電阻爐溫度控制課程設(shè)計(jì)1

1、淮海工學(xué)院課程設(shè)計(jì)1緒論隨著鎳鉻合金的發(fā)明，到20世紀(jì)20年代，電阻爐已在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。電阻爐是利用電流使?fàn)t內(nèi)電熱元件或加熱介質(zhì)發(fā)熱，從而對(duì)工件或物料加熱的工業(yè)爐。工業(yè)上用的電阻爐一般由電熱元件、砌體、金屬殼體、爐門、爐用機(jī)械和電氣控制系統(tǒng)等組成。電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。其控制系統(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(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、控制精度低。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.1 控制對(duì)象電阻爐在化工、

2、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，電阻爐中最重要的被控量就是溫度。因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。1.2.設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 電阻爐加熱爐用于合金鋼產(chǎn)品熱力特性試驗(yàn)，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。在本控制對(duì)象電阻爐功率為8KW，有220V交流電源供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控制。1.3 功能及技術(shù)要求為了保證生產(chǎn)過(guò)程正常安全的進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約能源，對(duì)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(dòng)或爐內(nèi)物體而變化；或者有的電爐的爐溫根據(jù)工藝要求按照某個(gè)指定的升溫或保溫規(guī)律而變化等等。因此，對(duì)溫度不僅要不斷

3、地測(cè)量，而且還進(jìn)行控制。對(duì)溫度的控制要求是先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)、 安全，能滿足熱處理工藝的要求，并保證工藝的穩(wěn)定和再現(xiàn)性，節(jié)省能源，保護(hù)環(huán)境，改善勞動(dòng)環(huán)境，降低生產(chǎn)成本，提高機(jī)械化和自動(dòng)化水平。2系統(tǒng)原理及整體設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，利用溫度傳感器測(cè)得電阻爐實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與爐溫相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)液晶顯示器顯示溫度，同時(shí)將溫度與設(shè)定溫度比較，根據(jù)設(shè)定計(jì)算出控制量，根據(jù)控制可控硅的導(dǎo)通角大小即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。該系統(tǒng)該系統(tǒng)有按鍵信號(hào)輸入、溫度信號(hào)輸入、LED顯示、溫度控制電路等。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，采用

4、80C51單片機(jī)系統(tǒng)組成的數(shù)字控制器代替常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器。整個(gè)系統(tǒng)在規(guī)定的采樣時(shí)刻經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換采集由溫度傳感器ADC0809反饋回來(lái)的溫度反饋測(cè)量值，并和給定值進(jìn)行比較，將經(jīng)過(guò)控制運(yùn)算后的控制量輸出給執(zhí)行元件控制電阻絲的加熱過(guò)程。這樣的系統(tǒng)屬于直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，DDC）系統(tǒng)。直接數(shù)字控制系統(tǒng)中的80C51單片機(jī)取代了多個(gè)模擬調(diào)節(jié)器，在不更換硬件的情況下，只要改變程序或調(diào)用不同子程序，就可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制規(guī)律。此外，系統(tǒng)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口功能。單片機(jī)電阻爐爐溫自動(dòng)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示： 圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1.單片機(jī)最小系統(tǒng)

5、設(shè)計(jì)3.1.1單片機(jī)的選擇80C51單片機(jī)屬于MCS-51系列單片機(jī)，由Intel公司開發(fā)，其結(jié)構(gòu)是8048的延伸，改進(jìn)了8048的缺點(diǎn)，增加了如乘除減比較16位數(shù)據(jù)指針布爾代數(shù)運(yùn)算等指令，以及串行通信能力和五個(gè)中斷源。80C51采用40引腳雙列直插式DIP，內(nèi)有128個(gè)RAM單元以及4K的ROM，80C51有兩個(gè)十六位定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)外中斷，兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)中斷，及一個(gè)串行中斷，并有4個(gè)8位并行輸入口。80C51內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但需要石英晶體和微調(diào)電容外接，本系統(tǒng)中采用12MHz 晶振頻率。由于80C51的系統(tǒng)性能滿系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時(shí)間精度的要求，而且產(chǎn)品產(chǎn)量豐富來(lái)源廣，應(yīng)用也很成熟，因此采用作為

