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1、计算机控制课程设计 报告设计题目：电阻炉温度控制系统设计年级专业：09级测控技术与仪器姓 名：武帆学 号：P60914001任课教师：谢芳电阻炉温度控制系统设计0.前言随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生 活带来了根本性的变化，特别是微型计算机的出现使现代的科学研究得到了 质的飞跃，利用单片机来改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿 命、提高设备的自动化程度的特点。温度是工业生产中主要的被控参数之一， 与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。 温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的 控制效果直接影响着产品的质
2、量。因而设计一种较为理想的温度控制系统是 非常有价值的。本设计就是利用单片机来控制高温加热炉的温度，传统的以 普通双向晶闸管（SCR控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管 导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。这种移 相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰， 并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。采用固态继电器控温电路，通 过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较 先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度， 采用普通的 ADC0809 芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩 小
3、。温度控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特 点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行 温度控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效 率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义随着单片机技术的迅速兴起与 蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分 广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方 面面。1. 课程设计任务项目设计：电阻炉温度控制系统设计以在工业领域中应用较为广泛的电阻炉为被控对象， 采用 MCS52 单片 机实现电阻炉温度计算机控制系统的设计， 介绍电阻炉温度计算机控制系
4、统 的组成，并完成系统总体控制方案和达林算法控制器的设计，给出系统硬件 原理框图和软件设计流程图等。1.1 电阻炉组成及其加热方式电阻炉是工业炉的一种， 是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能 来加热或者熔化元件或物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和 辅助系统组成，炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。由 于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同 ; 由于工艺不同， 所要求的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同 ; 产品工 艺不同，对控温精度要求不同，因而控制系统的组成也不相同。电气控制系 统包括主机与外围电路、 仪表显示等。 辅助系统通常指传动
5、系统、 真空系统、 冷却系统等，因炉种的不同而各异。电阻炉的类型根据其热量产生的方式不 同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉 子内部有专用的电阻材料制作的加热元件，电流通过加热元件时产生热量， 再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电 阻炉，是将电源直接接在所需加热的材料上，让强大的电流直接流过所需加 热的材料，使材料本身发热从而达到加热的效果。工业电阻炉，大部分采用 间接加热式，只有一小部分采用直接加热式。由于电阻炉具有热效率高、热 量损失小、加热方式简单、 温度场分布 均匀、环保等优点， 应用十分广泛。1.2 控制要求本系统中所选用的
6、加热炉为间接加热式电阻炉，控制要求为 :(1) 采用一台主机控制 8 个同样规格的电阻炉温度 ;(2) 电炉额定功率为 20 kW;(3) 恒温正常工作温度为1000C，控温精度为士 1%;( 4 )电阻炉温度按预定的规律变化，超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性 ;(5)具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为士1C ;( 6 )具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。二、系统总体设计根据题目要求 , 电热锅炉温度控制系统由核心处理模块、 温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。采用比较流行的AT89S52作为电路的控制核心，使用8位的模数转换器AD0808进行数据转换，控
7、制电路部分采 用PWM通过AC-SSR实现锅炉温度的连续控制，此方案电路简单并且可以满足 题目中的各项要求的精度。系统总体框图如下。2.1 核心处理模块单片机 该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核 心及数据处理核心。选择单片机的理由： 单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其 内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完 整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强 大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能 力。所以单片机在工业应用
