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1、烤箱温度控制系统设计（PC）小组成员：何维 付玲玲 王理 陈宇目录摘要3序言41 主要设计内容51.1已知参数和设计要求51.2实现方法52 任务分工53 系统设计63.1 系统框图63.1.1 设计思路及步骤63.1.2 控制算法的设计73.2 硬件设计73.2.1 热电阻温度变送器模块73.2.2 逐次逼近型 A/D 转换器 AD574A83.2.3 键盘接口电路93.2.4 LED 显示器接口电路113.2.5 线路连接123.3 软件设计173.3.1 加热程序流程图173.3.2 加热占空比计算流程图183.3.3 AD574数据采集与温度转换流程图193.3.4 温度设置流程图20
2、4 系统操作说明与系统测试结果分析214.1 按键功能214.2 操作方法及结果展示214.3 系统测试结果分析225 心得体会235.1 小组总结：235.2 组长何维：235.3 组员王理：245.4 组员陈宇：255.5 组员付玲玲：266 程序源代码277 参考资料4645摘要本文介绍了以PC机和PD-32E实验装置为核心控制电烤箱温度的系统设计。在本次设计中，我们组采用三色LED数码管和 44 键盘作为人机交互对象，对系统进行调节控制。程序运行开始后，可以通过LED的显示了解烤箱的设定值和当前加热的温度，通过键盘来完成输入和返回控制等。系统采用简单的通断控制方式，即当烤箱温度达到设定
3、温度附近（略小于）断开电阻丝加热，当温度回降到低于设定值时接通加热，从而实现恒温控制系统。本次采用的计时芯片是8254，而信号输出芯片则是8255，同时，利用8259芯片对计时、加热等过程进行中断的控制。而温度采集则是用了PT100感温电阻，将电信号送至A/D574中，利用A/D574的模数转换功能，将采集的温度模拟信号转换成计算机可以识别的电信号，进而在计算机内对这些电信号进行处理，经过控制算法来输出控制烤箱的电信号。整个系统控制简单，反应灵敏，具有很强的抗干扰能力。此次设计的电烤箱温度控制系统由两个部分组成：硬件部分和软件部分。其中硬件部分包括：实验装置电路、变送器电路、 A/D 转换器电
4、路、 以及键盘和显示电路、蜂鸣器警报电路。 软件部分包括： 主程序、运算控制程序、初始化子程序以及各模块功能实现的程序。文章最后对本设计进行了总结。关键字：PC机、A/D574模数转换、占空比、温度序言温度是日常生活中无时不在的物理量，在很多生产过程中，温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大经济技术指标紧紧相连。因此，各个领域对温度控制的精度、稳定性、可靠性等要求也越来越高，温度测控技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。然而电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性、时变性的特点，应用传统的模拟电路控制方法，已经不能满足高精度、高速度的控制要求，难以收获理想效果。
5、近年来，随着我国以信息化带动的工业化蓬勃发展，在对温度控制的方法上也有了快速的进步，已从传统的直接控制发展成运用PID算法控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法控制等，大大提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。 我们本次主要研究对烤箱的温度进行合理精确的控制。烤箱是热处理生产中应用最广的加热设备,它电流通过电热元件产生热量,借助辐射和对流的传递方式,将热量传递给所要加热的物品,使其加热到所要求的温度。通过计算机编程很好地达到了课题要求，完美的实现了基本功能。 1 主要设计内容1.1已知参数和设计要求1.某烤箱的温度控制要求为：控制烤箱温度从
6、室温上升到目标温度并一直保持在该目标温度，要求控制的稳态精度达3%，调节时间50秒。2.目标温度应可以通过键盘任意修改。3.完成温度检测、温度变送，温度显示（LED）（在CRT上显示温度曲线加分）、温度控制、通过键盘设定上、下限温度报警值、温度超限报警（声、光）等功能。1.2实现方法采用PC机、PD-32教学实验系统装置实现（限4人选做） 注：基于安全考虑，测试时烤箱温度1502 任务分工姓名职务负责的部分何维组长主程序、各功能模块子程序的编写，整体调试 王理组员A/D转换子程序的编写和调试，控制算法设计陈宇组员中断模块的设计，硬件电路图的绘制付玲玲组员标度变换模块的设计、温度变送器的调试、报
7、告撰写3 系统设计3.1 系统框图根据之前学过的自动控制原理的基础知识，对本次的烤箱温度控制系统进行分析，得到了下面的控制系统方框图。可以看出，该系统是典型的闭环控制系统。 图1 系统框图3.1.1 设计思路及步骤首先确定主程序所要实现的目标，即：三色LED显示提示输入信息，然后输入设定温度值、报警上下限，实时刷新当前温度，通过比较实时温度与设定的目标温度之间的差值，来调节占空比，确定一个周期内的加热时间长短。还要实时进行键盘扫描，以便准确实现相应的功能。然后，确定了主程序的大致框架和流程，就分开编写相应的子程序功能模块：键盘扫描、LED显示、报警、算法控制等，对所要运用到的芯片：8254、8
