计算机课程设计--基于数字_PID_的电加热炉温度控制系统设计.doc

计算机控制讲述课程设计任务书 i 计算机控制技术课程设计任务书计算机控制技术课程设计任务书 题目：基于数字题目：基于数字 pid 的电加热炉温度控制系统设计的电加热炉温度控制系统设计 设计内容设计内容 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 问内将炉内温度稳定到给定的温度值。在木控制对象电阻加热炉功率为 8kw ，由 220v 交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行温度控制，要求控制 温度范困 50-350 ，保温阶段温度控制精度为土 l 选择和合适的传感器，计算机 输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。其对象温控数学模型 为： 1 )( st ek sg d s d 其中： 时间常数 td= 350 秒 放大系数 kd = 50 滞后时间 td = 10 秒 控制算法选用 pid 控制。 设计步骤设计步骤 一、总体方案设计一、总体方案设计 二、控制系统的建模和数字控制器设计二、控制系统的建模和数字控制器设计 三、硬件的设计和实现三、硬件的设计和实现 1、选择计算机机型（采用 51 内核的单片机） ； 2、 设计支持计算机工作的外围电路（ eprom , ram 、i/o 端口 、键盘、显示接口电 路等） 3、设计输入信号接口电路； 4、设计 d/a 转换和电流驱动接口电路； 5、其它相关电路的设计或方案（电源、通信等） 四、软件设计四、软件设计 1、分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图； 2 编写 a/d 转换和温度检测子程序枢图； 3、编写控制程序和 d/a 转换控制子程序模块粗图； 4、其它程序模块（显示与键盘等处理程序）枢图。 五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（ a3 幅面）幅面） 。 课程设计说明书要求 1 课程设计说明书应书写认真字迹工稚，论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编 排。 2 论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观 点。 3 课程设计说明书应有目录、摘要、序言、主干内容（按章节编写） 、主要结论和参考 书，附录应有系统方枢图和电路原理图。 计算机控制讲述课程设计任务书 ii 4 课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知 识 摘要 i 摘要摘要 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。 在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件 来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用 对象特点的软件结合，以作完善。 本设计从和软件两方面来讲述加热炉动控制过程,在控制过程中主要应用 at89c51、adc0809、led 显示器，通过 ds18b20 数字温度传感器采集环境温度， 以单片机为核心控制部件，并通过四位数码管显示实时温度的一种数字温度计。 软件方面采用汇编语言来进行程序设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。 为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更 加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。 而系统的过程则是：首先,通过设置按键,设定恒温运行时的温度值，并且 用数码管显示这个温度值.然后,在运行过程中将采样的温度模拟量送入 a/d 转 换器中进行模拟-数字转换，再将转换后的数字量用数码管进行显示，最后用单 片机来控制加热器,进行加热或停止加热，直到能在规定的温度下恒温加热。 关键词：单片机系统；数据采集；模数转换器；温度；加热炉 abstract ii abstract the application of scm is to keep at the same time, traditional control testing update on crescent benefits. in real-time detection and automatic control system of single-chip applications, often as a single-chip core component to use only single-chip is not enough knowledge, but also the specific hardware structure and the specific features of application software objects combine to make perfect. in this paper, both hardware and software for automatic control of water temperature on the process, in the control of the main application of the process of at89c51, adc0809, led display, through the digital temperature sensor ds18b20 collecting ambient temperature to single-chip microcomputer as the core control components, and through four real-time digital display of a digital thermometer temperature. software using assembly language for programming, so that the implementation of directive speed, to save storage space. in order to facilitate the expansion and changes to the design of modular software structure, so that the logic of the relationship between program design more concise,hardware software co-operation under the control of it. and systematic