电加热炉计算机温度测控系统设计 计算机课程设计

计算机控制技术课程设计报告题目电加热炉计算机温度测控系统设计学院(部)电子信息工程学院专业自动化学生姓名学号年级指导教师职称2011年7月1日目录第一章引言...................................................................................................................................2第二章系统工作原理...................................................................................................................3第三章硬件设计部分...................................................................................................................43.1电源部分.............................................................................................................................43.2A/D转换电路..................................................................................................................43.3温度采样测量部分............................................................................................................63.4LED显示电路..................................................................................................................63.5功能键................................................................................................................................73.6信号输出电路..................................................................................................................8第四章软件设计部分.....................................................................................................................94.1系统总程序设计................................................................................................................94.2A/D转换器程序流程图..................................................................................................114.3LED显示模块程序流程图................................................................................................124.4报警模块程序设计...........................................................................................................124.5键盘模块程序设计..........................................................................................................134.6控制对象数学模型..........................................................................................................13心得体会.........................................................................................................................................15参考文献.........................................................................................................................................16第一章引言温度是工业对象中的很重要参数的之一。广泛应用在冶金、化工、机械各类加热炉热、处理炉和反应炉等工业中。电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，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的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。第二章系统工作原理本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、传感器、温度变送器以及被控对象组成。系统硬件结构框图如图2.1所示。其工作原理：炉温控制程序及温度与热电偶电势之间的对于关系表存放在EPROM2746中，双向可控硅采用过零触发方式。触发脉冲由过零同步脉冲形成电路提供。在每个工作周期T内的工作占空比与单片机输出的门控脉冲信号决定。键盘与显示器用于各种参数的设置和显示。热电偶与放大器将被测温度转换成热电势信号并放大，再由A/D转换器换成相应的数字量供单片机识别处理。单片机每隔一定时间要启动一次A/D转换、采样一次现场温度，将温度数据与给定温度W进行比较，得到温差，再根据偏差的大小和正负，通过PID控制算法送出1个相应脉冲，让一定数量的触发脉冲在高电平上通过控制门去触发可控硅，送入8031，通过键盘显示来去控制温度。同时反应炉温的热电偶的电势，经冷端补偿后送运算放大器放大，其电压范围为0~10V，将此电压经多路开关送入12位A/D转换器后，计算机通过数据口获得相应的表征炉温的数字量。该数字量经数字滤波、线性化处理以及标度变换后，一方面通过LED显示炉温，另一方面当采样周期到达时，与设定温度进行比较，再做PD/PID运算；根据运算结果。计算机通过I/O口改变控制脉冲宽度，从而改变双向可控硅在一个固定的控制周期T内导通的时间（或交流电的周波数），即改变电加热炉的平均输入功率，以此达到控温的目的。51单片机电源LED显示键盘温度变送电加热固态继电器温度控制低漂移毫伏放大器A/D转换器温度给定值热电偶图2.1系统硬件结构框图第三章硬件设计部分3.1电源部分本系统所需电源有220V交流市电、直流5V电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有+-10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路。稳压电路的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部分使用。除此之外，220V交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的功率。低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。3.2A/D转换电路本系统采用的是12位A/D转换器AD574，这是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，在此设计中采用AD574转换器对信号进行模/数转换。工作流程是：当由传感器传过来模拟信号经放大器放大后，送到AD574转换器转换成单片机能够识别的数字信号。其电路图如图3.1报警模块图3.1.1单片机系统及与A/D转换接口图3.2.2A/D574电路及与单片机的相关接口3.3温度采样测量部分温度的采集我们可以选择温度变送器，对于简单的控制可以采用惠更斯电桥做采集电路。经信号滤波，放大处理后形成标准的工控模拟信号（电流4mv~10mv,电压1v~5v）,便于传输和模数转换。3.4LED显示电路系统中我们需进行参数设置以及温度的显示，因此需要显示电路，本实验采用七段数码管显示。采用静态显示的方式，减少程序的执行时间，进而提高系统工作的可靠性。同时采用蜂鸣器进行声音报警。其具体显示电路如图3.4所示。图3.4数码管静态显示及声音报警电路3.5功能键此系统需进行参数的设定，因此需要将按键设计在此系统之内。具体电路如图3.4所示。其中，具体功能为：K1—加1键（按下时数据自加1）。K2—减1键，（按下时数据自减1）。K3—‘F’键，（按下时进入下一个参数的设定）。K4—‘ok’键，按下时结束参数设定，开始运行主程序。图3.5功能键及与单片机的相关接口3.6信号输出电路3.6.1PWM控制原理通过改变电阻丝电压的接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电阻丝的平均电压，控制其输出功率，进而控制炉内温度.在此系统中，就只需要控制采样周期和导通时间即可，即将周期T内导通T1时间（采用定时/计数器T0），定时到了以后，关闭固态继电器。直到下一个周期需要接通时。3.6.2输出电路及接口单片机通过PWM脉冲调宽功率放大器控制SSR固态继电器调节电炉丝的功率而达到调节温度的目的。调功的原理为：设电网连续N个完整的正弦波为一个控制周期T，则gNTf式中gf------电网频率，HZ若在设定的周期T内控制主回路导通n(n≤N)个完整的正弦波(周波),则负载功率为2UnPRN式中U-----电网电压的有效值R-----负载的有效电阻因此,只要控制在设定的周期T内主回路导通的周波数n的个数,就可调节负载的功率P。固态继电器控温电路如图4所示,采用Z型交流固态继电器SSR,实现零触发交流调功。SSR内设光电隔离电路,可减少与电网间的相互干扰,其电路图如下：图3.6输出电路及其接口第四章软件设计部分4.1系统总程序设计本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程序主要由系统初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。系统初始化包括设置栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、定时器的工作方式以及8255的初始化、MAX1232的初始化等