基于PID電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計說明書

1、基于PID電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計 1概述 電加熱爐隨著科學技術的發(fā)展和工業(yè)生產水平的提高，已經在冶金、化工、機械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應用，并且在國民經濟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、升溫單向性等特點的控制對象，很難用數學方法建立精確的數學模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達到好的控制效果。 單片機以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領域得到廣泛應用。采用單片機進行爐溫控制，可以提高控制質量和自動化水平。在本控制對象電阻加熱爐功率為800W，由220V交流電供電，采用雙向可控硅進行控制。本

2、設計針對一個溫度區(qū)進行溫度控制，要求控制溫度范圍50350C，保溫階段溫度控制精度為正負1度。選擇合適的傳感器，計算機輸出信號經轉換后通過雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓。其對象問溫控數學模型為： 其中：時間常數Td=350秒 放大系數Kd=50 滯后時間=10秒控制算法選用改PID控制 2系統(tǒng)硬件的設計本系統(tǒng)的單片機爐溫控制系統(tǒng)結構主要由單片機控制器、可控硅輸出部分、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對象組成。系統(tǒng)硬件結構框圖如下：看門狗報警提醒通信接口LED顯示鍵盤微型控制機AT89S52溫度檢測PT100驅動執(zhí)行機構8路D/A轉換器DAC0832測量變送8路A/D轉換器ADC0809

3、加熱電阻溫度 圖2-1 系統(tǒng)硬件結構框圖 圖2-2 系統(tǒng)電路圖2.1電源部分本系統(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220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^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電壓波動（一般有+-10%左右的波動）、負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)壓電路的作用是當電網電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。整流裝置采用二極管橋式整流

4、，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通與截止來控制加熱電阻的功率。低壓交流電即變壓器二次側的電壓，通過過零檢測電路檢測交流電的過零點，送入單片機后，由控制程序決定雙向可控硅的導通角，以達到控制加熱電阻功率的目的。2.2采樣測量部分在檢測裝置中，溫度檢測用WZP-231鉑熱電阻（Pt100），采用三線制接法，采樣電路為橋式測量電路，其輸入量程為50350°C，經測量電路采樣后輸出25V電壓，再經模數轉換芯片ADC0809進行轉換，變?yōu)閿底至亢笏腿雴纹?/p>

5、機進行分析處理。 鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數關系而制成的溫度傳感器,由于其測量準確度高、測量范圍大、復現性和穩(wěn)定性好等,被廣泛用于中溫(-200650)范圍的溫度測量中。PT100是一種廣泛應用的測溫元件，在-50600范圍內具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關系，所以需要進行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數字化校正，模擬校正有很多現成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對應起來后存入EEPROM中，根據電路中實測的AD值以

6、查表方式計算相應溫度值。 常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將PT100的兩側相等的的導線長度分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。在本系統(tǒng)設計中，采用了第一種方法，即橋式測溫。測溫原理：電路采用TL431和電位器VR1調節(jié)產生4.096V的參考電源；采用R1、R2、VR2、Pt100構成測量電橋（其中R1R2，VR2為100精密電阻），當Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，這個壓差信號經過運放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉換芯片。差動

7、放大電路中R3R4、 R5R6、放大倍數R5/R3，運放采用單一5V供電。 設計及調試注意點： 1. 同幅度調整R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大?。?2. 改變R5/R3的比值即可改變電壓信號的放大倍數，以便滿足設計者對溫度范圍的要求 3. 放大電路必須接成負反饋方式，否則放大電路不能正常工作。4. VR2也可為電位器，調節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點設定，例如Pt100的零點溫度為0，即0時電阻為100，當電位器阻值調至109.885時，溫度的零點就被設定在了25。測量電位器的阻值時須在沒有接入電路時調節(jié)，這是因為接入電路后測量的電阻值發(fā)生了改變。5. 理論上，運放輸出的電壓為

8、輸入壓差信號×放大倍數，但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非這樣的關系，壓差信號比理論值小很多，實際輸出信號為 4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) （1） 式中電阻值以電路工作時量取的為準。 6. 電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準，因為如果直接VCC的話，當網壓波動造成VCC發(fā)生波動時，運放輸出的信號也會發(fā)生改變，此時再到以VCC未發(fā)生波動時建立的溫度-電阻表中查表求值時就不準確。2.3驅動執(zhí)行部分硬件輸出通道主要包括加熱電阻的控制環(huán)節(jié)，而此控制環(huán)節(jié)的核心是雙向可控硅，但電路的關鍵是設計雙向可控硅的驅動電路。雙向可控硅的通斷

