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温度控制系统设计论文资料,温度,控制系统,设计,论文,资料
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微型计算机控制技术课程设计 电阻炉温度控制系统摘要：本设计采用直接数字控制（DDC）对加热炉进行控制，使其温度稳定在在某一个值上。并且具有键盘输入温度给定值，LED数码管显示温度值和温度达到极限时提醒操作人员注意的功能。一 概述温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control），推理控制等。本设计的控制对象为一电加热炉，输入为加在电阻丝两断的电压，输出为电加热炉内的温度。输入和输出的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)。控温范围为100500，所采用的控制方案为直接数字控制（DDC）中的最少拍控制。二温度控制系统的组成框图采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见下图。其中数字控制器的功能由微型机算机实现。三 温度控制系统结构图及总述A/D数字滤波I/V420mA变送器定时计数器SCR触发回路电加热炉SCR主回路8086CPU图中由420mA变送器，I/V，A/D转换器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号。其中，变送器选用XTR101，它将热电偶信号（温度信号）变为420mA电流输出，再由高精密电流/电压变换器RCV420将420mA电流信号变为05V标准电压信号，以供A/D转换用。转换后的数字量与与炉温的给定值数字化后进行比较，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差。炉温的设定值由键盘输入。由微型计算机构成的数字控制器按最小拍进行运算，计算出所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给8253，由8253定时计数器转变为高低电平的不同持续时间，送至SCR触发电路，触发晶闸管并改变其导通角大小，从而控制电加热炉的加热电压，起到调温的作用。四 温度控制系统硬件与其详细功能介绍1 微型计算机的选择选择8086微处理器构成炉温控制系统，使其工作于最小方式下。并配备以8284A时钟发生器，8282带三态缓冲器的通用8位地址锁存器，8286具有三态输出的8位双极型总线收发器。其中，时钟发生器8284A为CPU提供时钟信号，经时钟同步的系统复位信号RESET和准备就绪信号READY；地址锁存器8282是针对于8086CPU地址/数据线分时复用而设计配备的，它可以在8086CPU总线周期的T1状态，利用ALE信号的下降沿将地址信息锁存于其中；总线收发器8286是为了提高8086CPU数据总线的驱动能力2 SCR触发回路和主回路如图所示为一晶闸管触发电路。包括脉冲触发器（单稳态电路，由IC1和IC2组成），控制门，光电耦合器4N25，放大器和双向晶闸管。由全波整流电路得到的同步电压使晶体管BG1每半波导通一次。当控制端为“1”高电平的时候，BG1的每次导通都会经由单稳电路由IC2输出一个负脉冲，该脉冲经IC3反向后由光电耦合器和放大电路发大后触发晶闸管，在这一半周内晶闸管基本上处于全导通状态。若控制端为“0”低电平的时候，则单稳态电路不输出脉冲，在这一半周内晶闸管也不导通。因此，可以改变控制端的电平，控制单稳态电路每秒输出的脉冲数，从而改变晶闸管每秒钟内导通的时间，达到调压的目的。与以下的电路相比较第一个电路的优点在于晶闸管导通时基本处于全导通状态，因此波形较好，包含的谐波成分较少，因此对系统的干扰也较小。而第二个电路的缺点是加热电阻两端电压波形很差，包含了较多的谐波成分，当晶闸关导通角较小时由为如此，这些些波电压可能会对周围系统产生影响。3 热电偶的选择热电偶是常用的测温元件，它利用不同材料的导体一端紧密连接在一起产生的热电势效应将温度信号转换为电势信号。本设计采用K型热电偶镍络-镍硅(线性度较好,热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性较好，抗氧化性强，价格便宜)对温度进行检测，参比端温度为20。由以下公式可以计算出K型热电偶分别在100，200，300，400，500时候的输出电势：E(100,20)=E(100,0)-E(20,0)=4.096mV-0.798 mV=3.298 mVE(200,20)=E(200,0)-E(20,0)=8.138mV-0.798 mV=7.34 mVE(300,20)=E(300,0)-E(20,0)=12.209mV-0.798 mV=11.411 mVE(400,20)=E(400,0)-E(20,0)=16.397mV-0.798 mV=15.599 mVE(500,20)=E(500,0)-E(20,0)=20.644mV-0.798 mV=19.846 mV4 420mA变送器XTR101XTR101为420mA线性化变送器，它可与镍络-镍硅测温传感器构成精密的T/I变换。器件中的放大器适合很宽的测温范围，在-40+85的工作温度内，传送电流的总误差不超过1%，供电电源可以从11.6V到40V,输入失调电压2.5mV，输入失调电流20nA。XTR101外形采用标准的14脚DIP封装。（芯片内部结构与封装见附录）XTR101有如下两种应用于转换温度信号的典型电路：5 I/V转换器RCV420RCV420是一种精密电流/电压变换器，它能将420mA的环路电流变为05V的电压输出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电源。