计算机控制系统指导书

《计算机控制系统指导书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制系统指导书（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 1课程设计课题课程设计课题-计算机温度控制系统设计计算机温度控制系统设计温度控制是工业生产中经常碰到的过程控制问题之一。比如，在化工生产过程中，反 应物的温度及反应过程中的温度变化曲线，直接影响化学反应的速度，化学反应进行的程 度以及最终产品的质量。对温度进行准确的测量和有效的控制是一些设备优质高产，低耗 和安全生产的重要指标。本节以普通单相电阻炉为例来介绍微型计算机控制系统的设计过 程。一一 系统设计方案的论证与比较系统设计方案的论证与比较根据题目要求, 电阻炉温度控制系统由单片机主控模块、前向通道模块（温度采集模 块）、后向通道模块（温度控制模块）及键盘显示模块等组成。方案一方案一：采用

2、 8031 作为控制核心,以使用最为普遍的器件 ADC0809 作模数转换,控制上使 用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温。此方案简易可行,器件的价格便宜,但 8031 内部没有程序存储器,需要扩展,增加了电路的复杂性,且 ADC0809 是 8 位的模数转换,不 能满足本题目的精度要求。方案二方案二：采用比较流行的 AT89S51 作为电路的控制核心,使用 12 位的高精度模数转换器 A D574A 进行数据转换,控制电路部分采用 PWM 控制可控硅的通断以实行对电阻炉温度的 连续控制,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。综上分析,我们采用方案二。系统设计总体框图如下。前向

3、通道模块被控对象后向通道模块主控模块电炉传感器变送器固态继电器I/V 变换及放大D/AA/D单 片 机显示键盘报警图 1 控制器设计总体框图由框图可见，本温度控制系统以 AT89S51 单片机为核心，外扩键盘输入、LED 显示 和超温报警装置等外围电路实现的。电炉的温度由温度传感器检测并转换成微弱的电压信2号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压- -电流变换后以电流变换后以 4 420mA20mA 的标准信号形式传送出去，接收端的的标准信号形式传送出去，接收端的 I/V 变换及放大电路将变换及放大电路将420mA 的标准信号变换放大至的标准信号变换

4、放大至 05V 电压，再经有源低通滤波器电压，再经有源低通滤波器滤波后，由滤波后，由 A/D 转换器转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度转换器转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度变换后，一方面将电炉温度经人机面板上的变换后，一方面将电炉温度经人机面板上的 LED 数码管显示出来；数码管显示出来；另一方面将该温度值与被控制值另一方面将该温度值与被控制值( (由键盘输入的设定温度值由键盘输入的设定温度值) )进行比进行比较，根据其偏差值的大小，采用较，根据其偏差值的大小，采用 PID 控制算法进行运算，最后通过控制算法进行运算，最后通过D/A 转换电路（这里采用转换电路（这里采用 PWM 调功

5、方式，相当于调功方式，相当于 D/A 转换器）控转换器）控制固态继电器在控制周期内的通断占空比（即控制电阻炉平均功率制固态继电器在控制周期内的通断占空比（即控制电阻炉平均功率的大小），进而达到对电炉温度进行控制的目的。如果实际测得的的大小），进而达到对电炉温度进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围，单片机就会向报警装置发出指温度值超过了系统要求的温度范围，单片机就会向报警装置发出指令，从而进行超温报警。该设计结构简单令，从而进行超温报警。该设计结构简单, ,控制算法新颖控制算法新颖, ,控制精度控制精度高高, ,有较强的通用性。所设计的控制系统有以下功能：有较强的通用性。

6、所设计的控制系统有以下功能： 温度设定范围为 4090, 测量精度小于1%，控制精度小于0.1，超调整量小于4%; 实现控制可以升温也可以降温; 具有三位设定温度值与测量温度值实时显示当前温度值; 按键控制：设置复位键、运行键、功能转换键、加一键、减一键; 越限报警。3二二 硬件电路设计硬件电路设计硬件电路主要有两大部分组成：模拟部分和数字部分；从功能模块上来分有：主控模 块的器件选型与设计、前向通道模块的设计（数据采集电路）、后向通道模块的设计（温 度控制电路）、键盘显示电路。1 1 主机模块的器件选型与设计主机模块的器件选型与设计主机选用 ATMEL 公司的 51 系列单片机 AT89S5