9、直接決定加熱電阻的工作與不工作，本部分用帶過零觸發(fā)的光耦MOC3061來驅動。2.3.1光耦驅動電路在驅動電路中，由于是弱電控制強電，而弱電又很容易受到強電的干擾，影響系統(tǒng)的工作效率和實時性，甚至燒毀整個系統(tǒng)，導致不可挽回的后果，因此必須要加入抗干擾措施，將強弱電隔離。光耦合器是靠光傳送信號，切斷了各部件之間地線的聯(lián)系，從根本上對強弱電進行隔離，從而可以有效地抑制掉干擾信號。此外，光耦合器提供了較好的帶寬，較低的輸入失調漂移和增益溫度系數。因此，能夠較好地滿足信號傳輸速度的要求，且光耦合器非常容易得到觸發(fā)脈沖，具有可靠、體積小、等特點。所以在本系統(tǒng)設計中采用了帶過零檢測的光電隔離器MOC306

10、1，用來驅動雙向可控硅并隔離控制回路和主回路。MOC3061是一片把過零檢測和光耦雙向可控硅集成在一起的芯片。其輸出端的額定電壓是400V，最大重復浪涌電流為1.2A，最大電壓上升率dv/dt為1000v/us,輸入輸出隔離電壓為7500V，輸入控制電流為15mA。在圖2-2驅動執(zhí)行電路中，當單片機的P2.0、P2.1、P2.2發(fā)出邏輯數字量為高電平時，經過三極管放大后驅動光耦合器的放光二極管，MOC3061的輸入端導通，有大約15mA的電流輸入。當MOC306的輸出端6腳和4腳尖電壓稍稍過零時，光耦內部雙向可控硅即可導通，提供一個觸發(fā)信號給外部晶閘管使其導通；當P2.0、P2.1、P2.2為

11、低電平時，MOC3061截止，雙向可控硅始終處于截止狀態(tài)。2.3.2驅動電路有關元件的選擇R25，C10組成吸收電路，并接在雙向可控硅的兩極之間。吸收回路組成緩沖器。有了吸收回路，可控硅通斷過程中電源電壓的變化率受到R25，C10的限制。R25可以抑制雙向可控硅通斷時產生的浪涌電流。R25和C10根據經驗公式選，一般C10取0.011.0uF，R25取幾歐到幾十歐，本電路中R25取39歐，C10取0.01 uF。R27為限流電阻，用來限制MOC3061的輸出驅動電流，其數值為電源電壓峰值除以雙向可控硅的允許重復電流。在本電路中R27取300歐。R26：由于MOC3061在輸出關斷狀態(tài)下也有小于

12、或等于500mA的輸出電流，所以加入R26分流消除這個電流對雙向可控硅的影響，以防止雙向可控硅誤觸發(fā)，提高了系統(tǒng)的可靠性。在此電路中可以看出單片機的輸出通道采用了MOC3061進行驅動有以下優(yōu)點： （1）控制簡單?？捎肧ETB或CLR指令直接控制P2.0、P2.1、P2.2以控制加熱電阻的工作與否。 （2）MOC3061由于采用了過零觸發(fā)電路大大簡化了雙向可控硅的觸發(fā)電路，把SCR一向控制變?yōu)閷嵱玫臄底置}沖控制。 （3）MOC3061與雙向可控硅實際組成了一個固態(tài)繼電器，實現了無觸電控制。 （4）輸出通道實現了光電隔離，防止了射電干擾。 （5）輸出通道用P2.0、P2.1、P2.2口直接控制雙

13、向可控硅，省去了的D/A轉換電路，簡化了接口電路。2.3.3雙向可控硅電路(1)雙向可控硅這種可控硅具有雙向導通功能，在交流電的正負半周都可以導通。其英文名TRIAC即三級交流開關的意思，并把它的兩極稱為MT1和MT2，其電路符合如圖所示。雙向可控硅的通斷情況由控制極柵極（G）決定，當柵極無信號時MT1和MT2成高阻態(tài)，管截止；而當MT1與MT2之間加一個閾值電壓（一般大于1.5V）的電壓時，就可以利用控制極柵極電壓來使可控硅導通。但需要注意的是，當雙向可控硅接感性負載時，電流和電壓之間有一定的相位差。在電流為零時，反向電壓可能不為零，且超過轉換電壓，使管子反向導通，故要管子能承受這種反向電壓