process is: first of all, by setting the button, set the thermostat temperature at the time of operation, and digital display of the temperature. then, in the running temperature of the process of sampling analog into the a / d converter in the simulation - digital converter, and then converted digital control with digital display, the last single-chip microcomputer to control the heater used for heating or stop heating until the temperature in the provisions under the constant temperature heating. key words：single-chip microcomputer system ；data acquisition；adc；temperature；heating furnace； 目录 iii 目目 录录 计算机控制技术课程设计任务书.i 摘要 .ii 第一章 基于数字 pid 的电加热炉温度控制系统总体设计1 1.1 系统总体设计1 1.2 控制系统的建模2 1.3 数字控制器设计5 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计8 2.1 主电路设计8 2.1.1 系统硬件结构8 2.1.2 系统硬件8 2.1.3 选择计算机机型.9 2.2 控制电路设计20 2.2.1 显示单元20 2.2.2 按键控制单元20 2.2.3 温度采样单元.21 2.2.4 电源部分21 2.2.5 采样测量部分22 2.2.6 驱动执行部分23 第三章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统软件设计25 3.1 软件结构25 3.2 算法实现.26 3.2.1 led 显示模块26 3.2.2 报警模块.27 3.2.3 键盘模块.27 3.2.4 a/d 转换器模块.28 3.2.5 通信模块.28 心得体会30 参考书目31 附录32 第一章 基于数字 pid 的电加热炉温度控制系统总体设计 1 第一章第一章 基于数字基于数字 pidpid 的电加热炉温度控制系统总体的电加热炉温度控制系统总体 设计设计 1.11.1 系统总体设计系统总体设计 11 温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中 重要的被控对象参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控 制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行 pid 调节的控制效 果要好得多，可控性方面也有很大的提高。 温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高 温段惯性较小。对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式： （11） 1 s s k se t 采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制 所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。 通过对机内数字 pid 参数的设置对受控对象的精确控制。使得系统所没得结果 的精度大大提高。 第一章 基于数字 pid 的电加热炉温度控制系统总体设计 2 1.21.2控制系统的建模控制系统的建模 11 加热炉内水温为被控对象，循环冷却水的流量为操纵变量。根据非稳态下 的 热平衡方程可得到： q= ua（ t -t a）+mc （1-2） dt dt q-发热量，u-总传热系数，a-传热面积，ta -冷却水平均温度， t-加热炉内水温，m-炉内水的质量，c-水的比热容 把式2-1 整理成一阶时滞模型的形式，即 （1-3） mc dtq t+ta ua dtua mc ua 由稳态热平衡方程，利用对数平均温差的关系式： （1-4） uat-tit-to t-ti q=fcln t-tolnt-tit-to f 冷却水流量， ti 冷却水入口温度 to 冷却水出口温度 （1-2） t-ti ua=fcln t-to （1-5）ftifctc+ f-fc to （1-6）fcti=to- to-tc f （1-7）q=fccc to-tc （1-8） dt +t=kof t- o dt 将上式进行拉氏变换，得到了过程传递函数为： （1-9） - os t sko go s =e f ss1 选择锅炉的高为和h=400mm，直径d=200mm，则传热面积a=0.5024 体 积 v=0.0293。冷却水入口温度t i=20，冷却水出口温度t o=50。 3 m 带入已知参数如下： 水的比热容：c 4.1868 3-1-1 10 j kgk 第一章 基于数字 pid 的电加热炉温度控制系统总体设计 3 水的传热系数：u0.6w/mk 水的密度： 3 1000kg m 炉内水的质量： 2 d m= v=() h=75.36kg 2 3 mc4.1868 10 =100=407.05 au600 3 c4.1868 10 ko=13.89 ua600 0.16 3.14 30 ko13.89 g(s)= s+14071 toss ee s 根据以上数学模型，在 matlab 中进行仿真7。首先创建 m 文件，输入 matlab 仿真程序： clc； clear； sysl=tf（13.89,407,1,iodelay,30） ； step（sys1） 然后保存并且运行，可加热炉以得到对象的响应曲线为下图所示。 图 1-2 加热炉温度对象开环阶跃响应曲线 根据以上数学模型，打开 matlab 中的 simulink 模块，选用数字 pid 控制， 第一章 基于数字 pid 的电加热炉温度控制系统总体设计 4 完成各组件连接。 图 1-3 单闭环控制回路 采用工程整定经验法10，设置 pid 的三个参数，如下图 图 1-4 pid 三个参数 阶跃响应闭环控制效果图如下 第一章 基于数字 pid 的电加热炉温度控制系统总体设计 5 图 1-5 pid 控制阶跃响应曲线 由上述仿真图可看出，采用数字pid控制对电加热炉温度对象进行闭环单回 路控制滞后较大，控制效果不是非常理想，故考虑对其进行串级控制。 