对环路电流由很好的变换能力。具有-25+85和070的工作温度范围，输入失调电压1mA，总的变换误差0.1%，电源电压范围518V。RCV420的外形采用标准的16脚DIP封装。（芯片内部结构与封装见附录）它的典型应用如下：6 .A/D转换器ADC0809ADC0809是美国国家半导体公司的CMOS型8位28条引脚A/D转换器。采用逐次逼近技术，输出的数字信号由TTL三态缓冲器顺序控制，可以直接与数据总线相连。分辨率为8位，精度为7位，时钟频率范围在101280kHz之间，单一+5V电源供电，数据具有三态输出能力，易于和微处理器相连。（芯片内部结构与封装见附录）ADC0809的典型应用如下：7.定时计数器82538253是Intel公司的使用单一+5V电源供电，NMOS工艺制成的24条引脚的双列直插式芯片。具有3个独立的计数器，每一个都可以单独作为定时器或者计数器使用，且都可以按照二进制或者十进制计数，每个计数器计数速率高达2MHz，最高的技术速率可达2.6MHz。所有的输入输出引脚都与TTL电平兼容。（芯片内部结构与封装见附录）8253典型应用如下图所示：8.LED数码管驱动芯片ICM7218AICM7218是一种多功能LED数码管驱动芯片，能驱动8位共阳或者共阴数码管，且输出可以直接驱动LED显示器。其内部主要由控制器，8*8静态RAM，BCS译码，B码和显示字段译码器，扫描振荡控制电路和显示驱动器等组成。ICM7218的外引线有写入控制线2条：WR和MODE；数据线8条：ID0ID7;LED显示驱动线16条；电源线2条。WR为写选通信号，低电平有效。MODE为写入控制字的写入显示数据控制线，当MODE=1时，写控制字；当MODE=0是，写数据。（芯片内部结构与封装见附录）典型应用如下图所示：9.可编程并行I/O接口芯片82C55A82C55A是Intel公司的并行I/O接口芯片，40条引脚，双列直插式封装。D0D7位三态，双向数据线，可与CPU总线直接相连。内部由3个端口A，B，C。三个端口都具有8位数据输出锁存器，只有A端口具有输入所锁存器。（芯片内部结构与封装见附录）典型应用如下图所示：10.硬件地址分配列表A7A6A5A4A3A2A1A082C55AA口0001000010HB口0001001012HC口0001010014H控制口0001011016H8253计数器00000100004H控制口000011100EHADC0809START0000011006HOE000111101EHICM7218控制口0010000020H写数据0000000000H五 温度控制系统软件设计1 温度控制系统软件结构图上图所示的是单回路闭环温度控制系统，虚线框内的某些功能有计算机来完成。2 总体流程图NX-FF=0？A/D转换结果经数字滤波后送入NX单元数字滤波算法启动A/D转换从键盘读入要设定的温度值送到SET单元初始化82C55A，8253，ICM7218，数据段开 始红灯响，警笛鸣，提醒操作人员 Y变换结果送入8253作为计数初值标度变换最小拍控制算法N工程量变换变换结果送入WN温度的非线性转换转换后温度值送入TEM单元显 示3 模块程序流程图i. 数字滤波（采用程序判断滤波的限速滤波）计算C=(C1-C2+C2-C3)/2计算C2-C3计算C1-C2限速滤波程序C2-C1C?NYC3-C2C?YC3送入NX单元C2送入NX单元（C2+C3）/2送入NX单元N注：C1，C2，C3分别为第一次采样，第二次采样， 第三次采样值ii. 工程量变换程序模块变送器XTR101输出420mADC，温度起点为100，满量程为500。8位A/DADC0809输出数字量00HFFH（05V），应用以下变换公式进行变换：AX=A0+（AM-A0）（NX-N0）/（NM-N0）式中，A0为一次测量仪表的下限AM为一次测量仪表的上限AX实际测量值N0仪表下限对应的数字量NM仪表上限对应的数字量NX测量值对应的数字量工程量变换流程图如下：AM送入AL，A0送入BL计算AM-A0NX采样值送入BL计算（AM-A0）*NX/NM计算A0+（AM-A0）*NX/NMAX内容送入WN单元iii. 温度非线性转换程序模块采用折线拟合法进行线性化处理如下图所示，分为以下几段：当3.298mVWN7.34mV时，T=24.47*WN+18.41当7.34mVWN11.411mV时，T=24.56*WN+19.70当11.411mVWN15.599mV时，T=23.88*WN+27.53当15.599mVWN19.846mV时，T=23.55*WN+32.71当19.846mVWN时，T=500分段如下图所示：流程图如下所示：温度非线性转换WN送入ALAL19.846？Y500送入TEMPNAL15.599？YWN=T=23.55*WN+32.71NAL11.411？YWN=T=23.88*WN+27.53NAL7.34？YWN=T=24.56*WN+19.70NWN=T=24.47*WN+18.414源程序STACK SEGMENT STACK DW 256 DUP(?)STACK ENDSDATASEGMENTSAVEBUFF DB 256 DUP(00H)TK DB64HK0 DB 00H,54H,35HK1 DB 01H,20H,00HK2 DB 00H,00H,00HK3 DB 00H,00H,00HP1 DB 00H,71H,70HP2 DB 00H,00H,00HP3 DB 00H,00H,00HSAVEMARK DB00HSAVEADDR DB0FFHCONTROLMARK DB00HEKB DB00HK0_16 DB00H,00H,00HK1_16 DB00H,00H,00HK2_16 DB00H,00H,00HK3_16 DB00H,00H,00HP1_16 DB00H,00H,00HP2_16 DB00H,00H,00HP3_16 DB00H,00H,00HEK DW0000HEKK DW0000HEK_1 DW0000HEK_2 DW0000HUK DW0000HUKK DW0000HUK_1 DW0000HUK_2 DW0000HOUTPUT DW0000HALLK_ALLP DW0000HSETDB?;温度设定值NXDB？