電加熱爐計算機溫度測控系統(tǒng)設(shè)計 計算機課程設(shè)計

1、 計算機控制技術(shù) 課程設(shè)計報告 題 目 電加熱爐計算機溫度測控系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)院(部) 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 自 動 化 學(xué)生姓名 學(xué) 號 年級 指導(dǎo)教師 職稱 2011年 7月1日目錄第一章 引言2第二章 系統(tǒng)工作原理3第三章 硬件設(shè)計部分43.1電源部分43.2 A/D轉(zhuǎn)換電路43.3 溫度采樣測量部分63.4 LED顯示電路63.5 功能鍵73.6 信號輸出電路8第四章 軟件設(shè)計部分94.1 系統(tǒng)總程序設(shè)計94.2 A/D 轉(zhuǎn)換器程序流程圖114.3 LED顯示模塊程序流程圖124.4報警模塊程序設(shè)計124.5 鍵盤模塊程序設(shè)計134.6 控制對象數(shù)學(xué)模型13心得體會15參考文獻16第一

2、章 引言溫度是工業(yè)對象中的很重要參數(shù)的之一。廣泛應(yīng)用在冶金、化工、機械各類加熱爐熱、處理爐和反應(yīng)爐等工業(yè)中。電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國民經(jīng)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(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機進行爐溫控制，可以提高控制質(zhì)量和自動化水平。 第二章 系統(tǒng)工作原理本

3、系統(tǒng)的單片機爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機控制器、可控硅輸出部分、傳感器、溫度變送器以及被控對象組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。其工作原理：爐溫控制程序及溫度與熱電偶電勢之間的對于關(guān)系表存放在EPROM2746中，雙向可控硅采用過零觸發(fā)方式。觸發(fā)脈沖由過零同步脈沖形成電路提供。在每個工作周期T內(nèi)的工作占空比與單片機輸出的門控脈沖信號決定。鍵盤與顯示器用于各種參數(shù)的設(shè)置和顯示。熱電偶與放大器將被測溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢信號并放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器換成相應(yīng)的數(shù)字量供單片機識別處理。單片機每隔一定時間要啟動一次A/D轉(zhuǎn)換、采樣一次現(xiàn)場溫度，將溫度數(shù)據(jù)與給定溫度W進行比較，得到溫差，再根據(jù)偏差的大小和正

4、負，通過PID控制算法送出1個相應(yīng)脈沖，讓一定數(shù)量的觸發(fā)脈沖在高電平上通過控制門去觸發(fā)可控硅，送入8031，通過鍵盤顯示來去控制溫度。同時反應(yīng)爐溫的熱電偶的電勢，經(jīng)冷端補償后送運算放大器放大，其電壓范圍為010V，將此電壓經(jīng)多路開關(guān)送入12位A/D轉(zhuǎn)換器后，計算機通過數(shù)據(jù)口獲得相應(yīng)的表征爐溫的數(shù)字量。該數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波、線性化處理以及標(biāo)度變換后，一方面通過LED顯示爐溫，另一方面當(dāng)采樣周期到達時，與設(shè)定溫度進行比較，再做PD/PID運算；根據(jù)運算結(jié)果。計算機通過I/O口改變控制脈沖寬度，從而改變雙向可控硅在一個固定的控制周期T內(nèi)導(dǎo)通的時間（或交流電的周波數(shù)），即改變電加熱爐的平均輸入功率，以此

5、達到控溫的目的。 51單片機電源LED顯示鍵盤溫度變送電加熱固態(tài)繼電器溫度控制低漂移毫伏放大器A/D轉(zhuǎn)換器溫度給定值熱電偶 報警模 塊 圖2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖第三章 硬件設(shè)計部分3.1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(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過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(wǎng)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

6、后,還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)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，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(qū)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(dǎo)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(cè)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(dǎo)通角，以達到控制加熱電阻功率的目的。3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)采用的是12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574，這是一種高性能的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，在此設(shè)計中采用AD

