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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。关键词：电
2、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 2.2.2接口电路3.2.2.1主要特性3.2.2.2内部结构3.2.2.3外部特性（引脚功能）.32.3接口电路6.3软件设计63.1主程序7.3.2 T0中断服务程序7.3.3子程序8.3.3.1采样子程序 SAMP8.3.3.2数字滤波子程序FILTER.9.3.3.3积分分离PID控制算法的程序设计 104基于MATLAB 仿真被控对象 125结果分析14设计小结15参考文献16附录16温度控制系统设计1控制方案总述随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来
3、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
4、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，使实际测温范围缩小。图1工作流程图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。同时键盘会给和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：2硬件电路设计硬件电路如图2所示:报警56S .s-=rLJ .1 IL! LJL1 一一一一一 一一亠 一 一 _ 一一_ 二 单片机 一74LS3731II273210独立键点讣出图2硬件电路图现对各部分电路
5、分述如下:2.1温度检测和变送器部分温度计的检测元件和变送器的类型选择和被控温度及进度等级有关。镍鉻/镍铝热电偶适用于01000摄氏度的温度测量范围，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范围内的电流；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范围内的电压。为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如，若温度测量范围为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范围的电流。这 样，采用8位A/D转换器就可以量化温度误差达到正负
6、2.34摄氏度以内。2.2接口电路8031的接口电路有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一一数转换的器件。 其内部有 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A/D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 s4）单个+ 5V电源供电5）模拟输入电压范围0+ 5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度
7、范围为-40+ 85摄氏度7）低功耗，约15mW。2.2.2内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图13. 22所示，它 由8路模拟开关、地址锁存和译码器、比较器、8位开关树型D/A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。IN3-128-1N2IN4 227TN1IN5 326 INOIN6 425-ADD AIN7 524-ADD BSTART -623一 ABD CEOC 722-ALE2屿-321OUTPUT ENABLE-920CLOCK一W伯-23VCC111SVRtF（+）-
8、1217-2aLSBGND-131B一仙1415-严图 3 ADC0809引脚图,下面说明各引脚功能。INOIN7 : 8路模拟量输入端。2-12-8: 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
9、频率不高于 640KHZ。REF（ +）、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OE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。F面说明各引脚功能:AD0AD7 :三态地
10、址/ 据复用线。地址可以是8155 口地址AD0AD7上的地址 8155片内地址锁存器。也就AD0AD7上出现的地址信ALE :地址锁存允许信ADOAD7上的8位地址信 号都锁存到8155内部存储891213L4 丁18二6-434TMRBTRESETADOADADX誥ADPACPAIPA2PA3PA4PASPA6PA7CE RDWR_IO-MALETMROUTPBCPEIPE2PB3PB4PBSPB6PE7PCOPCIPC2PC3PC4PC 5222B242b26272B2530313B343b3&313S爭91i 丄5数据线。是低8位地址和数 片内RAM单元地址或I/O端 由ALE的下降沿
11、素存到 是由AIE信号来区别 息还是数据信息。号。在ALE信号的下降沿把 息，CE片选信号及IO/M信 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=O时，AD0AD7的地址位8155片内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内部存储器。RD :读选通信号。低电平有效。当 RD=0，CE=0时开启AD0AD7的缓冲器，被选 中的片内RAM单元或IO 口的内容送到 AD0AD7上。WR :写选通信号。低电平有效，当CE,WR都有效时，
12、CPU输出到AD0AD7上的信 息想偶尔到8155片内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。在给定周期T内，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内具有不同接通时间的情况。显然，可控硅在给定周期T的100%时间内接通时的功
13、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P1.3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和通断时间的关系如图5所示。图5可控硅调功器输出功率和通断时间的关系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T0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。3.3序3.3.1采样子程序SAMP采样子程序流程图如图8所示
