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1、 课程设计说明书 No 1电加热炉温度微机控制系统电加热炉温度微机控制系统沈 阳 大 学课程设计说明书 No 2引言引言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，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。而温度是工业对象中一种重要的参数，特别在冶金,化工，机械各类工业中，广泛使用各种加热炉，热处理炉和反应炉等。由于控制系统本身的动态特性，基本上都属一阶纯滞后环节，因而在控制算法上亦基本相同。实践证明，用微型计算机对电热炉进行控制，无论在提高产品质量和数量，节约能源，还是在改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。沈 阳 大 学课程设计说明书
2、No 31 系统设计及其工作原理系统设计及其工作原理1.1 设计内容设计内容用微型计算机设计一个电热炉温度控制系统对一个空间进行温度控制。在室内安装六个测温点，测温范围在 0到 1000，超过 1000或低于 0进行越限报警。1.2 系统工作原理系统工作原理整个加热炉的温度控制系统采用典型的反馈是闭环设计，系统框图如图1 所示：图 1 电加热炉温度微机控制系统框图数字控制器的功能采用 80C51 实现，执行器的作用由可控硅实现，温度有采样由热电偶实现，温度的测量采用变送器实现。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压可在 014v 内变化。温温度传感器
3、是通过一只热敏电阻及其放大电路组成，温度越高其输出电压越小。外部 LED 灯显示的数字表示检测的温度。如果超过 1000或低于 0进行越限报警。2 系统硬件的设计系统硬件的设计本电加热炉温度微机控制系统结构主要由单片机控制器、A/D 转换器、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。如图 2沈 阳 大 学课程设计说明书 No 4图 2 电加热炉温度微机控制系统框图本系统采用 80C51 最为该控制系统的核心，实现对温度的采集，检测和控制。单片机控制 A/D 转换器，接收由 A/D 转换器转换得到的二进制温度数据，并对其进行数字滤波，标度变换和显示。并与最大温度和最小温度作对比，
4、如果大于最大温度或小于最小温度，就进行报警。如果在 01000v，则对炉温进行控制。2.1 电源部分的设计电源部分的设计本系统所需电源有 220V 交流电、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电网电压波动、负载和温度变化
5、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沈 阳 大 学课程设计说明书 No 5控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。2.2 检测部分的设计检测部分的设计在检测装置中，温度检测采用热电偶，采用三线制接法，采样电路为桥式测量电路，经测量电路采样后输出25V电压，再经模数转换芯片
6、ADC0809进行转换，变为数字量后送入单片机进行分析处理。热电偶是利用其任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度不同的热源中，则在该回路就会产生电动势的工作原理。由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于温度测量中（注意冷端补偿）。电炉的温度先由热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压放大后，送至A/D转换器转换为数字量，此数字量经过单片机数字滤波误差校正及查表等处理后，得到电炉内的实测温度值，温度检测原理如图3.图3 温度检测原理图2.3 A/D转换器的设计转换器的设计ADC0809是CMOS
7、单片型逐次逼近式 A/D转换器，它由 8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 8位开关树型 A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成 。本设计中只需要用到 ADC0809的一个通道即可，故将ADC0809的输入通道选通地址 A、B、C均接地（即只使用输入通道IN0）。ADC0809的工作时钟为 500KHz，由于单片机的 ALE能自动输出单片机时钟频率的 1/6（即当单片机的时钟晶振选择 12MHz时，ALE自动输出2MHz时钟信号）， ADC0809的时钟信号通过对单片机 ALE的输出时钟进行四分频得到，进行四分频的器件可采用集成有两个二分频器的74LS74。单片机的PA口作A
8、DC0809的控制口，P0口作转换结束后转换数据的接收口。沈 阳 大 学 课程设计说明书 No 6图 4 A/D 转换电路2.4LED 温度显示电路温度显示电路8 段 LED 显示屏是最常用的显示器件，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，结果保持静态显示，是由微型机一次输出显
