè)量。它是利用金屬鉑在溫度變化時(shí)自身電阻值也隨之改變的特性來(lái)測(cè)量溫度的，顯示儀表將會(huì)指示出鉑電阻的電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)，測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化的計(jì)算公式： -200<t<0 Rt=R01+At+

8、Bt+C(t-100)t （3-1） 0<t<850 Rt=R0（1+At+Bt2） （3-2）Rt為t時(shí)的電阻值，R0為0時(shí)的阻值。公式中的A,B,系數(shù)為實(shí)驗(yàn)測(cè)定。這里給出標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)：A=3.90802*10-3；B=-5.802*10-7； C=-4.27350*10-12。3.3 控制信號(hào)輸出通道該電路用到了芯片MOC3021，它是過(guò)零觸發(fā)雙硅輸出光耦。過(guò)零觸發(fā)是在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)，改變晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓或功率的控制。 實(shí)際上它就相當(dāng)于一個(gè)用于交流電路中的“電子開(kāi)關(guān)”，這個(gè)電子開(kāi)關(guān)的“接通”、“斷開(kāi)”動(dòng)作是在交流電流過(guò)“0”點(diǎn)完成的。這樣的電路，對(duì)用電負(fù)荷不會(huì)造成“電

9、流沖擊”。電路的工作狀況是“斷續(xù)”的，適用于本系統(tǒng)熱慣性較大的電阻爐負(fù)載?？刂菩盘?hào)輸出通道的電路圖如圖10所示，考慮到加熱系統(tǒng)具有較大的熱慣性，即一階慣性純滯后特性，本系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的控制方法，單片機(jī)輸出控溫信號(hào)。單片機(jī)輸出低電平時(shí)，使雙向可控硅導(dǎo)通，電熱絲通電；輸出高電平時(shí)，雙向可控硅截止，電熱絲斷電。其中，7407用于驅(qū)動(dòng)，提供更大的電流驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管?？煽毓栝T極回路與220V電源相通，光電耦合器有效地把單片機(jī)系統(tǒng)與220V強(qiáng)電隔離，確保了單片機(jī)系統(tǒng)的安全性。原理圖如3-3所示圖3-3控制信號(hào)輸出通道3.4 LED顯示電路由于溫度控制精度為1，設(shè)計(jì)中選取型號(hào)為7SEG-MP

10、X4-CC的數(shù)碼管顯示器，其為共陰極數(shù)碼管。工作方式為動(dòng)態(tài)顯示方式。動(dòng)態(tài)顯示，就是微型機(jī)定時(shí)地對(duì)顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時(shí)工作，每次只能一個(gè)器件顯示。但由于人視覺(jué)的暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺(jué)所有的器件都在顯示。圖3-4LED顯示電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 程序流程圖該控制系統(tǒng)的流程圖如圖4-1所示，首先對(duì)單片機(jī)的各個(gè)控制端口以及各個(gè)參數(shù)初始化，然后就啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等操作，使數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提高，然后進(jìn)行標(biāo)度變換，得到實(shí)際的測(cè)量溫度。把測(cè)量溫度進(jìn)行處理后送到數(shù)碼管顯示，把測(cè)量溫度與規(guī)定溫度作比較，判斷是否動(dòng)作。同時(shí)計(jì)算測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差，根

11、據(jù)偏差判斷是進(jìn)行PID計(jì)算還是積分項(xiàng)改進(jìn)（分離）的PD計(jì)算，得到PWM脈沖控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，然后程序重復(fù)執(zhí)行。圖4-1電阻爐系統(tǒng)控制流程圖4.2控制算法4.2.1控制算法的確定PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟的、應(yīng)用最廣泛的一種控制算方法。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行改進(jìn)，適時(shí)的采用各種PID的變型，如PI、PD控制等，本次試驗(yàn)便是使用改進(jìn)的PID控制算法，它具有許多特點(diǎn)，如不需要求出數(shù)學(xué)模型、控制效果好、能夠避免積分飽和、能夠消除積分不靈敏區(qū)等，特別是在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于被控量變化較為緩慢且有慣性和滯后情況，積分項(xiàng)往往會(huì)產(chǎn)生很大的積累，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生很大超調(diào)

