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1、摘要温度控制是工业对象中主要的控制参数之一，其控制系统本身的动态特性属于一阶纯 滞后环节，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、 反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了 大幅度提高。以 8031 单片机为核心，采用温度变送器桥路和固态继电器控温电路，实现 对电炉温度的自动控制。该控制系统具有硬件成本低、控温精度较高、可靠性好、抗干扰 能力强等特点。电阻炉炉温控制系统的控制过程是：单片机定时对炉温进行检测，经 A/D 转换芯片得到相应的数字量，经过计算机进行数据转换，得到应有的控制量，去控制加热 功率，从而实现对温度的控制。关
2、键词：电炉 温度控制系统 ADC0809AD 转换器目录1 控制方案总述12 硬件电路设计12.1 温度检测和变送器部分 22.2 接口电路32.2.1 主要特性 32.2.2 部结构 32.2.3 外部特性（引脚功能）42.3 接口电路63 软件设计73.1 主程序73.2 T0 中断服务程序 83.3 子程序103.3.1 采样子程序 SAMP103.3.2 数字滤波子程序 FILTER113.3.3 积分分离 PID 控制算法的程序设计 124基于MATLAB仿真被控对象135 结果分析15 设计小结1 7 参考文献1 8 附录19温度控制系统设计1控制方案总述随着电子技术的发展，特别是
3、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。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
4、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，使实际测温围缩小。采用AT80C51为核心，结合温度传感器热电偶和AD转换器来监测被控温度数据，并 把数据传递给单片机同时显示实时数据。同时键盘会给与要求的控制温度大小供单片机把 其和测量温度进行比较处理，从而控制执行系统的开关量的通断状态，达到温度检测、赋 值和控制的作用。其系统结构框图如图1所示：E 1工作流程图2硬件电路设计硬件电路如图2所示:ADO 809打打 变诺迎而热电偶显示模垛图2硬件电路图现对各部分电路分述如下:2.1温度检测和变送器部分温度计的检测元
5、件和变送器的类型选择与被控温度及进度等级有关。镍鉻/镍铝热电偶适用于01000摄氏度的温度测量围，相应输出电压为041.32mV。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的041.32mV 变换成 010mA 围的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的 010mA 电流变换成 05V 围的电压。为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如，若温度测量围为 0300 摄氏度， 则热电偶输出为012.396mV,毫伏变送器零点迁移后输出010mA围的电流。这样，采用 8位A/D转换器就可以量化温度误差达到正负2.34摄氏度以。2.2 接口电路8031 的接口电路
6、有 8155、2732 和 ADC0809 等芯片。8155 用于键盘 LED 显示器接口，2372可以作为8031的外部ROM存储器，ADC0809为温度测量电路的输入接口。ADC0809 是采样频率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。2.2.1 主要特性1）8 路 8 位 AD 转换器，即分辨率 8 位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100旳4）单个+5V电源供电5）模拟输入电压围0 +5V,不需零点和满刻度校准。6）工作温度围为-40+85摄氏度7）低功
7、耗，约 15mW。2.2.2 部结构ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 AD 转换器，部结构如图 1322 所示，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 DA 转换器、逐次逼近。2.2.3外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3所示。IN3-120IN21N4 -227IN1IN5 326INOIN6-425 ADD AIN7 524ADD RSTART一623 ADD EOC一7221ALE严一821OUTPUT ENABLE 920一2吨CLOCK-1G15一円VCC*1118-24伽X）一1217GND 131VRE
8、F1415-26图3 ADC0809引脚图下面说明各引脚功能。IN0IN7： 8路模拟量输入端。2_1 2-8: 8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC： 3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE :地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D转换启动信号，输入，高电平有效。EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期 间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电 平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK :时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF( + )、