7、1 来实现,利用单片机软件编程灵活、 自由度大的特点,力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的 AT89S51 芯片 时钟可达 12MHz,运算速度快,控制功能完善。其内部具有 128 字节 RAM,而且内部含有 4 KB 的 flash ROM 不需要外扩展存储器,可使系统整体结构更为简单、实用。2 2 前向通道模块的硬件电路的设计前向通道模块的硬件电路的设计就本系统来说,需要实时采集水温数据,然后经过 AD 转换为数字信号,送入单片机中 的特定单元,然后一部分送去显示;另一部分与设定值进行比较,通过 PID 算法得到控制量 并经由单片机输出去控制电热锅炉加热或降温。前向通道模块的

8、硬件电路主要由温度传感器（AD590） 、基准电压（7812）及 A/D 转换电路（AD574A）三部分组成。2.12.1 温度传感器的选型温度传感器的选型方案一 热电阻测温 热电阻测量温度,精度和灵敏度都可以,但是它的电阻值与温度 的线性关系不好，不便用数字的方法处理。方案二 热电偶测温 热电偶是温度测量中应用最广泛的一种传感器。在一般的测量和 控制中，常用于中高温的温度检测。在测量中需要温度的冷端补偿，在数字电子中实现不 方便。方案三 AD590 加运算放大器 二端式半导体温度传感器 AD590 的工作电压要求不 高,测温的范围比较宽最重要的是它的输出电流是紧随温度变化的电流源,所以它的线

9、性非 常好.我们选择了这种方案。 为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器 AD590,AD590 具有较高精度和重复性 (重复性优于 0.1,其良好的非线形可以保证优于 0.1的测量精度,利用其重复性较好的特 点,通过非线形补偿,可以达到 0.1测量精度.)超低温漂移高精度运算放大器 0P07 将温度 一电压信号进行放大,便于 AD 进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。模拟电路硬件 部分见图 2。4图 2 温度采样与变换电路2.22.2 温度传感器温度传感器 AD590测量范围在-50+150，满刻度范围误差为0.3，当电源电压在 510V 之间，稳定度为 1时，误差只有0.01 。AD5

10、90 为电流型传感器温度每变化 1其电流变化 1uA在 40和 90时输出电流分别为 313.2uA 和 363.2uA 。 2.3 模数转换电路模数转换电路A/D 转换器是把模拟量转换为数字量的器件，简写为 ADC。ADC 的品种繁多，其中 逐次比较式 ADC 由于精度高，价格便宜而在工业控制中得到广泛应用。由于控制精度要 求为 0.1 度,而考虑到测量干扰和数据处理误差,则温度传感器和 ADC 的精度应更高才能 保证控制精度的实现,这个精度可处粗略定为 0.1 度。故温度传感器需要能够区分 0.1 度; 而对于 ADC,由于测量范围为 4090,以 0.1 度作为响应的 AD 区分度要求,

11、则 AD 需要 区分(90-40)/0.1=500 个数字量,显然需要 10 位以上的 ADC。为此,选用高精度的 12 位 AD 574A。2.42.4 电路原理及参数计算电路原理及参数计算前向通道模块电路的基本原理是采用电流型温度传感器 AD590 将温度的变化量转换成电流量，再将电流量转换成电压量通过 A/D 转换器 AD574A 将其转换成数字量交由单片机处理。图 2 中三端稳压 7812 作为基准电压,由运放虚短虚断可知运放的反向输入端 Ui 的电压为零伏。当输出电压为零伏时(即 Uo=0v) 列出 A 点的结点方程如下: ( 12)UbRRIc又由于 AD574A 的输入电压范围为

