计算机控制技术课程设计-炉温控制系统

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1、 二 一三 二 一四 学年第 一 学期 信息科学与工程学院 课程设计报告书 课程名称 计算机控制与接口技术课程设计 班 级 自动化0902 班 学 号 200904134064 姓 名 指导教师 二 一二 年 十二 月 计算机控制与接口技术课程设计 1 炉温控制系统的设计 一 设计任务 设计一个炉温控制系统 对象的传递函数 s e s sG 02 115 8 炉子为电炉 结构 单相交流 220V 供电 温度设定值 室温 0 100 可以根据要求任意调 节 要求 1 画出电路原理图 包括 给定值 反馈 显示的电路及主电路 2 阐述电路的工作原理 3 采用对象为大滞后的算法 求出 u k 4 画出

2、闭环数字控制的程序框图 二 设计要求 课程设计任务完成之后 每位同学必须独立书写一份课程设计报告 注意 不得抄袭他人的报告 课程设计报告的内容应包括以下五个部分 1 设计题目和设计要求 2 设计任务分析 包括系统设计 控制方案 3 详细设计 包括炉温控制系统的有关知识介绍 系统的设计分析以及改善 4 课程设计总结 包括课程设计过程中的学习体会与收获 三 课题分析 在这里要求使用单片机系统实现对单相交流电炉温度闭环控制 温度控制带 有显著的滞后性 传统的控制系统不能理想地满足控制性能指标 所以采用计算 机控制技术来实现较好的控制效果 由于控制任务单一 并且需要在控制电路中 用到 A D 转换模块

3、 所以这里采用 STC12C2052AD 系列的增加型 51 单片机来完 成控制目标 首先需要设计硬件电路 包括 51 单片机的最小系统 温度采集电 路 模拟的输入给定电路 实时温度数值显示电路和电炉的调温电路 还需要考 虑的是单片机系统的电源供应 这里由于涉及到了交流强电系统 所以直接用 220V 的交流电实现直流稳压电源 接着实现软件部分 考虑到温度的大滞后环 节 程序中采用大林算法 为了方便程序对算法的实现 直接采用 C 语言编程而 计算机控制与接口技术课程设计 2 没有使用汇编语言 四 硬件初步设计 硬件系统的框图如下图 1 所示电源电路 复位电路和起振电路和 51 芯片构 成 51

4、单片机最小系统 使用锁存电路完成数码管的静态显示实时温度 硬件设计框图如下 图 1 系统硬件框架图 模拟量给定即为系统的输入给定 通过改变模拟量的大小 来改变温控系统 的输入给定 温度采集为反馈环节 将系统的温度物理变化转化为控制器所能识 别的形式 单片机作为控制器 将系统的给定和反馈进行对比 经过某种特定的 算法 输出控制信号 电炉控制电路即为放大环节和执行机构 温度则是被控对 象 以上这些便构成了一个完整的控制系统 直流稳压电源模块给整个系统供电 温度显示电路则显示系统的温度 也反应了系统的工作状态 五 硬件的具体实现 接下来分别对系统的各个模块进行详细设计 包括各模块芯片的选型 电路 原

5、理以及原理图 完整电路图见附录 1 系统 5V 稳压电源电路 任何一个电路控制系统需要一个工作电源 在本系统中 各种模块和芯片基 本上都是需要 5V 直流供电 在这里设计一个简单的直流稳压电源 由电网供应 220V 交流电 经过变压器转换为 7 5V 交流电压 再经过二极管桥式整流电路 计算机控制与接口技术课程设计 3 得到半波脉动直流 经过 7805 稳压电源模块和电容滤波后 得到比较稳定的 5V 直流电源 作为系统的工作电源 其中二极管 D1 起到隔离作用 如图 2 所示 图 2 直流稳压电源的设计 2 完整的 51 最小系统电路 一个完整的 51 系统除了电源部分外 还至少需要一个起振电

