.計算機控制技術課程設計報告題目電加熱爐計算機溫度控制系統學院(部)電子信息工程學院專業自動化2011年6月20日目錄TOC\o"1-6"\h\z\u1.引言 12.系統工作原理 13.硬件的設計與實現 23.1系統硬件設計 23.2單片機最小系統 23.3A/D轉換器 33.4LED數碼管 43.5鍵盤電路 43.6晶閘管及其控制電路 53.7爐溫檢測電路 54.系統控制流程及軟件設計 64.1總體流程圖 64.2程序塊流程圖 64.2.1溫度控制系統主程序及流程圖 64.2.2LED數碼管顯示子程序及其流程圖 84.2.3A/D轉換程序及流程圖 84.2.4數字控制器的設計 94.2.5鍵盤控制流程圖 105.設計工作總結及心得體會 12參考文獻 131.引言溫度是工業對象中主要的被控參數之一。為了保證生產過程正常安全地進行，提高產品的質量和數量，以及減輕工人的勞動強度，節約能源，對加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動或爐內物體而變化，或者有的電爐的爐溫根據工藝要求按照某個指定的升溫或保溫規律而變化，等等。工業生產過程中，用模擬控制來控制電加熱爐溫已經取得了較為成熟的經驗，但他的控制精度較低，顯示操作不方便，為此引入了計算機控制系統對溫度進行數字算法控制。由于電爐加熱的時間常數相對于采樣周期來說很大，所以電爐加熱控制系統的動態特性可以看作一階滯后環節來近似，在控制算法上可采用PID控制或其他純滯后補償算法。 本課程設計所控制的電加熱爐的加熱能源是熱阻絲，根據控制系統要求，設計控制方案和主電路及各檢測控制模塊電路，然后針對溫度控制要求計算電路元件所需參數，應用PID控制算法，實現溫箱的閉環控制。進而了解溫度控制系統的特點及運用計算機設計控制程序實現計算機自動控制溫度的方法。2.系統工作原理 整個加熱爐的溫度控制系統采用典型的反饋式閉環控制，系統結構框圖如圖2.1所示。爐內溫度給定值電加熱爐執行器數字控制器爐內溫度給定值電加熱爐執行器數字控制器--溫度測量與變送器溫度測量與變送器圖2.1電加熱爐計算機控制系統框圖圖2.1電加熱爐計算機控制系統框圖 數字控制器的功能采用單片機AT89c51實現，執行器的作用由可控硅實現，溫度有采樣與測量采用熱電偶及變送器實現。 數字控制器的設計：在溫度調節系統中，由于加熱爐溫度的時間常數很大（相對于采樣周期而言），所以其閉環調節可以用一個一階滯后環節來近似。可以采用直數字控制，也可以采用模糊控制和PID控制，本設計中采用PID控制，其控制系統的調節原理如圖2.2所示：e(t)r(t)P(k)加熱爐e(t)r(t)P(k)加熱爐m(t)m(t)--單片機單片機圖2.2電加熱爐計算機控制系統的調節原理圖2.2電加熱爐計算機控制系統的調節原理爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓可在0—140V內變化。溫度傳感器是通過一只熱敏電阻及其放大電路組成，溫度越高其輸出電壓越小。外部LED燈的亮滅表示可控硅的導通與關斷的占空比時間，如果爐溫低于設定值則可控硅導通，系統加熱，否則系統停止加熱，爐溫自然冷卻到設定值。3.硬件的設計與實現3.1系統硬件設計本系統的硬件設計主要包括：單片機最小系統、模數轉換器、溫度變送器、控制鍵盤、LED顯示數碼管、光電隔離可控硅觸發電路。硬件系統框圖如圖3.1所示：圖3.1電加熱爐計算機控制系統硬件框圖鍵盤可控硅觸發信號光電隔離0—5V4—20mA單片機AT89S51供電可控硅電壓調整器A/D轉換器溫度變送器1—5V加熱爐熱電偶圖3.1電加熱爐計算機控制系統硬件框圖鍵盤可控硅觸發信號光電隔離0—5V4—20mA單片機AT89S51供電可控硅電壓調整器A/D轉換器溫度變送器1—5V加熱爐熱電偶脈沖電平脈沖電平LED顯示LED顯示3.2單片機最小系統本系統采用AT89C51單片機作為該控制系統的核心，實現對溫度的采集、檢測和控制。單片機控制A/D轉換器，接收由A/D轉換器轉換得到的二進制溫度數據，并對其進行數字濾波、標度變換并與輸入的參照溫度相比較，得出誤差，根椐PID算法求出控制溫度達到期望值所需要的控制量。