12、 05v ，为了提高精度所以令水温为 90时AD574A 的输入电压为 5v（即 Uo=5v） 。此时列出 A 点的结点方程如下:5( 54)( 12)UoRRUbRRIc因此可以计算出 R1、R2 、 R3、R4。3 3 后向通道模块的硬件电路的设计后向通道模块的硬件电路的设计3.13.1 电阻炉的功率调节方式电阻炉的功率调节方式电阻炉的温度控制是通过调节电阻炉的输入电功率来实现的。目前多数温控仪采用晶 闸管来实现功率调节。由晶闸管实现交流功率调节的途径有两条：一种是通过改变交流电 压每周期内电压波形的导通角，使得负载端电压有效值得以调节，进而实现电功率调节。 由于这种调节方式下触发脉冲的触

13、发时刻与电压波形的相位有关，因此称为相位控制调功 ；另一种调节方式是电压波形不变而只改变电压周波在控制周期内出现的次数，这种调节 方式称为通断控制调功。就触发方式而言，前者为移相触发，后者为过零触发。两者的电 压波形比较如图 3 所示。6图 3 两种调功方式的比较通过比较发现：相位控制的电压波形不“规整” ，但正负半周对称，无直流成分，可直 接用于电感负载。其最大的缺点是：大电流的切入造成对电网的冲击，不规整的脉冲负载 电流引起电网波形的畸变及对其它电设备的中频干扰。输出的线性范围窄而线性度又不好， 只能靠反馈来改善。通断控制的输出波形仍为正弦波，其优点是，不会对电网造成严重污 染和干扰其它用

14、电设备，而且电炉的功率愈大，优点愈突出。但通断控制也存在抗电源干 扰能力弱等缺点。对于纯阻性负载的电阻炉来说，温控仪采用过零触发方式可使电路结构 简单，软件计算方便。因此，在本系统中采用通断控制的方式来进行功率调节。3.23.2 数数/ /模转换及模转换及 PWM为了实现对模拟量的控制，在计算机控制系统中都设有将数字量转换为模拟量的 DA 转换器（DAC）。但在单片机 AT89S51 中并不包括这种 DAC，但 AT89S51 具有灵活的 P WM（Pulse-Width Modulation）输出功能。PWM 功能可以在其输出引脚产生占空比可变 的脉冲串，通过模拟滤波器可以把它整形成所需的模

15、拟信号，从而实现数字信号到模拟信 号的转换。PWM（Pulse-Width Modulation 脉冲宽度调制）是以一个固定频率的脉冲串作为基础 的。为了产生不同的模拟信号电平，可以通过改变这个脉冲串占空比来实现。要输出较高 的模拟电平就要增加占空比，反之则减小占空比。由于 PWM 输出是在片内计数器的基础 上实现的，因此其在改变占空比方面非常准确。在本系统中，为达到电炉通断控制调功的 目的，可以采用定时器控制一个通用输出端口的方式实现，也可以采用 PWM 输出功能实 现。但采用通用端口需要两个定时器来完成定时采样和通断输出。而采用 PWM 功能可以 只占用一个定时器就能实现定时采样和通断输出

16、，故在本系统中采用 AT89S51 片上的 PW M 功能实现对电阻炉的通断控制调功。3.23.2 固态继电器及其应用固态继电器及其应用7固态继电器(Solid State Relays)，简写成“SSR”，是一种全部由固态电子元件（如光 电耦合器、晶体管、可控硅、电阻、电容等）组成的新型无触点开关器件。与普通继电器 一样，它的输入侧与输出侧之间是电绝缘的。但是与普通电磁继电器比，SSR 体积小，开 关速度快，无机械触点，因而没有机械磨损，不怕有害气体腐蚀，没有机械噪声，耐振动 、耐冲击，使用寿命长。它在通、断时没有火花和电弧，有利于防爆，干扰小（特别对微 弱信号回路）。另外，SSR 的驱动电压低，电流小，易于与计算机接口。因此 SSR 作为自 动控制的执行部件得到越来越广泛的应用。SSR 按使用场合可以分成交流型和直流型两大 类。交流型 SSR 的工作原理框图如