8、255、8259等进行初始化，都写成子程序的形式，方便在适当的地方随时调用。3.1.2 控制算法的设计本次设计控制算法采用经验控制。根据当前加热的温度与目标温度的差值来确定占空比，从而调整加热时间。当实测温度与目标温度的偏差大于40摄氏度时，给出加热占空比为100%，即全速加热；当偏差小于40摄氏度且大于30摄氏度时，给出加热占空比为80%；当偏差小于30摄氏度大于15摄氏度时，给出加热占空比为50%；当偏差小于15摄氏度大于1摄氏度时，给出占空比为25%；当偏差小于1度时大于零度时，占空比为0，利用惯性加热。当偏差小于零，即实测温度大于目标温度时，控制为不加热，自然降温。该控制算法是由经验尝
9、试得出，控制的性能不能达到最优。有一些缺点，例如，当实测温度回落接近目标温度时，不能提前控制执行器动作，导致调节时间略长等。3.2 硬件设计3.2.1 热电阻温度变送器模块1)Pt100温度变送器概述铂电阻温度变送器直接安装于Pt100铂电阻接线盒内（与不同结构形式的铂电阻构成热电阻一体化温度变送器)将热电阻Pt100的电阻信号转化为二线制4-20mA输出。Pt100温度变送器用于Pt100铂电阻信号需要远距离传送、现场有较强干扰源存在或信号需要接入DCS系统时使用。SWP-TR-08铂电阻温度变送器采用独特的双层电路板结构，下层是信号调理电路，上层电路可定义传感器类型和测量范围。2)变送器技
10、术指标1、输入信号：Pt100铂电阻信号输入2、供电电压：10-30VDC3、负载电阻：0-5004、输出信号：二线制4-20mA，最大30mA5、热电阻温度变送器精度：0.2%FS6、温度稳定性：零点漂移 标准0.05%FS/ 量程漂移 标准0.002%FS/7、回路保护：带反向连接保护（防止电源正负极）8、温度变送器功耗：0.5W9、温度变送器重量：约35克10、热电阻温度变送器外形尺寸：外径42mm，高度H23mm，安装孔距33mm，安装孔5.5m3)热电阻的接线方式目前热电阻的引线主要有三种方式：（1） 二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简
11、单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合 （2） 三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。 （3） 四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。 热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测
12、量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。 3.2.2 逐次逼近型 A/D 转换器 AD574A AD574A 是一种高性能的 12 位逐次逼进式 A/D 转换器，它同 ADC0809 一样是常用的 A/D 转换器。转换时间为 25 s，线性误差为1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源， 单通道单极性或双极性电压输入， 采用 28 脚双立
13、直插式封装。 AD574A 由 12 位 A/D 转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，10V 基准电压源四部分构成。（1）12 位 A/D 转换器可以单极性也可以双极性的。单极性应用时，BIPOFF 接 0V，双极性时接 10V。量程可以是 10V 也可以是 20V。输入信号在 10V 范围内变化时，将输入信号接至 10V(IN);输入信号在 20V 范围内变化时，将输入信号接至 20V(IN);所以量化单位相应的就是 10V/（212）和 20V/（212）（2）三态输出锁存缓冲器用于存放 12 位转换结果 D（D=0212-1）。D 的输出方式有两种，引脚 12/8=1 时（8 的上面有
14、一横杠），D 的 D(11)D(0)并行输出；引脚 12/8=0 时（8 的上面有一横杠），D 的高 8 位与低 4 位分时输出。（3）逻辑控制任务包括：启动转换，控制转换过程和控制转换结果 D 的输出。3.2.3 键盘接口电路A. 键盘的工作原理：a.按键的确认： 键盘的功能就是及时发现被按下的键，并将按键的信息按键及时送给计算机进行处理。对于同一个键盘，它的每个键的结构完全相同，人的按键动作引起了开关由断开到接通的变化，从本质上讲，键盘的输出，就是键开关把机械信号变成电信号，以开关状态来设置控制功能或输入数据的，键的闭合与否，反映在电压上就是呈现高电平或低电平，如果高电平表示断开的话，那么
15、低电平就是表示闭合，所以通过电平的高低状态的检测，可以确认按键接下与否。b.按键的抖动处理： 当按键被迫按下或释放时，通常伴随有一定的时间的触点机械抖动，然后其独占才稳定下来，抖动时间一般为 510ms，在使用过程，必须采取去抖措施。去抖动有硬件和软件两种方法，硬件方法通常采用通过 RS 触发器连接按键除抖，软件方法采用延时方法除抖，其过程是在检测到有按键按下时，进行一个 20ms左右的延时程序后，若该键仍保持闭合状态，则确认该键处于按下状态，同理，在检测到该键释放后，也应逐步进行确认，从而可消除抖动的影响。B. 独立式按键： 独立式按键是直接用 I/O 口线构成的单个按键电路， 其特点是每个按键单独占用一根 I/O 口线，每个按键的工作不会其他 I/O 口线的状态C. 矩阵式按键： 实验装置系统中，使用按键分明，通常采用矩