6、路和一个复位 电路 一般的51单片机系统接12MHz的晶振即可 配合30pF左右的电容器即可 51 单片机是高电压复位 R1 电阻实现引脚电位下拉 C1 电容则是消除按键的抖 动 S1 则是复位开关 因为本系统所需要的引脚不多 所以选用 20 引脚的 2052 系列的单片机 图 3 单片机的最小系统 3 模拟量给定输入 在本系统中 被控温度要求在 0 100 任意调节 在这里采用模拟量给定 0 5V 则对应 0 100 的温度预设置 通过电位器来实现电位在 0 5V 的调节 通过 STC12C2052 单片机的 AD 模块将模拟信号转换成数字信号送到单片机内部处理 图 4 模拟量输入给定 1

7、2 Power 220VAC 5V 104 C5 100uF 16V C6 Vin 3 Vout 2 GND1 U5 7805 470uF 25V C8 D1 IN4007 D2 T1 220V 7 5V Y1 12MHz 22pF C1 22pF C2 100pF C3 S1 10K R1 5V 5V RST 1 P3 0 RxD 2 P3 1 TxD 3 XTAL2 4 XTAL1 5 P3 2 INT0 6 P3 3 INT1 7 P3 4 T0 ECI 8 P3 5 T1 PCA1PWM1 9 GND 10 PWM0 PCA0 P3 7 11 ADC0 P1 0 12 ADC1 P1

8、1 13 ADC2 P1 2 14 ADC3 P1 3 15 ADC4 P1 4 16 ADC5 P1 5 17 ADC6 P1 6 18 ADC7 P1 7 19 VCC 20 U1 STC12C2052 P1 10k 5V 计算机控制与接口技术课程设计 4 4 温度采集反馈电路 由于使用模拟的温度传感器需要大量的放大滤波等信号调整电路 所以为了 简便采用了数字量输出的温度计 DS18B20 适用温度范围在 40 125 满足系 统的 0 100 的需要 DS18B20 采用一总线模式 单个 IO 口就可以完成对芯片的 读写 外部电路亦是相对简单的 可以直接输出到 51 单片机 图 5 温度

9、采集电路 5 交流电电压过零检测电路 由于要涉及到可控硅的使用 需要检测交流供电电源波形中的过零时刻 这 部分电路可以和直流电源电路部分通用 如图 6 所示 经过二极管桥式整流后 产生 7 5V 的脉动直流电压 三极管 Q2 有基极射极有 0 7V 压降 R6 和 R5 分压 即当脉动直流大于 1 4V 时 三极管导通 单片机 INT0 引脚的电平则产生一个下 降沿 虽然 1 4V 不是理想中的 过零 但只略有延迟 在大多数场合还是够用 的 图 6 交流电压过零检测 6 电炉可控硅控制电路 为了能较为线性的输出控制电炉 这里采用电力电子技术中的可控硅来实现 对电炉的输入功率的调节 单片机的 I

10、O 口必须经过隔离 这里采用 MOC3052 光 电隔离双向可控硅驱动器 满足了对强电弱电分离的设计要求 BCR3KM 14L 是 所选用的双向可控硅 电流的有效值为 3A 其主要的参数能满足本设计的需求 如下图所示 在任意时刻由单片机的引脚都可以控制 MOC3052 触发双向可控硅 控制思想即采用电力电子的脉宽控制 在图 7 中 电炉为 Heater 即视为电阻 GND 1 I O 2 VDD 3 Q1 DS18B20 5V R2 10K 1 2 Power 220VAC Q2 S8050 22pF C4 1K R3 10K R4 5V 103 C7 10K R5 10K R6 D2 T1

11、220V 7 5V INT0 计算机控制与接口技术课程设计 5 器 由外部的 220V 交流电驱动 这部分电路主要参考刘宁的 创意电子设计与 制作 一书的彩灯控制器一章 图 7 可控硅驱动电路 7 温度数字显示电路 为了有较好的显示效果 以及占用较少的单片机 IO 口 这里采用移位寄存 器锁存电路 保证数码管在使用中 不会闪烁 74LS164 需要有三个单片机引脚 控制 分别为数据 时钟和清零 这里采用的是共阴极方式的数码管 为了节省 空间 只设计了两个数码管 表示温度的整数位 当温度为 100 或者更高时 可显示特殊符号 图 8 数码管驱动电路 六 原始系统的理论分析 本设计中 炉温控制对象