6、控制核心。3.1.2晶振電路 利用80C51內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。最常用的是在XTAL1和XTAL2之間連接晶體振蕩器和電容構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。3.1.3復(fù)位電路 復(fù)位電路的作用是使單片機(jī)執(zhí)行復(fù)位操作。復(fù)位操作主要是把PC初始化為0000H,使單片機(jī)從程序存儲(chǔ)器的0000H單元開始執(zhí)行程序。51單片機(jī)通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。本次課題采用按鈕復(fù)位方式進(jìn)行復(fù)位。如圖3.1.3所示：圖3.1.單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2.電源電路 本系統(tǒng)所用到的電源是市電220V，所以不能直接給單片機(jī)供電。為此設(shè)計(jì)了電源電路。先將市電經(jīng)變壓器進(jìn)行

7、變壓，變壓后再經(jīng)橋式電路進(jìn)行整流，整流后變成脈沖直流，濾波電路的作用是消除脈沖，由于市電的波動(dòng)或者負(fù)載的變化所以得到的電壓是不穩(wěn)定的。所以需要在濾波電路之后需加上穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。采用了運(yùn)用非常廣泛的穩(wěn)壓芯片7805進(jìn)行穩(wěn)壓。7805由三個(gè)引腳構(gòu)成，分；。的穩(wěn)壓和濾波電容的濾波，便可以得到穩(wěn)定性好而且精度高的5V電壓。如圖所示：圖3.2電源電路3.3.按鍵電路 本系統(tǒng)的按鍵用來(lái)改變溫度設(shè)定值，一共使用了三個(gè)按鍵。一鍵用于重置溫度。第一次按下是進(jìn)行加調(diào)整，第二次按下是進(jìn)行減調(diào)整。二鍵用于加減調(diào)整，按一次是在原基礎(chǔ)上加或減。三鍵是確定鍵。圖3.3 按鍵電路圖3.4.溫度檢測(cè)電路 3.4.1溫度傳感

8、器 對(duì)傳感器的精度高低，性能好壞直接影響到整個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的品質(zhì)和運(yùn)行狀態(tài)。本系統(tǒng)采用集成芯片AD590，它是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。有三個(gè)引腳，分別為VCC,地和Vo.它的主要特性如下：1、流過(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即：Ir/T=1UA/K式中：流過(guò)器件（AD590）的電流，單位為mA；T熱力學(xué)溫度，單位為K。2、AD590的測(cè)溫范圍為-55+150。3、AD590的電源電壓范圍為4V30V 。電源電壓可在 4V6V 范圍變化，電流變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反

9、接也不會(huì)被損壞。圖3.4. 溫度測(cè)量電路圖如圖所示，用電流源代替AD590。流過(guò)電流源的溫度等于273+T(UA). 電流源10k電阻連接，把電流轉(zhuǎn)化為電壓，取出電壓后經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓跟隨器。接穩(wěn)壓管的那一路則是要使50k變阻器的輸出電壓為2.732v,與跟隨器的輸出在經(jīng)過(guò)一個(gè)差動(dòng)放大器，求得溫度變化值所對(duì)應(yīng)的電壓變化值，送到A/D轉(zhuǎn)換器中去。因?yàn)?度時(shí)，ad590即圖中的電流源的輸出電流是273.2uA,取出的電壓為273.2*10k=2.732v,及后溫度變化取出的電壓也跟著變化，經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大就可以把電壓變化值取出送到A/D轉(zhuǎn)換器中。圖中D1為齊納二極管，此二極管是一種直到臨界反向電壓前都具有