；滤波后A/D转换值WNDB?；工程量变换结果SUMDBC1,C2,C3；A/D三次采样值TEMDB?；显示温度8255PORTDW0010H,0012H,0014H,0016H；8255地址8253PORTDW0004H,000EH；8253地址0809PORTDW0006H,001EH；0809地址7218PORTDW0020H,0000H；7218地址DISPLAYDW?；显示温度二进制值DATAENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART:MOVAX,DATA；初始化数据段各芯片MOVDS,AXMOVBX,OFFSET 8255PORTMOVDX,BX+3MOVAL,81H；方式0，C口底四出，其余入OUTDX,ALMOVBX,OFFSET 8253PORTMOVDX,BX+1MOVAL,00HOUTDX,AL；计数器0工作于方式0，二进制计数MOVBX,OFFSET 7218PORTMOVDX,BXMOVAL,A0HOUTDX，AL；十进制软件译码KEYS:CALLKEYCHECK；键盘扫描程序JZKEYSCALL D10MSCALL KEYCHECKJZKEYSMOVAL,0FEHMOVAH,0MOVDX,BX+2OUTDX,ALMOVDX,BXINAL,DXCMPAL,1EHJZKEY1CMPAL,1DHJZKEY2CMPAL,1BHJZKEY3CMPAL,17HJZKEY4CMPAL,0FHJZKEY5JMPKEYSKEY1:MOVAH,00HJMPTRANSKEY2:MOVAH,44HJMPTRANSKEY3:MOVAH,88HJMPTRANSKEY4:MOVAH,CCHJMPTRANSKEY5:MOVAH,FFHJMPTRANSTRANS:MOVSET,AH；读设定值到SET单元ADCH:MOVBX,OFFSET 0809PORT；启动A/D转换MOVDX,BXOUTDX,ALMOVX,BX+1CHANGE:INAL,DXTESTAL,80HJZCHANGEMOVDX,BXINAL,DXMOVAH,00HMOVCX,0003HMOVBX+AH,ALINCAHLOOPADCHFILTER:LEASI,SUM；数字滤波（限速滤波）MOVAL,SI+2SUBAL,SIJNCDONE1NEGALDONE1:MOVDL,ALMOVBL,SI+3SUBBL,SI+2JNCDONE2NEGBLDONE2:ADDAL,BLSHRAL,1CMPDL,ALMOVCL,SI+2JBEDONECMPBL,ALMOVCL,SI+3JBEDONEMOVAL,SI+2ADDAL,SI+3SHRAL,1MOVSI+3,ALMOVCL,ALDONE:MOVDL,SI+2MOVSI,DLMOVDL,SI+3MOVSI+2,DLMOVNX,CLCMPNX，0FFHJECAUTION；判断是否该提醒操作人员？MOVBX，OFFSET 8255PORT；无提醒，则点亮绿灯MOVDX，BX+1MOVAL，01HOUTDX，ALCALLCONFIG；调数字控制器子程序CALLBIAODU；调标度变换子程序CALLGCBH；调工程量变换子程序CALLTEMBC；调温度非线性补偿子程序MOVBX，OFFSET PORT7218；温度显示程序MOVR1，DISPLAY；R1指向显示缓冲区MOVR208H；R2作8位显示计数器C-LOOP：MOVAL，00H；将8位显示缓冲区中的数据送ICM7218AMOVDX，BX+1OUTDX，ALINC R1DJNZR2，C-LOOPBIAODUPROCNEAR；标度变换子程序RETBIAODUENDPGCBHPROCNEAR；工程量变换子程序RETGCBHENDPTEMBCPROCNEAR；温度非线性补偿子程序RETTEMBCENDPCONFIGPROCNEAR；数字控制器子程序PUSHDS XORAX,AX MOVDS,AX MOV AX,2000H+OFFSET IRQ7 MOV SI,003CH MOV SI,AX MOV AX,2000H+OFFSET IRQ6 MOV SI,0038H MOV SI,AX MOV AX,0000H MOV SI,003EH MOV SI,AX MOV SI,003AH MOV SI,AX CLI POPDS MOV AL,90H OUT 63H,AL MOV AL,0A4H OUT 43H,AL MOV AL,2EH OUT 42H,AL IN AL,21H AND AL,3FH OUT 21H,AL MOV SI,OFFSET P3+2 MOV BH,07H MOV DI,OFFSET P3_16+2 CALL CHANGE CALL CLEAR_E MOV AL,80H OUT 00H,AL MOV BL,01H MOV SAVEMARK,00H MOV SAVEADDR,0FFH AGAIN: STI HLT JMP AGAINIRQ6: MOV AL,80H OUT 00H,AL MOV AL,10H OUT 61H,AL MOV CONTROLMARK,AL MOV SAVEMARK,AL CALL CLEAR_E MOV BL,01H MOV AL,20H OUT 20H,AL IRETIRQ7: MOV AL,01H MOV CONTROLMARK,AL DEC BL JNZ FINISH CALL CY MOV EK,DX MOV AX,DX MOV DI,OFFSET K0_16 INC DI MOV DX,DI CALL ML MOV AX,ALLK_ALLP ADD