电阻炉的温度控制系统设计Word文件下载.docx
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、硬件的设计和实现……………………………………(5)
1、计算机机型…………………………………………(5)
2、设计支持计算机工作的外围电路.………………(5)
3、设计输入输出通道…………………………………(8)
4、元器件的选择……………………………………(10)
、数字控制器的设计………………………………………(7)
1、控制算法…………………………………………(10)
2、计算过程…………………………………………(11)
、软件设计………………………………………………(12)
1、系统程序流程图…………………………………(12)
2、程序清单…………………………………………(15)
、完整的系统电路图…………………………………(27)
、系统调试……………………………………………(27)
、设计总结……………………………………………(27)
、参考文献……………………………………………(27)
附录……………………………………………(28)
、总体方案设计
设计任务:
用一台计算机及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统,并使系统达到工艺要求的性能指标。
1、设计内容及要求
电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验,电加热炉用电炉丝提供功率,使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。
在本控制对象电阻加热炉功率为8KW,有220V交流电源供电,采用双向可控硅进行控制。
系统模型:
2、工艺要求
按照规定的曲线进行升温和降温,温度控制范围为50~350℃,升温和降温阶段的温度控制精度为±
5℃,保温阶段温度控制精度为±
2℃。
3、要求实现的系统基本功能
微机自动调节:
正常工况下,系统投入自动。
模拟手动操作:
当系统发生异常,投入手动控制。
微机监控功能:
显示当前被控量的设定值、实际值,控制量的输出值,参数报警时有灯光报警。
4、对象分析
在此设计中,要求电阻炉炉内的温度,按照上图所示工艺要求的规律变化,首先从室温开始到50℃为自由升温阶段,当温度到达50℃,就进入系统调节,当温度上升到达350℃时进入保温段,要求始终在系统控制下,保证所需的炉内温度的精度。
加工完毕,要进行降温控制。
保温段的时间为600~1800s。
过渡过程时间:
即从开始控制到进入保温阶段的时间要小于600s。
在保温段当温度高于352℃或低于348℃时要报警,在升温和降温阶段也要进行控制,使炉内温度按照曲线的斜率升或降。
采用MCS—51单片机作为控制器,ADC0809模数转换芯片为模拟量输入,DAC0832数模转换芯片为模拟量输出,铂电阻为温度检测元件,运算放大器和可控硅作为功率放大,电阻炉为被控对象,组成电阻炉炉温控制系统,另外,系统还配有数字显示,以便显示和记录生产过程中的温度和输出值。
5、系统功能设计
计算机定时对炉温进行测量和控制一次,炉内温度是由铂电阻温度计来进行测量,其信号经放大送到模数转换芯片,换算成相应的数字量后,再送入计算机中进行判别和运算,得到应有的电功率数,经过数模转换芯片转换成模拟量信号,供给可控硅功率调节器进行调节,使其达到炉温变化曲线的要求。
、硬件的设计和实现
1、计算机机型:
MCS—518031(不包含ROM、EPROM)
系统总线:
PC总线
2、设计支持计算机工作的外围电路
矩阵键盘技术:
图2-1用8255接口的4×
8键盘矩阵
图2-1为4×
8矩阵组成的32键盘与微机接口电路。
图中8255端口C为行扫描口,工作于输出方式,端口A工作于输入方式,用来读入列值。
图中I/O口地址必须满足
=0,才能选中相应的寄存器。
在每一行与列的交叉点接一个按键,故4×
8共32个键。
温度输出显示技术:
LED静态显示接口技术,所谓静态显示,即CPU输出显示值后,由硬件保存输出值,保持显示结果.
