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1、 微型计算机控制技术 课程设计（论文）题目： 电加热炉温度控制系统设计 目 录第1章 概述21.1 电加热炉概述2第2章 系统硬件的设计22.1 系统框图22.2 电源部分32.3 采样测量部分42.4 驱动执行部分5模数转换模块52.6 整体电路图6第三章 控制对象数学模型7第四章 程序设计84.1 系统总程序设计84.2 AD转换器的程序流程图104.3 LED显示模块程序流程图104.4 报警模块程序设计114.5 键盘模块程序设计124.6 通信模块12第1章 概述1.1 电加热炉概述 电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用
2、，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。 单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。第2章 系统硬件的设计2.1 系统框图本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。系统硬件结构框图如下所示：看门狗报警提醒通信接口LED显示键盘微型控制机AT89S5
3、2温度检测PT100驱动执行机构8路D/A转换器DAC0832测量变送8路A/D转换器ADC0809加热电阻温度 图2.1 系统硬件结构框图2.2 电源部分本系统所需电源有220V交流市电、直流5V电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流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，必须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。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
4、电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用78L05,配合电容将电压稳定在5V，供控制电路、测量电路和驱动执行电路中弱电部分使用。除此之外，220V交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的功率。低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。2.3 采样测量部分在检测装置中，温度检测用WZP-231铂热电阻（Pt100），采用三线制接法，采样电路为桥式测量电路，其输入量程为50350C，经测量电路采样后输出2
5、5V电压，再经模数转换芯片ADC0809进行转换，变为数字量后送入单片机进行分析处理。 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200650)范围的温度测量中。PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50600范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电
6、阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。 常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。在本系统设计中，采用了第一种方法，即桥式测温。测温原理：电路采用TL431和电位器VR1调节产生的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥（其中R1R2，VR2为100精密电阻），当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大
7、后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3R4、 R5R6、放大倍数R5/R3，运放采用单一5V供电。 2.4 驱动执行部分硬件输出通道主要包括加热电阻的控制环节，而此控制环节的核心是双向可控硅，但电路的关键是设计双向可控硅的驱动电路。双向可控硅的通断直接决定加热电阻的工作与不工作，本部分用带过零触发的光耦MOC3061来驱动。ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可以直接与单片机数据总线连接。ADC0809
8、采用+5V电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为500KHz时，转换时间约为128us.（1）时钟信号：由于ADC0809无片选端，因此电路增加了或非门74LS02，以便对ADC0809进行读/写控制。单片机采用6MHz/s的晶振，ALE输出66MHz/s时钟信号，经74LS74触发器2分频，得到500KHz的时钟信号，与ADC0809的时钟端CLK相连。（2）通道选择：三位通道选择端ADDA、ADDB、ADDC与数据线P1口的低三位P1.0、P1.1、P1.2相连，用数据线进行通道选择，由P1.0、P1.1、P1.2三位决定选择那一通道。（3）ADC0809启动：ADC0809的启动端ST
9、ART、地址所存端ALE均为高电平有效。将START和ALE连在一起，与74LS02的输出端相连。或非门74LS02的两个输入端/WR和P3.5均为低电平时，其输出为高电平，执行外部I/O口的写操作。（4）转换数据的读取：当转换结束时，EOC端输出高电平。可用查询和中断的方法进行数据读取处理。输出允许OE端为高电平，8位转换数据D0D7输出到数据线上。只有P3.5和/RD同时为低电平时，OE端才为高电平。执行外部I/O口读操作/RD为低电平。（5）转换结束标志EOC:转换结束标志EOC端经反向器与单片机的/INT1相连，即转换一旦结束，外部中断1则申请中断。 2.6 整体电路图第三章 控制对象