通過調節高低電平輸出時間，控制可控硅的接通時間，從而改變電爐的輸出功率，達到調溫的作用。單片機及其接口電路圖如圖3.2所示：四位數碼管段選位A/D轉換器D0-D7四位鍵盤接口四位數碼管位選四位數碼管段選位A/D轉換器D0-D7四位鍵盤接口四位數碼管位選圖3.2單片機最小系統及其外圍電路接口圖圖3.2單片機最小系統及其外圍電路接口圖3.3A/D轉換器A/D轉換器在該系統中的功能是將溫度變送器輸出的1—5V電壓信號轉換為單片機能識別的二進制代碼，供給單片機做進一步的處理。電熱爐的溫度變化范圍為室溫到1000℃，將控制精度確定限定在5℃范圍內，則可選擇8位A/D轉換器，其最小精度可以達到1000℃÷256=3.921℃＜5℃，則選擇ADC0808或ADC0809均可滿足設計要求，這里選擇ADC0809。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉換器，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型A/D轉換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成，其內部結構如圖3.3所示。ADC0809的工作過程：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變為高電平，指示A/D轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時，輸出三態門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。本設計中只需要用到ADC0809的一個通道即可，故將ADC0809的輸入通道選通地址A、B、C均接地（即只使用輸入通道IN0）。ADC0809的工作時鐘為500KHz，由于單片機的ALE能自動輸出單片機時鐘頻率的1/6（即當單片機的時鐘晶振選擇12MHz時，ALE自動輸出2MHz時鐘信號），ADC0809的時鐘信號通過對單片機ALE的輸出時鐘進行四分頻得到，進行四分頻的器件可采用集成有兩個二分頻器的74LS74。單片機的PA口作ADC0809的控制口，P0口作轉換結束后轉換數據的接收口。ADC0809與單片機的接口電路如圖3.4所示。圖3.3ADC0809內部結構圖圖3.3ADC0809內部結構圖圖3.4ADC0809與單片機接口電路圖3.4ADC0809與單片機接口電路3.4LED數碼管數碼管主要用以顯示設定溫度值與實際測量溫度值。數碼管根據其連接方式可以分為共陰數碼管與共陽數碼管，根據其顯示的段數可以分為七段數碼管和八段數碼管，其中八段數碼管相比七段數碼管要多一個小數位。由于本設計所需用到的最大溫度值為1000，故需選用4位數碼，在這里選用4位共陰8段數碼管作為本設計的LED顯示。四位共陰數碼管的引腳圖如圖3.5所示，數碼管與單片機的接口電路如圖3.6所示。圖3.5四位共陰數碼管引腳圖圖3.5四位共陰數碼管引腳圖圖3.6數碼管與單片機接口電路圖3.6數碼管與單片機接口電路3.5鍵盤電路停止自動控制系統啟動自動控制系統數碼位向右移位對應數碼加1鍵盤主要用來完成對系統參數的設置和啟動及停止計算機自動控制系統。本系統主要采用四位獨立鍵盤完成上述控制功能。鍵盤電路如圖3.7所示，其中，S1、S2對預溫度進行設置，S2為數碼管移位選擇按扭，被選中的數位小數點被點亮，此時再按S1，可以使被選中位從0—9依次循環，循環到所需要值的時候，再按S2移到下一位，依次設置完4位數碼管組成的預設溫度值。S3、S4分別為啟動和停止計算機自動控制系統，當S3有按下信號時，單片機開始對系統進行自動調節控制，當S4有輸入信號時，退出自動控制。停止自動控制系統啟動自動控制系統數碼位向右移位對應數碼加1圖3.7鍵盤電路圖3.7鍵盤電路3.6晶閘管及其控制電路晶閘管屬于半控器件，當在基極輸入電流觸發信號滿足其導通電流強度時，晶閘管即導通，且導通后觸發信號將失去作用。