图2-2用锁存器连接的6位静态显示电路
图2-2为6位BCD码静态显示电路原理图。
图中74LS244为总线驱动器,6位数字显示共用同一组总线,每个LED显示器均配有一个锁存器(74LS377),用来锁存待显示的数据。
当被显示的数据从数据总线经74LS244传送到各锁存器的输入端后,到底哪一个锁存器选通,取决于地址译码器74LS138各输出位的状态。
总线驱动器74LS244由IOW和A9控制,当IOW和A9同时为低电平时,74LS244打开,将数据总线上的数据传送到各个显示器的锁存器74LS377上。
特点:
占用机时少,显示可靠.但使用元件多,且线路复杂、成本高。
报警电路设计:
正常运行时绿灯亮,在保温阶段炉内温度超出系统允差范围,就要进行报警。
报警时报警红灯亮,电笛响,同时发送中断信号至CPU进行处理。
如图2-3
图2-3加热炉报警系统图
3、设计输入输出通道
输入通道:
因为所控的实际温度在50~350℃,即(350-50)=300所以选用8位A/D转换器,其分辨率约为1.5℃/字,再加放大器偏置措施实现。
(通过调整放大器的零点来实现偏置)这里采用一般中速芯片ADC0809。
ADC0809是带有8位A/D转换器,8路多路开关以及微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件,其转换方法为逐次逼近型。
8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制,可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。
这种器件无需进行零位和满量程调整。
由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码,而且其三态TTL输出也可以锁存,所以它易于与微型计算机接口。
其具有较高的转换速度和精度,受温度影响较小,能较长时间保证精度,重现性好,功耗较低,故用于过程控制是比较理想的器件。
图2-4ADC0809应用接线图
输出通道:
据其实际情况,D/A转换器的位数可低于A/D转换器的位数,因为一般控制系统对输出通道分辨率的要求比输入通道的低,所以这里采用常用的DAC0832芯片
DAC0832是8位D/A转换器,与微处理器完全兼容。
期间采用先进的CMOS工艺,因此功耗低,输出漏电流误差较小。
它的内部具有两级输入数据缓冲器和一个R-2RT型电阻网络,因DAC0832电流输出型D/A转换芯片,为了取得电压输出,需在电流输出端接运算放大器,Rf为为运算放大器的反馈电阻端。
图2-5DAC0832双极性电压输出电路
双极性电压输出的D/A转换电路通常采用偏移二进制码、补码二进制码和符号一数值编码。
只要在单极性电压输出的基础上再加一级电压放大器,并配以相关电阻网络就可以构成双极性电压输出。
在上图中,运算放大器A2的作用是把运算放大器A1的单向输出电压转变为双向输出。
4、元器件的选择
传感器的选择:
铂铑10—铂热电偶,S型,正极性,量程0—1300℃,使用温度小于等于600℃,允差±
1.5℃。
执行元件的选择:
电阻加热炉采用晶闸管(SCR)来做规律控制,结合电阻炉的具体要求,为了减少炉温的纹波,对输出通道采用较高的分辨率的方案,因此采用移相触发方式,并且由模拟触发器实现移相触发。
变送器的选择:
因为系统要求有偏置,又需要对热电偶进行冷端补偿,所以采用常规的DDZ系列温度变送器。
控制元件:
采用双向可控硅进行控制,其功能相当于两个单向可控硅反向连接,具有双向导通功能,其通断状态有控制极G决定。
在控制极加上脉冲可使其正向或反向导通。
、数字控制器的设计
1、控制算法:
电阻加热炉温度控制系统框图:
.
