电加热炉计算机温度测控系统设计计算机课程设计

北华大学1计算机控制技术课程设计报告题 目： 电加热炉计算机温度测控系统设计 学 院： 计算机科学技术 专 业： 计算机科学与技术 学生姓名： 学 号： 21年 级： 指导教师： 2016 年 5 月北华大学2北华大学3目录第一章 引言 .2第二章 系统工作原理 .3第三章 硬件设计部分 .43.1 电源部分 .43.2 A/D 转换电路 .43.3 温度采样测量部分 .63.4 LED 显示电路 .63.5 功能键 .73.6 信号输出电路 .8第四章 软件设计部分 .94.1 系统总程序设计 .94.2 A/D 转换器程序流程图 .114.3 LED 显示模块程序流程图 .124.4 报警模块程序设计 .124.5 键盘模块程序设计 .134.6 控制对象数学模型 .13心得体会 .15参考文献 .16北华大学4第一章 引言温度是工业对象中的很重要参数的之一。广泛应用在冶金、化工、机械各类加热炉热、处理炉和反应炉等工业中。电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。北华大学5第二章 系统工作原理本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、传感器、温度变送器以及被控对象组成。系统硬件结构框图如图 2.1 所示。其工作原理：炉温控制程序及温度与热电偶电势之间的对于关系表存放在EPROM2746 中，双向可控硅采用过零触发方式。触发脉冲由过零同步脉冲形成电路提供。在每个工作周期 T 内的工作占空比与单片机输出的门控脉冲信号决定。键盘与显示器用于各种参数的设置和显示。热电偶与放大器将被测温度转换成热电势信号并放大，再由 A/D转换器换成相应的数字量供单片机识别处理。单片机每隔一定时间要启动一次 A/D 转换、采样一次现场温度，将温度数据与给定温度 W 进行比较，得到温差，再根据偏差的大小和正负，通过 PID 控制算法送出 1 个相应脉冲，让一定数量的触发脉冲在高电平上通过控制门去触发可控硅，送入 8031，通过键盘显示来去控制温度。同时反应炉温的热电偶的电势，经冷端补偿后送运算放大器放大，其电压范围为 010V，将此电压经多路开关送入 12 位A/D 转换器后，计算机通过数据口获得相应的表征炉温的数字量。该数字量经数字滤波、线性化处理以及标度变换后，一方面通过 LED 显示炉温，另一方面当采样周期到达时，与设定温度进行比较，再做 PD/PID 运算；根据运算结果。计算机通过 I/O 口改变控制脉冲宽度，从而改变双向可控硅在一个固定的控制周期 T 内导通的时间（或交流电的周波数），即改变电加热炉的平均输入功率，以此达到控温的目的。51单片机电源LED 显示键盘温度变送电加热固态继电器温度控制低漂移毫伏放大器A/D转换器温度给定值热电偶报警模 块北华大学6图 2.1 系统硬件结构框图第三章 硬件设计部分3.1 电源部分本系统所需电源有 220V 交流市电、直流 5V 电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有+-10% 左右的波动） 、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用 78L05,配合电容将电压稳定在 5V，供控制电路、测量电路和驱动执行电路中弱电部分使用。除此之外，220V交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的功率。低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。3.2 A/D 转换电路本系统采用的是 12 位 A/D 转换器 AD574，这是一种高性能的 12 位逐次逼近式 A/D 转换器，在此设计中采用 AD574 转换器对信号进行模/数转换。工作流程是：当由传感器传过来模拟信号经放大器放大后，送到 AD574 转换器转换成单片机能够识别的数字信号。其电路图如图 3.1北华大学7图 3.1.1 单片机系统及与 A/D 转换接口图 3.2.2 A/D574 电路及与单片机的相关接口北华大学83.3 温度采样测量部分温度的采集我们可以选择温度变送器，对于简单的控制可以采用惠更斯电桥做采集电路。经信号滤波，放大处理后形成标准的工控模拟信号（电流 4mv10mv,电压 1v5v）,便于传输和模数转换。3.4 LED 显示电路系统中我们需进行参数设置以及温度的显示，因此需要显示电路，本实验采用七段数码管显示。采用静态显示的方式，减少程序的执行时间，进而提高系统工作的可靠性。同时采用蜂鸣器进行声音报警。其具体显示电路如图 3.4 所示。北华大学9图 3.4 数码管静态显示及声音报警电路3.5 功能键此系统需进行参数的设定，因此需要将按键设计在此系统之内。具体电路如图 3.4 所示。其中，具体功能为：K1加 1 键（按下时数据自加 1） 。K2减 1 键， （按下时数据自减 1） 。K3F键， （按下时进入下一个参数的设定） 。K4ok键，按下时结束参数设定，开始运行主程序。北华大学10图 3.5 功能键及与单片机的相关接口3.6 信号输出电路3.6.1 PWM 控制原理通过改变电阻丝电压的接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电阻丝的平均电压，控制其输出功率，进而控制炉内温度. 在此系统中，就只需要控制采样周期和导通时间即可，即将周期 T 内导通 T1 时间（采用定时/计数器 T0） ，定时到了以后，关闭固态继电器。直到下一个周期需要接通时。3.6.2 输出电路及接口单片机通过 PWM 脉冲调宽功率放大器控制 SSR 固态继电器调节电炉丝的功率而达到调节温度的目的。调功的原理为：设电网连续 N 个完整的正弦波为一个控制周期 T，则gTf式中 -电网频率，HZgf若在设定的周期 T 内控制主回路导通 n(nN)个完整的正弦波 (周波),则负载功率为2UnP