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