整个闭环系统可用一个带纯滞后的一阶惯性环节来近似,所以其控制算法采用大林算法。
电阻加热炉温度控制系统模型为
其广义的传递函数为:
大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器,使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节,即:
通常认为对象与一个零阶保持器相串联,相对应的整个闭环系统的脉冲传递函数是:
2、计算过程:
连同零阶保持器在内的系统广义被控对象的传递函数
系统闭环传递函数
数字控制器:
消除振铃现象后的数字控制器:
将上式离散化:
U(Z)—U(Z)Z—1=1.279E(Z)—1.226E(Z)Z—1
U(K)—U(K—1)=1.279E(K)—1.226E(K—1)
最终得:
U(K)=U(K—1)+1.279E(K)—1.226E(K—1)
、软件设计
1、系统程序流程图
a、系统主程序框图
b、A/D转换子程序流程图
c、LED显示流程图
d、报警程序流程图
e、数字控制算法子程序流程图
2、程序清单
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG0003H
AJMPKEYS
ORG000BH
AJMPPIT0
ORG001BH
AJMPPIT1;
中断入口及优先级
MAIN:
MOVSP,#00H
CLR5FH:
清上下限越限标志
MOVA,#00H
MOVR7,#09H
MOVR0,#28H
LP1:
MOV@R0,A
INCR0
DJNZR7,LP1
MOVR7,#06H
MOVR0,#39H
LP2:
INCR0
DJNZR7,LP2
MOVRO,#50H
LP3:
DINZR7,LP3;
清显示缓冲区
MOV33H,#00H
MOV34H,#00H;
赋KP高低字节
MOV35H,#00H
MOV36H,#00H;
赋KI高低字节
MOV37H,#00H
MOV38H,#00H;
赋KD高低字节
MOV42H,#00H
MOV43H,#00H;
赋K高低字节
MOVTMOD,#56H;
T0方式2,T1方式1计数
MOVTLO,#06H
MOVTHO,#06H
MOV25H,#163H;
设定值默认值350
SETBTR0;
键盘高优先级
SETBET0
SETBEX0
SETBEA;
开键盘T0。
T1中断
LOOP:
MOVR0,#56H
MOVR1,#55H
LCALLSCACOV;
标度转化
MOVR0,#53H
LCALLDIR
NOP
LCALLDLY10MS
AJMPLOOP;
等中断
键盘子程序
KEYS:
CLREX0
CLREA
PUSHPSW
PUSHACC;
关中断
LCALLDLY10MS;
消抖
CC:
JBP3.2AA
SETB5DH;
置“显示设定值温度值标志”
MOVA,25H;
取运算位的值
MOVB,#10H;
BCD码转化
DIVAB
MOV52H,A
MOVA,B
MOV51H,A
MOVR0,#50H
LCALLDIR;
显示设定温度
NOP
LCALLDLY10MS
LCALLDLY10MS
JBP1.7,BB
MOVR1,#25H
LCALLDAAD1
LCALLDLY10MS
AJMPCC
BB:
JBP1.6CC
LCALLDEEC1
AJMPCC
AA:
POPACC
POPPSW
SETBEA;
出栈
RETI
显示子程序
DIR:
MOVSCON,#00H;
置串行口移位寄存器状态
SETBP1.4;
开显示
JB5DH,DL1;
DL2:
MOVDPTR,#SEGT
DL0:
MOVA,@R0
MOVCA,@A+DPTR
MOVSBUF,A
LOOP1:
JNBTI,LOOP1
CLRTI
MOVA,@R0
ANLA,#7FH;
使数带小数点
LOOP2:
JNBTI,LOOP2
CLRTI
MOVSBUF,A
LOOP3:
JNBTI,LOOP3
CLRP1.4
CLR5DH
RET
DL1:
MOV50H,#0AH;
小数位黑屏
AJMPDL2
SEGT:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH
加一子程序
DAAD1:
MOVA,#00H
ORLA,@R1
ADDA,#01H
CJNEA,#30H,DAAD2;
超过48度了吗?
DAAD3:
MOV@R1,A
DAA:
RET
DAAD2:
JCDAAD3
MOV@R1,#15EH;
超过48则转回到355
AJMPDAA
减一子程序
DEEC1:
MOVA,@R1
DECA
CJNEA,#15EH,DEEC2;
低于355度了吗?
DEEC3:
MOV@R1,A
DEE:
RET
DEEC2:
JNCDEEC3
MOV@R1,#30H;
低于355则转回到48
AJMPDEE
T0中断子程序
PTT0:
CLREA
PUSHACC
PUSHPSW
PUAHDPL
PUSHDPH
SETBEA;
压栈后开中断响应键盘
PPP:
LCALLSMAP;
采样数据
LCALLFILTER;
数字滤波
MOVA,2AH;
取采样值
CJNEA,#07H,AAA;
下限48比较
AJMPBBB
AAA:
JCCCC;
小于48度转
CJNEA,#0FEH,DDD;
上限355比较
AJMPBBB;
转至48~355正常范围处理
DDD:
JCBBB
CLRP1.2;
大于355黄灯亮
SETB5EH
CLRP1.1;
置标志启动风扇
AJMPPPP
CCC:
CLRP1.3;
小于48红灯亮
SETB5FH
BBB:
CLRP1.0;
置标志启动电炉
AJMPPPP
SE
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