計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)電阻爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院專業(yè) 姓 名 學(xué) 號(hào)_ _ _ 完成時(shí)間 摘 要：電阻爐的類型根據(jù)其熱量產(chǎn)生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時(shí)產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強(qiáng)大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)熱從而達(dá)到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡(jiǎn)單、溫度場(chǎng)分布 均勻、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)

2、用十分廣泛。 關(guān)鍵詞：爐溫控制；高效率；加熱一、總體方案設(shè)計(jì)本次課程設(shè)計(jì)主要就是使用計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的部件組成電阻爐爐溫的自動(dòng)控制系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)達(dá)到工藝要求的性能指標(biāo)。1、 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求電阻加熱爐用于合金鋼產(chǎn)品熱力特性實(shí)驗(yàn)，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。在本控制對(duì)象電阻加熱爐功率為8KW，有220V交流電源供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控制。2、工藝要求及要求實(shí)現(xiàn)的基本功能本系統(tǒng)中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為采用一臺(tái)主機(jī)控制8個(gè)同樣規(guī)格的電阻爐溫度；電爐額定功率為20 kW；）恒溫正常工作溫度為1000，控溫精度為±1%；電阻爐

3、溫度按預(yù)定的規(guī)律變化，超調(diào)量應(yīng)盡可能小，且具有良好的穩(wěn)定性；具有溫度、曲線自動(dòng)顯示和打印功能，顯示精度為±1；具有報(bào)警、參數(shù)設(shè)定、溫度曲線修改設(shè)置等功能。3、控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)電阻爐溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由主機(jī)、溫度檢測(cè)裝置、A/D轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及輔助電路組成。系統(tǒng)中主機(jī)可以選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)或可編程序控制器中的一種作為控制器，再根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選擇一種合理的控制算法對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)組成框圖如圖11-1所示。采用熱電偶作為測(cè)溫元件，經(jīng)變送器及A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)測(cè)得的溫度信號(hào)進(jìn)行處理，送入主機(jī)與給定值比較，按控制算法計(jì)算后輸出控制量，通過固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)電

4、阻爐加熱功率的調(diào)節(jié)，使?fàn)t溫按設(shè)定溫度曲線變化。各部分方案如下：（1）控制系統(tǒng)主機(jī)考慮到MCS-51系列單片機(jī)已經(jīng)過長(zhǎng)期的應(yīng)用，性能比較穩(wěn)定，其功能完全可以滿足本系統(tǒng)控制要求，人們對(duì)它又比較熟悉，因此主機(jī)采用AT89C51單片機(jī)。（2）檢測(cè)裝置 系統(tǒng)選用鎳鉻-鎳硅熱電偶作為測(cè)溫元件檢測(cè)爐膛中的溫度。鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)溫范圍為-200+1200（分度號(hào)為k）。它線性度較好，價(jià)格便宜，輸出熱電動(dòng)勢(shì)較大（40A/），便于測(cè)量放大器的選配。熱電偶冷端溫度補(bǔ)償采用集成溫度傳感器AD590。變送器采用兩級(jí)放大，第一級(jí)選用高穩(wěn)定性運(yùn)放ICL7650，第二級(jí)由通用型集成運(yùn)算放大器A741構(gòu)成。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 采

5、用交流過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器控制電路。這種控制方式與傳統(tǒng)的采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導(dǎo)通角的雙向晶閘管（SCR）控制方式相比，具有穩(wěn)定、可靠、先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)。 （4）模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器） 選用AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的轉(zhuǎn)換。AD574A是12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25s，轉(zhuǎn)換精度為0.05%。 二、數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電阻爐是一個(gè)具有自平衡能力的對(duì)象，可以近似為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。由被控對(duì)象實(shí)驗(yàn)得到的飛升曲線，確定出被控對(duì)象的純滯后時(shí)間=1.2 min和被控對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)TP=1.2 min。當(dāng)/TP0.5時(shí)，可采用PID算法控制;當(dāng)

6、/TP> 0.5時(shí)，可采用達(dá)林算法控制，本系統(tǒng)/TTP>0.5，故采用達(dá)林算法控制。三、硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1、溫度檢測(cè)及功率放大電路本系統(tǒng)采用鎳鉻-鎳硅熱電偶檢測(cè)電阻爐中的溫度，熱電偶測(cè)溫是基于物體的熱電效 應(yīng)，它由兩種不同的金屬或合金組成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，測(cè)溫范圍廣、精度高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和傳送，使用穩(wěn)定、可靠，因此被廣泛應(yīng)用。其不足之處是測(cè)溫精度受冷端溫度（即環(huán)境溫度）的影響，為了提高熱電偶測(cè)溫精度，需要在熱電偶冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度檢測(cè)電路及功率放大電路如圖所示。熱電偶冷端溫度補(bǔ)償采用的是集成溫度傳感器AD590，流過AD590的電流Iu=273

