电加热炉计算机温度测控系统设计 计算机课程设计.docx

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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

第一章引言

温度是工业对象中的很重要参数的之一。

广泛使用在冶金、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使用，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使用。

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和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内的工作占空比和单片机输出的门控脉冲信号决定。

键盘和显示器用于各种参数的设置和显示。

热电偶和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，将温度数据和给定温度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，和设定温度进行比较，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。

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和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

图3.1.1单片机系统及和A/D转换接口

图3.2.2A/D574电路及和单片机的相关接口

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功能键及和单片机的相关接口

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和通电周期的比值（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

式中

------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

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,可减少和电网间的相互干扰,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

本系统的使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。

数据采集及处理主要包括实时采集电加热炉的炉温信号，计算出实际炉温和理想值的差值以及温差的变化率，并对炉温信号进行滤波和限幅处理。

主程序流程图如图4.1所示。

图4.1系统主程序

控制系统的软件主要包括：

采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。

其中控制算法采用数字PID调节，使用增量型控制算法，并对积分项和微分项进行改进，以达到更好的控制效果。

考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。

它充分吸取数学和自动控制理论成果，和定性知识相结合，做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。

4.2A/D转换器程序流程图

图4.2AD转换程序流程图

4.3LED显示模块程序流程图

8段LED显示屏是最常用的显示器件，分为共阳极和共阴极两种形式。

共阳极LED将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平，某一段的发光二极管阴极接低电平时，相应的字段就被点亮。

共阴极LED将所有发光二极管的阴极接在一起作为公共端，当公共端接低电平，某一段的发光二极管阳极接高电平时，相应的字段就被点亮。

LED数码管的显示方法

动态显示：

动态扫描，分时循环；静态显示：

一次输出，结果保持

（1）动态显示

动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能一个器件显示。

但由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。

（2）静态显示

静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。

这种显示占用机时少，显示可靠。

通过比较及对程序的分析，本设计当中两组数码管均采用了共阴极静态显示。

图4.3显示子程序

4.4报警模块程序设计

根据设计要求，在保温阶段，温度控制精度为正负1度，故当温度下降或上升2度时为故障状态，需要报警提醒。

所以在电路设计上使用了蜂鸣器和发光二极管，系统正常运行时绿色发光二极管点亮，当出现故障时红色发光二极管点亮并且蜂鸣器鸣叫，提醒操作人员注意。

报警状态可通过按键复位和系统恢复正常后自动复位。

图4.4报警子程序

4.5键盘模块程序设计

在本次设计当中，输入设备采用4*4矩阵键盘。

当“设定”键按下时触发键盘中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。

程控扫描的任务是：

（1）首先判断是否有键按下。

方法：

使所有的行输出均为低电平，然后从端口A读入列值。

如果没有键按下，则读人值为FFH．如果有链按下．则不为FFH。

（2）去除键抖动。

方法：

延时10—20ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。

（3）若有键闭合，则求出闭合键的键值。

方法：

对键盘逐行扫描。

（4）程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。

4.6控制对象数学模型

在本控制对象电阻加热炉功率为800W，由220V交流电供电，采用双向可控硅进行控制。

本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围50~350C，保温阶段温度控制精度为正负1度。

选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。

其对象问温控数学模型为：

其中：

时间常数Td=350秒

放大系数Kd=50

滞后时间

=10秒

控制算法选用改PID控制。

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。

因此积分和微分项不能直接计算，只能用数值计算的方法逼近。

在采样时刻t=iT（T为采样周期），可得PID调节公式：

如果采样周期T取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程和连续控制过程十分接近，我们把这种情况称为“准连续控制”。

上式表示的控制算法提供了执行机构的位置ui，所以称为位置式PID控制算法。

当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，由上式可导出提供增量的PID算法。

只要将上述两个公式相减可得下面的公式：

上式称为增量式PID控制算法。

也可进一步改写为：

其中：

可见增量式算法只需要保持现时以前三个时刻的偏差值即可。

心得体会

在此课程设计中，我选择了电加热炉计算机温度控制系统设计这个课题。

这对我来说是一种尝试和创新的过程。

经过本次课程设计，使我系统地学习和丰富了计算机控制系统的构成原理，接口电路现使用程序。

让我进一步巩固和综合专业基础知识和其他相关专业课程知识。

通过资料搜集、方案分析、系统设计和报告撰写的一系列过程，使学生得到一次科学研究工作的初步训练。

同时在设计中遇到了一些问题，通过去图书馆查阅相关资料和上网查阅资料，尽最大努力找出问题，解决问题。

这个过程培养学生独立自主、综合分析的思维和创新能力，丰富了我的理论知识，加强解决实际问题的实践技能；从而，在专业知识和研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。

参考文献

[1]潘新民王燕芳.微型计算机控制技术.电子工业出版社.2011.1

[2]郁有文常健程继红.传感器原理及工程使用.西安电子科技大学出版社.2008.7

[3]谢维成杨加国.单片机原理和使用及C51程序设计.清华大学出版社.2009.7

[4]林锦国张利李丽娟.过程控制.东南大学出版社.2009.8