《微型计算机控制技术课程设计基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微型计算机控制技术课程设计基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计.docx（21页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、2023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告基于数字 PID 的电加热炉温度掌握系统设计1 总体方案设计温度掌握是工业生产中常常遇到的过程掌握问题之一。对温度准确的测量和有效的掌握是一些设备优质高产、低耗和安全生产的重要指标。当今计算机掌握技术在这方面的应用，已使温度掌握系统到达自动化、智能化，比过去单纯承受电子线路进展 PID 调整的效果要好得多，可控性方面也有了很大提高1。1.1 设计要求该系统为基于数字 PID 的电加热炉温度掌握系统。电加热炉用于合金钢产品热力特性试验，迪娜加热炉用电炉丝供给功率，使其在在预定时间内江路内温度稳定到给定的温度值。在本掌握对象加热炉功率为 8K
2、W，有 220V 沟通电源供电，承受双向可控硅进展掌握。本设计针对一个温区进展温度掌握，要求掌握温度范围 50-350，保温阶段温度掌握精度为1。选择适宜的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅掌握器掌握加热电阻两端的电压。其对象温控数学模型为e-tsG(s) = KdT其中：时间常数 d =350s 秒T s +1d1.1放大系数 K d=50滞后时间t =10 秒掌握算法选用改进的 PID 掌握。1.2 方案设计要想到达设计要求的内容,少不了以下几种器件：单片机、温度传感器、LCD 显示屏、直流电动机等。其中单片机用做主掌握器，掌握其它器件的工作和处理数据；温度传感器用来检测环境中的
3、实时温度，并将检测值送到单片机中惊醒数值比较；LCD 显示屏用来显示温度数字值；直流电动机用来表示电加热炉的工作状况，转动表示迪娜加热炉通电加热，停顿转动表示电加热炉断电停顿加热。整体思路如下：首先我们通过按键设定所需要的温度，然后利用温度传感器12023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告检测电加热炉的实时加热温度，并传送至单片机与设定值进展比较。假设检测值小于设定值，则无任何动作，电加热炉连续导通加热；假设检测值大于设定值，则单片机掌握光电耦合器导通，继电器动作，电加热炉断电停顿加热。一旦炉温低于设定值，单片机又掌握光电耦合器断开，继电器开关分别，电加热炉开头导通加热。这个过程
4、中电加热炉所设定的温度值和温度传感器检测到的温度值都要在LCD 显示屏上显示出来，以便操作人员观看。系统总体框图如图 1.1 所示。键盘设定模块看门狗监控模块温度采集模块单片机掌握模块电源模块掌握电路模块信号放大电路加热丝LCD 显示模块2 数字掌握器设计图 1.1 系统总体框图掌握系统的性能在很大程度上取决于掌握算法。随着计算机掌握技术的进展，相继消灭了一些的掌握算法，但 PID 算法应用较广泛。PID 掌握(Proportional Integral Derivative)是掌握工程中技术成熟、应用广泛的一种掌握策略。 经过长期的工程实践， 总结形成了一整套 PID 掌握方法。由于它已形成
5、了典型构造，且参数整定便利、构造转变敏捷，在大多数 工业生产过程掌握中效果较为满足，因此长期以来被广泛承受，并且与的 掌握技术相结合，连续进展。随着微型计算机的广泛应用， 很多原来的连续掌握系统都可以用计算机掌握系统代替，提高了掌握系统的性能。可以说，现代掌握系统实质上是计算机掌握系统。在计算机掌握系统中也常常将 PID特性数字化，实施数字 PID掌握。因此， PID掌握规律是一种极为重要的掌握规律。22023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告所谓PID掌握规律，就是一种对偏差信号 e(t) 进展比例、积分和微分变换的掌握规律。 PID掌握规律的数学表达式如下式所示u(t) =
6、Ke(t) + 1 t pti 0e(t)dt + TDde(t) + u dt02.1u 为掌握常量，即偏差为零时的掌握变量。0下面把 PID 掌握分成三个环节来分别说明：A. 比例调整(P 调整)u(t) = K e(t) + up02.2式中 K为比例系数， u为掌握常量，即偏差为零时的掌握变量。偏差p0e(t) = r(t) - y(t) 。偏差一旦产生，比例调整马上产生掌握作用，使被掌握的过程变量 y 向使偏差减小的方向变化。比例调整能使偏差减小，但不能减小到零，有残存的偏差静差。加大比例系数Kp可以提高系统的开环增益，减小静差，从而提高系统的掌握精度。但当 KpB. 积分调整I 调
7、整过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。在积分调整中，调整器输出信号的变化速度 du/dt 与偏差e(t) 成正比，即du = 1 e(t) 或u(t) = 1 T e(t)dt2.3dttt0ii其中ti为积分常数，ti越大积分作用越弱。I 调整的特点是无差调整，与P调整的有差调整形成鲜亮比照。上式说明，只有当被调整量偏差为零时，I 调整器的输出才会保持不变。I 调整的另一个特点是它的稳定作用比 P 调整差。承受 I 调整可以提高系统的型别，有利于系统稳态性能的提高，但积分调整使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生 90的相角迟后，对系统的稳定性不利。C. 微分调整D 调整在微分