1.31.3 数字控制器设计数字控制器设计 增量式 pid 控制算法公式为： 12 11 12 12 2 2 (1)(1) kkk kkkpkkkd i ddd pkpkpk i kkk eeet uuukeeet tt tttt kekeke tttt aebece 其中： (1) 2 (1) d p i d p d p tt ak tt t bk t t ck t 第一章 基于数字 pid 的电加热炉温度控制系统总体设计 6 由上式可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期 t，一旦确定 a,b,c,k 只要使用前后三资测量的偏差值，就可以由上式求出控制量。 增量式 pid 控制算法与位置式 pid 算法相比，计算量小得多，因此在实际中得 到广泛的应用。 typedef struct pid int setpoint; long sumerror; double proportion; double integral; double derivative; int preverror; 第一章 基于数字 pid 的电加热炉温度控制系统总体设计 7 pid; static pid spid; static pid*sptr= void incpidinit(void) sptr-sumerror=0; sptr-lasterror=0; sptr-preverror=0; sptr-proportion=0; sptr-integral=0; sptr-derivative=0; sptr-setpoint=0; int incpiddalc(int nextpoint) register int ierror,iincpid; ieror= sptr-setpoint-nextpoint; iincpid= sptr-proportion*ierror- sptr-integral* sptr-lasterror= sptr-derivative* sptr-preverror; sptr-preverror= sptr-lasterror; sptr-lasterror=ierror; return(iincpid) 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 8 第二章第二章 数字数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计的电加热炉温度控制系统硬件设计 2.1 主电路设计主电路设计 2.1.1 系统硬件结构 13 图 2-1 系统硬件结构框图 2.1.2 系统硬件 图 2-2 系统硬件 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 9 2.1.32.1.3 选择计算机机型（采用选择计算机机型（采用 5151 内核的单片机）内核的单片机） at89c51 的简介及其组成特性 14 at89c51 是一种带 4k 字节 flash 存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能 cmos 8 位微处理器，俗 称单片机。at89c2051 是一种带 2k 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 atmel 高密度非 易失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。由 于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 是一 种高效微控制器，at89c2051 是它的一种精简版本。at89c 单片机为很多嵌入式 控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示 图 2-3 at89c51 功能特性 at89c51 提供以下的功能标准：4k 字节闪烁存储器，128 字节随机存取数 据存储器，32 个 i/o 口，2 个 16 位定时/计数器，1 个 5 向量两级中断结构，1 个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，at89c51 还可以进行 0hz 的静 态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作， 能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 10 有部件的工作直到下一个复位。 引脚描述： vcc：电源电压 gnd：地 p0 口： p0 口是一组 8 位漏极开路双向 i/o 口，即地址/数据总线复用口。作为输出口 时，每一个管脚都能够驱动 8 个 ttl 电路。当“1”被写入 p0 口时，每个管脚 都能够作为高阻抗输入端。p0 口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时， 转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。p0 口在闪烁编程时， p0 口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。 p1 口： p1 口一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 的输出缓冲级可驱动 4 个 ttl 电路。对端口写“1” ，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。 因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁编程时和程 序校验时，p1 口接收低 8 位地址。 p2 口： p2 口是一个内部带有上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 的输出缓冲级可驱动 4 个 ttl 电路。对端口写“1” ，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作 为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在 访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时，p2 口送出高 8 位地址 数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器时，p2 口线上的内容在整个运行期间 不变。闪烁编程或校验时，p2 口接收高位地址和其它控制信号。 p3 口： p3 口是一组带有内部电阻的 8 位双向 i/o 口，p3 口输出缓冲故可驱动 4 个 ttl 电路。对 p3 口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时， 被外部拉低的 p3 口将用电阻输出电流。 