電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計

1、HefeiUniversity運算機控制課程設計設計題目：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計姓名：李宏灶學號：00專業(yè)班級：08級自動化班指導老師：丁健前言溫度是工業(yè)生產中主要的被控參數(shù)之一，與之相關的各類溫度控制系統(tǒng)普遍應用于冶金、化工、機械、食物等領域。溫度控制是工業(yè)生產進程中常常碰到的進程控制，有些工藝進程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量。例如：在冶金工業(yè)、化工生產、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食物加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處置爐、反映爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制；在農業(yè)生產、糧食儲蓄、運算機機房等都需要對溫度進行測量和控制。因此設計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是超級有價值

2、的。溫度控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點，致使傳統(tǒng)控制方式超調大、調節(jié)時刻長、控制精度低。采用單片機進行溫度控制，具有電路設計簡單、精度高、控制效果好等長處，對提高生產效率、增進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義隨著單片機技術的迅速興起與蓬勃進展，其穩(wěn)固、安全、高效、經(jīng)濟等長處十分突出，所以其應用也十分普遍。單片機已經(jīng)無處不在、與咱們生活息息相關，并且滲透到生活的方方面面。單片機的特點是體積較小，也就是其集成特性，其內部結構是普通運算機系統(tǒng)的簡化，增加一些外圍電路，就可以夠組成一個完整的小系統(tǒng)，單片機具有很強的可擴展性。它具有和普通運算機類似的、壯大的數(shù)據(jù)處置功能，通

3、過利用一些科學的算法，能夠取得很強的數(shù)據(jù)處置能力。所以單片機在工業(yè)應用中，能夠極大地提高工業(yè)設備的智能化、數(shù)據(jù)處置能力和處置效率，而且單片機無需占用專門大的空間。隨著檢測理論和技術的不斷更新，溫度傳感器的種類也愈來愈多，在微機系統(tǒng)中利用的傳感器，必需是能夠將非電量轉換成電量的傳感器，目前常常利用的有熱電偶傳感器、熱電阻傳感器和半導體集成傳感器等，每種傳感器按照其自身特性，都有它自己的應用領域。目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 一、課程設計任務3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Doc

4、ument 二、系統(tǒng)整體設計及方案論證4系統(tǒng)整體設計42.1.1核心處置模塊單片機42.1.2溫度信號收集與傳感器42.1.3人機交互及串口通信42.1.4控制執(zhí)行單元4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 系統(tǒng)功能設計5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 三、硬件電路設計5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 、核心部份單片機5 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 、溫度收集轉換模塊5 HYPERLI

5、NK l bookmark18 o Current Document 、ACSSR交流功率調節(jié)電路6 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 、變送電路7 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.4.1、420mA變送器XTR1017 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3.4.二、1/V轉換器RCV4207 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 、鍵盤及顯示的設計8 HYPERLINK l bookmark2

6、8 o Current Document 鍵盤設計8 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document LED數(shù)碼管顯示設計8 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 、硬件連接圖9 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 四、系統(tǒng)軟件設計9 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 主程序模塊9 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 功能實現(xiàn)模塊10 HYPERLINK l bookm

7、ark44 o Current Document 4.2.1T0中斷子程序10 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 4.2.2T1中斷子程序10 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 運算控制模塊11標度轉換子程序11 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document PID算法11 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 五、結果分析論述12 HYPERLINK l bookmark52 o Current Documen

8、t 六、參考文獻13一、課程設計任務項目設計：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計以在工業(yè)領域中應用較為普遍的電阻爐為被控對象，采用MCS51單片機實現(xiàn)電阻爐溫度運算機控制系統(tǒng)的設計，介紹電阻爐溫度運算機控制系統(tǒng)的組成，并完成系統(tǒng)整體控制方案和達林算法控制器的設計，給出系統(tǒng)硬件原理框圖和軟件設計流程圖等。電阻爐組成及其加熱方式電阻爐是工業(yè)爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉化為熱能來加熱或熔化元件或物料的熱加工設備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因此所利用的燃料和加熱方式也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因此所

