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1、电阻炉温控制系统1.系统的组成及工作原理 电阻炉温度控制系统主要由8031单片机、数据采集电路、功率控制电路、键盘与显示电路、报警电路、存储电路、复位电路及控制软件等组成。其系统结构框图如图1所示。图1 系统结构框图 系统的控制过程是这样的:单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换得到相应的数字量，送往单片机进行判断和运算，获得相应的控制量，依此改变在一个给定周期中电阻丝的加热时间，实现对电阻炉加热功率和温度的实时控制。系统设计时应考虑如下问题: (1)炉温变化控制规律，即炉温按预定的温度时间关系变化，这主要在控制程序设计中考虑。(2)温度控制范围，如0 1000，这就涉及到测量元件，电炉功率等
2、的选择。 (3)控制精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律的选择等。2.系统的控制回路设计 电阻炉温度控制采用单回路控制进行调节。对系统而言，单回路控制是一种有效的控制方法，它的结构框图如图2所示。 本系统单回路温度控制的原理:温度控制系统用热电偶检测电阻炉内的温度，PID控制器根据温度给定值和温度测量值的偏差，经过运算和处理来相应的调节控制量电阻丝的加热时间T，从而达到温度控制的目的。 图2 单回路控制系统图3.系统硬件电路设计1.MCS51单片机 在此系统中，数字控制模块的核心部分是中央处理单元CPU，它是单片机8031。从应用的角度看，它有以下优点: （1）集成度高。芯片内
3、部含有128字节的RAM，4个并行的8位I/0口，一个全双工的串行口，两个16位定时/计数器，两种优先级的五个中断源的中断结构，64KB的程序存储器地址空间和64KB的数据存储器的地址空间。 （2）运行速度快，处理能力强。8031指令系统含有大量的算术运算、布尔运算和逻辑判断、传送指令，并有丰富的位操作功能。在采用12MHZ晶振频率时，执行一条乘法指令仅需4微秒，这个速度足以满足工业过程控制系统的要求。（3）可扩充性能好，寻址范围大。为其扩展一片2764如图3所示，2764是8K字节的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250n
4、s，28脚双列直插式封装。A0A12为13根地址线，可寻址8K字节；O0O7为数据输出线；为片选线；为数据输出选通线；为编程脉冲输入端；VPP是编程电源；VCC是主电源。图3 扩展一片27643. 2温度数据采集电路 温度检测元件及变送器的选择要考虑温度控制范围的精度要求。对于01000的测量范围采用热电偶，如镍铬镍铝热电偶分度号EU，其输出信号为041. 32mv。经毫伏变送器，输出010mA的电流信号，然后在经过电流一电压变换电路转化为05V电压信号。为了提高测量精度，可将变送器进行零点迁移，例如温度测量范围是400 1000，热电偶输出16. 441. 32，时，使变送器输出010mv。
5、这样使用8位A/D转换器，能使量化误差达到，已满足测量精度。所以在选择8位A/D转换器时，可以用较为常见的ADC0809芯片。 ADC0809与单片机8031的接口采用查询方式，接口电路如图4所示。由于ADC0809片内无时钟，可利用8031提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE端的频率是单片机频率的1/6。 ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。地址译码引脚A，B，C分别与地址总线的低三位A0, Al, A2相连，以选通工INOIN7中的一个通道。将P2.2作为选通信号，当P2.2=0时，选中ADC0809(允许启动各通道转换与读取相应
6、的转换结果)。转换结束信号EOC经倒相后接至单片机的外部中断（P3.3）。当P3. 3=0时，说明转换结束。我们选用0通道作为输入。因而可以把0809视为一个地址为03F8H的外部数据存储单元。当其写数据时，8031的写信号使ALE和START有效，将74LS373锁存的地址低3位存入0809，并启动ADC。当EOC为低电平时，说明A/D转换正在进行，当EOC变成高电平(即P3.3=0时)，表示转换结束，8031可以读入转换好的数据。图4 ADC0809与单片机8031的连接图3.2 数模转换 DAC0832 温度采集系统采集回来的数据与给定的数据相比较后，得出差值，系统给出一定的补偿，经DA
7、C0832转换成模拟量控制对象工作，如图5所示： 图5 DAC0832与单片机8031的连接图如图所示为单缓冲方式，0832的口地址为BFFFH，8031中数据送到DAC0832中的程序为：MOV DPTR ,#BFFFHMOV A,#DATAMOVX DPTR,A3. 4. 2利用8155芯片实现键盘/显示器接口 图5是8031单片机用扩展I/0接口芯片8155实现的8位LED显示和32键的键盘/显示器接口电路。在图中，8031单片机PO口输出的低8位地址不需要另加锁存器而直接与8155的ADOAD7相连，既作低8位地址总线又作数据总线，地址锁存直接用ALE在8155锁存。图5 用8155构