8、调整中，调整器的输出与被调整量或其偏差对于时间的导数成正比，即u(t) =tde(t)2.4ddt其中td为积分常数，td越大微分作用越强。由于被调整量的变化速度包括其大小和方向可以反映当时或稍前一些时间设定值 r 与实际输出值 y 之间的32023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告不平衡状况，因此调整器能够依据被调整量的变化速度来确定掌握量u，而不要等到被调整量已消灭较大的偏差后才开头动作，这样等于赐予调整器以某种程度的预见性。然而，单纯按掌握微分规律动作的调整器是不能工作的。这是由于实际的调整器都有肯定的失灵区，假设偏差很小以致被调整量只以调整器不能觉察的速度缓慢变化时，调整
9、器并不会动作。但是经过相当长的时间以后，被调整量偏差却可以积存到相当大的数字而得不到校正。因此微分调整只能起关心的调整作用，它可以与其它调整动作结合成 PD 和 PID 调整，可以使系统增加一个-1/t 的开d环零点，使系统的相角裕度提高，因而有助于系统动态性能的改善。可见，参数 Kp、t 、tid的大小对系统的动态特性和稳定特性有很大的影响，比例调整参数 Kp加大，提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，Kp偏大，振荡次数加多，调整时间变长，当 Kp太大时，系统不稳定。积分调整能消退系统的稳态误差，提高掌握系统的掌握精度，但积分调整通常使系统稳定性下降，ti越小积分作用越强，系统将不稳定。ti
10、越大积分作用越弱，对系统稳定性能的不利影响减小，但消退静差的时间增加。微分调整可以改善系统动态特性，参数td偏大、偏小时，超调量都较大，而且调整时间较长。所以只有参数 Kp适时，系统才可以得到满足的动态特性和稳定特性。D. 比例加微分调整(PD 调整)R(s)E(s)Gc(s)K (1 +t S)U(s)+pdB(s)假设调整器的输出 u(t)既与偏差信号e(t) 成正比，又与偏差e(t) 的一次导数成正比，、t 、t合id则称这种调整器为比例加微分调整器，简称 PD 调整器。承受PD 调整器的系统称为图 2.1 比例微分调整比例加微分掌握系统。PD 调整的构造图如图 2.1 所示。PD 调整
11、的时域方程为u(t) = Ke(t) +tpdde(t) 2.5dt式中 Kp表示比例系数， td为微分时间常数。 K和tpd二者都是可调的参数。U (s) = Kp(1 +ts)E(s)2.6d由此可得作为校正装置的比例加微分调整器的传递函数为42023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告G (s) = U (s) = KcE(s)(1 + tps)2.7dPD 调整中的微分调整局部对于 e(t) 的变化格外敏感。偏差 e(t) 一有变动， u(t)值随之变化，e(t) 变化愈猛烈，则 u(t)变化愈大。假设e(t) 正向变动(不断增大)， 则 u(t)值增大；假设e(t) 负向
12、变动(不断减小)，则 u(t)值减小。E. 比例加积分调整(PI 调整)假设调整器的输出既与偏差信号成正比，又与偏差信号对时间的积分成正比， 则称这种调整器为比例加积分调整器，简称PI 调整器。承受PI 调整规律的系统称为比例加积分掌握系统。PI 调整的构造如图 2.2 所示。PI 调整器的输出为u(t) = Ke(t) + 1ptit e(t)dt2.80式中：Kpt表示比例系数，ti为积分时间常数。KR(s)E(s)K (1 +)Gc(s)1U(s)+pt sip和 二者都是可调的参数。不过，通过积分时间常i数t 只能调整积分掌握规律；而转变比例系数 K，ip则同时比照例掌握规律及积分掌握
13、规律都有影响。PI 调整器的传递函数为图 2.2 比例积分调整G (s) = U (s)cE(s)= K (1 +p1 )2.9t siPI 掌握不仅给系统引进了一个纯积分环节，并且还引进了一个开环零点。纯积分环节提高了系统的无差度阶数(即系统的类型)，改善了系统的稳态性能。但其缺点是使系统的稳定性下降，不过，由于附加的零点又能改善系统的稳定性能，所以G (s) 的零点正好弥补了积分环节的缺点。综上所述，PI 掌握不仅改善c了系统的稳态性能(即稳态误差)，而且对系统的稳定性影响不大。在现代由于计算机进入掌握领域，用数字计算机代替模拟计算机调整器组成计算机掌握系统，用软件实现 PID 掌握算法，
14、而且可以利用计算机的规律功能，使 PID 掌握更加敏捷。计算机掌握是一种采样掌握，它只能依据采样时刻的偏差值计算掌握量。因此，连续 PID 掌握算法不能直接使用，需要承受离52023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告散化方法。在计算机 PID 掌握中，使用的是数字 PID 掌握器。目前有位置式 PID掌握算法以及增量式 PID 掌握算法12。本系统承受了增量数字化 PID 算法。增量式掌握器是指掌握器每次输出的只是掌握量的增量，当执行机构，例如步进电机，需要的是增量而不是位置量确实定数值时，就可以使用增量式 PID 掌握器进展掌握13。增量Du(k ) ，当执行机构需要的是掌握量