7、A+ T0×1A/，式中，T0為室溫。負(fù)載電阻R3上輸出電壓UOUT= Iu R3，選擇電阻R3使UOUT在AD590允許輸入電壓范圍內(nèi)。本系統(tǒng)選擇R3=10 k。這種測(cè)量方法冷端溫度準(zhǔn)確，克服了常規(guī)方法補(bǔ)償誤差大和不方便的缺點(diǎn)。 熱電偶傳感器輸出的電壓信號(hào)較為微弱（只有幾毫伏到幾十毫伏），因此在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前必須進(jìn)行信號(hào)變送，由高放大倍數(shù)的電路將它放大到A/D轉(zhuǎn)換器通常所要求的電壓范圍，熱電偶的輸出熱電勢(shì)為056 mV。本系統(tǒng)前級(jí)選用自穩(wěn)態(tài)高精度斬波運(yùn)放 ICL7650，輸入信號(hào)為差動(dòng)信號(hào)，放大倍數(shù)為15倍。后級(jí)運(yùn)放選用較廉價(jià)的A741，放大倍數(shù)可調(diào)，最大可達(dá)100倍，主要完成

8、反相功能。ICL7650輸入端的鉗位二極管起保護(hù)作用，避免輸入線路發(fā)生故障時(shí)的瞬態(tài)尖峰干擾損壞運(yùn)放，輸入電壓可直接送入AD574A進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2、AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路如下圖所示，AD574A工作在12位狀態(tài)，轉(zhuǎn)換值分兩次輸出，高8位從DB4DB11輸出，低4位從DB0DB3輸出，并直接和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線相連，AD574A的片選端接鎖存器的Q7端，低電平有效;CE為片選使能端，高電平有效;CS 和CE共同用于片選控制，只有當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，才能選中本芯片工作。A0端接鎖存器74LS373的Q1端。A0=0時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。R/接鎖存器74LS373的Q0端。R/=0時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換;R/

9、=1時(shí)，允許讀出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。AT89C51的和經(jīng)“與非”門74LS00與AD574A的CE端相接。12/8接地表示AT89C51要分兩次從AD574A讀出A/D轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量。3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)的SSR控制采用移相觸發(fā)電路，通過改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，從而達(dá)到自動(dòng)控溫的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實(shí)踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當(dāng)大的中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸給電力系統(tǒng)造成“公害”。本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制的固態(tài)繼電器控溫電路，其波形為完整的正弦波，對(duì)電阻爐這樣的慣性較大的被控對(duì)象，是一種穩(wěn)定、可靠、較合理的控制方法。 調(diào)功原理為:設(shè)電網(wǎng)連續(xù) N個(gè)完整的周波為一個(gè)控制周期TC，則

10、 TC= 式中，f為電網(wǎng)頻率。 若在設(shè)定的控制周期TC內(nèi)控制主回路導(dǎo)通 n（nN）個(gè)完整的周波，則負(fù)載功率為 P= 式中，U為電網(wǎng)電壓有效值; 為負(fù)載的有效電阻。因此，控制在設(shè)定周期TC內(nèi)主回路導(dǎo)通的周波數(shù) n的個(gè)數(shù)，就可調(diào)節(jié)負(fù)載的功率P。采用交流過零型固態(tài)繼電器控溫時(shí)需交流過零檢測(cè)電路，此電路輸出對(duì)應(yīng)于50 Hz交流電壓過零時(shí)刻的脈沖，在交流電壓過零時(shí)刻導(dǎo)通。如圖11-4所示是一種由兩個(gè)光電耦合器和一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路組成的交流過零檢測(cè)電路。 其中，GD1、GD2為光電耦合器，具有檢零和隔離功能，R10為限流電阻。在交流正半周，GD1導(dǎo)通，GD2截止，VA為低電平;在交流負(fù)半周，GD1截止，GD2