p3 口除了作为一般的 i/o 口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 2-1 所 示： 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 11 表 2-1 端口引脚第二功能 p3.0rxd p3.1txd p3.2int0 p3.3int1 p3.4t0 p3.5t1 p3.6wr p3.7rd p3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。 rst： 复位输入。当震荡器工作时，ret 引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单 片机复位。 ale/ ： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位 字节。即使不访问外部存储器，ale 以时钟震荡频率的 1/16 输出固定的正脉冲 信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据 存储器时将跳过一个 ale 脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编 程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的 8eh 单元的 d0 位置禁止 ale 操作。 这个位置后只有一条 movx 和 movc 指令 ale 才会被应用。此外，这个引脚会微 弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ale 无效。 psen： 程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当 at89c51 由外部程序存 储器读取指令时，每个机器周期两次 psen 有效，即输出两个脉冲。在此期间， 当访问外部数据存储器时，这两次有效的 psen 信号不出现。 ea/vpp： 外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，ea 端必须保持低电平。 需要注意的是：如果加密位 lbi 被编程，复位时内部会锁存 ea 端状态。如 ea 端为高电平，cpu 则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引 脚加上+12v 的编程允许电压 vpp，当然这必须是该器件是使用 12v 编程电压 vpp。 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 12 xtal1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 xtal2：震荡器反相放大器的输出端。 adc0809 概述 adc0809 是美国国家半导体公司生产的 cmos 工艺 8 通道，8 位逐次逼近式 a/d 模数转换器。其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码 后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 a/d 转换。是目前国内应用 最广泛的 8 位通用 a/d 芯片 图 2-4 adc0809 管脚图 1主要特性 1）8 路输入通道，8 位 a/d 转换器，即分辨率为 8 位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100s(时钟为 640khz 时)，130s（时钟为 500khz 时） 4）单个+5v 电源供电 5）模拟输入电压范围 0+5v，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-40+85 摄氏度 7）低功耗，约 15mw。 2内部结构 adc0809 是 cmos 单片型逐次逼近式 a/d 转换器，内部结构如图所示，它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 a/d 转换器、逐次逼 近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。 3外部特性（引脚功能） 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 13 adc0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。下面说明各 引脚功能。 in0in7：8 路模拟量输入端。 2-12-8：8 位数字量输出端。 adda、addb、addc：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路 ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 start： a/d 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽）使 其启动（脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动 a/d 转换） 。 eoc： a/d 转换结束信号，输出，当 a/d 转换结束时，此端输出一个高电 平（转换期间一直为低电平） 。 oe：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 a/d 转换结束时，此端输 入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640khz。 ref（+） 、ref（-）：基准电压。 vcc：电源，单一+5v。 gnd：地。 adc0809 的工作过程 首先输入 3 位地址，并使 ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译 码选通 8 路模拟输入之一到比较器。start 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下 降沿启动 a/d 转换，之后 eoc 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 a/d 转 换完成，eoc 变为高电平，指示 a/d 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个 信号可用作中断申请。当 oe 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数 字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 a/d 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数 据传送的关键问题是如何确认 a/d 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进 行传送。 