7、574轉(zhuǎn)換器對信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。工作流程是：當(dāng)由傳感器傳過來模擬信號經(jīng)放大器放大后，送到AD574轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機能夠識別的數(shù)字信號。其電路圖如圖3.1 圖3.1.1 單片機系統(tǒng)及與A/D轉(zhuǎn)換接口圖3.2.2 A/D574電路及與單片機的相關(guān)接口3.3 溫度采樣測量部分溫度的采集我們可以選擇溫度變送器，對于簡單的控制可以采用惠更斯電橋做采集電路。經(jīng)信號濾波，放大處理后形成標(biāo)準(zhǔn)的工控模擬信號（電流4mv10mv,電壓1v5v）,便于傳輸和模數(shù)轉(zhuǎn)換。3.4 LED顯示電路 系統(tǒng)中我們需進行參數(shù)設(shè)置以及溫度的顯示，因此需要顯示電路，本實驗采用七段數(shù)碼管顯示。采用靜態(tài)顯示的方式，減少程序的執(zhí)行時間

8、，進而提高系統(tǒng)工作的可靠性。同時采用蜂鳴器進行聲音報警。其具體顯示電路如圖3.4所示。圖3.4 數(shù)碼管靜態(tài)顯示及聲音報警電路3.5 功能鍵 此系統(tǒng)需進行參數(shù)的設(shè)定，因此需要將按鍵設(shè)計在此系統(tǒng)之內(nèi)。具體電路如圖3.4所示。其中，具體功能為： K1加1鍵（按下時數(shù)據(jù)自加1）。 K2減1鍵，（按下時數(shù)據(jù)自減1）。 K3F鍵，（按下時進入下一個參數(shù)的設(shè)定）。 K4ok鍵，按下時結(jié)束參數(shù)設(shè)定，開始運行主程序。圖3.5 功能鍵及與單片機的相關(guān)接口3.6 信號輸出電路3.6.1 PWM控制原理 通過改變電阻絲電壓的接通時間與通電周期的比值（即占空比）來控制電阻絲的平均電壓，控制其輸出功率，進而控制爐內(nèi)溫度.

9、 在此系統(tǒng)中，就只需要控制采樣周期和導(dǎo)通時間即可，即將周期T內(nèi)導(dǎo)通T1時間（采用定時/計數(shù)器T0），定時到了以后，關(guān)閉固態(tài)繼電器。直到下一個周期需要接通時。3.6.2 輸出電路及接口 單片機通過PWM脈沖調(diào)寬功率放大器控制SSR固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)電爐絲的功率而達到調(diào)節(jié)溫度的目的。調(diào)功的原理為：設(shè)電網(wǎng)連續(xù)N個完整的正弦波為一個控制周期T，則式中 -電網(wǎng)頻率，HZ若在設(shè)定的周期T內(nèi)控制主回路導(dǎo)通n(nN)個完整的正弦波(周波),則負載功率為式中 U-電網(wǎng)電壓的有效值R-負載的有效電阻因此,只要控制在設(shè)定的周期T內(nèi)主回路導(dǎo)通的周波數(shù)n的個數(shù),就可調(diào)節(jié)負載的功率P。固態(tài)繼電器控溫電路如圖4所示,采用Z型交

10、流固態(tài)繼電器SSR,實現(xiàn)零觸發(fā)交流調(diào)功。SSR內(nèi)設(shè)光電隔離電路,可減少與電網(wǎng)間的相互干擾,其電路圖如下：0140V有效電壓 圖3.6 輸出電路及其接口第四章 軟件設(shè)計部分 4.1 系統(tǒng)總程序設(shè)計本系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成。主程序的任務(wù)是對系統(tǒng)進行初始化，實現(xiàn)參數(shù)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(shù)據(jù)采集及處理、智能推理等部分組成。系統(tǒng)初始化包括設(shè)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(shù)據(jù)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

