电阻炉温度控制系统设计

I计算机课程设计名称：电阻炉温度控制系统课程设计任务书学生姓名专业班级学号题目电阻炉温度控制系统课题性质工程设计课题来源指导教师主要内容针对电阻炉系统的控制功能要求，设计一个计算机控制系统，能够对电阻炉的温度进行测量及显示，并通过执行机构控制电阻炉的温度按预定的规律上升，下降，或保持在预定值。任务要求主要参考资料[1]于海生等编著、微型计算机控制技术、北京;清华大学出版社，1998[2]高金源等编著、计算机控制系统、北京:北京航空航天大学出版社，2000审查意见系（教研室）主任签字：年月日11引言1.1课题背景自从发现电流的热效应(即楞茨-焦耳定律)以后，电热法首先用于家用电器，后来又用于实验室小电炉。随着镍铬合金的发明，到20世纪20年代，电阻炉已在工业上得到广泛应用。电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。1.2控制对象电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛，电阻炉中最重要的被控量就是温度。因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。1.3功能及技术要求为了保证生产过程正常安全的进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化；或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化等等。因此，对温度不仅要不断地测量，而且还进行控制。对温度的控制要求是先进、可靠、经济、安全，能满足热处理工艺的要求，并保证工艺的稳定和再现性，节省能源，保护环境，改善劳动环境，降低生产成本，提高机械化和自动化水平。2总体方案设计2.1方案设计根据设计任务的要求，采用80C51单片机系统组成的数字控制器代替常规模2拟调节器。整个系统在规定的采样时刻经过A/D转换采集由温度传感器ADC0809反馈回来的温度反馈测量值，并和给定值进行比较，将经过控制运算后的控制量输出给执行元件控制电阻丝的加热过程。这样的系统属于直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC）系统。直接数字控制系统中的80C51单片机取代了多个模拟调节器，在不更换硬件的情况下，只要改变程序或调用不同子程序，就可实现各种复杂的控制规律。此外，系统还应实现人机接口功能。2.2系统组成框图及工作原理系统的组成框图如图（2.1）所示。整个系统由四部分组成，即：80C51单片机系统；温度检测通道；输出控制通道及报警显示系统。工作时，温度由集成温度传感器AD590转换成电流信号，经运放放大至0-5v的电压信号，由ADC0809转换成单片机所能接受的数字信号，此信号与温度的给定值比较得到温度的偏差，通过PID控制器运算，此控制量经可控硅控制加在电阻炉上的电压的通断时间，以达到控温目的。2.3控制策略设计PID调节在电阻炉控制系统技术中应用的非常多，且是广泛被对推广的求采用各种PID的变种，如PI、PD控制，不完全微分控制，积分分离式PID控制，带死区的PID控制，变换积分PID控制，比例PID控制等等。在PID控制系统中，系统参数整定方便，而且在大多数工业生产过程中效果比较好，不需要求出数学模型。用数字PID完全可以代替模拟调节器，而且可以得到比较满意的效果。所以用数字模型PID是目前应用比较广泛的方法之一。通过分析控制器和执行器的关系，选用位置式PID控制作为电阻炉控制系统的控制策略。控制算法如下式：式中：Kp：比例增益Ti：积分时间常数Td：微分时间常数PID在本系统中的应用：)1()1()()()()(0kuTkekeTieTTkeKpkukidi3首先，计算出给定值温度与实际温度之间的差，反馈给PID控制器，PID控制器根据其大小，来控制晶闸管的导通角的大小，这样使得触发时间t改变，从而改变电阻炉的通电时间。其次，由于本系统是单向控温系统，所以在晶闸管没有导通时其导通角度是。最后，根据公式：PID控制u=-来间接控制电阻炉的电压加热情况，使得电阻炉的温度得以控制。3硬件电路设计3.1人机接口电路3.1.1键盘行列式键盘又叫矩阵式键盘。用I/O接口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。用矩阵式键盘可以直接往控制器里输入数据，所以根据该设计的需要，键盘选择矩阵式键盘。本系统具有参数输入功能，因此采用矩阵式键盘；利用80C51的串行口P1.1、P1.2作为键入线，P1.4作为同步脉冲输出控制线。键盘设定（0～9）数字键，Enter为确定键，Delete为取消键，Home为运行键，End为停止键。3.1.2显示器显示器的种类很多，从液晶显示、发光二极显示到CRT显示器，都可以与微机配接。在单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显示器简称LED显示器以及液晶显示器LCD等。LED、LCD显示器具有耗电省、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动寿命长的优点。本系统要求显示数字所以选择LED显示器。在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单4片机中CPU的开销小。在本系统中采用了静态显示方法。3.2单片机系统80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘﹑除﹑减﹑比较﹑16位数据指针﹑布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和五个中断源。