要使晶閘管關斷，第一可以不斷減小電源電壓或是加大回路電阻，使陽極電流Ia低于維持電流IH之下，晶閘管即可恢復關斷；第二可以給晶閘管施加反電壓，使晶閘管自行關斷。本系統中晶閘管的關斷方式采用第二種，由于我們生活所用的交流電是頻率為50Hz的正弦交變電壓，系統所要求晶閘管控制電壓有效值在0—140V內變化，故采用如圖3.8所示的電路接線方式。當電源電壓處于正弦變化的正半周的時修，通過調節晶閘管的導通角，即可改變電阻兩端的電壓有效值，當電源電壓處于正弦負半周的時候，加在晶閘管兩端的反電壓使晶閘管自動關斷。由于觸發晶閘管導通的電流信號是模擬信號，故需要采取隔離措施，使數字控制電路與模擬負載電路隔離開，防止模擬信號串入數字電路造成誤動作或損壞數字電路。這里采用的隔離措施是使用光電隔離器4N25，當P1.7輸出高電平時，經7404反向為低電平，發光二極管發光觸發模擬電路部分導通，晶閘管IRF640得到觸發信號從而導通。根據單片機發出脈沖的間隔時間不同，即可改變晶閘管的導通角，從而起到調壓的作用。圖3.8晶閘管及其控制電路圖3.8晶閘管及其控制電路3.7爐溫檢測電路電爐的溫度先由熱電偶溫度傳感器檢測并轉換成微弱的電壓信號，溫度變送器將此弱信號進行非線性校正及電壓放大后，送至A/D轉換器轉換為數字量，此數字量經過單片機數字濾波誤差校正及查表等處理后，得到電爐內的實測溫度值。溫度檢測原理結構如圖3.9所示：ADC0809ADC0809變送器熱電偶變送器熱電偶圖3.9溫度檢測原理圖圖3.9溫度檢測原理圖4.系統控制流程及軟件設計4.1總體流程圖單閉環電加熱爐溫度計算機控制系統總體流程如圖4.1所示圖4.1程序總體流程圖相等不相等結束控制可控硅導通智能算法程序求出輸出控制量與給定值相比較送LED顯示非線性轉換數字濾波啟動A/D轉換器鍵盤輸入給定溫度值系統初始化開始圖4.1程序總體流程圖相等不相等結束控制可控硅導通智能算法程序求出輸出控制量與給定值相比較送LED顯示非線性轉換數字濾波啟動A/D轉換器鍵盤輸入給定溫度值系統初始化開始4.2程序塊流程圖4.2.1溫度控制系統主程序及流程圖主程序主要進行初始化，定義I/O端口及定時器參數，調用子程序以便為系統正常工作創造條件。主程序如下，主程序流程序如圖4.2.1所示：主程序#include<reg51.h>主程序鍵入預設溫度#include<intrins.h>鍵入預設溫度/*定義四位數碼管的位選腳*/調用：啟動A/D轉換sbitw1=P3^0;調用：啟動A/D轉換sbitw2=P3^1;調用：顯示轉換溫度sbitw3=P3^2;調用：顯示轉換溫度sbitw4=P3^3;調用：PID計算控制輸出/*定義AD轉換器的啟動引腳*/調用：PID計算控制輸出sbitST=P1^1;結束/*定義AD轉換器的控制腳*/結束圖4.2.1主程序流程圖sbitEOC=P1^2;圖4.2.1主程序流程圖sbitOE=P1^3; /*定義0~9十個數字代碼*/unsignedcharwu_ds[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};/*定義按鍵引腳*/SbitS1=P3.4;SbitS2=P3.5;SbitS3=P3.6;SbitS4=P3.7;/*聲明程序中將會調用到的子程序*/voiddelay(intt);//聲明程序延時子程序intset_temp(ints);//聲明設置初始值子程序voidcont_temp(intx);//聲明數據處理，與工程量變換子程序voidstart_temp(void);//聲明啟動A/D轉換器子程序void_PID_(inty，intz);//聲明PID控制程序/*開始主函數*/voidmain(){ intdata_in;//定義一個用來存放AD轉換器轉換結果的變量 inta1,a2,a3,a4,m,t; m=set_temp(0); P0=0xFF;//初始化AD轉換器數據端口 while(1) { cont_temp(data_in); display(a1,a2,a3,a4);//調用數碼管分時顯示函數顯示測得溫度 