11、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4.1所示。開始系統(tǒng)的初始化溫度數(shù)據(jù)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輸出控制量結(jié)束NY圖4.1系統(tǒng)主程序控制系統(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。其中控制算法采用數(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行改進，以達到更好的控制效果。 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

12、的成果。4.2 A/D 轉(zhuǎn)換器程序流程圖置位狀態(tài)位F0關(guān)閉報警F0是否等于零調(diào)PID控制算法程序報警子程序PSW出棧并返回輸出控制量啟動定時器T1溢出標(biāo)志TF1是否為零設(shè)定值與AD結(jié)果比較交流電是否過零結(jié)果=0結(jié)果>or<設(shè)定值的20%-20%<結(jié)果<20%F0=0F0=0NYNY 圖4.2 AD轉(zhuǎn)換程序流程圖4.3 LED顯示模塊程序流程圖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(dāng)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(yīng)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

13、作為公共端，當(dāng)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(yīng)的字段就被點亮。LED數(shù)碼管的顯示方法動態(tài)顯示：動態(tài)掃描，分時循環(huán)； 靜態(tài)顯示：一次輸出，結(jié)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(xiàn)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(jié)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。通過比較及對程序的分析，本設(shè)計當(dāng)中兩組數(shù)碼管均采用了共陰極靜態(tài)顯示。子程序返回譯碼選擇顯示位送入8255PA口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為七段碼開始 圖

14、4.3 顯示子程序4.4報警模塊程序設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，在保溫階段，溫度控制精度為正負1度，故當(dāng)溫度下降或上升2度時為故障狀態(tài)，需要報警提醒。所以在電路設(shè)計上應(yīng)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(dāng)出現(xiàn)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(fù)位和系統(tǒng)恢復(fù)正常后自動復(fù)位。開始置報警位P3.4子程序返回清除報警狀態(tài)位F0 圖4.4 報警子程序4.5 鍵盤模塊程序設(shè)計在本次設(shè)計當(dāng)中，輸入設(shè)備采用4*4矩陣鍵盤。當(dāng)“設(shè)定”鍵按下時觸發(fā)鍵盤中斷服務(wù)程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執(zhí)行相應(yīng)的動作。程控掃描的任務(wù)是：(1)首先判斷是否有鍵按下。

15、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，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。4.6 控制對象數(shù)學(xué)模型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。本設(shè)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(jīng)轉(zhuǎn)換后通過雙向可控硅控制

16、器控制加熱電阻兩端的電壓。其對象問溫控數(shù)學(xué)模型為： 其中：時間常數(shù)Td=350秒 放大系數(shù)Kd=50 滯后時間=10秒控制算法選用改PID控制。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此積分和微分項不能直接計算，只能用數(shù)值計算的方法逼近。在采樣時刻t=iT（T為采樣周期），可得PID調(diào)節(jié)公式：如果采樣周期T取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)控制過程十分接近，我們把這種情況稱為“準(zhǔn)連續(xù)控制”。上式表示的控制算法提供了執(zhí)行機構(gòu)的位置ui，所以稱為位置式PID控制算法。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對數(shù)值，而是其增量時，由上式可導(dǎo)出提供增量的PID算法。只要將上述兩個公式相減可得下面的公式：上式稱為增量式PID控制算法。也可進一步改寫為：其中：可見增量式算法只需要保持現(xiàn)時以前三個時刻的偏差值即可。 心得體會 在此課程設(shè)計中，我選擇了電加熱爐計算機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計這個課題。這對我來說是一種嘗試與創(chuàng)新的過程。經(jīng)過本次課程設(shè)計，使我系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和豐富了計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理，接口電路現(xiàn)應(yīng)用程序。讓我進一步鞏固與綜合專業(yè)基礎(chǔ)知識和其他相關(guān)專業(yè)課程知識。通過資料搜集、方案分析、系統(tǒng)設(shè)計與報告撰寫的一系列過程，使學(xué)生得到一次科學(xué)研究工作的初步訓(xùn)練。同時在設(shè)計中遇到了一些問題，通過去圖書館查