8、成的键盘显示器电路RAM单元地址: 7E00H7EFFH命令/状态口: 7F00HPA口: 7F01HPB口: 7F02HPC口: 7F03H定时器低8位: 7F04H定时器高6位: 7F05H显示子程序清单如下:DIR: MOV R0 , #79H MOV R3, #01H MOV A, R3 LDO: MOV DPTR, #7F01H MOVX DPTR, A INC DPTR MOV A, R0 ADD A,#0DH MOVC A,A+PCDIRI: MOVX DPTR, A ACALL DL1MS INC R0 MOV A, R3 JB ACC. 5, LD1 RL A MOV R3,
9、 A AJMP LD0 LDI: RETDSEG: DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H, 6DH DB 7DH, 07H, 7FH, 6FH, 77H, 7CH DB 39H, SEH, 79H, 71H, 73H, 3EH DB 31H, 6EH, 76H, 38H,00HDLIMS: MOV R7,#02HDL: MOV R6,#0FFHDL6: DJNZ R6,#0FFH DJNZ R7, DL RET键输入子程序清单如下:KEYI: ACALL KS1 JNZ KSINI: ACALL DIR AJMP KEYIJK1: ACALL DIR ACALL DIR ACA
10、LL KS1 JNZ LK2 ACALL DIR AJMP KEYILK2: MOV R2,#0FEH MOV R4,#00HLK4: MOV DPTR,#7F01H MOV A, R2 MOVX DPTR,A INC DPTR INC DPTR MOVX A, DPTR JB ACC. 0, LONEMOV A, #00HAJMP LKPLONE: JB ACC. 1, LTWO MOV A, #08H AJMP LKPLTWO: JB ACC. 2, LTHR MOV A, #10H JMP LKPLTHR: JB ACC.3,NEXT MOV A, #18HLKP: ADD A, R4
11、PUSH ALK3: ACALL DIR ACALL KS1 JNZ LK3 POP A RETNEXT: INC R4 MOV A, R2 JNB ACC. 7, KND RL A MOV R2, A JMP LK4KND: AJMP KEYIKS1: MOV DPTR,#7F01HMOV A,#OOHMOVX DPTR,AINC DPTRINC DPTRMOVX A,DPTRCPL AANL A, #OFHRET3.5 8255电路扩展8255A是可编程并行口器件,有PA0PA7、PB0PB7、PC0PC7共24条静态口线。3个口皆为锁存/缓冲寄存器,A口、B口有锁存功能,C口无锁存功能。
12、4系统的控制规律 PID调节是连续系统中技术最成熟，应用最为广泛的一种调节方式。它的控制结构简单，参数易于调整，在长期积累中已积累了丰富的经验。特别在工业控制中，由于被控对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析要耗费很大代价，却不能得到预期的效果。所以，人们经常采用PID调节器，并根据经验进行在线整定。即用实验和分析的方法来确定数字PID调节器的参数，得到满意的控制效果，因此，无论模拟调节器还是数字调节器大都采用PID控制。 在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，不仅可以采用常规的PID调节，而且可以采用各种PID的变种。如PI、PD控制，不完全微分控制
13、，积分分离式PID控制，带死区的PID控制，变速积分PID控制，比例PID控制等等。PID调节的实质就是把给定值与实际输出值相减，得到控制偏差，偏差值经比例、积分、微分运算后通过线性组合构成控制量，然后对被控对象进行控制。虽然计算机控制是离散的，但对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化。因此，用数字P功完全可以代替模拟调节器，而且可以得到比较满意的效果。所以，用数字方式模拟PID调节器仍是目前应用比较广的方法之一，本系统也采用PID调节器进行控制。 在数字控制系统中，参数的整定是十分重要的，调节系统中参数整定的好坏直接影响调节品质。但是，常规PID调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，步骤繁琐复杂，既耗时又耗力，而且当对象特性变化时，又要重新进行整定，并且在现代工业控制过程中，许多被控对象机理复杂，具有多输入多输出的强祸合性、参数时变性、严重的非线性特性、滞后性等特点。在这种情况下，采用常规PID调节器，三个参数的整定比较困难，为此本系统采用归一参数整定法，即只整定一个参数，这样减少了许多工作量，提高了工作效率，为实现简易的自整定控制带来方便 已知增量型P