15、的增量时，应承受增量式 PID 掌握。依据递推原理可得u(k - 1) = ke(k - 1) + kpik -1 e( j)T + kdj =0e(k - 1) - e(k - 2)(2.10)T用式(4.3)减式(4.4)，可得增量式 PID 掌握算法Du(k ) = kp(e(k ) - e(k - 1) + kie(k )T + kde(k ) - 2e(k - 1) + e(k - 2)(2.11)T式(2.11)称为增量式 PID 掌握算法，将其进一步可改写为Du(k) = a0e(k) - a1e(k -1) + a2e(k - 2)(2.12)TT2TT式中， a0= k(1
16、+pTi+ dT) ， a1= k(1 +d ) ， apT2i= kdp Ti增量式掌握虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少的优点2：(1) 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用规律推断的方法去掉。(2) 手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。(3) 算式中不需要累加。掌握增量 u(k)确实定，仅与最近 k 次的采样值有关， 所以较简洁通过加权处理而获得比较好的掌握效果。但是增量式掌握也有其缺乏之处3：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。因此，在选择时不行一概而论，一般认为在以晶
17、闸管作为执行器或在控62023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告制精度要求高的系统中，可承受位置式掌握算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系统中，则可承受增量式掌握算法。3 硬件设计与实现3.1 微型计算机选择本设计要求承受 51 内核的单片机。89C51 是一种带 4K 字节 Flash 可编程可擦除的高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件承受 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位 CPU 和闪耀存储器组合在单个芯片中， ATMEL
18、 的 89C51 是一种高效微掌握器。综合考虑，本设计选择 AT89C51 单片机为核心掌握器。AT89C51 单片机的引脚图如图 3.1 所示。图 3.1 AT89C51 引脚图AT89C51 各引脚功能 4如下： VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸取8TTL 门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器， 它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口， 当 FIASH 进展校验时，P0输出原码，此时 P0外部必需被拉高。P1口：P1口是一个内部供给上拉电阻的8
19、位双向 I/O 口，P1口缓冲器能接收72023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电寻常，将输出电流，这是由于内部上拉的原因。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向 I/O 口，P2口缓冲器可接收，输出4个 TTL 门电流，当 P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的原因。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进展存取时， P2口输
20、出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时， P2口输出其特别功能存放器的内容。 P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和掌握信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出4个 TTL 门电流。当 P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入， 由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的原因。P3口也可作为 AT89C51的一些特别功能口，如表3.1所示：表 3.1 P3 口引脚与其次功能端口引脚其次功能P3.0RXD( 串行输入口 )P3.1TXD( 串行输出口 )P
21、3.2INTO( 外中断 0)P3.3INT1( 外中断 1)P3.4TO(定时/计数器 0)P3.5T1( 定时/计数器 1)P3.6WR( 外部数据存储器写选通 )P3.7RD( 外部数据存储器读选通 )P3 口同时为闪耀编程和编程校验接收一些掌握信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电寻常间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址82023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在寻常，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的