9、采用的測溫元件和測溫方式也不同;產品工藝不同，對控溫精度要求不同，因此控制系統(tǒng)的組成也不相同。電氣控制系統(tǒng)包括主機與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，因爐種的不同而各異。電阻爐的類型按照其熱量產生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時產生熱量，再通過熱的傳導、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓壯大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)燒從而達到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部份采用間接加熱式，只有一小部份采用直接

10、加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場散布均勻、環(huán)保等長處，應用十分普遍?？刂埔蟊鞠到y(tǒng)中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為:（1）采用一臺主機控制8個一樣規(guī)格的電阻爐溫度;（2）電爐額定功率為20kW;（3）恒溫正常工作溫度為1000C，控溫精度為1%;（4）電阻爐溫度按預定的規(guī)律轉變，超調量應盡可能小，且具有良好的穩(wěn)固性;（5）具有溫度、曲線自動顯示和打印功能，顯示精度為1C;（6）具有報警、參數(shù)設定、溫度曲線修改設置等功能。二、系統(tǒng)整體設計及方案論證系統(tǒng)整體設計按照題目要求,電熱鍋爐溫度控制系統(tǒng)由核心處置模塊、溫度收集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊

11、等組成。采用比較流行的AT89S52作為電路的控制核心，利用8位的模數(shù)轉換器AD0808進行數(shù)據(jù)轉換，控制電路部份采用PWM通過AC-SSR實現(xiàn)鍋爐溫度的持續(xù)控制，此方案電路簡單而且能夠知足題目中的各項要求的精度。系統(tǒng)整體框圖如下。圖系統(tǒng)設計總體框圖2.1.1核心處置模塊單片機該部份的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各類控制命令、讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處置，同時還要對執(zhí)行單元進行控制。單片機是整個系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處置核心。2.1.2溫度信號收集與傳感器本部份的主要作用是用傳感器檢測模擬環(huán)境中的溫度信號,溫度傳感器上電流將隨環(huán)境溫度值線性轉變。再把電流信號轉換成電壓信號，利用A/D轉換器將模擬電壓信

12、號轉換成單片性能夠進行數(shù)據(jù)處置的數(shù)字電壓信號，本設計采用的是數(shù)字溫度傳感器，以上進程都在溫度傳感器內部完成。人機交互及串口通信人機互換的目的是為了提高系統(tǒng)的可用性和實用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機與上位機的通信，便于進行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為未來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎工作?？刂茍?zhí)行單元是單片機的輸出控制執(zhí)行部份，按照單片機數(shù)據(jù)處置的結果，驅動繼電器控制外部設備，能夠達到超溫報警及升溫或降溫目的，使環(huán)境溫度始終維持在一個范圍之內。系統(tǒng)功能設計按照溫度轉變慢，而且控制精度不易掌握的特點,咱們設

13、計了以AT89S52單片機為檢測控制中心的電熱鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)。溫度控制采用改良的PID數(shù)字控制算法，顯示采用8位LED動態(tài)顯示。該設計結構簡單,控制算法新穎，控制精度高，有較強的通用性。所設計的控制系統(tǒng)有以下功能：一、溫度控制設定波動范圍小于1%，測量精度小于1%，控制精度小于2%，二、實時顯示當前溫度值;3、按鍵控制：設置復位鍵、運行鍵、功能轉換鍵、加一鍵、減一鍵;4、越限報警。三、硬件電路設計硬件系統(tǒng)主要由AT89S52單片機、溫度收集、A/D轉換、光耦隔離、鍵盤顯示電路、蜂鳴報警、等功能電路組成。、核心部份單片機AT89S52單片機為主控制單元。AT89S52是ATMEL公司生產的

14、低功耗、高性能CMOS8位單片機它除正常工作之外還能夠工作于低功耗和掉電模式，進一步減少了芯片的功耗。降低芯片的溫升，延遲了芯片的利用壽命。其內部配有8K的Flash程序存儲器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。所配置的Flash程序存儲器，便于實現(xiàn)ISP在線下載，降低了應用系統(tǒng)的開發(fā)本錢。除此之外，AT89S52還具有2個16位按時計數(shù)器。5個兩級中斷源結構，32位并行輸人/輸出端口和一個全雙工的串行口，和看門狗按時器等功能單元。AT89S52單片機第一按照爐溫的給定值和測量值計算出溫度誤差，然后進行PID控制并計算出相應的控制數(shù)據(jù)由P1.0口輸出。最后將P1.0口輸出的控制數(shù)據(jù)送往光電耦合隔離器的輸