t=a1*1000+a2*100+a3*10+a4; _PID_(m,t); }}4.2.2LED數碼管顯示子程序及其流程圖本系統采用4位共陰數碼管用動態顯示的方式顯示預設值和測得溫度值，其動態掃顯示程序如下，程序流程圖如圖4.2.2所示：關閉第2位段選和位選voiddisplay(longinta,longintb,longintc,longintd)關閉第2位段選和位選{開啟第3位位選顯示程序 P0=0;//先關閉全部數碼管開啟第3位位選顯示程序 w1=0;//顯示千位數，從左到右 P0=wu_ds[a];顯示第3位關閉段選口消除陰影 delay(3);顯示第3位關閉段選口消除陰影 w1=1;調用程序延時選通第1位 P0=0;調用程序延時選通第1位 w2=0;關閉第3位段選和位選顯示第1位 P0=you_ds[b];顯示百位數關閉第3位段選和位選顯示第1位 delay(3);開啟第4位位選調用程序延時 w2=1;開啟第4位位選調用程序延時 P0=0;顯示第4位關閉第1位的段選和位選 w3=0;顯示第4位關閉第1位的段選和位選 P0=wu_ds[c];顯示十位數調用程序延時開啟第2位位選 delay(3);調用程序延時開啟第2位位選 w3=1;關閉第4位顯示第2位 P0=0;關閉第4位顯示第2位 w4=0; 返回調用程序延時 P0=wu_ds[d];顯示個位數返回調用程序延時 delay(3);圖4.2.2顯示程序流程圖 w4=1;圖4.2.2顯示程序流程圖}4.2.3A/D轉換程序及流程圖本系統所使用的A/D轉換器ADC0809接線圖如圖3.4所示，控制其啟動及轉換程序如下，啟動A/D轉換流程圖如圖4.2.3所示：voidstart_temp(void)｛ ALE=1;_nop_();_nop_();ALE=0;//鎖存通道地址，這里采用通道IN0 ST=1;_nop_();_nop_();ST=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//START下降沿，開始進行A/D轉換 while(EOC==0)//轉換時間約為100us，在轉換期間EOC為低電平，利用條件延時 { _nop_(); } OE=1; //轉換結束，給OE高電平，請求輸出轉換結果 data_in=P3;//用P3口來接收AD轉換器的轉換結果，將結果存入data_in OE=0;｝圖4.2.3A/D轉換程序流程圖返回將OE置0讀出轉換結果OE==1轉換是否結束（EOC=0？）使ST由高電平跳轉到低電平，啟動A/D轉換器鎖存通道地址確定通道選擇地址A/D轉換程序圖4.2.3A/D轉換程序流程圖返回將OE置0讀出轉換結果OE==1轉換是否結束（EOC=0？）使ST由高電平跳轉到低電平，啟動A/D轉換器鎖存通道地址確定通道選擇地址A/D轉換程序4.2.4數字控制器的設計數字控制器是本控制系統的核心，用它對被測參數進行自動調節，這里采用PID程序設計法進行設計。根據位置型PID設計方法可寫出表達式4-1P(k)=PP(k)+PI(k)+PD(k)式4-1其中：PP(k)=KPE(k)PI(k)=KIQUOTE=KIE(k)+KIQUOTE=KIE(k)+PI(k-1)PD(k)=KD[E(k)-E(k-1)]根據4-1式和圖2.2所示的PID調節控制圖可得PID數字控制程序的流程圖如圖4.2.4所示：返回圖4.2.4位置型PID運算程序流程圖E(k-1)←E(k)計算P(k)=PP(k)+PI(k)+PD(k)計算PD(k)=KD返回圖4.2.4位置型PID運算程序流程圖E(k-1)←E(k)計算P(k)=PP(k)+PI(k)+PD(k)計算PD(k)=KD[E(k)-E(k-1)]計算PI(k)=KIE(k)+PI(k-1)計算PP(k)=PPE(k)計算E(k)=R(k)-M(k)PID位置型運算程序將P(k)轉換成雙字字整數將P(k)轉換成雙字字整數→R2R34.2.5鍵盤控制流程圖本系統采用4位鍵盤設置基本參數及啟動與停止計算機自動控制系統的自動運行。鍵盤控制程序采用定時器延時掃描的方法控