12、，甚至發(fā)生震蕩，使用改進(jìn)PID控制算法可以將積分項(xiàng)進(jìn)行分離，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。改進(jìn)PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示：圖4-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖具有一階慣性純滯后特性的電阻爐系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型可表示為： （4-1）在改進(jìn)PID調(diào)節(jié)中，需要根據(jù)多次測(cè)試確定積分分離閾值，當(dāng)時(shí)，采用PD控制，當(dāng)時(shí)，采用PID控制。閾值一定要選取合適，若選取過(guò)大，達(dá)不到積分分離的目的，若選取過(guò)小，被控量無(wú)法跳出積分分離區(qū)，一直處于PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。確定時(shí)，可以先假設(shè)一個(gè)值，然后測(cè)試若干個(gè)不同的PI、PD參數(shù)，得出一組較好的控制參數(shù)。積分分離控制算法可表示為： （4-2）式中：T為采樣時(shí)間，a為積分項(xiàng)開(kāi)關(guān)系數(shù)，當(dāng)時(shí)，

13、a=0；時(shí)，a=1。為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；為比例系數(shù)。因此，爐溫控制系統(tǒng)的輸出量為：a=0， a=1，其中， 為輸出量；、分別為第t次、第t-1次和第t-2次采樣時(shí)刻的偏差值。由式可知： a=1時(shí)，比例系數(shù)和微分系數(shù)同時(shí)起作用，溫度快速接近設(shè)定值。a=0時(shí)，比例系數(shù)和微分系數(shù)同時(shí)起作用，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定接近設(shè)定值，避免超調(diào)和過(guò)沖。與PID控制算法相比，改進(jìn)PID控制算法有如下優(yōu)點(diǎn)：（1） 單純的PID控制算法無(wú)法發(fā)揮計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、邏輯判斷能力強(qiáng)、編程靈活等優(yōu)勢(shì)，從而很難獲得更好的效果。而改進(jìn)PID控制算法則能夠更加靈活的根據(jù)輸入量的變化與特點(diǎn)進(jìn)行算法調(diào)整，使輸出更加準(zhǔn)確。 （2）對(duì)于溫度這

14、種變化緩慢的過(guò)程，PID算法的積分項(xiàng)會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生很大超調(diào)量和很長(zhǎng)的調(diào)整時(shí)間，如果在較大時(shí)取消積分作用，在較小時(shí)才投入積分項(xiàng)，就可以很靈活的避免這種情況，獲得更加準(zhǔn)確的調(diào)整。正因?yàn)榫哂猩鲜鰞?yōu)點(diǎn)，在實(shí)際控制中，改進(jìn)PID控制算法比標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法應(yīng)用更加廣泛。5基MATLAB仿真被控對(duì)象由于在硬件電路中，我們看到的只是PID整定的結(jié)果，而對(duì)于其工作過(guò)程卻不清楚，因此為了更清楚的了解PID的調(diào)節(jié)過(guò)程，我們使用MATLAB的SIMULINK功能對(duì)PID調(diào)節(jié)進(jìn)行仿真，得出其整定的工作波形，從而更直觀的看到PID調(diào)節(jié)過(guò)程。采用SIMULINK仿真，通過(guò)SIMULINK模塊實(shí)現(xiàn)積分分離PID控制算示。設(shè)采

15、樣時(shí)間Ts=10s，被控對(duì)象為：SIMULINK仿真圖如圖5-1所示。圖5-1 Simulink仿真圖選擇合適的Kp，Ki，Kd是系統(tǒng)的仿真效果趨于理想狀態(tài)。MATLAB編寫(xiě)程序如下：clear all;close all;ts=10sys=tf(1,30,1,'inputdelay',80);dsys=c2d(sys,ts,'zoh');num,den=tfdata(dsys,'v');kp=5.2ki=0.1;kd=0.1MATLAB仿真波形如圖5-2所示。圖5-2 MATLAB仿真波形6.心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)之初，通過(guò)老師的給的資料，對(duì)報(bào)告