DX,AX CALL OUT_PUT MOV DX,OUTPUT MOV UK,DX MOV SI,OFFSET UK_1 MOV DI,OFFSET UK_2 MOV BL,07H L1: MOV AX,SI MOV DI,AX DEC SI DEC SI DEC DI DECDI DEC BL JNZ L1 MOV AX,0000H MOV ALLK_ALLP,AX MOV SI,OFFSET K1_16 MOV DI,OFFSET EKK MOV CX,0003H CALL L2 MOV SI,OFFSET P1_16 MOV DI,OFFSET UKK MOV CX,0103H CALL L2 MOV BL,TK FINISH: MOV AL,20H OUT 20H,AL IRETL2: INC SI MOV DX,SI MOV AX,DI CALL ML DEC SI TEST BYTE PTRSI,01H JNZ QBLL: INC SI INC SI INC SI INC DI INC DI MOV AX,ALLK_ALLP CMP CH,00H JNZ L3 ADD DX,AX L4: MOV ALLK_ALLP,DX DEC CL JNZ L2 RETL3: XCHG DX,AX SUB DX,AX JMP L4QB: NEG DX JMP LLML: CMP DX,7FFFH JA ML1 IMUL DX RETML1: PUSH BX PUSH CX PUSH AX SUB DX,7FFFH IMUL DX MOV BX,DX MOV CX,AX POP AX MOV DX,7FFFH IMUL DX ADD AX,CX ADC DX,BX POP CX POP BX RETCY: IN AL,60H SUB AL,80H MOV EKB,AL CALL SAVEEK MOV DX,0000H MOV DH,AL MOV CL,03H SAR DX,CL RETSAVEEK: MOV AH,AL MOV DX,OFFSET SAVEBUFF MOV AL,CONTROLMARK CMP AL,00H JZ L5 MOV AL,SAVEMARK CMP AL,01H JZ L5 MOV AL,SAVEADDR CMP AL,0FEH JZ L6 INC AL MOV DL,AL MOV SAVEADDR,AL PUSH DI MOV DI,DX MOV DI,AH POP DIL5: MOV AL,AH RETL6: INC SAVEMARK JMP L5OUT_PUT: MOV OUTPUT,DX TEST DH,80H JZ L7 MOV BX,0F000H SUB DX,BX JG L8 MOV DX,0F000H MOV AL,80H OUT 61H,AL JMP L9L7: MOV BX,0FFFH SUB DX,BX JG L10L8: MOV DX,OUTPUT JMP L11L10: MOV DX,0FFFH MOV AL,80H OUT 61H,ALL9: MOV OUTPUT,DXL11: MOV CL,03H MOV AL,CONTROLMARK CMP AL,00H JZ L12 SHL DX,CL MOV AL,DH ADD AL,80H OUT 00H,ALL12: RETCHANGE: DEC SI MOV CX,SI INC SI AND AL,AL MOV DX,0000H MOV BL,10HGO: MOV AL,SI ADD AL,AL DAA MOV SI,AL DEC SI MOV AL,SI ADC AL,AL DAA RCL DX,0001H MOV SI,AL INC SI DEC BL JNZ GO DEC SI MOV SI,CX DEC SI MOV AL,SI DEC DI MOV DI,DX DEC SI DEC DI MOV DI,AL DEC DI DEC BH JNZ CHANGE RETCLEAR_E: MOV AX,0000H MOV ALLK_ALLP,AX MOV SI,OFFSET EK MOV BL,08H GOON: MOV SI,AX INC SI INC SI DEC BL JNZ GOON RETDELAY: PUSH CX MOV CX,1000HDEL1: PUSH AX POP AX LOOP DEL1 POP CX RETCONFIGENDPKEYCHECK PROCNEAR；检查是否有键按下子程序MOVAL,00HMOVDX,BX+2OUTDX,ALMOVDX,BXINAL,DXCMPAL,1FHRETKEYCHECKEDNPD10MSPROCNEAR；延时子程序PUSHCXWAIT1:MOVCX,2801WAIT2:LOOPWAIT2DECBXJNZWAIT1RETD10MSENDPCAUTION：MOVBX，OFFSET 8255PORT；提醒操作人员MOVDX，BX+1MOVAL，02HOUTDX，AL；提醒灯亮，鸣警报CODEENDSENDSTART六 验室模拟结果1.数字控制器计算G(Z)=Z(1-e-Ts)/s*2/(s(s+1) (串入零阶保持器)=(1-z-1)Z 2/(s2(s+1)=(1-z-1)*2z/(z-e-T)-2z(z-T-1)/(z-1)2 =（0.244-0.012z-1）/（1+0.39 z-1）（采样周期2秒）2.模拟台硬件连接图3.实验室模拟结果七 芯片资料1 8086CPU 内部结构封装及引脚总线周期2 定时计数器8253 内部结构 封装及引脚图3 可编程并行I/O接口芯片82C55A 内部结构 封装及引脚图4 LED数码管驱动芯片ICM7218A封装及引脚图5 420mA变送器XTR101 内部结构 封装及引脚图5. I/V转换器RCV420 内部结构 封装及引脚图6.A/D转换器ADC0809 内部结构 封装及引脚图7. OC门74LS06 内部结构 封装及引脚图七 计总结与扩展1 总结这次课程设计，遇到了很多方面的问题，在老师的辅导，同学的帮助下，很好的解决了这些问题。