adc0809 的内部逻辑结构图如图 2-5 所示。 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 14 图 2-5 adc0809 内部逻辑结构 图中多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用一个 a/d 转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电 路完成对 a、b、c 3 个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其 转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连， 表 2-2 为通道选择表。 通道选择表 2-2 mcs-51 单片机与 adc0809 的接口 adc0809 与 mcs-51 单片机的连接如图所示。电路连接主要涉及两个问题。 一是 8 路模拟信号通道的选择，二是 a/d 转换完成后转换数据的传送。 路模拟通道选择 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 15 图 2-6 adc0809 与 mcs-51 的连接 如图所示模拟通道选择信号 a、b、c 分别接最低三位地址 a0、a1、a2即（p0.0、 p0.1、p0.2），而地址锁存允许信号 ale 由 p2.0控制，则 8 路模拟通道的地址为 0fef8h0feffh.此外，通道地址选择以作写选通信号，这一部分电路连接 如图所示。 图 2-7adc0809 的部分信号连接 图 2-8 信号的时间配合 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 16 从图中可以看到，把 ale 信号与 start 信号接在一起了，这样连接使得在 信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。图 9.19 是有 关信号的时间配合示意图。 启动 a/d 转换只需要一条 movx 指令。在此之前，要将 p2.0 清零并将最低 三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针 dptr 中。例如要选择 in0 通道时，可采用如下两条指令，即可启动 a/d 转换： mov dptr , #fe00h ；送入 0809 的口地址 movx dptr , a ；启动 a/d 转换（in0） 注意：此处的 a 与 a/d 转换无关，可为任意值。 2. 转换数据的传送 a/d 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问 题是如何确认 a/d 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可 采用下述三种方式。 （1）定时传送方式 对于一种 a/d 转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。 例如 adc0809 转换时间为 128s，相当于 6mhz 的 mcs-51 单片机共 64 个机器 周期。可据此设计一个延时子程序，a/d 转换启动后即调用此子程序，延迟时 间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式 a/d 转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如 adc0809 的 eoc 端。因此 可以用查询方式，测试 eoc 的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据 传送。 （3）中断方式 把表明转换完成的状态信号（eoc）作为中断请求信号，以中断方式进行数 据传送。 不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。 首先送出口地址并以 信号有效时，oe 信号即有效，把转换数据送上数据总线， 供单片机接受。 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 17 dac0832 简介 图 2-9 dac0832 内部结构及管脚图 d0d7：8 位数据输入线，ttl 电平，有效时间应大于 90ns(否则锁存器的数据 会出错)； ile：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； cs：片选信号输入线（选通数据锁存器） ，低电平有效； wr1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。由 ile、cs、wr1 的逻辑组合产生 le1，当 le1 为高电平时，数据锁存器状态随输 入数据线变换，le1 的负跳变时将输入数据锁存； xfer：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于 500ns） 有效； wr2：dac 寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。由 wr2、xfer 的逻辑组合产生 le2，当 le2 为高电平时，dac 寄存器的输出随寄存 器的输入而变化，le2 的负跳变时将数据锁存器的内容打入 dac 寄存器并开始 d/a 转换。 iout1：电流输出端 1，其值随 dac 寄存器的内容线性变化； iout2：电流输出端 2，其值与 iout1 值之和为一常数； rfb：反馈信号输入线，改变 rfb 端外接电阻值可调整转换满量程精度； * vcc：电源输入端，vcc 的范围为+5v+15v； vref：基准电压输入线，vref 的范围为-10v+10v； 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 18 agnd：模拟信号地 dgnd：数字信号地 d/a 转换和控制 要实现 d/a 转换，可以采用下面的程序。 （转换的数据放在 1000h 单元中） mov bx,1000h mov al,bx mov dx,porta out dx,al 运算放大器 lm324 本次设计所用的运算放大器是 lm324，而 lm324 的系列器件为价格便宜的 带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比， 它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到 3 伏或者高到 32 伏的电源下， 静态电流为 mc1741 的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消 除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特点是短跑保护 输出、真差动输入级、底偏置电流为最大 100ma、每封装含四个运算放大器、 具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端 具有静电保护功能。