14、，并在回路中加入RC網絡加以吸收。(2)觸發(fā)方式控制雙向可控硅從高阻態(tài)（阻斷區(qū)）轉換到低阻態(tài)（導通區(qū)）可以用不同的方式實現。相應的分為四種方式：（1） MT1相對于MT2為正，控制脈沖電壓Ug相對于MT1為正（2） MT1相對于MT2為負，控制脈沖電壓Ug相對于MT1為負（3） MT1相對于MT2為正，控制脈沖電壓Ug相對于MT1為負（4） MT1相對于MT2為負，控制脈沖電壓Ug相對于MT1為正雙向可控硅通常工作在控制方式（1）和控制方式（2）。在這兩種控制方式下，控制靈敏度特別高。另外兩種控制方式下，要求高一倍的觸發(fā)電流。在本設計中，選擇了控制方式（1）和（2）。如同晶閘管的控制極那樣，雙

15、向可控硅的控制極在觸發(fā)后便失去了作用。雙向可控硅長期維持低阻態(tài)，直到低于維持電流I H，然后在轉換到高阻態(tài)。在控制交流電壓時，每次電源電壓過零雙向可控硅都會自動截止，所以雙向可控硅每半個周期都需要重新觸發(fā)。在本設計中，考慮到電網電壓的穩(wěn)定和現在市場上銷售的雙向可控硅型號，選擇了工作電壓為400V，通態(tài)電流為4A的雙向可控硅BT136。利用單片機控制雙向可控硅的導通角。在不同時刻利用單片機給雙向可控硅的控制端發(fā)出觸發(fā)信號，使其導通或關斷，實現負載電壓有效值的不同，以達到調壓控制的目的。具體如下：（1） 由硬件完成過零觸發(fā)環(huán)節(jié)，即在工頻電壓下，每10ms進行一次過零觸發(fā)信號，由此信號來達到與單片機

16、的同步。（2） 過零檢測信號接至單片機的P2.3口，由單片機對此口進行循環(huán)檢測，然后進行延時觸發(fā)。3控制電路及程序流程圖3.1 微處理器89C5189C51是一種帶4K字節(jié)Flash可編程可擦除的高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器。單片機的抗干擾性設計。單片機干擾最常見的現象就是程序出現不可逆狀態(tài)，設計系統(tǒng)時一般要添加一個看門狗監(jiān)控模塊，在系統(tǒng)出現不可逆

17、狀態(tài)的干擾時，監(jiān)控模塊將重啟系統(tǒng)。MAX1232微處理器監(jiān)控電路給微處理器提供輔助功能以及電源供電監(jiān)控功能，當電源過電壓、欠電壓時，MAX1232將提供至少250ms寬度的復位脈沖，其中的容許極限能用數字式的方法來選擇5%或10%的容限。3.2模數轉換模塊ADC0809是一個典型的逐次逼近型8位A/D轉換器。它由8路模擬開關、8位A/D轉換器、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，轉換后的數字量輸出是三態(tài)的（總線型輸出），可以直接與單片機數據總線連接。ADC0809采用+5V電源供電，外接工作時鐘。當典型工作時鐘為500KHz時，轉換時間約為128us.（1） 時鐘信

18、號：由于ADC0809無片選端，因此電路增加了或非門74LS02，以便對ADC0809進行讀/寫控制。單片機采用6MHz/s的晶振，ALE輸出66MHz/s時鐘信號，經74LS74觸發(fā)器2分頻，得到500KHz的時鐘信號，與ADC0809的時鐘端CLK相連。（2） 通道選擇：三位通道選擇端ADDA、ADDB、ADDC與數據線P1口的低三位P1.0、P1.1、P1.2相連，用數據線進行通道選擇，由P1.0、P1.1、P1.2三位決定選擇那一通道。（3） ADC0809啟動：ADC0809的啟動端START、地址所存端ALE均為高電平有效。將START和ALE連在一起，與74LS02的輸出端相連。

19、或非門74LS02的兩個輸入端/WR和P3.5均為低電平時，其輸出為高電平，執(zhí)行外部I/O口的寫操作。（4） 轉換數據的讀?。寒斵D換結束時，EOC端輸出高電平?？捎貌樵兒椭袛嗟姆椒ㄟM行數據讀取處理。輸出允許OE端為高電平，8位轉換數據D0D7輸出到數據線上。只有P3.5和/RD同時為低電平時，OE端才為高電平。執(zhí)行外部I/O口讀操作/RD為低電平。（5） 轉換結束標志EOC:轉換結束標志EOC端經反向器與單片機的/INT1相連，即轉換一旦結束，外部中斷1則申請中斷。開始將PSW壓棧調顯示程序讀A/D結果置位狀態(tài)位F0關閉報警F0是否等于零調PID控制算法程序報警子程序PSW出棧并返回輸出控制量