10、数学模型在本控制对象电阻加热炉功率为800W，由220V交流电供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围50350C，保温阶段温度控制精度为正负1度。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。其对象问温控数学模型为： 其中：时间常数Td=350秒 放大系数Kd=50 滞后时间=10秒控制算法选用改PID控制。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此积分和微分项不能直接计算，只能用数值计算的方法逼近。在采样时刻t=iT（T为采样周期），可得PID调节公式：如果采样周期T取得足够小，这种
11、逼近可相当准确，被控过程与连续控制过程十分接近，我们把这种情况称为“准连续控制”。上式表示的控制算法提供了执行机构的位置ui，所以称为位置式PID控制算法。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，由上式可导出提供增量的PID算法。只要将上述两个公式相减可得下面的公式：上式称为增量式PID控制算法。也可进一步改写为：其中：可见增量式算法只需要保持现时以前三个时刻的偏差值即可。第四章 程序设计4.1 系统总程序设计本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程序主要由系统初始化、数据采集及处理、智能推
12、理等部分组成。系统初始化包括设置栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、定时器的工作方式以及8255的初始化、MAX1232的初始化等。数据采集及处理主要包括实时采集电加热炉的炉温信号，计算出实际炉温与理想值的差值以及温差的变化率，并对炉温信号进行滤波和限幅处理。主程序流程图如图3所示。开始系统的初始化温度数据采集及处理温度值显示计算温差e（k）和温差变化率智能控制算法程序控制输出求出输出控制量结束NY 图4-1系统主程序控制系统的软件主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用数字PID调节，应用增量型控
13、制算法，并对积分项和微分项进行改进，以达到更好的控制效果。 考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合，做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。4.2 AD转换器的程序流程图置位状态位F0关闭报警F0是否等于零调PID控制算法程序报警子程序PSW出栈并返回输出控制量启动定时器T1溢出标志TF1是否为零设定值与AD结果比较交流电是否过零结果=0结果or设定值的20%-20%结果20%F0=0F0=0NYNY 图4.2 AD转换程序流程图4.3 LED显示模块程序流程图8段LED显示屏是最常用的显示器件，
14、分为共阳极和共阴极两种形式。共阳极LED将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平，某一段的发光二极管阴极接低电平时，相应的字段就被点亮。共阴极LED将所有发光二极管的阴极接在一起作为公共端，当公共端接低电平，某一段的发光二极管阳极接高电平时，相应的字段就被点亮。LED数码管的显示方法动态显示：动态扫描，分时循环静态显示：一次输出，结果保持(1)动态显示 动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能一个器件显示。但由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。 (2)静态显示静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直
15、到下次送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠。子程序返回译码选择显示位送入8255PA口将数据转换为七段码开始通过比较及对程序的分析，本设计当中两组数码管均采用了共阴极静态显示。 图4.3 显示子程序4.4 报警模块程序设计根据设计要求，在保温阶段，温度控制精度为正负1度，故当温度下降或上升2度时为故障状态，需要报警提醒。所以在电路设计上应用了蜂鸣器和发光二极管，系统正常运行时绿色发光二极管点亮，当出现故障时红色发光二极管点亮并且蜂鸣器鸣叫，提醒操作人员注意。报警状态可通过按键复位和系统恢复正常后自动复位。开始子程序返回清除报警状态位F0 图4.4 报警子程序4.5 键盘模块程序设计
16、在本次设计当中，输入设备采用4*4矩阵键盘。当“设定”键按下时触发键盘中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。程控扫描的任务是：(1)首先判断是否有键按下。方法：使所有的行输出均为低电平，然后从端口A读入列值。如果没有键按下，则读人值为FFH如果有链按下则不为FFH。(2)去除键抖动。方法：延时1020 ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。(3)若有键闭合，则求出闭合键的键值。方法：对键盘逐行扫描。（4）程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。4.6 通信模块在此部分主要是实现下位机与上位机之间的通信，将实时数据传送到上位机，
17、进行同一协调和集中管理。RS232的电气接口是单端的、双极性电源电路。由于RS-232采用的数据传输线路是非平衡，且是误无差分的接收方式，当信号穿过电气干扰环境时，发送的信号将会受到影响。故数据传输速率局限于20KB/s；传输距离局限于15m，但RS-232也是目前最广泛使用的串行通信接口标准。在本设计当中，考虑到系统调试的方便，采用了RS232串行总线。MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。内部结构基本可分三个部分： （1）第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 （2）第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10 脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 （3）第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。