12、的传递函数 s e s sG 02 115 8 需要采用闭环控 制 由于传递函数中大延时环节 这显然是一个纯滞后对象的控制系统 对于这 1 24 6 U2 MOC3052 5V 10K R7 330 R8 330 R9 21 3 Q3 BCR3KM 14L 100 1W R10 0 1uF 275VAC C9 116 Heater 1 2 Power 220VAC 5V A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 GND 7 CLK 8 CLR 9 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VCC 14 U3 74LS164 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD

13、 6 GND 7 CLK 8 CLR 9 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VCC 14 U4 74LS164 K 3 f 9 g 10 e 1 d 2 K 8 c 4 DP 5 b 6 a 7 DS1 Dpy Red CC K 3 f 9 g 10 e 1 d 2 K 8 c 4 DP 5 b 6 a 7 DS2 Dpy Red CC 10KR18 10KR17 10KR16 10KR15 10KR11 10KR12 10KR13 10KR14 10KR20 10KR21 10KR22 10KR23 10KR24 10KR25 10KR26 10KR27 104 C10 5V

14、104 C11 计算机控制与接口技术课程设计 6 类系统若不采用控制适当的控制策略 会出现严重超调 振荡甚至不稳定 首先对系统进行简单的 Simulink 仿真进行分析 给定信号为 1s 时刻产生单 位阶跃信号 在系统中 加上延时环节 当没有加入控制器时整个系统如图 9 所示 图 9 Simulink 系统仿真图 图 10 则是系统的响应输入 明显可以看出 系统极其不稳定 图 10 系统单位阶跃响应 在这种情况下 采用纯滞后的算法 大林算法往往会有比较好的控制效果 根据被控电炉对象传递函数 s e s sG 02 115 8 设采样周期为 T 10s 期望的闭 0102030405060708

15、090100 40 20 0 20 40 60 80 100 120 Step Response Time sec Amplitude 计算机控制与接口技术课程设计 7 环传递函数的一阶惯性环节的时间常数为 10s 即 N 2 可以求出系统的期望的 闭环脉冲传递函数 1 3 0 3679 1 0 6321z z z 被控对象为纯滞后的一阶惯性环节 1 3 0 5134 1 3 8928z z zG 因此系统的数字控制器的传递函数为 31 1 6321 00 3679 1 0 0834z 0 1624 zz zD 即 0 4902z 0 0021z 0 2848z 0 7743z 0 1624

16、4 3 2 1 zU 则由 zEzDzU 使用 Z 反变换 解算出 u k 4 0 4902e k 3 0 0021e k 2 0 2848e k 1 0 7743e k 0 1624e k ku 七 闭环系统的程序框图 当单片机的硬件和软件算法实现后 接下来是设计程序的结构来具体实现功 能了 程序可以分为三部分 初始化部分及主循环 定时器中断部分和外部中断 部分 1 初始化部分及主循环 51 单片机的时钟系统较为简单 上电即可使用 在整个系统中 需要用的底 层有 ADC 模块处理外部模拟量给定 用 DS18B20 来采集环境温度 用外部中断对 交流电进行过过零检测 而系统主要是工作在一个采样周期中 所以还需要周期 用定时器 0 中断 周期处理系统的数据 包括系统的算法处理和控制量输出 可 控硅的脉宽便使用定时器 1 来控制 如下图所示 单片机从上到下完成了初始化过程最后进入了主循环之中 本 系统基本上计算都在中断中进行 由于采样周期设为 10s 所以单片机有足够的 计算机控制与接口技术课程设计 8 时间和资源和完成控制算法 图 11 单片机初始化及主循环 2 外部中断 外部中断主要是