80C51采用40引脚双列直插式DIP，内有128个RAM单元以及4K的ROM，80C51有两个十六位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。80C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用12MHz晶振频率。由于80C51的系统性能满系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，因此采用作为控制核心。。3.3温度检测电路3.3.1温度传感器对传感器的精度高低，性能好坏直接影响到整个自动测试系统的品质和运行状态。本系统采用集成芯片AD590，它是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：式中：—流过器件（AD590）的电流，单位为A；T—热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。3、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V～6V范围变化，电流变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻的精度高为710M。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0、3℃。AD590接线图如图（3.3）所示。A/K1TIr53.3.2A/D转换器本系统选择A/D芯片时，考虑到芯片的性能结构及应用的特性，在性能上满足A/D转换的技术要求；在结构上和应用上接口电路方便外围电路简单价格低廉。本系统采用A/D转换芯片ADC0809。ADC0809与单片机连接图如图（3.4）A/D转换芯片ADC0809主要性能：①8位逐次逼近型A/D转换器，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容；②带有锁存功能的8路模拟量转换开关，可对8路0～5V模拟量进行分时转换；③输出具有三态锁存/缓冲功能；④分辨率：转换时间为100us；⑤不可调误差：±1LSB，功耗：15mW；⑥工作电压：+5V，参考电压标准值+5V；⑦片内无时钟，一般需外加640KHz以下且不低于100KHz的时钟信号。D7～D0：8位数据输出线；EOC：转换结束，转换开始后，此引脚变为低电平，转换一结束，此引脚变为高电平。ADC0809与单片机连接图如图（3.4）所示：图3.4单片机与ADC0809的接口电路63.4输出控制电路本系统采用晶闸管触发电路如图（3.5）80C51的输出端口P1.0信号，在经功率放大器放大后加到双向晶闸管上。由于热体电阻丝在冷态时电阻很小，启动电流很大，故本电路比继电器更便于对系统的软启动，比继电器价格便宜很多。当P1.0检测到有过零跳变时，即由触发电路输出一个触发脉冲，使晶闸管导通，因而通过晶闸管是完整的正弦波，减少了对电网的干扰公害。3.5报警接口电路在系统中设计报警电路是很重要的，在本系统中检测的温度信号高于100或低于0度时发出警告信号，保证性能好、结构简单、适用，所以选择鸣音报警。鸣音报警接口由两种：一种是蜂鸣音报警接口，另一种是音乐报警。本系统选用蜂鸣音报警接口。压电式蜂鸣器需10mA的驱动电流，因此可以使TTL系列集成电路74LS244低电平驱动，驱动器的输入端接入80C51的P2.6。当P2.6输出高电平“1”时，74LS32输出为低电平为“0”时，使电压蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣音。当P2.6端输出低电压停止,而不产生蜂鸣音。报警接口电路如图（3.6）所示：图3.6使用74LS244作驱动的蜂鸣音报警电路74软件设计4.1主程序流程图主程序流程图如图（4.1）所示：整个系统包括管理程序和控制程序两部分，管理程序是对显示LED进行动态刷新，处理键盘的扫描和响应、进行掉电保护的处理、执行中断服务操作等。控制程序是对被控对象进行采样、数据处理，根据控制算法进行计算和输出等。由于整个系统软件相当庞大，为了便于编写、调试、修改和增删，本系统程序的编制采用了模块化的结构，即整个控制软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，原则是模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散，按功能形成模块化结构。系统控制程序采用两重中断嵌套方式来设计。首先使T0定时器产生每秒一次的定时中断，作为本系统的采样周期。在其中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，上下限报警处理，PID计算等，然后输出控制脉冲信号。脉冲的宽度则由T：计数器溢出中断决定。在等待T1断时，将本次采样数值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。5总结计算机课程设计中，深深体会到只学习老师教授的知识是远远不够的。就比如说AD590芯片的使用，老师没有讲过，这时就不得不靠自己解决问题的能力。我就通过上网很快就了解了其基本的功能。这次课程设计中遇到了很多的问题，但比起之前工业过程控制的课程设计还是要顺利很多。参考文献[1]于海生等编著、微型计算机控制技术、北京;清华大学出版社，1998[2]高金源等编著、计算机控制系统、北京:北京航空航天大学出版社，2000[3]邹伯敏编、自动控制理论、北京:机械工业出版社，1998[4]赵晓安主编、MCS-S1单片机原理及应用、天津:天津大学出版社，20008附录系统总原理图