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1、计算机控制技术 课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目基于PID控制的淬火炉炉温控制系统设计课题性质课程设计课题来源自拟课题指导教师主要内容针对淬火炉炉温控制系统的控制功能要求，设计一个计算机控制系统，能够对淬火炉内的温度进行测量及显示，并通过执行机构控制淬火炉内的温度保持在给定值。任务要求第1天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。第2天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰
2、、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于5000字。主要参考资料1 沙占友. 单片机应用技术与实例. 北京：电子工业出版社，20052 楼然苗. 单片机课程设计指导. 北京：北京航空航天大学出版社，20073 张毅刚等， MCS-51单片机应用设计，哈工大出版社，2007年4 张晋格计算机控制原理与应用北京：电子工业出版社，1995审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日1 引言1.1 课题背景 温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起
3、生产安全，产品质量和产量等一系列问题。温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。 1.2 控制对象淬火是生产过程中的一道关键工序，其温度控制的精度直接影响到产品的质量，因此淬火炉的温度控制在工业生产中具有重要意义。1.3 系统功能及技术要求 淬火炉温度控制通常由多个温区，本设计针对一个温区进行温度控制，要求控制温度范围600-800，控制精度在1。温度探头选用热电偶。系统具体化技术指标如下：1.
4、淬火炉温度控制在600-800；2. 加热过程中恒温控制，误差为2；3. LED实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为1；4. 采用直接数字控制算法，要求误差小，平稳性好；5. 温度超出预置温度5时发出报警。2 总体方案设计2.1 控制方案选择方案一：系统采用8031作为系统的微处理器。温度信号由热电偶检测后转换为电信号经过预处理（放大）送到A/D转换器，转换后的数字信号再送到8031内部进行判断或计算。从而输出的控制信号来控制锅炉是否加热。但对于8031来说，其内部只有128个字节的RAM，没有程序存储器，并且系统的程序很多，要完成键盘、显示等功能就必须对8031进行存储器扩展和I/O口扩
5、展，并且需要容量较大的程序存储器，外扩时占用的I/O口较多，使系统的设计复杂化。方案二：AT89C51单片机是最常用的单片机，是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器。AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给拥护。系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。综上所述的二种方案，该设计选用方案二比较合适。2.2 数学模型的建立本设计针对
6、一个温区进行温度控制，要求控制温度范围600-800，控制精度在1。温度探头选用热电偶。输出0-10mA电流信号，通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压，输入电流输出电压线性关系。其对象温控数学模型为： （2-2-1）其中，（s）为炉温，U（s）为输入电压，K、TP、为炉子的参数。这三个参数都能通过实验的方法得到。2.3 控制算法的确定PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系
7、统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。所以该系统采用PID控制算法。在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，是模拟PID离散化变为差分方程。数字PID位置型控制算式为： （2-3-1）数字PID增量型控制算式为：（2-3-2）其中 称为比例增益； 称为积分系数； 称为微分系数。2.4 系统组成框图及工作原理系统的硬件包括微控制器部分（主机）、A/D转换模块、温度检测、温度控制、键盘与显示、报警几个主要部分，系统的组成框图如图2.1所示。 图2.1
8、系统组成框图工作原理：淬火炉的温度由温度传感器获得，经A/D转换模块转换后送给单片机，然后经相应的显示电路显示出来。工作人员根据工序所需温度然后通过键盘把相应的指令送入单片机，经过光耦驱动电路和可控硅控制器的控制使淬火炉的温度满足工序的需要。报警电路则是在淬火炉温度低于600或高于800的时候发出报警信号。3 硬件电路设计3.1 微控制器AT89C51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。该器件采用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CP
9、U和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案。3.2 A/D转换模块系统中的AD转换模块的功能主要是由AD574来实现的，AD574是12位逐次逼近型的AD转换芯片，片内有数据输出寄存器并有三态输出的控制逻辑。其运算方式灵活，可进行12位转换，也可进行8位转换，转换结果可直接12位输出，也可先输出高8位，后输出低4位。片内有时钟电路，无需外部时钟。3.3 温度测量电路本系统采用热电偶来采集温度，热电偶是一种感温元件，它把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温
10、的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势，即热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表，分度表是自由端温度在0 时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。3.