11、導(dǎo)通，VA仍為低電平。只有在交流過零點(diǎn)時(shí)，GD1和GD2均截止，VA為高電平。VA再經(jīng)過74LS123單穩(wěn)態(tài)電路整形，得到一過零脈沖序列VB，VB波形如圖11-5所示。VB脈沖序列再與單片機(jī)P1.X輸出的觸發(fā)脈沖信號(hào)進(jìn)行“與非”運(yùn)算后得到控制信號(hào)。用它來控制固態(tài)繼電器，從而調(diào)節(jié)電阻爐溫度。 交流過零檢測(cè)電路4、報(bào)警電路設(shè)計(jì)：正常運(yùn)行時(shí)綠燈亮，在保溫階段爐內(nèi)溫度超出系統(tǒng)允差范圍，就要進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警時(shí)報(bào)警紅燈亮，電笛響，同時(shí)發(fā)送中斷信號(hào)至CPU進(jìn)行處理。如圖2-3圖2-3加熱爐報(bào)警系統(tǒng)圖5、設(shè)計(jì)輸入輸出通道輸入通道：因?yàn)樗氐膶?shí)際溫度在50 350，即（35050）300所以選用8位A/D轉(zhuǎn)換器，

12、其分辨率約為1.5/字，再加放大器偏置措施實(shí)現(xiàn)。（通過調(diào)整放大器的零點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)偏置）這里采用一般中速芯片ADC0809。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器，8路多路開關(guān)以及微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問一個(gè)通道的模擬信號(hào)。這種器件無需進(jìn)行零位和滿量程調(diào)整。由于多路開關(guān)的地址輸入部分能夠進(jìn)行鎖存和譯碼，而且其三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計(jì)算機(jī)接口。其具有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，受溫度影響較小，能較長(zhǎng)時(shí)間保證精度，重現(xiàn)性好，功耗較低，故用于過程控制是比較理想的器件。圖2-4ADC0809應(yīng)

13、用接線圖輸出通道：據(jù)其實(shí)際情況，D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)可低于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，因?yàn)橐话憧刂葡到y(tǒng)對(duì)輸出通道分辨率的要求比輸入通道的低，所以這里采用常用的DAC0832芯片DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容。期間采用先進(jìn)的CMOS工藝，因此功耗低，輸出漏電流誤差較小。它的內(nèi)部具有兩級(jí)輸入數(shù)據(jù)緩沖器和一個(gè)R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，因DAC0832電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，為了取得電壓輸出，需在電流輸出端接運(yùn)算放大器，Rf為為運(yùn)算放大器的反饋電阻端。雙極性電壓輸出的D/A轉(zhuǎn)換電路通常采用偏移二進(jìn)制碼、補(bǔ)碼二進(jìn)制碼和符號(hào)一數(shù)值編碼。只要在單極性電壓輸出的基礎(chǔ)上再加一級(jí)電壓放大器，并配以相關(guān)電

14、阻網(wǎng)絡(luò)就可以構(gòu)成雙極性電壓輸出。在上圖中，運(yùn)算放大器A2的作用是把運(yùn)算放大器A1的單向輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向輸出。三、數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)1、控制算法：電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)框圖：.大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字控制器，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即：通常認(rèn)為對(duì)象與一個(gè)零階保持器相串聯(lián)。四、軟件設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)程序流程圖 系統(tǒng)主程序框圖 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖c、LED顯示流程圖d、報(bào)警程序流程圖e、數(shù)字控制算法子程序流程圖2、程序清單ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP KEYSORG 000BHAJMP PIT0ORG 001BHAJM

15、P PIT1 ；中斷入口及優(yōu)先級(jí)MAIN： MOV SP，#00H CLR 5FH ：清上下限越限標(biāo)志 MOV A，#00HMOV R7，#09HMOV R0，#28HLP1：MOV R0，AINC R0 DJNZ R7，LP1MOV R7，#06HMOV R0，#39HLP2：MOV R0，AINC R0DJNZ R7，LP2MOV R7，#06HMOV RO，#50HLP3：MOV R0，AINC R0DINZ R7，LP3 ；清顯示緩沖區(qū)MOV 33H，#00HMOV 34H，#00H ；賦KP高低字節(jié)MOV 35H，#00HMOV 36H，#00H ； 賦KI高低字節(jié)MOV 37H，#

16、00H MOV 38H，#00H ； 賦KD高低字節(jié)MOV 42H，#00HMOV 43H，#00H ；賦K高低字節(jié)MOV TMOD，#56H ；T0方式2，T1方式1計(jì)數(shù)MOV TLO，#06HMOV THO，#06H MOV 25H，#163H ；設(shè)定值默認(rèn)值350SETB TR0 ；鍵盤高優(yōu)先級(jí)SETB ET0SETBEX0SETB EA ；開鍵盤T0。T1中斷LOOP：MOV R0，#56H MOV R1，#55H LCALLSCACOV ；標(biāo)度轉(zhuǎn)化 MOV R0，#53H LCALLDIR NOP LCALLDLY10MS NOP LCALLDLY10MS AJMP LOOP；等中斷

