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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化 指导教师： xxx 工作单位： 自动化学院 题 目: 温度控制系统设计初始条件：被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为05伏时对应电炉温度0300，温度传感器测量值对应也为05伏，对象的特性为一阶积分加惯性系统，惯性时间常数为T140秒。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；2编写积分分离PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T及的值；3计算机
2、仿真被控对象，编写仿真程序；4通过数据分析改变时对系统超调量的影响。5. 撰写设计说明书。课程设计说明书应包括：设计任务及要求；方案比较及认证；系统滤波原理、硬件原理，电路图，采用器件的功能说明；软件思想，流程，源程序；调试记录及结果分析；参考资料；附录：芯片资料，程序清单；总结。时间安排：6月20日7月22日查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计6月23日6月24日完成硬件设计6月27日6月28日编写调试程序6月29日6月30日撰写课程设计说明书7月1日提交课程设计说明书、图纸、电子文档指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛，温
3、度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务，在工业生产和科学研究中具有重要意义。本课程设计控制系统属于一阶微分加惯性环节，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。采用单片机进行炉温控制，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。本文主要介绍了利用8051为主控制电路实现的炉温调节控制系统，详细阐述了系统的功能，硬件组成以及软件设计，利用热电偶采集温度信号经A/D转换器转化后与给定信号送入微机系统，系统分析控制算法，信号再经D/A
4、转换后控制调节可控硅控制器来改变炉内的温度。关键字：8051 PID 积分加惯性 积分分离 simulink仿真目录1 设计要求11.1 初始条件11.2 设计任务12总体方案论证12.1方案一22.2方案二22.3方案论证23 系统工作原理及流程图24 硬件选择34.1 8051芯片功能34.2 A/D与D/A转换器54.2.1 ADC0809芯片功能54.2.2 DAC0832芯片功能54.3 镍铬-铜镍热电偶64.4系统总电路图65 积分分离PID算法75.1 积分分离PID算法原理75.2 PID算法介绍85.3 系统仿真9心得与体会13参考文献14附录：程序清单15温度控制系统设计1
5、 设计要求1.1 初始条件 被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为05伏时对应电炉温度0300，温度传感器测量值对应也为05伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶积分加惯性系统，惯性时间常数为T140秒，滞后时间常数为10秒。1.2 设计任务1设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；2编写积分分离PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T及的值；3计算机仿真被控对象，编写仿真程序；4通过数据分析改变时对系统超调量的影响。5. 撰写设计说明书。课程设计说明书应包括：设计任务及要求
6、；方案比较及认证；系统滤波原理、硬件原理，电路图，采用器件的功能说明；软件思想，流程，源程序；调试记录及结果分析；参考资料；附录：芯片资料，程序清单；总结。2总体方案论证用温度传感器来检测炉的温度，将炉温转变成毫伏级的电压信号，经温度变送器放大并转换成电流信号。由电阻网络讲电流信号变成电压信号，送入A/D转换器，通过采样和模数转换，所检测到的电压信号和炉温给定值的电压信号送入计算机程序中作比较，得出给定值与实际值之间的偏差，并与进行比较，从而确定算法。计算得到的控制量输出给可控硅控制器，改变可控硅的导通角，达到调压的目的，是电阻丝两端的电压增大或较小，进而实现对炉温的控制。这两个方案都是采用单
7、片机控制，两个方案的比较部分为温度检测部分。2.1方案一方案一温度检测部分检测部分采用热电偶，它需要冷端补偿电路与其配套，并且热电偶输出电压只有几毫负，必须经过放大处理才能A/D转换和D/A转换器接口，若采用8位A/D转换器，ADC0809则输人端需采用仪用放大器，把几毫伏的电压信号放大到5伏左右。由于热电偶属于非线性器件，因此每个温度值都必须通过分度表，查表才能获得，这给软件编程和数据处理增加了难度。2.2方案二方案二采用数字温度传感器DS18B20，它的最高分辨率为12位，可识别0.0625摄氏度的温度。它具有直接输出数字信号和数据处理，并且它和单片机接口只需要一位I/O口，因此由它构成的