其管脚连接图如下图 2-10： 图 2-10 lm324 管脚连接图 移位寄存器 74ls164 74ls164 为串行输入、并行输出移位寄存器，其引脚功能如下： a、b串行输入端; q0q7并行输出端； 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 19 mr|清除端，低电平有效； clk时钟脉冲输入端，上升沿有效。 多片 74ls164 串联，能实现多位 led 静态显示。每扩展一片 164 就可增加一们 显示。mr 接+5v,清除。其引脚图如下。 图 2-11 74ls164 管脚连接图 数码显示管 图 2-12 数码管引脚图 led 显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也 是被广泛运用的。如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用 led 数码管 是一种较好的选择。led 数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接 口简单易行。 led 数码管作为显示字段的数码型显示器件，它是由若干个发光二极管组成 的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，控制不同组合的二 极管导通，就能显示出各种字符，常用的 led 数码管有 7 段和“米”字段之分。 这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极 led 显示器的发光二极管的阴极连 在一起，通常此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极 管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极 led 显示器的发光二极管的阳极接在 一起，通常此共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 20 极管被点亮，相应的段被显示。本次设计所用的 led 数码管显示器为共阳极。 led 数码管的使用与发光二极管相同，根据材料不同正向压降一般为 1.52v，额定电流为 10ma，最大电流为 40ma。静态显示时取 10ma 为宜，动态 扫描显示可加大脉冲电流，但一般不超过 40ma。 2.22.2 控制电路设计控制电路设计 2.2.1 显示单元 通过 74ls48 芯片将主机处理的温度信息显示在 led 数码管上。图 3-3 则为 温度控制系统的单片机显示部分。而显示部分在整个的设计过程中的作用也是 很大的。 图 2-13 显示单元 2.2.2 按键控制单元 按键控制电路，其中按键控制电路这一模块设置：“设置” 、 “加 1” 、 “右 移” 、 “确定”四个按键，来实现人机对话，人为地设定温度门限值，使电路在 人为设定的某一温度值相对稳定的工作。 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 21 图 2-14 按键 2.2.3 温度采样单元 用于彩信被控对象的温度参数，它由温度电压转换、小信号放大及 a/d 转 换三部分组成。其中，将温度转化为电量的温度电压转换由温度传感器-热敏电 阻实现，小信号放大由格式放大电路实现，a/d 转换选择模数转换器 adc0809， 将采集到的温度模拟信号转换为 at89c51 能够使用。 图 2-15 采样单元模块 2.2.4 电源部分 13 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 22 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。 2.2.5 采样测量部分 在检测装置中，温度检测用 wzp-231 铂热电阻（pt100） ，采用三线制接法， 采样电路为桥式测量电路，其输入量程为 50350c，经测量电路采样后输出 25v 电压，再经模数转换芯片 adc0809 进行转换，变为数字量后送入单片机进 行分析处理。 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感 器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温 (-200650)范围的温度测量中。 pt100 是一种广泛应用的测温元件，在-50600范围内具有其他任何温度传感 器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的 电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校 正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温 漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将 pt 电阻的电阻 值和温度对应起来后存入 eeprom 中，根据电路中实测的 ad 值以查表方式计算 相应温度值。 常用的 pt 电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将 pt100 的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常 用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。在本系统 设计中，采用了第一种方法，即桥式测温。 测温原理：电路采用 tl431 和电位器 vr1 调节产生 4.096v 的参考电源；采用 r1、r2、vr2、pt100 构成测量电桥（其中 r1r2，vr2 为 100 精密电阻） ， 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 23 当 pt100 的电阻值和 vr2 的电阻值不相等时，电桥输出一个 mv 级的压差信号， 这个压差信号经过运放 lm324 放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接 连 ad 转换芯片。差动放大电路中 r3r4、 r5r6、放大倍数r5/r3，运放 采用单一 5v 供电。 设计及调试注意点： 1. 同幅度调整 r1 和 r2 的电阻值可以改变电桥输出的压差大小； 2. 改变 r5/r3 的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范 围的要求 3. 放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作 。 