20、啟動定時器T1溢出標志TF1是否為零設定值與AD結果比較交流電是否過零結果=0結果>or<設定值的20%-20%<結果<20%F0=0F0=0NYNY 圖3-1 A/D轉換結束中斷服務程序流程圖3.3 LED顯示模塊8段LED顯示屏是最常用的顯示器件，分為共陽極和共陰極兩種形式。共陽極LED將所有發(fā)光二極管的陽極接在一起作為公共端，當公共端接高電平，某一段的發(fā)光二極管陰極接低電平時，相應的字段就被點亮。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，相應的字段就被點亮。LED數碼管的顯示方法動態(tài)顯示：動態(tài)掃描，分

21、時循環(huán)靜態(tài)顯示：一次輸出，結果保持(1)動態(tài)顯示 動態(tài)顯示，就是微型機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，是由微型機一次輸出顯示后，就能保持該顯示結果，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示占用機時少，顯示可靠。子程序返回譯碼選擇顯示位送入8255PA口將數據轉換為七段碼開始通過比較及對程序的分析，本設計當中兩組數碼管均采用了共陰極靜態(tài)顯示。 圖3-2顯示子程序3.4報警模塊根據設計要求，在保溫階段，溫度控制精度為正負1度，故當溫度下降或上升2度時為故障狀態(tài)，需要報警提醒。

22、所以在電路設計上應用了蜂鳴器和發(fā)光二極管，系統(tǒng)正常運行時綠色發(fā)光二極管點亮，當出現故障時紅色發(fā)光二極管點亮并且蜂鳴器鳴叫，提醒操作人員注意。報警狀態(tài)可通過按鍵復位和系統(tǒng)恢復正常后自動復位開始置報警位P3.4子程序返回清除報警狀態(tài)位F0 圖3-3報警子程序3.5鍵盤模塊在本次設計當中，輸入設備采用4*4矩陣鍵盤。當“設定”鍵按下時觸發(fā)鍵盤中斷服務程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執(zhí)行相應的動作。程控掃描的任務是：(1)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如果有鏈按下則不為FFH。(2)去除鍵抖動。方法：延時1020 ms

23、，再一次判斷有無鍵按下，如果此時仍有鍵按下，則認為鍵盤上確實有鍵處于穩(wěn)定閉合期。(3)若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。方法：對鍵盤逐行掃描。(4) 程序中需等閉合鍵釋放后才對其進行處理。3.6通信模塊在此部分主要是實現下位機與上位機之間的通信，將實時數據傳送到上位機，進行同一協(xié)調和集中管理。RS232的電氣接口是單端的、雙極性電源電路。由于RS-232采用的數據傳輸線路是非平衡，且是誤無差分的接收方式，當信號穿過電氣干擾環(huán)境時，發(fā)送的信號將會受到影響。故數據傳輸速率局限于20KB/s；傳輸距離局限于15m，但RS-232也是目前最廣泛使用的串行通信接口標準。在本設計當中，考慮到系統(tǒng)調試的方便，

24、采用了RS232串行總線。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路,使用+5v單電源供電。內部結構基本可分三個部分： （1）第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。 （2）第二部分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10 腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數據通道。 TTL/CMOS

25、數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。 （3）第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）4系統(tǒng)軟件設計 本系統(tǒng)的應用程序主要由主程序、中斷服務程序和子程序組成。主程序的任務是對系統(tǒng)進行初始化，實現參數輸入，并控制電加熱爐的正常運行。主程序主要由系統(tǒng)初始化、數據采集及處理、智能推理等部分組成。系統(tǒng)初始化包括設置棧底、工作寄存器組、控制量的初始值、采樣周期、中斷方式和狀態(tài)、定時器的工作方式以及8255的初始化、MAX1232的初始化等。數據采集及處理主要包括實時采集電加熱爐的爐溫信號，計算出實際爐溫與理想值的差值以及溫差的變化率，并對爐溫信號進行濾波和限幅處理。主程序流程圖如圖3所示。開始系統(tǒng)的初始化溫度數據采集及處理溫度值顯示計算溫差e（k）和溫差變化率智能控制算法程序控制輸出求出