9、REF (-)：基准电压。Vcc :电源，单一+5V。GND :地。ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。 此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下 降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC 变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 0E输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。8155有40条引脚，如图4所示。下面说明各引脚功能：AD0AD7：三态地址/数据线。是低8位地址与数据复用线。地址可
10、以是8155片RAM 单元地址或I/O端口地址。AD0AD7上的地址由ALE的下降沿素存到8155片地址锁存器。 也就是由AIE信号来区别AD0AD7 上出现的地址信息还是数据信息。ALE:地址锁存允许信号。在ALE信号的下降沿把ADOAD7上的8位地址信息，CE 片选信号及IO/M信号都锁存到8155部存储器中。IO/M : I/O端口和RAM选择信号。当IO/M =1时，AD0AD7的地址位8155I/O端口地 址，选择I/O端口。当IO/M =0时，AD0AD7的地址位8155片RAM单元地址，选择RAM 存储单元。CE：片选信号。低电平有效。由ALE信号的下降沿锁存到8155部存储器。
11、RD：读选通信号。低电平有效。当RD=O,CE=0时开启AD0AD7的缓冲器，被选中的片RAM单元或10 口的容送到AD0AD7上。WR：写选通信号。低电平有效，当CE,WR 都有效时，CPU输出到AD0AD7 上的信息 想偶尔到8155片PAM单元或I/O 端 口。PA0PA7： A 口的 I/O 线。PB0PB7： B 口的 I/O 线。PC0PC5： C 口的 I/O 线。TMRIN：定时器输入。TMROUT：定时器输出。2.3 接口电路8031 对温度的控制是通过可控硅调功器电路实现的，如硬件电路图（图2）所示。双 向可控硅管和加热丝串接在交流 220V，50Hz 交流电回路中。在给定
12、周期 T，8031 只要改 变可控硅的接通时间便可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。如下图所示，可控 硅在给定周期T具有不同接通时间的情况。显然，可控硅在给定周期T的100%时间接通 时的功率最大。可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上的触发脉冲控制。该触发脉冲由 8031 用软 件在 P 1 .3引脚上产生，经过零同步脉冲同步后经光耦管和驱动器输出送到可控硅的控制极 上。可控硅调功器输出功率与通断时间的关系如图5所示。图5可控硅调功器输出功率与通断时间的关系3软件设计温度控制程序的设计应考虑如下问题：1键盘扫描、键码识别和温度显示；2炉温采 样，数字滤波；3数据处理时把所有数按定点纯小数
13、补码形式转换，然后把8位温度采样 值Umin和Umax都变成16位参加运算，运算结果取8位有效值；4越限报警和处理；5.PID 计算，温度标度转换。通常，符合上述功能的温度控制程序由主程序和TO中断服务程序组成。3.1主程序主程序应包括 8051本身的初始化、8155 初始化等。流程图如6所示。图 6 主程序流程图3.2 T0 中断服务程序TO中断服务程序时温度控制系统的主体程序，用于启动A/D转换、读入采样数据、数 字滤波、越限温度报警和越限处理、PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。P1.3引脚 上输出的该同步脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，8051利用等待 T1溢出中断空隙时 间完
14、成把本次采样值转换成显示值并放入显示缓冲区和调用温度显示程序。8051 从 T1中 断服务程序返回后便可恢复现场并返回主程序，以等待下次 T0 中断。流程图如图 7 所示。1采样炉涓1r数字*保护现场lJi(kl=Unia幟瞬稔送5FH 1零巨H单元港上貌御艮标志Ui (k) =Unn：计算PID下限报警帧复现场返回取叢丈PID值输出I幟越限标志上f宼対越阴计数器加1上愎报彎焉査豆示砌艮标志D5H=r返亘图7 TO中断服务流程图3.3 子程序3.3.1采样子程序SAMP采样子程序流程图如图 8 所示。3.3.2数字滤波子程序FILTER数字滤波子程序用于滤去来自控制现场对采样值的干扰。流程图如图9所示。2C】【尢于2DKT西】【凭于2EH*?2PK 大于 2CEC?3CH送2盛在K送禹M2511?2DKi 2kK搪回图9数字滤波子程序流程图333积分分离PID控制算法的程序设计PID 算法的表达式为：u(t)二 K e(t) + 丄 Ae(t)dt + Tp T 0D dtI式中u(t):调节器的输出信号；e (t): 偏差信号；Kp :调节器的比例系数；TI:调节器的积分时间；TD:调节器的微分
