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1、 计算机控制技术 课程设计报告 题 目 电加热炉计算机温度测控系统设计 学院(部) 电子信息工程学院 专 业 自 动 化 学生姓名 学 号 年级 指导教师 职称 2011年 7月1日目录第一章 引言2第二章 系统工作原理3第三章 硬件设计部分43.1电源部分43.2 A/D转换电路43.3 温度采样测量部分63.4 LED显示电路63.5 功能键73.6 信号输出电路8第四章 软件设计部分94.1 系统总程序设计94.2 A/D 转换器程序流程图114.3 LED显示模块程序流程图124.4报警模块程序设计124.5 键盘模块程序设计134.6 控制对象数学模型13心得体会15参考文献16第一
2、章 引言温度是工业对象中的很重要参数的之一。广泛应用在冶金、化工、机械各类加热炉热、处理炉和反应炉等工业中。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。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。 第二章 系统工作原理本
3、系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、传感器、温度变送器以及被控对象组成。系统硬件结构框图如图2.1所示。其工作原理：炉温控制程序及温度与热电偶电势之间的对于关系表存放在EPROM2746中，双向可控硅采用过零触发方式。触发脉冲由过零同步脉冲形成电路提供。在每个工作周期T内的工作占空比与单片机输出的门控脉冲信号决定。键盘与显示器用于各种参数的设置和显示。热电偶与放大器将被测温度转换成热电势信号并放大，再由A/D转换器换成相应的数字量供单片机识别处理。单片机每隔一定时间要启动一次A/D转换、采样一次现场温度，将温度数据与给定温度W进行比较，得到温差，再根据偏差的大小和正
4、负，通过PID控制算法送出1个相应脉冲，让一定数量的触发脉冲在高电平上通过控制门去触发可控硅，送入8031，通过键盘显示来去控制温度。同时反应炉温的热电偶的电势，经冷端补偿后送运算放大器放大，其电压范围为010V，将此电压经多路开关送入12位A/D转换器后，计算机通过数据口获得相应的表征炉温的数字量。该数字量经数字滤波、线性化处理以及标度变换后，一方面通过LED显示炉温，另一方面当采样周期到达时，与设定温度进行比较，再做PD/PID运算；根据运算结果。计算机通过I/O口改变控制脉冲宽度，从而改变双向可控硅在一个固定的控制周期T内导通的时间（或交流电的周波数），即改变电加热炉的平均输入功率，以此
5、达到控温的目的。 51单片机电源LED显示键盘温度变送电加热固态继电器温度控制低漂移毫伏放大器A/D转换器温度给定值热电偶 报警模 块 图2.1 系统硬件结构框图第三章 硬件设计部分3.1电源部分本系统所需电源有220V交流市电、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
6、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交流市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控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。3.2 A/D转换电路本系统采用的是12位A/D转换器AD574，这是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，在此设计中采用AD
7、574转换器对信号进行模/数转换。工作流程是：当由传感器传过来模拟信号经放大器放大后，送到AD574转换器转换成单片机能够识别的数字信号。其电路图如图3.1 图3.1.1 单片机系统及与A/D转换接口图3.2.2 A/D574电路及与单片机的相关接口3.3 温度采样测量部分温度的采集我们可以选择温度变送器，对于简单的控制可以采用惠更斯电桥做采集电路。经信号滤波，放大处理后形成标准的工控模拟信号（电流4mv10mv,电压1v5v）,便于传输和模数转换。3.4 LED显示电路 系统中我们需进行参数设置以及温度的显示，因此需要显示电路，本实验采用七段数码管显示。采用静态显示的方式，减少程序的执行时间
8、，进而提高系统工作的可靠性。同时采用蜂鸣器进行声音报警。其具体显示电路如图3.4所示。图3.4 数码管静态显示及声音报警电路3.5 功能键 此系统需进行参数的设定，因此需要将按键设计在此系统之内。具体电路如图3.4所示。其中，具体功能为： K1加1键（按下时数据自加1）。 K2减1键，（按下时数据自减1）。 K3F键，（按下时进入下一个参数的设定）。 K4ok键，按下时结束参数设定，开始运行主程序。图3.5 功能键及与单片机的相关接口3.6 信号输出电路3.6.1 PWM控制原理 通过改变电阻丝电压的接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电阻丝的平均电压，控制其输出功率，进而控制炉内温度.
9、 在此系统中，就只需要控制采样周期和导通时间即可，即将周期T内导通T1时间（采用定时/计数器T0），定时到了以后，关闭固态继电器。直到下一个周期需要接通时。3.6.2 输出电路及接口 单片机通过PWM脉冲调宽功率放大器控制SSR固态继电器调节电炉丝的功率而达到调节温度的目的。调功的原理为：设电网连续N个完整的正弦波为一个控制周期T，则式中 -电网频率，HZ若在设定的周期T内控制主回路导通n(nN)个完整的正弦波(周波),则负载功率为式中 U-电网电压的有效值R-负载的有效电阻因此,只要控制在设定的周期T内主回路导通的周波数n的个数,就可调节负载的功率P。固态继电器控温电路如图4所示,采用Z型交
10、流固态继电器SSR,实现零触发交流调功。SSR内设光电隔离电路,可减少与电网间的相互干扰,其电路图如下：0140V有效电压 图3.6 输出电路及其接口第四章 软件设计部分 4.1 系统总程序设计本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程序主要由系统初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。系统初始化包括设置栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、定时器的工作方式以及8255的初始化、MAX1232的初始化等。数据采集及处理主要包括实时采集电加热炉的炉温信号，计算出实际炉温与理想值的
11、差值以及温差的变化率，并对炉温信号进行滤波和限幅处理。主程序流程图如图4.1所示。开始系统的初始化温度数据采集及处理温度值显示计算温差e（k）和温差变化率智能控制算法程序控制输出求出输出控制量结束NY图4.1系统主程序控制系统的软件主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用数字PID调节，应用增量型控制算法，并对积分项和微分项进行改进，以达到更好的控制效果。 考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合，做到取长补短，在实时控制中取得较好
12、的成果。4.2 A/D 转换器程序流程图置位状态位F0关闭报警F0是否等于零调PID控制算法程序报警子程序PSW出栈并返回输出控制量启动定时器T1溢出标志TF1是否为零设定值与AD结果比较交流电是否过零结果=0结果or设定值的20%-20%结果20%F0=0F0=0NYNY 图4.2 AD转换程序流程图4.3 LED显示模块程序流程图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(1)动态显示 动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能一个器件显示。但由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。 (2)静态显示静态显示，是由微型机一次输出显示后，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，本设计当中两组数码管均采用了共阴极静态显示。子程序返回译码选择显示位送入8255PA口将数据转换为七段码开始