10、很高電阻的半導(dǎo)體器件。在這臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值，在這低阻區(qū)中電流增加而電壓保持恒定，所以可以被當(dāng)做電壓基準(zhǔn)元件使用。3.4.2.A/D轉(zhuǎn)換器 由于溫度傳感送出的是電壓信號(hào)，而電壓信號(hào)是模擬信號(hào)，不能直接送入單片機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算，所以在此之前需將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這時(shí)我們需要添加A/D轉(zhuǎn)換器。 本系統(tǒng)采用ADC0809芯片。片內(nèi)有8路模擬開關(guān)及地址鎖存與譯碼電路，8位A/D轉(zhuǎn)換和三態(tài)輸出鎖存緩沖器。ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插封裝，如圖所示。下面說(shuō)明各引腳功能。IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC

11、：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。START： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一+5V。GND：地。圖3.5.ADC0809與單片

12、機(jī)連接圖3.4.5.溫度控制電路 溫度測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，與其設(shè)定值進(jìn)行比較,進(jìn)行PID運(yùn)算, PID調(diào)節(jié)在電阻爐控制系統(tǒng)技術(shù)中應(yīng)用的非常多，且是廣泛被推廣的求采用各種PID的變種，如PI、PD控制，不完全微分控制，積分分離式PID控制，帶死區(qū)的PID控制，變換積分PID控制，比例PID控制等等。在PID控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)參數(shù)整定方便，而且在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中效果比較好，不需要求出數(shù)學(xué)模型。用數(shù)字PID完全可以代替模擬調(diào)節(jié)器，而且可以得到比較滿意的效果。所以用數(shù)字模型PID是目前應(yīng)用比較廣泛的方法之一。 通過(guò)分析控制器和執(zhí)行器的關(guān)系，選用位置式PID控制作為電阻爐控制系統(tǒng)的控制策

13、略。首先，計(jì)算出給定值溫度與實(shí)際溫度之間的差，反饋給PID控制器，PID控制器根據(jù)其大小，來(lái)控制晶閘管的導(dǎo)通角的大小，這樣使得觸發(fā)時(shí)間t改變，從而改變電阻爐的通電時(shí)間。其次，由于本系統(tǒng)是單向控溫系統(tǒng)，所以在晶閘管沒(méi)有導(dǎo)通時(shí)其導(dǎo)通角度是。最后，根據(jù)公式： PID控制=-來(lái)間接控制電阻爐的電壓加熱情況，使得電阻爐的溫度得以控制。4.輸出控制電路。 4.1.執(zhí)行電路本系統(tǒng)采用晶閘管觸發(fā)電路。80C51的輸出端口P2.7信號(hào)，在經(jīng)功率放大器放大后加到雙向晶閘管上。由于熱體電阻絲在冷態(tài)時(shí)電阻很小，啟動(dòng)電流很大，故本電路比繼電器更便于對(duì)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)，比繼電器價(jià)格便宜很多。當(dāng)P2.7檢測(cè)到有過(guò)零跳變時(shí)，即由

14、觸發(fā)電路輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖，使晶閘管導(dǎo)通，因而通過(guò)晶閘管是完整的正弦波，減少了對(duì)電網(wǎng)的干擾公害。一個(gè)周期的正弦波等于360度，那么半個(gè)正弦波就是180度。在這個(gè)180度里面，某個(gè)時(shí)候打開可控硅，相當(dāng)于對(duì)應(yīng)了一個(gè)角度打開可控硅。所以，叫導(dǎo)通角。這個(gè)角度的大小決定了輸出電流的大小。如果從0度開始打開，那么所有的電能將全部接到負(fù)載上面去。同理，如果從90度開始導(dǎo)通的話，相當(dāng)于只有一半的電能接到負(fù)載。相當(dāng)于只有110V接到負(fù)載（電源為220V）。所以，通過(guò)調(diào)整這個(gè)導(dǎo)通角，可以改變負(fù)載的做功能量。 實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，必須知道什么時(shí)候是0度。所以，必須有一個(gè)交流零點(diǎn)檢測(cè)電路。一個(gè)交流周期會(huì)有兩個(gè)零點(diǎn)信號(hào)。采用雙