15、入端，利用PWM脈沖調制技術調整占空比，達到使爐溫控制在某一設定溫度。AT89S52單片機還負責按鍵處置、溫度顯示和與上位機進行通信等工作。4位高亮度LED用于顯示設定溫度或實測溫度。、溫度收集轉換模塊溫度收集電路主要由鉑銠-鉑熱電偶LB-3。LB-3熱電偶能夠在1300C高溫下長時刻工作，知足常規(guī)處置工藝要求。測溫時，熱電阻輸出mV熱電勢，必需通過變送器變換成0-5V的標準信號。本系統(tǒng)選用DWB型溫度變送器，并將其直接安裝在熱電偶的接線盒內，組成一體化的溫度變送器，不僅能夠節(jié)省補償導線，而且能夠減少溫度信號在傳遞進程中產生的失真和干擾。電阻爐爐溫信號是一種變換緩慢的信號。這種信號在進行A/D

16、轉換時，對轉換速度要求不高。因此為了減低本錢和方便選材，能夠選用廉價的、常常利用的A/D芯片ADC0808，ADC0808是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8為數(shù)字輸出地A/D轉換器件，轉換時刻為100us,完全知足系統(tǒng)設計的要求。通過ADC0808轉換所取得的實測爐溫數(shù)據(jù)直接送入AT89S52單片機中進行數(shù)據(jù)處置。另外，為了避免斷偶或爐溫越限，產生熱處置質量事故；同時為了提高溫控系統(tǒng)的智能化控制性能，降低熱處置操作人員的勞動強度，本系統(tǒng)特別設置了斷偶或爐溫越限自動報警電路。在熱處置生產進程中，當發(fā)生斷偶或爐溫越限等異樣現(xiàn)象時，主控單元AT89S52單片機自動啟動報警電路進行聲、光報警，以便操作人

17、員快速處置，避免爐內工件過熱，破壞金屬組織結構。、ACSSR交流功率調節(jié)電路由輸出來控制電爐,電爐能夠近似成立為具有滯后性質的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學模型。其傳遞函數(shù)形式為：G(s)=Je-ts其中時刻常數(shù)T=350秒，放大系數(shù)K=50，滯后時刻t=10秒。Ts+1為了避免交流接觸器等機械觸電因頻繁通斷產生電弧，燒壞觸電或干擾其他設備正常工作，本系統(tǒng)選用AC-SSR交流功率調節(jié)器作為PID控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構。AT89S52單片機口輸出的溫度控制信號通過光電耦合器件隔離，送至過零檢測電路。過零檢測電路產生脈沖控制AC-SSR調功電路。當實測溫度偏低時，單片機輸出的控制信號使得雙向可控硅的導通角減小，導通

18、時刻變短，加熱器功率降低爐溫適當降低。通過控制輸入到加熱器平均功率的大小達到控制電阻爐爐溫的目的。采用過零觸發(fā)的方式，使可控硅輸出為正弦波，有效地避免了移相觸發(fā)輸出非正弦波而造成的對電網(wǎng)的公害?？刂茍?zhí)行部份的硬件電路如下圖控制執(zhí)行部分的硬件電路、變送電路341、420mA變送器XTR101XTR101為420mA線性化變送器，它可與鎳絡-鎳硅測溫傳感器組成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測溫范圍，在-40C+85C的工作溫度內，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源能夠從到40V,輸入失調電壓土，輸入失調電流20nA。XTR101外形采用3.4.2I/V轉換器RCV420RCV420是

19、一種精密電流/電壓變換器，它能將420mA的環(huán)路電流變成05V的電壓輸出，而且具有靠得住的性能和很低的本錢。除具有精密運放和電阻網(wǎng)絡外，還集成有10V基準電源。對環(huán)路電流由專門好的變換能力。具有-25C+85C和0C70C的工作溫度范圍,輸入失調電壓1mA,總的變換誤差%,電源電壓范圍土518V。RCV420的外形采用標準的16腳DIP封裝。它的典型應用如下:4-2CinA751pg-7耗武乂&暫陽咱iin、鍵盤及顯示的設計3.5.1鍵盤設計位選鍵SW與P23相連,INT0與外部中斷0O相連，INT1與外部中斷1O相連。采用外部中斷方式實現(xiàn)溫度的設置。功能概念如下：、當SW撥到下面時，INTO