17、鍵盤子程序KEYS：CLR EX0 CLR EA PUSH PSW PUSH ACC ；關(guān)中斷 LCALLDLY10MS ；消抖CC： JB P3.2 AASETB 5DH ；置“顯示設(shè)定值溫度值標(biāo)志”MOV A，25H ；取運(yùn)算位的值MOV B，#10H ；BCD碼轉(zhuǎn)化DIV A BMOV 52H，AMOV A, BMOV 51H, AMOV R0,#50HLCALL DIR ；顯示設(shè)定溫度NOPLCALLDLY10MSNOPLCALL DLY10MSJB P1.7 ,BBMOV R1,#25HLCALL DAAD1NOP LCALL DLY10MS AJMP CCBB: JB P1.6 C

18、CMOV R1,#25HLCALL DEEC1NOPLCALL DLY10MSAJMP CCAA: POP ACCPOP PSWSETB EX0SETB EA ；出棧RETI顯示子程序DIR: MOV SCON ,#00H ；置串行口移位寄存器狀態(tài)SETB P1.4 ；開顯示JB 5DH,DL1 ；顯示設(shè)定溫度DL2: MOV DPTR,#SEGTDL0: MOV A,R0MOVC A,A+DPTRMOV SBUF ,ALOOP1: JNB TI, LOOP1 CLR TIINC R0MOV A,R0MOVC A,A+DPTRANL A, #7FH ；使數(shù)帶小數(shù)點(diǎn)MOV SBUF ,ALOOP

19、2: JNB TI,LOOP2CLR TIINC R0MOV A,R0MOVC A,A+DPTRMOV SBUF,ALOOP3: JNB TI,LOOP3CLR TICLR P1.4CLR 5DHRETDL1: MOV 50H,#0AH ；小數(shù)位黑屏 AJMP DL2SEGT: DB 0C0H ,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH加一子程序DAAD1: MOV A,#00H ORL A,R1 ADD A,#01H CJNE A,#30H,DAAD2 ；超過48度了嗎?DAAD3: MOV R1,ADAA: RETDAAD2: JC DAAD

20、3MOV R1,#15EH ；超過48則轉(zhuǎn)回到355AJMP DAA減一子程序DEEC1:MOV A,R1DEC A CJNE A,#15EH,DEEC2 ；低于355度了嗎?DEEC3:MOV R1,A DEE : RETDEEC2: JNC DEEC3 MOV R1,#30H ；低于355則轉(zhuǎn)回到48AJMPDEE T0中斷子程序PTT0: CLR EAPUSH ACCPUSH PSWPUAH DPLPUSH DPHSETB EA ；壓棧后開中斷響應(yīng)鍵盤PPP: LCALLSMAP ；采樣數(shù)據(jù)LCALL FILTER ；數(shù)字濾波MOV A,2AH ;取采樣值CJNE A,#07H,AAA

21、；下限48比較AJMP BBBAAA: JC CCC ；小于48度轉(zhuǎn)CJNEA,#0FEH ,DDD ；上限355比較AJMP BBB ；轉(zhuǎn)至48355正常范圍處理DDD: JC BBCLR P1.2 ；大于355黃燈亮SETB 5EHCLR P1.1 ；置標(biāo)志 啟動(dòng)風(fēng)扇AJMP PPPCCC: CLR P1.3 ；小于48紅燈亮SETB 5FHBBB: CLR P1.0 ；置標(biāo)志啟動(dòng)電爐AJMPPPPSETB P1.0SETB P1.1SETB P1.2SETB P1.3CLR 5EHCLR 5FH ；50350之間正常LCALL PIDJNB 20H,EEF ；設(shè)定溫度小于實(shí)際值轉(zhuǎn)到風(fēng)扇MOV A,29HLCALLFFFCLR P1.0LOOP10: MOV R0,#56H ；存放相乘結(jié)果的首址MOV R1,#55H ；賦顯示緩沖區(qū)最高位地址LCALL SCACOV ；標(biāo)度轉(zhuǎn)化 MOV R0,#53H；;賦顯示首址 CLR DIR JB D5H,LOOP10 ；等待T1中斷