22、 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要留意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想制止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假设微处理器在外部执行状态 ALE 制止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不消灭。EA/VPP：当 EA 保持低电寻常，则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH，不管是否有内部程序存储器
23、。留意加密方式1时，EA 将内部锁定为 RESET；当EA 端保持高电寻常，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源VPP。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。单片机系统的扩展是以根本最小系统为根底的，单片机最小系统包括晶体振荡电路、复位电路、上拉电阻等，其电路图如图 3.2 所示。图3.2 单片机最小系统单片机的抗干扰性设计。单片机干扰最常见的现象就是程序消灭不行逆状态，设计系统时一般要添加一个看门狗监控模块，在系统消灭不行逆状态的干扰92023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告时，监
24、控模块将重启系统5。MAX1232 微处理器监控电路给微处理器供给关心功能以及电源供电监控功能，当电源过电压、欠电压时，MAX1232 将供给至少250ms 宽度的复位脉冲，其中的容许极限能用数字式的方法来选择 5%或 10%的容限。MAX1232 是 MAXIM 公司生产的微处理器监视器,不光供给了看门的功能，而且同时还能检测供电电源的变化，并供给了高电平、低电平上电复位方式， 用户能够设置它的超时时间、设定电源电压被动允许范围。用MAX1232 芯片作为单片机系统以及其他电子设备的看门狗电路，不需要其他的电子元器件协作， 可以直接和微掌握器相连，使用简洁便利，性能牢靠，被大量应用在一些单片
25、机系统上。MAX1232 在以下状况下发送复位信号：电源电压下降到设置的复位电压处，即检测到了下降值超过所设置的 5%或10%的允许波动电压4.62v 或 4.37v；PB/RST 引脚电压被拉低；ST 引脚没在设定的超时时间内收到喂狗信号；电源上电。图 3.3 MAX1232 引脚图MAX1232 引脚定义6： VCC：+5V 电源输入GND：接地 PB/RST：按键复位输入TOL：电源电压波动允许设置接地为 5%，接 VCC 为 10% ST：喂狗信号RST：低电平复位信号RST：高电平复位信号3.2 温度采集模块102023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告在传统的模拟信号
26、远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够到达较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都格外恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号简洁受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，承受抗干扰力量强的型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、 承受一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。综合考虑， 本设计承受型数字温度传感器 DS18B20。DS18B20 数字温度传感器，该产品承受美国DALLAS 公司生产的 DS1
27、8B20 可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用便利，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温顺掌握领域7。DS18B20的主要特性：（1） 适应电压范围更宽，电压范围： 3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；（2） 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20的双向通讯；（3） DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上， 实现组网多点测温；（4） DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；5温范围55125，在-1