第一次把微机原理及接口与微型计算机控制技术两门课程综合起来，学会了很多新的东西。这些东西不仅仅只是知识方面的，也有能力方面的提高了自己查阅各种资料，分析和解决问题的能力以及一种实事求是的精神。这份设计的优点在于：SCR触发回路的设计，很大程度上减少了谐波对系统的干扰；变送器XTR101和I/V转换器RCV420的配合，可以使得最后的信号可远传；K型热电偶镍络-镍硅的选择，线性度好，使得测量结果精确。这份设计的缺点在于：虽然K型热电偶的线性度好，但由于测量点，数据处理方法的单一化，以及疏失误差的产生，会对结果产生不确定的影响；显示方面过于单一化；没有对SCR进行有效的保护；最小拍有波纹控制控制方案的粗糙性；系统正常工作保证性不强，在某些重要的生产场合可能造成停产的概率大。针对以上缺点，提出以下解决方案：2 扩展 针对测量点的单一化采用基于多传感器算术平均值与分批估计相结合的炉温测量方法对有限个温度传感器测量结果中剔除了疏失误差的一致性测量数据进行融合计算，就可以获得比有限个测量数据的算术平均值更可靠的测量结果，可以提高测量的准确性。详见参考资料9 针对显示的单一化采用无纸记录仪对参数进行动态显示，画面直观，生动，形象。适合于某些比较重要的工控场合。 针对SCR的保护可以在SCR回路加快融，以保护SCR。详见参考资料8，10。 针对控制方案的粗糙性可以采用Fuzzy+PID控制器结构，模糊控制响应速度快，过度时间短，鲁棒性好。当被控温区出现较大温差时，采用模糊控制以提高控制速度。当被控温区温度与实际温度相差较小时，切换PID控制。详见参考资料9 针对系统正常工作的可靠性可以采用冗余系统，配备两个8086CPU，并以相应的软件支持，当一个因以外停止时，另一个自动切换工作；也可以采用自动手动无扰动切换装置和看门狗电路，当系统出现以外故障时，看门狗重新启动系统。此时由自动到手动切换，正常时候，再切换到自动；还可以冗余指令，每当CPU受到干扰后，往往把操作数当作指令代码来执行，程序出现弹飞。为拟制弹飞，可以在程序中加入不可能把操作数当作指令代码来执行的两个字节的空操作指令。此种方法详见参考资料9九参考资料1. 潘新民，王燕芳编著.微型计算机控制技术.北京：高等教育出版社，20012. 谭浩强编著.C语言程序设计.北京：清华大学出版社，19993. 段承先编著.微型计算机原理及接口技术.北京：兵器工业出版社，20004. 黄国建，虞平良，曾芬芳编著.微型机算机应用技术.上海：上海交通大学出版社，19955. 杨振江，孙占彪，王曙梅，步线涛编著.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用.西安：西安电子科技大学出版社，20016. 王俊杰编著.检测技术与仪表.武汉：武汉理工大学出版社，20027. 孟华编著.工业过程检测与控制.北京：北京航空航天大学出版社，20028. 丁书文，黄训诚，胡启宙编著.变电站综合自动化原理及应用.北京：中国电力出版社，20039. 滕召胜，罗隆福，童调生编著.智能检测系统与数据融合.北京：机械工业出版社，200010. 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2001十. 详细电路原理图用Protel2000绘制28目录第一章 设计背景及设计意义 2第二章 系统方案设计 3第三章 硬件.53.1 温度检测和变送器53.2 温度控制电路63.3 A/D转换电路 73.4 报警电路 83.5 看门狗电路 83.6 显示电路 103.7 电源电路12第四章 软件设计 144.1 软件实现方法 144.2 总体程序流程图 154.3 程序清单 19第五章 设计感想 29第六章 参考文献30第七章 附录 317.1 硬件清单 317.2 硬件布线图 31第一章 设计背景及研究意义机械制造行业中，用于金属热处理的加热炉，需要消耗大量的电能，而且温度控制是纯滞后的一阶惯性环节。现有企业多采用常规仪表加接触器的断续控制，随着科技进步和生产的发展，这类设备对温度的控制要求越来越高，除控温精度外，对温度上升速度及下降速度也提出了可控要求，显而易见常规控制难于满足这些工艺要求。随着微电子技术及电力电子技术的发展，采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置控制加热炉已成为现实。自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。， 第二章 系统方案的设计这次课程设计题目为热电偶构成的热处理炉的温度控制系统， 技术要求：1.设定温度范围为0999 2.温度显示为0999 3.到设定温度报警热处理炉炉温控制系统的控制过程是：单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换芯片得到相应的数字量，经过计算机进行数据转换，得到应有的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。如下图所示：进行系统设计时应考虑如下问题：1.炉温变化规律的控制，即炉温按预定的温度时间关系变化。 2.温度控制范围：如01000，这就涉及到测温元件、电炉功率的选择等。3.控制精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律选择等。温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图1所示。被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器，其具体的电路图如图2所示。 