2016计算机控制系统课程设计(综合实验)报告解析

1、华技#力*孑科技学院课程设计报告（2015 2016年度第2学期）名 称：计算机控制系统A题 目：基于工业控制计算机的电加热炉温度控制系统院系：动力工程系班 级：自动化12K*班学号：121912010*学生姓名： *指导教师：李士哲设计周数：1周成 绩：日期：2016年5月20日 一、课程设计（综合实验）的目的与要求温度是工业对象中一种重要的参数，特别在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用务 种加热炉、热处理炉和反应炉等。由于炉子的种类不同，因此所采用的加热方法及燃料也不 同，如煤气、天然气、油和电等。但是就其控制系统本身的动态特性来说，基本上属于一阶 纯滞后环节，因而在控制算法上亦基本相同

2、。本次设讣是电加热炉温度自动控制系统。该系统利用单片机可以方便地实现对PID参 数的选择与设眾；实现工业过程中PID控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温 进行A/D转换，送入计算机中，与设左值比较岀偏差。对偏差按PID规律进行调整，得出对 应的控制量来控制固态续电器、调石电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机 实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行PID控制。在设il中应该注 意，采样周期不能太短，否则会使调丹过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且 计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长，否则会使干扰无法及时消除，使调巧品质 下降。二、设计（实

3、验）正文1.1设计内容某工业电炉在对产品进行加工的过程中，炉温从室温上升到lOOOr应为30min,然后温 度保持到1000C,英时间为1小时。最后断电，使电炉自然冷却。电炉的加热源是热阻丝, 利用大功率可控硅控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电 炉炉内的温度。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有 效电压可在0140V内变化。温度传感器是通过一只热敏电阻及其放大电路组成，温度越髙 其输岀电压越小。外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间，如果炉温低于 设泄值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设

4、左值。设计要求为：一个以单片机为核心，包括主要过程输入输出通道及主要接口，外配LED 显示、键盘操作以及包括传感变送器及执行器的小型il算机控制系统。1.2设计方案该控制系统使用单片机作为微处理器，连接温度传感器、A/D转换、温度控制电路，并 附加显示部分及键盘部分。它可以实时地显示温度，实现对温度的自动控制并设有报警电路。 还可以通过键盘对PID参数进行设苣。该控制系统使用热电偶测出电阻炉实际温度并转换成电压信号。此电压信号经过温度检 测电路转换成与炉温相对应的数字信号送入单片机，而单片机经过数据处理后，控制显示部 分显示温度。此外，将温度与设立值比较，根据设左计算岀控制量，通过控制电阻丝两

5、端交 流电压的通断时间比例来实现电阻丝发热量的控制。2-硬件部分设计2.1温度检测电路该部分采用热电偶传感器，该传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范囤宽(通常 从-50C1600C)及反应快速的优点。热电偶传感器采用MAX6675,英引脚功能图如下：表1 MAX6675引脚功能图引脚号名称功能1GND接地端2T-热电偶负极(使用时接地)3T+热电偶正极4VCC电源端5SCK串行时钟输入端6CS片选信号7SO数据串行输入端8NC悬空不用MAX6675的数据输出分为3位串行接口，因此只需要占用微处理器的3个I/O 口。图3 为温度检测电路图，图中串行外界时钟由微处理器的P2. 6提供，片选信号

6、由P2. 5提供，转 换数据由P2. 7读取。热电偶的模拟信号由T+和T-端输入，其中T-需接地。MAX6675的转换 结构将在SCK的控制下连续输出。CSP2 5/A12 P2 6/A14.P2 .7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/IMT0P3.3/INT1P3.47TOP3.5ZT1F3.O/UVRF3.7/RD101510fru.3 kc .R:?Tnu柴解CST-GCKGOT-*-U6MAX007G图1温度检测电路热电偶工作原理如下：热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1,在经过S4送至ADG电压可由如下公式来近似

7、il算: Ul=(41/V/C)x(T-T0)2.2单片机连接电路本设计选用了 ATMEL公司的AT89C52单片机，该型号单片机片内含8k bytes的可反复 擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAH）,器件采用ATMEL 公司的髙密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央 处理器和Flash存储单元，内部集成了微处理器、储存器、I/O接口、定时/计数器、中断 系统、串行接口等基本部件。完全能满足控制要求。此外，考虑到该设计中需使用显示输出、A/D转换、键盘输入、报警电路、信号输出等 外部扩展功能，固选用经典的8255作

8、为并行输出接口，方便外部数据寻址。最小实现系统示意如下C2100n打时厂：I1 XI ：CRYSTALU1 r C3 :/討+ 318RESET 9复位確* R9 - - 19-.PIP f-.P11 2 -P123P13_4P14 5P15 6P1g?戶OC 8沁如1PD.OAAEOPD.1/AD1XTAL2P0.3WD3PD.47AD4P临如5P0.6/D6RSTP0.7AAD7P2.0ZP8P2.1/P2.2/A10PSENP2.3M11如EP2.4TA12EAP2.5M13P2.6ZA14P2.7/A15Pl.OfTZP3.0ZRXDP1.1/T2B(P3.1JTXDP1.2P3.2/

9、INTDP1.3P3.3XINT1P1.4P3.4HDP1.5P3.5/T1P1.6P3.6MiRP1.7P3.7/RDAF89C51272839383?363534321213E15161721222324图2最小实现系统原理图2.3 LCD显示部分在该温度控制系统中，选用AMPIRE 128X64型LCD作为显示部件，该液晶模块可以显示 汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）,128个字符（16X16点阵），及64X256 点阵显示RAM。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理器：8位并行及串行两种连 接方式。具有多种功能：光标显示、画而移位、睡眠模式。AMPIRE 1