28、0+85时精度为0.5；（6） 可编程的区分率为912位，对应的可区分温度分别为 0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；（7） 在9位区分率时最多在93.75ms 内把温度转换为数字，12位区分率时最多在750ms 内把温度值转换为数字，速度更快；（8） 测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线串行”传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错力量；（9） 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20 数字温度传感器经过 LM358 经信号放大输送至单片机 P1.7 口，电112023 级电子信息科学与技术专业计算
29、机掌握技术考察报告路如图 3.3 所示。3.3 LCD 显示模块图 3.3 温度传感器连接电路本设计承受 LCD1602 作为输出器件，其特点8如下：(1) 显示质量高：由于LCD 每一个点在收到信息后就始终保持那中颜色和亮度， 恒定发光，不需要不断的刷亮点，因此画质高且不会闪耀。(2) 数字式接口，与单片机系统的接口简洁，操作更便利。(3)体积小，质量轻。(4)功耗低，耗电量比其他显示器件小得多。电路原理图如图 3.4 所示。3.4 键盘设定模块图 3.4 LCD1602 显示电路键盘电路如图 3.5 所示。122023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告图 3.5 键盘设定电路
30、这里减排设计的比较简洁，“MS”键是切换调整对象的，调整对象包括时、分、温度设定值三项，“+”键是向上加调整对象的值，“-”键是向下减调整对象的值，“ON/OFF”键是翻开和关闭系统自动调整功能的开关键。3.5 掌握电路模块3.5.1 电器开关由于单片机与电动机之间需要用开关器件连接，并且前者用弱电掌握，后者由强电掌握，这就尤其需要留意安全问题。综合考虑，本设计选用高性能安全开关器件光电耦合器。光电耦合器是由一个发光转换器件组成，这里选用光电耦合器 OPTOCOUPLER-NPN 是由一个发光二极管和一个光敏晶体管组成。当发光二极管发光，就会使得光敏晶体管导通，继电器通电工作，将开关吸合，电动
31、机回路断开。电器开关及工作电路如图 3.6 所示。图 3.6 电器开关及工作电路132023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告如图 3.6 所示，光电耦合器 1 脚接电源，2 脚接单片机 P3.7 脚。工作过程用以下三个阶段来描述：（1） 单片机将温度传感器送入的值与设定值进展比较，假设送入的值小于设定值，则P3.7 脚保持高电平，这样发光二极管不发光，光敏晶体管保持高阻态， 继电器不会工作，电动机和灯泡维持导通，相当于电路连续加热，指示灯亮；（2） 一旦送入值比设定值大，单片机将会掌握P3.7 脚变为低电平，发光二极管导通发光，光敏晶体管受光影响导通，继而继电器工作，电磁铁将单
32、刀双掷开关吸向下端，使电动机和灯泡同时停顿工作，这就相当于电炉断电，停顿加热；（3） 电炉短路一段时间后，必定导致炉温降低，而温度传感器DS18B20 在不连续地检测炉温，当检测值低于设定后，单片机又掌握 P3.7 脚恢复高电平， 光电耦合器恢复高阻态，继电器断电，单刀双掷开关又被弹回上端，电动机和灯泡又开头工作，这相当于电炉重开头加热。3.5.2 双向可控硅电路双向可控硅具有双向导通功能，在沟通电的正负半周都可以导通。其英文名TRIAC 即三级沟通开关的意思，并把它的两极称为 MT1 和 MT2。双向可控硅的通断状况由掌握极栅极G打算，当栅极无信号时MT1 和 MT2 成高阻态，管截止；而当
33、 MT1 与 MT2 之间加一个阈值电压一般大于 1.5V的电压时，就可以利用掌握极栅极电压来使可控硅导通9。但需要留意的是，当双向可控硅接感性负载时，电流和电压之间有肯定的相位差。在电流为零时，反向电压可能不为零，且超过转换电压，使管子反向导通，故要管子能承受这种反向电压，并在回路中参加 RC 网络加以吸取。掌握双向可控硅从高阻态阻断区转换到低阻态导通区可以用不同的方式实现。相应的分为四种触发方式：（1） MT1 相对于 MT2 为正，掌握脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为正（2） MT1 相对于 MT2 为负，掌握脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为负（3） MT1 相对于 MT2 为正，掌
34、握脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为负（4） MT1 相对于 MT2 为负，掌握脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为正双向可控硅通常工作在掌握方式1和掌握方式2。在这两种掌握方式下，掌握灵敏度特别高。另外两种掌握方式下，要求高一倍的触发电流。在本142023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告设计中，选择了掌握方式1和2。如同晶闸管的掌握极那样，双向可控硅的掌握极在触发后便失去了作用。双向可控硅长期维持低阻态，直到低于维持电流 I H，然后在转换到高阻态。在掌握沟通电压时，每次电源电压过零双向可控硅都会自动截止，所以双向可控硅每半个周期都需要重触发。在本设计中，利用单片机掌握双向可控