8、中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处 理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。2.2 温度信号采集与传感器本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号， 温度传感器 上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号，使用 A/D 转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号， 本 设计采用的是数字温度传感器，以上过程都在温度传感器内部完成。2.3 人机交互及串口通信 人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的 显示和系统提示信息的输出， 串口通信的主要功能是完成单片
9、机与上位机的 通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。2. 4 控制执行单元 是单片机的输出控制执行部分，根据单片机数据处理的结果，驱动继电 器控制外部设备，可以达到超温报警及升温或者降温目的，使环境温度始终 保持在一个范围之内。根据温度变化慢 , 并且控制精度不易掌握的特点 , 我们设计了以 AT89S52 单片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。 温度控制采用改进的 PID数字控制算法，显示采用8位LED动态显示。三、硬件电路设计硬件电路如图所示：硬件系统主要由 AT89S52单片机、温度采集、A/ D 转换、键盘显示电路、报警等功能电路组成。3.1 、核心部
10、分单片机AT89S52单片机为主控制单元。AT89S52单片机首先根据炉温的给定值 和测量值计算出温度偏差，然后进行 PID 控制并计算出相应的控制数据由 P10 口输出。最后将 P10 口输出的控制数据送往光电耦合隔离器的输入 端，利用PWh脉冲调制技术调整占空比，达到使炉温控制在某一设定温度。 AT89S52单片机还负责按键处理、温度显示以及与上位机进行通信等工作。4 位高亮度LED用于显示设定温度或实测温度。3.2 、温度采集转换模块温度采集电路主要由铂铑-铂热电偶LB-3oLB-3热电偶可以在1300C高 温下长时间工作，满足常规处理工艺要求。测温时，热电阻输出mV热电势，必须经过变送
11、器变换成0-5V的标准信号。本系统选用 DW型温度变送器， 并将其直接安装在热电偶的接线盒内，构成一体化的温度变送器，不仅可以 节省补偿导线，而且可以减少温度信号在传递过程中产生的失真和干扰。电 阻炉炉温信号是一种变换缓慢的信号。这种信号在进行A/D转换时，对转换速度要求不高。因此为了减低成本以及方便选材，可以选用廉价的、常用的A/D芯片ADC0809 ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入、8为数字输出 地A/D转换器件，转换时间为100us,完全满足系统设计的要求。经过ADC0809 转换所得到的实测炉温数据直接送入 AT89S52单片机中进行数据处理。此外，为了防止断偶或者炉温越限，
12、产生热处理质量事故；同时为了提 高温控系统的智能化控制性能，降低热处理操作人员的劳动强度，本系统特 别设置了断偶或炉温越限自动报警电路。在热处理生产过程中，当发生断偶 或炉温越限等异常现象时，主控单元AT89S52单片机自动启动报警电路进行 声、光报警，以便操作人员快速处理，防止炉内工件过热，破坏金属组织结 构。3.3、AC SSR交流功率调节电路由输出来控制电炉，电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为:其中时间常数T=350秒，放大系数K=50,滞后时间t=10秒。为了避免交流接触器等机械触电因频繁通断产生电弧，烧坏触电或者干扰其他设备正常工作，本系统选用 A
13、C-SSF交流功率调节器作为PID控制系 统的执行机构。AT89S52单片机P1.0 口输出的温度控制信号经过光电耦合器 件隔离，送至过零检测电路。过零检测电路产生脉冲控制AC-SSF调功电路。 当实测温度偏低时，单片机输出的控制信号使得双向可控硅的导通角减小， 导通时间变短，加热器功率降低炉温适当降低。通过控制输入到加热器平均 功率的大小达到控制电阻炉炉温的目的。控制执行部分的硬件电路如下图3.4 键盘模块电路采用4X 4矩阵键盘接单片机的P1 口，然后实现对设定温度的修改，将它与实际温度进行对比，实现要求的功能。矩阵键盘如下图 3 所示：3.5 A/D 转换电路如图所示：3.6 变送电路X
14、TR10伪420mA线性化变送器，它可与镍络-镍硅测温传感器构成精密 的T/I变换。器件中的放大器适合很宽的测温范围，在 -40 C +85C的工作 温度内，传送电流的总误差不超过 1%供电电源可以从11.6V到40V,输入 失调电压士 2.5mV,输入失调电流20nA。XTR101外形采用标准的14脚DIP 封装。XTR101有如下两种应用于转换温度信号的典型电路：RCV42（是一种精密电流/电压变换器，它能将420mA的环路电流变为05V的电压输出，并且具有可靠的性能和很低的成本。 除具有精密运放和电 阻网络外，还集成有10V基准电源。对环路电流由很好的变换能力。具有-25 C +85C和
15、OC70C的工作温度范围，输入失调电压1mA总的变换误差 0.1%,电源电压范围士 5士 18V。RCV42啲外形采用标准的16脚DIP封装。 它的典型应用如下：四、系统软件设计系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模 块。4.1 主程序模块主程序流程图4.2 功能实现模块 以用来执行对可控硅及电炉的控制。功能实现模块主要由AD 转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。该中断是单片机内部100mS定时中断,优先级设为最高，是最重要的子程 序。在该中断响应中，单片机要完成调用PID算法子程序且输出PID计算结 果等功能。其流程图如下 :T0中断子程
16、序4.2.2 T1 中断子程序T1定时中断用于调制PWM信号，优先级低于T 0中断，其定时初值由PID 算法子程序提供的输出转化而来， T1 中断响应的时间用于输出控制信号。 其 流程图如下 :T1 中断子程序4.3 运算控制模块运算控制模块涉及标度转换、 PID 算法、以及该算法调用到的乘法子程该子程序作用是将温度信号（OOHFFH转换为对应的温度值，以便送显示或与设定值在相同量纲下进行比较。所用线形标度变换公式为：式中,Ax :实际测量的温度值；Nx :经过A/D转换的温度量;Am =90；Ao=40； Nm =FEH; No=01H；单片机运算采用定点数运算， 并且在高温区和低温区分别用程序作矫正
