微型计算机控制系统设计之一(电阻炉温度控制系统)

第八章微型计算机控制系统设计之一杨根科上海交通大学自动化系2005年9月内容提要•概述•微机控制系统设计的基本要求和特点•微机控制系统设计的一般步骤•微机控制系统设计方法•微机控制系统设计实例•小结概述•微型计算机控制系统的设计既是一个理论问题，又是一个工程实际问题。因此，设计微型计算机控制系统必须具备一定的硬件基础知识、软件设计能力以及综合运用知识的能力。在进行计算机控制系统设计时，大量的工作就是如何根据各个生产过程的实际需要设计应用程序微机控制系统设计的基本要求和特点•系统设计的基本要求◆系统操作性能要好★使用方便★维修容易◆通用性好，便于扩充★系统设计标准化★设计指标留有一定的余量◆可靠性要高★采用双机系统★采用分布式控制系统微机控制系统设计的基本要求和特点（2）•系统设计的特点◆在进行微机控制系统设计时，必须把系统要执行的任务和应具备的功能合理地分配给硬件和软件来实现，做到合理权衡硬件、软件的配置，并尽量节省机器时间和内存空间◆硬件设计主要采用大规模集成电路◆软件设计借用计算机厂家提供的系统软件，而把主要任务放在应用程序的设计上微机控制系统设计的一般步骤•研究被控对象，确定控制任务◆深入了解控制对象的工作过程，熟悉其工艺流程◆根据实际应用中的问题提出具体要求，确定系统所要完成的任务◆用时间和控制流程图来描述控制过程和控制任务，写成设计任务说明书微机控制系统设计的一般步骤（2）•确定系统整体控制方案◆要从系统构成上考虑，是采用开环控制还是闭环控制◆考虑执行机构采用什么方案，是采用电机驱动、液压驱动还是其它方式驱动，比较各种方案，择优而用◆考虑是否有特殊控制要求微机控制系统设计的一般步骤（3）•选择微型计算机和外围设备◆字长◆寻址范围和寻址方式◆指令种类和数量◆内部存储器的种类和数量◆速度◆中断处理能力微机控制系统设计的一般步骤（4）•确定控制算法◆确定算法能否满足控制速度、精度以及系统稳定性的要求◆确定某些情况下要进行修改与补充◆确定为设计、调试方便，可将控制算法作合理的简化，逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果微机控制系统设计的一般步骤（5）•系统总体方案设计◆估计内存容量、进行内存分配◆过程通道和中断处理方式的确定◆系统总线的选择◆操作台的控制微机控制系统设计的一般步骤（6）•硬件和软件的具体设计◆硬件设计：根据系统总体框图，设计出系统电气原理图，再按照电气原理图着手元件的选购和开始施工设计工作◆软件设计：①实时性；②针对性；③灵活性和通用性；④可靠性微机控制系统设计的一般步骤（7）•系统联调◆把已调好的各程序功能块按照总体设计要求连成一个完整的程序。程序调试完成后，还要进行在线仿真，然后进行试运行。经过一段考机和试运行后，即可投入正式运行系统设计步骤示意图控制对象的功能和工作过程分析估算及分配I/O口,存储器容量及外围设备画系统工艺流程图I/O口的具体分配画系统程序框图系统部件的详细设计编制源程序部件芯片老化筛选和测试汇编布线及安装形成目标程序系统试运行调试硬件调试和仿真完成否?硬件错否?完成否?写入EPROM结束设计硬件设计软件设计是是是否否否开始微机控制系统的设计•系统的选择和配置◆购买现成的计算机系统或PLC控制器◆采用标准功能模块构成系统◆定制设计系统微机控制系统的设计（2）•总线负载的考虑◆单向总线的负载◆双向总线的负载微机控制系统的设计（3）•专用微型计算机系统设计◆标准系统的设计★选择CPU★连接地址线★连接存贮体★连接I/O接口微机控制系统的设计（4）◆专用系统的设计★选择确定应用目标★确定实时时钟和中断结构★系统的线路设计和结构设计★系统软件及应用程序设计微机控制系统设计实例•电阻炉温度控制系统◆设计任务在某实验装置中，要求按照控制电阻炉中A点的温度按预定的规律变化，同时监测B点的温度，一旦B点的温度超过允许值，就发出报警信号，并停止加热微机控制系统设计实例（2）◆硬件电路变送器键盘与显示T0T1P1.3P1.2P1.1P1.0P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP0PSENWRRDEAP3.3803174LS37327328155CE~OCD70~ALECEIO/M~A70A701/2WRRDA0A1A2红绿红ABCCLK~D70OEALESTARTIN0EOC...........光耦驱动器MC14528220V~加热丝LM31174LS00TIL117........过零信号发生器ACD0809.热电偶微机控制系统设计实例（3）★温度测量电路—检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为EU，适用于0℃~1000℃的温度测量范围，相应输出电压为0mV~41.32mV—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0~41.32mV变换成0~10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范围内的电压微机控制系统设计实例（3）★接口电路—8031的接口电路有ADC0809、8155和2732等。本系统采用ADC0809型A/D转换器，作为温度测量电路的输入接口；8155用于键盘和显示接口；2732作为8031外部程序(ROM)存储器微机控制系统设计实例（4）★温度控制电路—电阻炉的温度通过调节加热丝的加热功率来实现，双向可控硅和加热丝串接在交流回路，由可控硅导通时间决定加热丝的加热功率。可控硅输出功率与导通时间的关系如图：uuuutttt12.5%25%50%100%微机控制系统设计实例（5）——过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通，过零同步脉冲由过零触发电路产生.....................LM311MCQ1Q274LS0014528TIL117+5V+5V+12V220V~加热器+5VA1P1.3微机控制系统设计实例（6）◆数字控制器的数学模型电阻炉可近似为一个带纯滞后的一阶惯性环节，即式中各参数可根据系统的飞升特性曲线确定采用大林算法设计数字控制器如下：11//1///1(1)()(1)(1)()()(1())(1)[1(1)]TTTTTTTTTTNzeezDzGzzKezeez1()1sKeGsTs微机控制系统设计实例（7）◆控制系统程序设计★主程序★中断服务子程序—T1中断服务程序—T0中断服务程序设定堆栈指针清标志和暂存单元清显示缓冲区T0初始化开CPU中断扫描键盘温度显示T1中断程序清标志D5H停止输出T1中断服务程序开始开始返回★T0中断服务子程序T0中断服务程序是此系统的主体程序，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、大林算法计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程序、标度变换程序和温度显示程序等保护现场采样炉温数字滤波U(n)=Ymax否？清上次越限标志U(n)Ymax否？U(n)=Ymin否？温度标度转换初始化T1从P1.3输出求补计算Y(n)温度显示(D5H)=1否?恢复现场取Ymax值输出下限报警置本次越限标志上次越限否?越限计数器加1越限N次否?清越限标志上限报警本次越限标志送5FH清零5EH单元上限处理是是是是是是否否否否否否返回开始小结•微机控制系统的基本要求和特点•微机控制系统设计的内容和一般步骤