调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期Tc内导通的电压周波。如图3所示，设周期Tc内导通的周期的波数为n，每个周波的周期为T，则调功器的输出功率为P=nTPn/Tc，Pn为设定周期Tc内电压全通过时装置的输出功率。第三章 硬件的设计3.1 温度检测和变送器 温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关。镍铬/镍铝热电偶适用于0-1000的温度检测范围，相应输出电压为0mV-41.32mV。 变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的0mV-41.32mV变换成4mA-20mA的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的4mA-20mA电流变换成0-5V的电压。为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如：若温度测量范围为500-1000，则热电偶输出为20.6mV-41.32mV，毫伏变送器零点迁移后输出4mA-20mA范围电流。这样，采用8位A/D转换器就可使量化温度达到1.96以内。其在控制系统的作用如下图所示：热处理炉 图1：温度检测电路3.2 温度控制电路8051对温度的控制是通过双向可控硅实现的。如图一所示，双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路。在给定周期T内，8051只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8051用软件在P2.1引脚上产生，在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅的控控制系统的制极上。图1：调温电路3.3 A/D转换电路ADC0809是一种比较典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100s左右，采用双排28引脚封装，其主要性能指标如下：1、分辨率为8位二进制数；2、电压范围在0+5V，对应A/D值00HFFH；3、每路A/D转换完成时间100ms;4、可分时进行8路A/D转换；5、工作频率500KHz（本电路由8051ALE端输出经4分频后得到）。引脚功能如下：IN0IN7：8路0+5V模拟电压输入（用IN0端）；DB7DB0：8位数字输出线，输出8位A/D转换值；STAST：启动A/D转换端；EOC：A/D转换完成端；OE：允许数字量输出信号；CLOCK：时钟500KHz；ADD A、B、C：IN0IN7地址选择线；ALE：地址锁存允许输入信号。A/D转换器0809与放大电路连接较简单，运放接成比例放大形式，放大倍数可调，总体A/D转换与8051接口电路如下：3.4 报警电路 报警电路的作用主要是在温度超过规定的温度或低于下限温度或达到预定温度时，报警子程序就会控制报警信号的输出，温度低与或高于规定的温度范围以及达到规定的温度时，音频装置就会发出不同频率的告警信号，同时相应的LED显示，到底是高了还是低了，以便与自动调节。报警电路如下图： 图1：报警电路3.5看门狗电路计算机看门狗控制卡是为了使计算机或工控机在系统出现异常时，能自动控制计算机进行重新启动，使系统恢复正常运行，保证系统24小时不间断正常工作。该控制卡可运用于无人职守的场所。像采用计算机作为存储设备的数字硬盘录像系统，公路卡口监控记录设备等。特点： 可固定在计算机内部并且不占用计算机任何插槽。 借电方便，可利用计算机本身的软驱电源接口。 通过计算机并口或者串口跟计算机通讯。 计算机操作系统发生死机后，30秒（时间可设置）内控制卡控制计算机重新启动。 控制卡内有信号灯，在正常工作时有频率稳定持续的灯光闪动。 提供开发控件，可启动看门狗功能、停止看门狗功能、设置串口还是并口。 有两种型号的控制卡，有自带RS232转485的功能的控制卡。现以MAX706监控电路为例（见图1）来说明“看门狗”硬件电路的工作过程，我们知道，MAX706是一种性能优良的低功耗CMOS监控电路芯片，其内部电路由上电复位、可重触发“看门狗”定时器及电压比较器等组成2。MAX706只要在1.6秒时间内检测到WCI引脚有高低电平跳变信号，则“看门狗”定时器清零并重新开始计时；若超出1.6秒后，WCI引脚仍无高低电平跳变信号，则“看门狗”定时器溢出，WDO引脚输出低电平，进而触发MR手动复位引脚，使MAC706复位，从而使“看门狗”定时器清零并重新开始计时，WDO引脚输出高电平，MAX706的RST复位输出引脚输出大约200毫秒宽度的低电平脉冲，使单片机控制系统可靠复位，重新投入正常运行。图1：看门狗电路3.6 显示电路 单片机与显示器的接口电路图图MC14495内部逻辑结构及引脚 图用MC14495组成多位LED静态显示器接口 程序：DIR: SETB RS0 ；保护第0组工作寄存器 PUSH A ；保护现场 MOV R2, #03H ；显示位数计数 MOV R1, #00H ；设位码初值，初态从LED7开始 MOV R0, #DIS7 ；显示缓冲区末地址送R0DIR0: MOV A, RO ；取待显示的数据 AND A, #07H ；屏蔽高3位，保留低4位BCD码 MOV R3, A ；暂存R3中 MOV A, R1 ；位选码值送A SWAP A ；位码交换到高4位 ADD A, R3 ；合并形成输出的BCD码和位选码 MOV P1,A ；输出到P1口 INC R1 ；位码加1指向下一位 DJNZ R2, DIR0 ；8个位未显示完重复 CLR RS0 ；显示完恢复第0组工作寄存器 POP A RET ；返回主程序 3.7 电源电路 本模块将交流 220V输入电压变为3组直流电压，其中5V电压为CPU等数字电路提供电源；15V电压为运放等模拟芯片提供电源；24V电压为温度变送器提供电源。 