15、向可控硅，則可以實(shí)現(xiàn)雙向電流控制。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先得到交流零點(diǎn)信號(hào)，然后采用延時(shí)的方式（定時(shí)器中斷輸出或PWM輸出）控制可控硅的輸出。根據(jù)傳感器的反饋值來(lái)修改導(dǎo)通角度。實(shí)現(xiàn)恒定的輸出要求。圖4.1 執(zhí)行電路圖4.2顯示電路顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極顯示到CRT顯示器，都可以與微機(jī)配接。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器簡(jiǎn)稱LED顯示器以及液晶顯示器LCD等。LED、LCD顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、安裝方便、耐振動(dòng)壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)要求顯示數(shù)字所以選擇LED顯示器。顯示電路采用3位共陽(yáng)LED動(dòng)態(tài)顯示方式，共陽(yáng)極數(shù)碼管的八個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極連

16、接在一起。通常公共陽(yáng)極接高電平，其他管腳接驅(qū)動(dòng)電路的輸出端。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路的輸出端為低電平時(shí)，則對(duì)應(yīng)的字段導(dǎo)通。而所謂動(dòng)態(tài)顯示就是首先從段選線上送出字段碼，再控制位選線，字符就顯示在指定的位置上。持續(xù)一段時(shí)間，再送出新的字段碼。本次選用7段顯示7SEG-COM-ANODE.顯示內(nèi)容有溫度值的百位，十位及各個(gè)位。用74LS245作驅(qū)動(dòng)。模塊電路圖如下：圖4.2 顯示電路圖5單片機(jī)電阻爐爐溫控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)圖5.1 系統(tǒng)總流程圖系統(tǒng)上電后，按下按鈕，開始工作。首先輸入目標(biāo)溫度，通過(guò)溫度檢測(cè)電路將溫度測(cè)量出，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)。并通過(guò)顯示電路的LED顯示出。測(cè)出的溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較。若等

17、于設(shè)定值，則不進(jìn)行任何操作，只是顯示。如果小于設(shè)定值，則進(jìn)行加熱，一直到與設(shè)定值相同。5.2 A/D轉(zhuǎn)換器程序流程圖 圖5.2 A/D轉(zhuǎn)換器流程圖A/D轉(zhuǎn)換器的工作流程為（1）取樣。將時(shí)間連續(xù)變化的模擬量變成時(shí)間離散的模擬量。（2）保持。（3）量化。將將采樣保持后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為最小量化單位的整數(shù)倍。（4）編碼。將量化后的數(shù)字量用其相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)表示出來(lái)。5.3 顯示器流程圖指向緩沖區(qū)首址取顯示位指針取要顯示的數(shù)將數(shù)變成段碼將段碼送入段控制器位碼送入位控制器延時(shí)是最后一位修改該緩沖區(qū)指針和位碼退出圖5.3 LED顯示流程圖 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,

18、g,Dp"的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。首先驅(qū)動(dòng)段電路，將要顯示的數(shù)字顯示出來(lái)，因?yàn)槭莿?dòng)態(tài)顯示，所以需要位驅(qū)動(dòng)，移位顯示。當(dāng)掃描速度足夠快時(shí)，不會(huì)有閃爍感。4.PID控制器流程圖如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)為，輸送信號(hào)，則離散的遞推算法如下：U(k)=Kpe(k)+Kie(k)+Kd(e(k)-e(k-1),其中e(k2)是誤差累積和。數(shù)字控制計(jì)算程序輸入濾波后的采樣值及給定值采樣偏差值E(K)計(jì)算Kc*E(K)計(jì)算Ki*E(K)2計(jì)算Kd*E(k)-E(k-1)Uk=Kc*E(k)+Ki*E(K)2+Kd*E(k)-E(k-1)+u0傳遞數(shù)據(jù)為下一次采樣作準(zhǔn)備子程序返回圖5.4 PID控制器流程圖課程設(shè)計(jì)心得經(jīng)過(guò)為期兩周的課程設(shè)計(jì)，最真實(shí)的感受就是充實(shí)。一是為自己完成任務(wù)而充實(shí)，更主要的是自己在此過(guò)程中不僅鞏固