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1、Hefei University计算机控制课程设计 设计题目： 电阻炉温度控制系统设计姓 名： 学 号： 专业班级： 08级自动化(2)班 指导老师： 前 言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量。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制；在农业生产、粮食储备、计算机机房等都需要对温度进行测量和控制。因而设计一种较为理想的温度控制系
2、统是非常有价值的。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。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
3、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。随着检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。目 录一、课程设计任务3二、系统总体设计及方案论证42.1系统总体设计42.1.1核心处理模块单片机42.1.2温度信号采集与传感器42.1.3人机交互及串口通信42.1.4控制执行单元52.2系
4、统功能设计5三、硬件电路设计53.1、核心部分单片机53.2、温度采集转换模块63.3、ACSSR交流功率调节电路63.4、变送电路73.4.1、420mA变送器XTR10173.4.2、I/V转换器RCV42073.5、键盘及显示的设计83.5.1键盘设计83.5.2 LED数码管显示设计83.6、硬件连接图9四、系统软件设计94.1 主程序模块94.2 功能实现模块104.2.1T0中断子程序104.2.2 T1中断子程序104.3运算控制模块114.3.1标度转换子程序114.3.2 PID算法11五、结果分析论述12六、参考文献13一、课程设计任务项目设计：电阻炉温度控制系统设计以在工
5、业领域中应用较为广泛的电阻炉为被控对象，采用MCS51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.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
6、，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
7、场分布 均匀、环保等优点，应用十分广泛。 2.控制要求本系统中所选用的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1000，控温精度为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1; （6）具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。二、系统总体设计及方案论证2.1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
8、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。图2.1 系统设计总体框图2.1.1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。2.1.2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
9、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。 2.1.3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。2.1.4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。2.2系统功能设计根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设
10、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。该设计结构简单,控制算法新颖,控制精度高,有较强的通用性。所设计的控制系统有以下功能：1、温度控制设定波动范围小于1%,测量精度小于1%,控制精度小于2%,2、实时显示当前温度值;3、按键控制：设置复位键、运行键、功能转换键、加一键、减一键;4、越限报警。三、硬件电路设计硬件系统主要由AT89S52单片机、温度采集、AD转换、光耦隔离、键盘显示电路、蜂鸣报警、等功能电路组成。3.1、核心部分单片机AT89S52单片机为主控制单元。AT89S52是ATMEL公司生
11、产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机它除正常工作以外还可以工作于低功耗和掉电模式，进一步减少了芯片的功耗。降低芯片的温升，延迟了芯片的使用寿命。其内部配有8K的Flash程序存储器和256字节的数据存储器。所配置的Flash程序存储器，便于实现ISP在线下载，降低了应用系统的开发成本。除此之外，AT89S52还具有2个16位定时计数器。5个两级中断源结构，32位并行输人输出端口和一个全双工的串行口，以及看门狗定时器等功能单元。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
12、输入端，利用PWM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-3。LB-3热电偶可以在1300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，必须经过变送器变换成0-5V的标准信号。本系统选用DWB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
13、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ADC0808，ADC0808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ADC0808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，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
14、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、ACSSR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AC-SSR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-SSR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
15、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。采用过零触发的方式，使可控硅输出为正弦波，有效地避免了移相触发输出非正弦波而造成的对电网的公害。控制执行部分的硬件电路如下图控制执行部分的硬件电路3.4、变送电路3.4.1、420mA变送器XTR101XTR101为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+85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：3.4.2、I/V转换器RCV420RCV420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