220v市电经变压器输出两组独立的25v交流，桥堆整流，大电容滤波得到 + 35v直流，再加一个0.1uF小电容滤出电源中的高频分量。考虑到制作过程中电源空载似的电容放电可在输出电容并上1k大功率电阻。另外这组直流还要给7812、7912来获得 + 12v。 电源模块如下图： 图1：5V直流稳压源电路图2： + 12V/24V直流稳压源的原理电路第四章 软件的设计4.1 软件实现方法根据热处理炉在上电复位后先处于停止加热状态，这时可以用“+1”键设定预置温度，显示器显示预定温度；温度设定好后就可以按启动键启动系统工作了。温度检测系统不断定时检测当前温度，并送往显示器显示，达到预定值后停止加热并显示当前温度；当温度下降到下限（比预定值低3）时再启动加热。这样不断重复上述过程，使温度保持在预定温度范围之内。启动后不能再修改预置温度，必须按复位/停止键回到停止加热状态再重新设定预置温度。炉温控制是这样一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。按照偏差的比例、积分和微分产生控制作用（PID控制），是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。首先使T0计数器产生定时中断，作为本系统的采样周期。在中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波、上下限报警处理，PID计算，然后输出控制脉冲信号。脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定。在等待T1中断时，将本次采样值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序并且、继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。1)二位式调节-它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开；当炉温高于给定值时执行器全闭。（执行器一般选用接触器）2）三位式调节-它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时招待器全开；当炉温在上、下限给定值之间时执行器部分开启；当炉温超过上限给定值时执行器全闭。3）比例调节（P调节）-调节器的输出信号（M）和偏差输入（e）成比例。即：M=ke。式中：K-比例系数比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在-对应的比例关系，因此炉温变化经比例调节达到平衡时，炉温不能加复到给定值时的偏差-称“静差”4）比例积分（PI）调节-为了“静差”，在比例调节中添加积分（I）调节积分，调节是指调节器的输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，直到偏差消除才无输出信号，故能消除“静差”比例调节和积分调节的组合称为比例积分调节.5) 比例积分微分（PID）调节-比例积分调节会使调节过程增长，温度的波动幅值增大，为此再引入微分（D）调节。微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在温度有变化“苗头”时就有调节信号输出，变化速度越快、输出信号越强，故能加快调节速度，降低温度波动幅度，比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。（一般采用晶闸管调节器为执行器）。根据生产现场的运行情况，这种控温方法，精度比较高，系统性能稳定，满足生产的实际需要。主要设备:热电偶或热电阻,智能PID温控仪,可控硅触发调功器等。4.2 总体程序流程图温度控制程序的设计应考虑如下：1）键盘扫描、键码识别和温度显示；2）炉温采样、数字滤波；3）数据处理；4）越限报警和处理；5）PID计算、温度标度转换4.2.1主程序框图主程序包括8051本身的初始化等等。大体说来，本程序包括设置有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、T0初始化、CPU开中断、温度显示和键盘扫描程序 主程序在主程序中首先给定PID算法的参数值,然后通过循环显示当前温度,并且设定键盘外部中断为最高优先级,以便能实时响应键盘处理;软件设定定时器T0为5秒定时,在无键盘响应时每隔5秒响应一次,以用来采集经过AD转换的温度信号;设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断,初值由PID算法子程序提供。在主程序中必须分配好每一部分子程序的起始地址,形式如下： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INTO ORG 000BH AJMP TT0 ORG 001BH AJMP TT1 4.2.2中断服务程序框图T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动数/模转换器、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、PID计算和输出可控硅的触发脉冲等。P1.3引脚上输出的该同步触发脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，8051利用等待T1溢出中断的空闲时间（形成P1.3输出脉冲顶宽）完成把本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序。8051从T1中断服务程序返回后即可恢复现场和返回主程序。