4. vr2 也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，例如 pt100 的零点温度为 0，即 0时电阻为 100，当电位器阻值调至 109.885 时，温度的零点就被设定在了 25。测量电位器的阻值时须在没有 接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变。 5. 理论上，运放输出的电压为输入压差信号放大倍数，但实际在电路工作时 测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多，实 际输出信号为 4.096*(rpt100/(r1+rpt100)- rvr2/(r1+rvr2) （1） 式中电阻值以电路工作时量取的为准。 6. 电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接 vcc 的话，当网压波动 造成 vcc 发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以 vcc 未发生 波动时建立的温度-电阻表中查表求值时就不准确。 2.2.6 驱动执行部分 硬件输出通道主要包括加热电阻的控制环节，而此控制环节的核心是双向 可控硅，但电路的关键是设计双向可控硅的驱动电路。双向可控硅的通断直接 决定加热电阻的工作与不工作，本部分用带过零触发的光耦 moc3061 来驱动。 在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰， 影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因 此必须要加入抗干扰措施，将强弱电隔离。光耦合器是靠光传送信号，切断了 各部件之间地线的联系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉 干扰信号。此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温 度系数。因此，能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得 到触发脉冲，具有可靠、体积小、等特点。所以在本系统设计中采用了带过零 检测的光电隔离器 moc3061，用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。 moc3061 是一片把过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。其输出端的 第二章 数字 pid 的电加热炉温度控制系统硬件设计 24 额定电压是 400v，最大重复浪涌电流为 1.2a，最大电压上升率 dv/dt 为 1000v/us,输入输出隔离电压为 7500v，输入控制电流为 15ma。 在图 2-2 驱动执行电路中，当单片机的 p2.0、p2.1、p2.2 发出逻辑数字量 为高电平时，经过三极管放大后驱动光耦合器的放光二极管，moc3061 的输入 端导通，有大约 15ma 的电流输入。当 moc306 的输出端 6 脚和 4 脚尖电压稍稍 过零时，光耦内部双向可控硅即可导通，提供一个触发信号给外部晶闸管使其 导通；当 p2.0、p2.1、p2.2 为低电平时，moc3061 截止，双向可控硅始终处于 截止状态。 第三章 数字 pid 电加热炉温度控制系统软件设计 25 第三章第三章 数字数字 pid 电加热炉温度控制系统软件设计电加热炉温度控制系统软件设计3.13.1 软件结构软件结构 13 本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的 任务是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程 序主要由系统初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。系统初始化包 括设置栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、 定时器的工作方式以及 8255 的初始化、max1232 的初始化等。数据采集及处理 主要包括实时采集电加热炉的炉温信号，计算出实际炉温与理想值的差值以及 温差的变化率，并对炉温信号进行滤波和限幅处理。主程序流程图如图 3-1 所 示。 开始 系统的初始化 温度数据采集及处理 温度值显示 计算温差 e（k）和温差变化率 智能控制算法程序 控制输出 求出输出控制量 ？）（0ke 结束 n y 第三章 数字 pid 电加热炉温度控制系统软件设计 26 图 3-1 系统主程序 控制系统的软件主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、 显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用数字 pid 调 节，应用增量型控制算法，并对积分项和微分项进行改进，以达到更好的控制 效果。 3.23.2 算法实现算法实现 3.2.1 led 显示模块 8 段 led 显示屏是最常用的显示器件，分为共阳极和共阴极两种形式。共 阳极 led 将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平， 某一段的发光二极管阴极接低电平时，相应的字段就被点亮。共阴极 led 将所 有发光二极管的阴极接在一起作为公共端，当公共端接低电平，某一段的发光 二极管阳极接高电平时，相应的字段就被点亮。 led 数码管的显示方法 动态显示：动态扫描，分时循环 静态显示：一次输出，结果保持 (1)动态显示 动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件 分时工作，每次只能一个器件显示。但由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉 所有的器件都在显示。 (2)静态显示 静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到 下次送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠。 通过比较及对程序的分析，本设计当中两组数码管均采用了共阴极静态显示。 子程序返回 译码选择显示位 送入 8255pa 口 将数据转换为七段码 开始 第三章 数字 pid 电加热炉温度控制系统软件设计 27 图 3-1 显示子程序 3.2.2 报警模块 根据设计要求，在保温阶段，温度控制精度为正负 1 度，故当温度下降或 上升 2 度时为故障状态，需要报警提醒。所以在电路设计上应用了蜂鸣器和发 光二极管，系统正常运行时绿色发光二极管点亮，当出现故障时红色发光二极 管点亮并且蜂鸣器鸣叫，提醒操作人员注意。报警状态可通过按键复位和系统 恢复正常后自动复位 图 3-2 报警子程序 3.2.3 键盘模块 在本次设计当中，输入设备