10、28X64型LED驱动电路 如下所示。J眈诚睥盹淞辰昶注師图3 LCD显示电路2.4按键与报警电路按键控制电路如下图所示，分别接在单片机P1.0P1. 3 口。当触发式按键闭合时，单 片机P1.0P1.3的管脚由1”变为“0”。当触发式按键断开时，单片机P1.0P1.3为高 电平“ 1 ”。报警电路采用黃、红、绿三种颜色的发光二极管进行显示，黄灯亮表示温度偏低，绿灯 亮表示温度正常，红灯亮表示温度过高。电路如图4所示。图4按键、报警电路2.5加热控制电路部分MOC3021可以即时触发，只要输入引脚1输入15mA的电流，输出端6引脚、4引脚之间 就会导通，内部双向晶闸管导通，触发外部晶闸管导通，

11、当MOC3021输入引脚输入电流为0 时，内部双向晶闸管关断，从而外部晶闸管也关断，从而外部晶闸管也关断，通过单片机来 控制导通和关断的时刻，从而实现智能调压。热阻丝两端用220V交流进行加热，因此要控制热阻丝功率，可以通过调功实现，即控 制交流电的通断时间比例来实现。把交流电经全波整流后通过三极管变成过零脉冲，在反相 后加到单片机的中断控制端作为同步基准脉冲。使用左时器T0讣时移相时间Ta,然后发出 触发脉冲，改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，实现炉温控制。电路 如图5所示。图5可控硅控制电路图5可控硅控制电路3.软件部分设计在该温度控制程序中，温度信号要经过周期采样、数字

12、滤波、PID运算、输出等过程,其过程如图6所示。图6信号流程图3.1周期采样程序在计算机内部，执行算法时，需要将外部信号进行离散化处理，因此需要对外部模拟信 号进行周期采样。从理论上讲，采样频率越髙，失頁越小，但从控制器本身而言，大都依靠 偏差信号E(k)进行调节器汁算。当采样周期T太小时，偏差信号E(k),也会过小，此时讣算 机将会失去调节作用，而采样周期T过长又会引起误差。因此采样周期必须综合考虑，一般 而言采样周期根据外部信号变化快慢而立，如在该温度控制系统中，水箱温度变化比较缓慢, 因此采样时间T应该适当大一些。其程流程图如图7.图7周期采样程流程图3.2数字滤波程序在工业过程控制系统

13、中，由于被控对象所处的环境比较恶劣，常存在干扰源，如环境温 度、电场和磁场等，使得采样值可能偏离真实值。对于各种随机出现的干扰信号，在计算机 控制系统中，应该对采样的数据进行判断，以及平滑加工，以提髙信号的可信度，减小乃至 消除各种干扰及噪声，以保证系统的可靠性。数字滤波有如下优点：1. 无须增加任何硬件设备，只要在程序进入数据处理和控制算法之前，附加一段数字滤 波程序即可。2. 由于数字滤波器不需增加硬件设备，所以系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。3. 对于模拟滤波器，通常是各通逍专用的，而对于数字滤波器来说，则可多通道共享， 从而降低了成本。4. 可以对频率很低（如0. 01Hz）的信号进

14、行滤波，而模拟滤波器由于受电容容疑的限制, 频率不可能太低。5. 使用灵活、方便，可根拯需要选择不同的滤波方法或改变滤波器的参数。在该系统中，我选用限幅滤波。限幅滤波的基本思路是：求出本次采样值与前一次采样 值之差，该差值与最大允许差值比较，若小于或等于?,则取本次采样值，若大于, 则取上一次采样值，即：|y（）-r（-i）|Ar,则丫伙）= y（ki）,取上次采样值数字滤波程流程图如图8所示。图8数字滤波程序框图3.3 PID程序PID调节由比例调巧、积分调节、微分调节三者组成，是技术最成熟、应用最广泛的一 种凋节方式。PID调石的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行

15、运算，运算结果用于控制输出。在实际应用中，根据被控对象的特征和控制要求，课灵活地 改变PID的结构，取其中一部分环节构成控制规律，如比例调节、比例积分调节、比例枳分 微分调节等。PID算法表达式：P(O = K(p)刃)+乙讐(1)离散化后的PID表达式：(2)(3)(4)P伙)=陷 E伙)+ ? EU)+ * E伙)-E伙一 Dh )=07在该系统中，选用位宜型PID进行程序设讣，位置型PID输出表达式如下:P伙)=KpE(k) + K工 E(j) + Kd E 伙)-E(k-1)J=0在进行程序编写时，一般将(3)式作一下改进： Ppg = KpEgPl(k) = K,E(k) + Pl

16、伙一 1)PD = KDE(k)-E(k-V)根据该表达式，在计算机内进行具体的PID运算，PID程序流程图如图9。图9PID程序框图3.4总程序当把以上程序都编好后，主程序只需要调用子程序即可，这样方便参数调整，以及程序 修改，在该系统中主程序需要调用的子程序有：周期采样子程序、数字滤波子程序、PID运 算子程序、输岀子程序以及系统初始化。主程序程序流程图如图10。三、课程设计（综合实验）总结或结论这次的课程设计实验是对我们进入大学以来学习微型计算机控制技术结果 的一次大考验。自己动手，发现问题和解决问题。并发现了许多自己的不足，平 时没掌握的知识在实践中暴漏，经过不断的思考，查阅书籍和上网查资料，解决 了大部分问题，还稍微有些小问题。但是，我相信在今后的学习中，一定能把它 解决好。回顾起此次课程设讣，至今我仍感慨颇多，在设计的过程中遇到问题，可以 说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设 计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，