8、系统简单使用。由于DS18B20，按照工业设计要求设计，抗干扰性能强。但温度测量范围从。2.3方案论证方案一这种系统具有测量温度范围可以从零下一百度到早上千摄氏度，而且有很多热电偶精度非常高这是这种测量系统的优点。但构成系统复杂，抗干扰能力不强。方案二由于DS18B20，按照工业设计要求设计，抗干扰性能强。但温度测量范围从。根据实验要求，测量的电炉温度0300，综合考虑选择方案一。3 系统工作原理及流程图用热电偶来检测炉的温度，将炉温转变成毫伏级的电压信号，经温度变送器放大并转换成电流信号。由电阻网络讲电流信号变成电压信号，送入A/D转换器，通过采样和模数转换，所检测到的电压信号和炉温给定值的
9、电压信号都转换成数质量送入单片机进行比较，其差值即为实际炉温和给定炉温的偏差，以单片机为核心的数字PID控制器对偏差按照给定的方法运算，运算结果送DAC0832转换成模拟电压，经功率放大器放大后送入晶闸管调压器，触发晶闸管并改变其导通角的大小，从而控制电阻炉的加温电压，起到炉温调节的作用。由以上分析控制过程，可以得到如图3.1的设计框图：显示电路键盘控制电炉传感器数据采集控制电路计算机 图3.1 系统结构框图程序流程如图3.2所示：开始系统初始化设置数据采集A/D转换求出温度值信号比较PID调节可控硅调节加热炉图3.2 程序的主流程图4 硬件选择控制芯片采用8051，要求传感器测量的电压范围和
10、可控硅控制器的电压在0-5，所以A/D与D/A转换芯片采用ADC080和9DAC0832。炉温控制在0300内，因此采用镍铬-铜镍热电偶，同时选用运算放大器将信号放大。4.1 8051芯片功能 8051单片机由以下几部分组成：1. 时钟振荡器2. 8位的CPU3. 128B的RAM是数据存储器4. 4KB的ROM程序存储器5. 48位的并行I/O端口6. 一个双全工异步串行通信口（UART）7. 两个16位的定时/计数器8. 5个中断源，两个优先级的中断结构 选择8051单片机构成炉温控制系统，它的温度是通过可控硅调节器实现的。在系统开发过程中修改程序容易，可以大大缩短开发周期。同时，系统工作
11、过程中能有效地保存一些数据信息，不受系统掉电或断电等突发情况的影响。8051单片机内部有128 B的RAM存储器，不够本系统使用，因此，采用6264(8 kB)的RAM作为外部数据存储器。 8051单片机的内部结构十分复杂，但封装之后，只有引脚是面向用户的，所以使用者需要熟悉各引脚的用途。常用的8051芯片是用双列直插40脚封装，外部管脚图如图4.1所示： 图4.1 8051外部管脚图4.2 A/D与D/A转换器4.2.1 ADC0809芯片功能 A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的期间或装置，它是一种模拟系统和计算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中，得到了广泛的应用，常用的A/D
12、转换器有ADC0809. 它是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为100us左右，线性误差为1/2LSB，采用28脚双立直插式封装，ADC0809由8通道模拟开关、通道选择逻辑、8位A/D转换器及三态输出锁存缓冲器组成。 8通道模拟开关及通道选择逻辑，该部分的功能是实现8选1操作，通道选择信号C、B、A对应8个通道。地址锁存允许信号（ALE、正脉冲）用于通道选择信号C、B、A的锁存。加至C、B、A上的通道选择信号在ALE的作用下送入通道选择逻辑后，通道i（，i=0，1，7）上的模拟输入被送至A/D转换器转换。 8位A/D转换器管脚图如图4.2.1所示：图4.2.1 A
13、DC0809管脚图4.2.2 DAC0832芯片功能D/A转换器的功能是把二进制数字量电信号转换为与其数值成正比的模拟量电信号。常用D/A转换器为DAC0832芯片。DAC0832工作在单缓冲寄存器方式，即当信号来时，数据线送来的数据直通进行D/A转换，当变高时，则此数据便被锁存在寄存器中，因此D/A转换的输出也保持不变。DAC0832讲输入的数字量转换成差动的电流输出（和），为了将其编程电压输出，必须经过运算放大器，使其输出0+5V（为-5V）或0+10V（为-10V），若要形成负电压输出，则需接正的基准电压。DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的
14、转换。图4为DAC0832的引脚图。其主要参数如下：分辨率为8位，转换时间为1s，满量程误差为1LSB，参考电压为(+10?/span-10)V，供电电源为(+5+15)V，逻辑电平输入与TTL兼容。在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号 /XFER。DAC0832管脚图如图4.2.2所示： 图4.2.2 DAC0832管脚图4.3 镍铬-铜镍热电偶本设计采用热电偶-镍络-铜硅热电偶(线性度较好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性较好，抗氧化性强，价格便宜)对温度进行检测。镍铬-铜镍热电偶在300时的热点势21.033mV，为满足0-5V的要求，需将其放大238倍，再通过0809将其转换为数字量被计算机读取，通过软件程序对数据进行处理，将处理的结果经0832输出，输出量控制可控硅控制器，从而改变电阻丝两端的电压，使炉温得到控制。4.4系统总电路图综合以上分析，可以得出系统的总电路图如图4.4所示：图4.4 系统总电路图5 积分分离PID算法5.1 积分分离PID算法原理在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产
