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1、 课程设计阐明书 No 1电加热炉温度微机控制系统 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 2引言 电加热炉随着科学技术发展和工业生产水平提高，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地位。而温度是工业对象中一种重要参数，特别在冶金,化工，机械各类工业中，广泛使用各种加热炉，热解决炉和反映炉等。由于控制系统自身动态特性，基本上都属一阶纯滞后环节，因而在控制算法上亦基本相似。实践证明，用微型计算机对电热炉进行控制，无论在提高产品质量和数量，节约能源，还是在改进劳动条件等方面都显示出无比优越性。 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 31 系统设计及其工作原
2、理1.1设计内容 用微型计算机设计一种电热炉温度控制系统对一种空间进行温度控制。在室内安装六个测温点，测温范畴在0到1000，超过1000或低于0进行越限报警。1.2系统工作原理整个加热炉温度控制系统采用典型反馈是闭环设计，系统框图如图1所示： 图1 电加热炉温度微机控制系统框图数字控制器功能采用80C51实现，执行器作用由可控硅实现，温度有采样由热电偶实现，温度测量采用变送器实现。炉温控制基本原理是：变化可控硅导通角即变化电热炉加热丝两端有效电压，有效电压可在014v内变化。温温度传感器是通过一只热敏电阻及其放大电路构成，温度越高其输出电压越小。外部LED灯显示数字表达检测温度。如果超过10
3、00或低于0进行越限报警。2系统硬件设计本电加热炉温度微机控制系统构造重要由单片机控制器、A/D转换器、可控硅输出某些、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象构成。如图2 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 4 图2 电加热炉温度微机控制系统框图本系统采用80C51最为该控制系统核心，实现对温度采集，检测和控制。单片机控制A/D转换器，接受由A/D转换器转换得到二进制温度数据，并对其进行数字滤波，标度变换和显示。并与最大温度和最小温度作对比，如果不不大于最大温度或不大于最小温度，就进行报警。如果在01000v，则对炉温进行控制。2.1电源某些设计本系统所需电源有220V交流电、直流5V电压和低
4、压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等构成电源电路。电源变压器是将交流电网220V电压变为所需要电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动直流电压。由于此脉动直流电压还具有较大纹波，必要通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑直流电压。但这样电压还随电网电压波动（普通有+-10%左右波动）、负载和温度变化而变化。因而在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路。稳压电路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某些使用。除此之外，220V交流电还是加热电阻两端电压
5、，通过控制双向可控硅导通与截止来控制加热电阻功率。低压交流电即变压器二次侧电压，通过过零检测电路检测交流电过零点，送入单片机后，由控制程序决定双向可 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 5控硅导通角，以达到控制加热电阻功率目。2.2检测某些设计在检测装置中，温度检测采用热电偶，采用三线制接法，采样电路为桥式测量电路，经测量电路采样后输出25V电压，再经模数转换芯片ADC0809进行转换，变为数字量后送入单片机进行分析解决。热电偶是运用其任何两种不同导体或半导体构成闭合回路，如果将它们两个接点分别置于温度不同热源中，则在该回路就会产生电动势工作原理。由于其测量精确度高、测量范畴大、复现性和稳定
6、性好等,被广泛用于温度测量中（注意冷端补偿）。电炉温度先由热电偶温度传感器检测并转换成薄弱电压信号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压放大后，送至A/D转换器转换为数字量，此数字量通过单片机数字滤波误差校正及查表等解决后，得到电炉内实测温度值，温度检测原理如图3.图3 温度检测原理图2.3 A/D转换器设计ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模仿开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定期电路构成。本设计中只需要用到ADC0809一种通道即可，故将ADC0809输入通道选通地址A、B、C均接地（即只使用输入通道IN0）
7、。ADC0809工作时钟为500KHz，由于单片机ALE能自动输出单片机时钟频率1/6（即当单片机时钟晶振选取12MHz时，ALE自动输出2MHz时钟信号），ADC0809时钟信号通过对单片机ALE输出时钟进行四分频得到，进行四分频器件可采用集成有两个二分频器74LS74。单片机PA口作ADC0809控制口，P0口作转换结束后转换数据接受口。 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 6图4 A/D转换电路2.4LED温度显示电路8段LED显示屏是最惯用显示屏件，分为共阳极和共阴极两种形式。共阳极LED将所有发光二极管阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平，某一段发光二极管阴极接低电平时，相应字