11、4 温度控制电路电阻丝由过零触发型的双向晶闸管整流电路驱动，通过调节加热阻丝上的平均电压来控制加热功率，最终达到控制炉温的目的，其原理见图3.1。MOC3021是晶闸管型光电隔离器件，它只能触发小功率晶闸管。因此，本系统中通过MOC3021控制双向晶闸管T1，再由T1控制主电路的双向晶闸管T2。将当前温度与预置温度比较，当前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通电阻丝加热；当前温度大于预置温度时，继电器断开，停止加热；当二者相等时电路保持原来状态；当温度降低到比预置温度低2时，再重新启动加热；当前温度超出报警上下限时将启动报警，并停止加热。由于淬火炉加热时，当前温度有可能低于报警下限，为防止误报
12、，在未达到预置温度时，不允许报警，为此设置了报警允许标志位F0。3.5 键盘与显示电路键盘可以分为独立连接式和行列式（矩阵式）两类。独立式键盘是各按键相互独立地接通一条输入数据线，电路简单。但是当按键较多时，要占用较多的I/O口线。为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O线的数目，在键数较多时，通常将键盘排列成行列矩阵形式。本系统允许用户根据需要随时改变系统的工作状态和控制参数，为此设置了4位LED显示和相应的操作键盘，并由专用控制芯片8279实现与CPU的接口。采用8279后，可以节省CPU用于查询键盘输入和管理显示输出的时间，降低了对CPU处理速度的要求，同时也减少了软件工作量。接口电路图如
13、图3.2所示。其工作原理：用8行2列扩展14个键盘。8条行线分别接到8279的RL0RL7，2条列线接74LS138的BO、B1输出端。假设B0为低电平，B1为高电平，若BO这列有键按下，则该行被拉为低电平。因此，如果某列扫描信号为低电平，这列中有某一行输入到8279为低电平，则可以知道该行和列交叉的键被按下。当然，这些工作是由8279自动扫描来完成的，不需要CPU的干涉。3.6 报警电路在系统中设计报警电路是很重要的，在本系统中检测的温度信号高于或低于测温范围时发出警告信号，保证性能好、结构简单、适用，所以选择鸣音报警。本系统中分别设计了断点报警信号和恒温完成报警信号，均采用扬声器加指示灯的
14、方法来进行报警，其电路如图3.3所示。若出现断偶故障，则输入P2.5由低变高，红色指示灯亮，同时扬声器发出声音。若恒温时间到，则输入P2.4由低变高，黄色指示灯亮，同时扬声器发出声音。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。 热电偶检测到的温度经MAX6675放大和A/D转换送入单片机，程序首先在液晶显示器上显示开始设定的温度和实际温度，接着一直扫描键盘，如果KS0按下一次，则设定温度加1，并在液晶显示器上显示出来；如果KS1按下一次，则设定温度减1，在液晶显示器上显示出来。将设定值温度与实际值比较，计算差值，如果实际温度小于设定温度，将差值送入AD转换器，使加热电路进行加
15、热，如果实际温度大于设定温度，因为没有冷却装置，只能不进行加热，是温度自然降下来。运行过程对键盘扫描重复上述过程。 图4.1 主程序流程图4.2 中断程序流程图主程序首先进行初始化，包括I/O口、定时器、中断系统、8255A的初始化，然后等待定时器中断。在定时器中断服务子程序中，先判断30s到否，若未满30s，则返回；若到30s，则进行一系列操作：检测键盘设定值、检测温度并进行标度变换，刷新显示温度，输出温度控制，并根据温度检测值是否超限而报警等。系统程序结构属中断方式，系统功能均在中断服务子程序中完成，30s完成一次。根据总体结构，可将程序划分为几个功能模块：温度设定输入、温度检测、温度值标度变换、温度显示、PID算法、温度控制、报警。中断程序流程图如图4.2所示： 参考文献1 赵建领5