9、示后，就能保持该显示结果，直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。通过比较及对程序的分析，本设计当中数码管采用了共阴极静态显示。由于本设计所需用到的最大温度值位 1000，故需选用 4 位数码，在这里选用4 位共阴 8 段数码管作为本设计的 LED 显示。四位共阴数码管的引脚图如图4 所示，数码管与单片机的接口电路如图 5 所示。沈 阳 大 学课程设计说明书 No 7图 5 四位共阴数码管引脚图图 6 数码管与单片机接口电路2.5 键盘电路键盘电路键盘主要用来完成对系统参数的设置和启动及停止计算机自动控制系统。本系统主要采用四位独立键盘完成上述控制功能。键盘电路如图 6 所示
10、,其中，S1，S2 对预温度进行设置，S2 为数码管移位选择按钮，被选中的数位小数点被点亮，此时再按 S1，可以使被选中位从 09 依次循环，循环到所需要值的时候，再按 S2 移到下一位，依次设置完 4 位数码管组成的预设温度值。S3，S4 分别为启动和停止计算机自动控制系统，当 S3 有按下信号时，单片机开始对系统进行自动调节控制，当 S4 有输入信号时，退出自动控制。沈 阳 大 学课程设计说明书 No 8图 7 键盘电路2.6 晶闸管及其控制电路的设计晶闸管及其控制电路的设计晶闸管属于半控器件，当在基极输入电流触发信号满足其导通电流强度时晶闸管即导通，且导通后触发信号将失去作用。要使晶闸管
11、关断，第一可以不断减小电源电压或是加大回路电阻，使阳极电流 Ia 低于维持电流 Ia 之下，晶闸管即可恢复关断：第二可以给晶闸管施加反电压，使晶闸管自行关断。本系统中晶闸管的关断方式采用第二种，对于我们生活所用的交流电是频率位 50Hz 的正弦交变电压，系统所要求晶闸管控制电压有效值在 0140v内变化，故采用如图 7 所示的电路接线方式。当电源电压处于正弦变化的正半周期的时候，通过调节晶闸管的导通角，即可改变电阻两端的电压有效值，当电源电压处于正弦负半周期的时候，加在晶闸管两端的反电压使晶闸管自动关断。由于触发晶闸管导通的电流信号是模拟信号，故需要采取隔离措施，使数字控制电路与模拟负载电路隔
12、离开，防止模拟信号串入数字电路造成误动作或损坏数字电路。这里采用的隔离措施是使用光电隔离器 4N25，当 P1.7输出高电平时，经 7404 反向为低电平，发光二极管发光触发模拟电路部分导通，晶闸管 IRF640 得到触发信号从而导通。根据单片机发出脉冲的间隔时间不同，即可改变晶闸管的导通角，从而起到调压的作用。沈 阳 大 学课程设计说明书 No 9图 8 晶闸管及其控制电路3 系统控制流程及软件设计系统控制流程及软件设计3.1 总体流程图总体流程图单闭环电加热炉温度计算机控制系统总体流程图如图 9 所示：沈 阳 大 学课程设计说明书 No 10图 9 程序总体流程图3.2 程序块流程图程序块
13、流程图3.2.1 温度控制系统主程序及流程图主程序主要进行初始化，定义 I/O 端口及定时器参数，调用子程序以便为系统正常工作。沈 阳 大 学课程设计说明书 No 11图 10 主程序流程图3.2.2A/D 转换流程图图 11 A/D 转换程序流程图沈 阳 大 学课程设计说明书 No 123.2.3 数字是控制器的设计数字控制器是本控制系统的核心，用它对被测参数进行自动调节，这里采用位置式 PID 程序设计法进行设计。根据式 1 和图 1，可得 PID 数字控制程序的流程图如图 12：图 12 位置式 PID 运算程序流程图沈 阳 大 学课程设计说明书 No 133.2.4 键盘控制流程图本系
14、统采用 4 位键盘设置基本参数及启动与停止计算机控制系统的自动运行，键盘控制程序采用定时器延时扫描的方法控制，当按键被按下时输入一个低电平，其流程图如图 13：图 13 键盘程序流程图沈 阳 大 学课程设计说明书 No 143.2.5 数字滤波程序在工业控制系统中，由于被控对象所处的环境比较恶劣，长存在干扰源，如环境温度，电场和磁场等，使得采样值可能偏离真实值。对于各种随机出现的干扰信号，在计算机控制系统中，应对采样的数据进行判断，以及平滑加工，以提高信号的可信度，减小乃至消除各种干扰及噪声，以保证系统的可靠性。在该系统中，我选用限幅滤波。限幅滤波的基本思想是：求出本次采样值与前一次采样值之差
15、，该差值与最大允许差值Y 比较，若小于或等于Y，则取本次采样值，若大于Y，则取上一次采样值，即：数字滤波流程图如图 14：图 14 数字滤波程序流程图4 总结与心得体会总结与心得体会通过对电加热炉温度微机控制系统的设计，使我对实际工程中的计算机控制技术的应用有了初步的设计理念。理论与实践相结合，使我对计算机的控制系统的特点以及其组成，原理，应用更加深了一步。通过对整个系统的设计，使我进一步的巩固了专业基础知识。提高了用理论解决实践中遇到的问题。通过对资料的收集和修改，也使我学到了许多相关专业课程的知识，并从 沈 阳 大 学课程设计说明书 No 15中得到启发，确定系统方案。通过对数字控制器的设计，使我复习了单片机实现 PID 算法，A/D 转换器的接口电路，键盘的设计与接口电路，LED 显示等等。通过这次设计，使我加深了对闭环控制系统的了解，对简单的计算机控制技术的应用，使我有了很大的提高，并学会了综合分析，独立思考的能力。参考文献参考文献1 范立南 李雪飞计算机控制技术机械工业出版社，2009.42谢维成 杨加国单片机原理与应用 C51 程序设计（第二版）清华大学出版社，2009.73王兆安电力电子技术（第