8、段就被点亮。共阴极LED将所有发光二极管阴极接在一起作为公共端，当公共端接低电平，某一段发光二极管阳极接高电平时，相应字段就被点亮。LED数码管显示办法：动态显示：动态扫描，分时循环静态显示：一次输出，成果保持静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示成果，直到下次送新显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠。通过比较及对程序分析，本设计当中数码管采用了共阴极静态显示。由于本设计所需用到最大温度值位1000，故需选用4位数码，在这里选用4位共阴8段数码管作为本设计LED显示。四位共阴数码管引脚图如图4所示，数码管与单片机接口电路如图5所示。 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 7图
9、5四位共阴数码管引脚图 图6数码管与单片机接口电路2.5键盘电路键盘重要用来完毕对系统参数设立和启动及停止计算机自动控制系统。本系统重要采用四位独立键盘完毕上述控制功能。键盘电路如图6所示,其中，S1，S2对预温度进行设立，S2为数码管移位选取按钮，被选中数位小数点被点亮，此时再按S1，可以使被选中位从09依次循环，循环到所需要值时候，再按S2移到下一位，依次设立完4位数码管构成预设温度值。S3，S4分别为启动和停止计算机自动控制系统，当S3有按下信号时，单片机开始对系统进行自动调节控制，当S4有输入信号时，退出自动控制。 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 8图7 键盘电路2.6晶闸管及其
10、控制电路设计 晶闸管属于半控器件，当在基极输入电流触发信号满足其导通电流强度时晶闸管即导通，且导通后触发信号将失去作用。要使晶闸管关断，第一可以不断减小电源电压或是加大回路电阻，使阳极电流Ia低于维持电流Ia之下，晶闸管即可恢复关断：第二可以给晶闸管施加反电压，使晶闸管自行关断。 本系统中晶闸管关断方式采用第二种，对于咱们生活所用交流电是频率位50Hz正弦交变电压，系统所规定晶闸管控制电压有效值在0140v内变化，故采用如图7所示电路接线方式。当电源电压处在正弦变化正半周期时候，通过调节晶闸管导通角，即可变化电阻两端电压有效值，当电源电压处在正弦负半周期时候，加在晶闸管两端反电压使晶闸管自动关
11、断。由于触发晶闸管导通电流信号是模仿信号，故需要采用隔离办法，使数字控制电路与模仿负载电路隔离开，防止模仿信号串入数字电路导致误动作或损坏数字电路。这里采用隔离办法是使用光电隔离器4N25，当P1.7输出高电平时，经7404反向为低电平，发光二极管发光触发模仿电路某些导通，晶闸管IRF640得到触发信号从而导通。依照单片机发出脉冲间隔时间不同，即可变化晶闸管导通角，从而起到调压作用。 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 9图8 晶闸管及其控制电路3系统控制流程及软件设计3.1总体流程图单闭环电加热炉温度计算机控制系统总体流程图如图9所示： 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 10图9 程序
12、总体流程图3.2程序块流程图3.2.1温度控制系统主程序及流程图 主程序重要进行初始化，定义I/O端口及定期器参数，调用子程序以便为系统正常工作。 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 11图10 主程序流程图3.2.2A/D转换流程图图11 A/D转换程序流程图 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 123.2.3数字是控制器设计数字控制器是本控制系统核心，用它对被测参数进行自动调节，这里采用位置式PID程序设计法进行设计。依照式1和图1，可得PID数字控制程序流程图如图12：图12 位置式PID运算程序流程图 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 133.2.4键盘控制流程图本系统采用4位
13、键盘设立基本参数及启动与停止计算机控制系统自动运营，键盘控制程序采用定期器延时扫描办法控制，当按键被按下时输入一种低电平，其流程图如图13：图13 键盘程序流程图 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 143.2.5数字滤波程序在工业控制系统中，由于被控对象所处环境比较恶劣，长存在干扰源，如环境温度，电场和磁场等，使得采样值也许偏离真实值。对于各种随机浮现干扰信号，在计算机控制系统中，应对采样数据进行判断，以及平滑加工，以提高信号可信度，减小乃至消除各种干扰及噪声，以保证系统可靠性。在该系统中，我选用限幅滤波。限幅滤波基本思想是：求出本次采样值与前一次采样值之差，该差值与最大容许差值Y比较，若不大于或等于Y，则取本次采样值，若不不大于Y，则取上一次采样值，即：数字滤波流程图如图14：图14 数字滤波程序流程图4总结与心得体会通过对电加热炉温度微机控制系统设计，使我对实际工程中计算机控制技术应用有了初步设计理念。理论与实践相结合，使我对计算机控制系统特点以及其构成，原理，应用更加深了一步。通过对整个系统设计，使我进一步巩固了专业基本知识。提高了用理论解决实践中遇到问题。通过对资料收集和修改，也使我学到了许多有关专业课程知识，并从 沈 阳 大 学 课程设计阐明书 No 15中得到启发，拟定系统方案。通过对数字控制器设计，使我复习了单片机实现PID算法，A/D转换器