35、硅的导通角。在不同时刻利用单片机给双向可控硅的掌握端发出触发信号，使其导通或关断，实现负载电压有效值的不同，以到达调压掌握的目的。其掌握电路如图 3.7 所示。3.6 电源模块图 3.7 双向可控硅掌握电路本系统所需电源有 220V 沟通市电、直流 5V、12V 电压和低压沟通电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将沟通电网220V 的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将沟通电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必需通过滤波电路加以滤除， 从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动一般有10%左右的波动、负载和温度的变化而变化。
36、因而在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流装置承受二极管桥式整流，稳压芯片承受 78L05、78L12、79L05， 协作电容将电压稳定在 5V、12V 和-5V，供掌握电路、测量电路和电器开关电路中弱电局部使用。除此之外，220V 沟通市电还是加热电阻两端的电压，通过掌握双向可控硅的导通与截止来掌握加热电阻的功率。低压沟通电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测沟通电的过零点，送入单片机后，由掌握程序打算双向可控硅的导通角，以到达掌握加热电阻功率的目的。电源电路如图3.8 所152023 级电子信息科学与技术专
37、业计算机掌握技术考察报告示。图 3.8 电源电路图4 软件设计4.1 主程序流程图主程序流程图如图4.1所示。4.2 LCD1602初始化流程图LCD1602初始化流程图如图4.2所示。4.3 DS18B20初始化流程图DS18B20初始化流程图如图4.3所示。4.4 PID 掌握算法流程图增量型 PID 掌握算法的表达式为Du(k ) = kp(e(k ) - e(k - 1) + kie(k ) - 2e(k - 1) + e(k - 2)e(k )T + kdT4.1令 P (k ) = kP(e(k ) - e(k -1)p4.2P (k) = kIie(k)T4.3P (k ) =
38、kDe(k ) - 2e(k -1) + e(k - 2)dT4.4PID 掌握算法流程图如图4.4所示。162023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告开头初始化P1 口，初始化 24C02读出 24C02 保存的数据赐予KLCD 初始化延时 500ms 启动DS18B20 初始化按键扫描、温度采集设定值=采集值？YN将P3.7 口置 0设定值采集值？YN将P3.7 口置 1图 4.1 主程序流程图17开头开头功能设置命令C51 存放器初始化调用写入指令到LCD 子程序N18B20 存在？设定工方式Y温度转换命令调用写入指令到LCD 子程读取温度清屏温度数据处理设置显示状态温度显
39、示调用写入指令到LCD 子程N设置输入方式温度比较超出范围？Y调用写入指令到LCD 子程图 4.3 DS18B20 初始化流程图子程序返回2023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告图 4.2 LCD1602 初始化流程图182023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告增量型PID 掌握算法计算e(k ) = r(k ) - y(k )计算P (k)I计算P (k )D计算P (k )P计算Du(k )完毕5 结论图 4.4 增量型PID 掌握算法流程图此次课程设计的课题是基于数字 PID 的电加热炉温度掌握系统设计。整个系统分为六个局部：微型计算机模块，温度采集模块，
40、LCD 显示模块，键盘设定模块，掌握电路模块和电源模块。选用单片机 AT89C51 做主掌握器，掌握其它器件的工作和处理数据；温度传感器用来检测环境中的实时温度，并将检测值送到单片机中惊醒数值比较；LCD 显示屏用来显示温度数字值；直流电动机用来表示电加热炉的工作状况，转动表示迪娜加热炉通电加热，停顿转动表示电加热炉断电停顿加热。结果说明，该掌握系统具有良好的扩展性和有用性，对于实现电加热炉的智能化测控治理，提高生产系统安全性，制造生产的最正确效益将产生乐观作用。参考文献1 张宇河，金钰计算机掌握系统M北京：北京理工大学出版社1996：1972 刘金琨先进PID 掌握MATLAB 仿真M北京：
41、电子工业出版社(第 2 版)，2023，9192023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告3美Katsuhiko Ogata陆伯英，于海勋等(译)现代掌握工程(第三版)M北京：电子工业出版社2023，34 胡汉才单片机原理及系统设计M北京：清华大学出版社2023：20265 刘守义单片机应用技术M西安：西安电子科技大学出版社，20236 吴汉清常用的典型单片机资料J无线电2023，(11)：72-807 来清民传感器与单片机接口及实例M北京：北京航空航空大学出版社2023： 1391418 何希才常用传感器应用电路的设计与实践M北京：科学出版社2023：165-1709 康华光电子技术根底模拟局部M北京：高等教育出版社2023：78-80202023 级电子信息科学与技术专业计算机掌握技术考察报告附录 系统整体电路图21