16、的要求和所設(shè)計(jì)的內(nèi)容有了一定的了解。由于對(duì)電阻爐，溫度傳感器等不是太了解，于是在我查詢了相關(guān)的資料，了解了電阻爐，溫度傳感器，根據(jù)題目的要求選擇了熱電阻中的鉑電阻。同時(shí)本次課程設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了51單片機(jī)、TLC2543等較多的芯片，為此查詢了相關(guān)芯片的引腳圖，對(duì)這些芯片有了大致的了解，在學(xué)會(huì)使用這些芯片的過(guò)程，我也學(xué)到了許多的知識(shí)。本次課程設(shè)計(jì)讓protues，Diagram Designer，word，Keil等軟件的使用，增強(qiáng)了我的電腦操作能力，對(duì)單片機(jī)的使用讓我重新回顧了C語(yǔ)言的使用，對(duì)以前的知識(shí)有了復(fù)習(xí)的機(jī)會(huì)。而本次課程設(shè)計(jì)主要的難點(diǎn)也是在于程序的設(shè)計(jì)。本次課程設(shè)計(jì)中也遇到了些問(wèn)題，如剛

17、開(kāi)始時(shí)題目的理解錯(cuò)誤，程序運(yùn)行出錯(cuò)，仿真出問(wèn)題等，在同學(xué)的指導(dǎo)和幫助下，這些問(wèn)題得到了一定的解決。在今后的學(xué)習(xí)生活中也是如此，除了自己的努力外，還需請(qǐng)教他人，學(xué)習(xí)他人的經(jīng)驗(yàn)，讓今后的路更加的平坦。參考文獻(xiàn)1 陳立周、陳宇.單片機(jī)原理及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20062 于海生編著.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，20033 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，20054 于海生.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.5 劉紅麗、張菊秀. 傳感與檢測(cè)技術(shù). 國(guó)防工業(yè)出版社，2007.6 康華光編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.高等教育出版社，2000附錄一 電路圖附錄二 程序

18、代碼#include <reg52.h>#include <intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit D_OUT=P30;sbit D_IN=P31;sbit _CS=P32;sbit CLOCK=P33; /單片機(jī)與TLC2543連接的端口定義sbit C1=P21;sbit C0=P20;sbit C2=P22;sbit C3=P23; /單片機(jī)與數(shù)碼管位選連接的端口定義sbit dip=P07; /數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)的定義sbit green=P34;sbit red=P35;

19、/報(bào)警燈的定義uint KP=10; /比例系數(shù)uint KI=5; /積分系數(shù)uint KD=3; /微分系數(shù)uint KC=5; /速度調(diào)整sbit HEAT=P27;/執(zhí)行裝置端口定義float PWM; /脈沖調(diào)制寬度uint temp; /溫度值uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71; /數(shù)碼管顯示表/*精確延時(shí)模塊*/void delay(uchar n)uchar i;for(i=0;i<n;i+)_nop_(); /*毫

20、秒級(jí)延時(shí)模塊*/void delayms(uchar m)uint x,y;for(x=m;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);/*TLC2543驅(qū)動(dòng)模塊*/uint read2543(uchar port)uint ad=0,i;CLOCK=0;_CS=0;port<<=4;for(i=0;i<12;i+)if(D_OUT) ad|=0x01;D_IN=(bit)(port&0x80);CLOCK=1;delay(3);CLOCK=0;delay(3);port<<=1;ad<<=1;_CS=1;ad>>

21、=1;return(ad); /* 溫度顯示函數(shù)*/void display(uchar qian,uchar bai,uchar shi,uchar ge)P0=tableqian;C0=0;delayms(2);C0=1;P0=tablebai; C1=0;delayms(2);C1=1;P0=tableshi;dip=1; C2=0;delayms(2); C2=1;P0=tablege;C3=0;delayms(2);C3=1;/*PID程序判斷計(jì)算模塊*/void PID() uint diff19=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0; uin

22、t um_diff=0; /(diff) uint urr_=0; float p_out,i_out,d_out,temp_pid; float pwm_0; temp_pid=diffcurr_; if(curr_+1>=19)curr_=0; sum_diff-=diffcurr_; diffcurr_=abs(key-(uint)(temp); sum_diff+=diffcurr_; p_out=KP*diffcurr_; /比例項(xiàng)輸出 i_out=KI*sum_diff; /積分項(xiàng)輸出 d_out=KD*(diffcurr_-temp_pid); /微分項(xiàng)輸出 pwm_0=KC*key; /