20、健實現(xiàn)溫度值的十位加1,INT1健實現(xiàn)溫度值的十位減1、當SW撥到上面時，INT0健實現(xiàn)溫度值的個位加1,INT1健實現(xiàn)溫度值的個位減13.5.2LED數(shù)碼管顯示設計顯示采用8位共陰LED動態(tài)顯示方式，顯示內容有溫度值的百位、十位及個位，如此能夠只用(RXD)口來輸出顯示數(shù)據(jù),從而節(jié)省了單片機端口資源，在，三個IO口和(TXD)的控制下通過74LS138和74LS164來實現(xiàn)8位動態(tài)顯示。呈示設定溫度、硬件連接圖Gi/BJ當.1:Fi11fr.:石naiaTH!CUMJ_Ml陌PllX?肌IWTW.t:.4JEauraWP-CE-fi-MTC4濫UHXFMbMrj、系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)的軟件由三大

21、模塊組成：主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運算控制模塊。主程序模塊主程序流程圖功能實現(xiàn)模塊以用來執(zhí)行對可控硅及電爐的控制。功能實現(xiàn)模塊主要由A/D轉換子程序、中斷處置子程序、鍵盤處置子程序、顯示子程序等部份組成。4.2.1T0中斷子程序該中斷是單片機內部100ms按時中斷，優(yōu)先級設為最高，是最重要的子程序。在該中斷響應中，單片機要完成挪用PID算方式程序且輸出PID計算結果等功能。其流程圖如下：設置定時器寄存器T0中斷子程序4.2.2T1中斷子程序T1按時中斷用于調制PWM信號，優(yōu)先級低于T0中斷,其按時初值由PID算方式程序提供的輸出轉化而來，T1中斷響應的時刻用于輸出控制信號。其流程圖如下：進入

22、中斷中斷返回取反標志位，表示該輸出高電平或低電平設置低電平脈寬輸出口置低電平設置高電平脈寬輸出口置高電平T1中斷子程序運算控制模塊運算控制模塊涉及標度轉換、PID算法、和該算法挪用到的乘方式程序等。4.3.1標度轉換子程序該子程序作用是將溫度信號(OOHFFH)轉換為對應的溫度值,以便送顯示或與設定值在相同量綱下進行比較。所用線形標度變換公式為：式中,Ax：實際測量的溫度值;Nx:通過A/D轉換的溫氣宇;Am=90；Ao=40；Nm=FEH;No=01H；單片機運算采用定點數(shù)運算，而且在高溫區(qū)和低溫區(qū)別離用程序作矯正處置。4.3.2PID算法積分分離控制的大體思路是：當誤差e(k)絕對值較大時

23、。取消積分作用，以避免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)固性降低，超調量增大；當誤差e(k)絕對值小于某一設定值M時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度，即：2、一、當|e(k)|2&時，說明系統(tǒng)實測溫度遠離設定值，應快速調整爐內溫度。在這種情形下采用PD控制，而不因入積分空制.能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，避免產生過大的超調減小動態(tài)誤差。當|e(k)|&時，說明系統(tǒng)溫度已經(jīng)接近設定值，現(xiàn)在加入積分作用，能夠消除系統(tǒng)靜差，保證系統(tǒng)的控制精度。上述各式中：u。k)第k次取樣時刻PID空制器輸出值；e(k)=r(k)-y(k)為第k時刻所得誤差信號；kp、ki,kd別離為比例增益系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。由式(2)能夠推導取得增量式PID控制算法為：綜上所述，PID算法流程圖如下:進入子程序計算積分偏差計算比例偏差更新e(k-l)計算PI控制值計算不靈敏區(qū)的運算補償對輸出值進行上限控制對輸出值進行下限控制更新out(k-1):返回最終運算結果PID控制算法流程圖五、結果分析論述