系统软件采用中断方式编程，主要部分是时钟中断程序，主要由输入处理程序、控制算法程序、显示处理、输出处理和自诊断程序等组成，其流程图如图2所示。仪表通电启动后，初始化程序进行时间给定，每隔500ms时钟中断一次，中断后进入时钟中断处理。对于纯滞后，大惯性环节控制对象，一般采用积分分离PID控制算法。在一般的PID控制中，当系统有较大的扰动或设定值较大幅度提降时，由于偏差较大及系统存在惯性和滞后，在积分项的作用下，会产生较大的超调和长时间波动，在温度缓慢变化过程中这一现象尤为严重，为此采用积分分离措施，即在偏差较大时，取消积分作用，偏差较小时，才将积分作用投入。中断服务程序框图 4.3 程序清单4.3.1 报警电路子程序1.子程序框图 2.报警子程序： FLAGBIT 00HORG 00HSTART:JB P1.7,STARTJNB FLAG,NEXTMOV R2,#200DV:CPL P2.2LCALL DELY500LCALL DELY500DJNZ R2,DVCPL FLAGNEXT:MOV R2,#200DV1:CPL P1.0LCALL DELY500DJNZ R2,DV1CPL FLAGSJMP STARTDELY500: MOV R7,#250LOOP: NOP DJNZ R7,LOOP RET END4.3.2 键盘显示管理程序。为了使8279具有合适的键盘、显示功能，首先要对芯片初始化。可适当地挑选8279的控制字，例如：使8279具有8位显示、右端输入、编码键盘、双键锁定时可选控制字10H.这时每次按键都将产生键特征码，并且存放在FIFOROM中，同时使8279的IRQ引脚变为高电平，可作为向CPU申请中断信号，如果CPU是中断开放的，则转向中断服务程序，可在中断服务程序中读取特征码。每当CPU读取FIFOROM中的数据后，8279自动撤消IRQ信号，IRQ引脚变为低电平。CPU返回主程序后，可由键特征码来决定程序的流向。问题是，当CPU从8279的FIFOROM中读取键特征码后，IRQ虽然恢复底电平，但FIFOROM中的数据并没有消失，仍保存在里面，这时即使使用对改8279清除的指令D3H，也不能将FIFOROM中的数改变，只有按其它键才能改变FIFOROM中的数据，因这样是无法实现按钮功能的。为了使键盘具有按钮功能，应该利用8279的传感方式功能，在传感器方式中，8279每当检测到传感状态变化时，IRQ就变为高电平，图1是以8051CPU构成的系统为例，说明IRQ引脚电平的翻新过程。 8279的IRQ端经反相器接到8051的INT1端(即P3.3引脚)。先将8279设置成编码键盘，允许INT1中断，当键按下时，反相器输出低电平，CPU进入中断服务程序，读取键特征码后，又为高电平。返回主程序后，转向功能程序（例如调模进）。输出控制信号（例如P1.0为“1”时调模进电磁阀得电）后，将8279设置为传感器方式，并且不允许INT1中断，然后调试P3.3是否为低电平。如果按键松开，8279将测出传感器状态发生变化，而使IRQ由低电平转为高电平。也就是说P3.3脚为低电平时，按键已经松开，程序重新设置8279为编码键盘，INT1中断开放，以便使键盘脱离按钮功能。程序清单如下：ORG 0000H MOV DPTR,#7000H ; 指向8279数据口 INC DPTR ; 指向8279控制口 MOV A, #00H ; 设定8279工作方式 M0VX DPTR,A MOV A , #0GFH ; 清除8279内部显示RAM状态 MOVX DPTR, A MOV A , #22H MOVX DPTR , A ; 设定8279分频系数 LOOP:MOVX A , DPTR JB ACC.7 , LOOP ; 显示RAM清除完毕吗? MOV A , 80H ; 指向第一位数码管 MOVX DPTR , A MOV A , 9FH ; 输出1一个字形 MOV DPTR ,#7000H MOVX DPTR , A INC DPTR LOOP1:M0VX A , DPTR AND A , #07H CJNE A , #00H,L00P2 AJMP LOOP1 ; 无键按下转 LOOP2:MOV DPTR ,#7000H MOVX A , DPTR; 有键按下将键值送累加器A 键值,由8279的行扫描信号(SL0-SL3)与列信号(RL0-RL4)组成,不同组合的矩阵将得到不同键,但 在同一矩阵中不会有相同的键值,这对初学者编制键显示程序大为方便.下表是通用键盘板键值: 名称 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 键值 C1 C8 C9 D0 D8 E0 C2 CA D1 D9 名称 状态切换 清除 键值 DA C3 4.3.2.1判定有无闭合键的子程序： 判定有无闭合键的子程序为KSI，供在键盘扫描程序中调 用。程序如下： KSI：MOVDPTR，#0FDF9H；A口地址MOVA， #00HMOVXDPTR，A；A口送00HINCDPTRINCDPTR；C口地址MOVXA，DPTR；读C口CPLA ANLA，#0FH；屏蔽高四位RET4.3.2.2键盘扫描程序 如前所述，在单片机应用系统中常常是键盘和显示器同时存在，因此可以把键盘扫描程序和显示程序配合起来使用，即：把显示程序作为键扫描程序的延时子程序。这样做既省去了一个专门的延时子程序，又能保证显示器常亮的可观效果。 假定本系统中显示程序为DIR，执行时间约为6ms。键盘扫描程序如下： KEY1：ACALL KSI；检查是否有键闭合JNZ LK1；A非“0”则转移ACALL DIR；显示一次（“延时6s）AJMP KEY1LK1： ACALL DIR； 有键闭合二次延时ACALL DIR； 共12ms去抖动ACALL KSI； 再检查是否有键闭合JNZ LK2； 有键闭合转移到LK2ACALL DIRAJMP KEY； 无键闭合，延时6ms后转KEY1LK2： MOV R，#0FEH； 扫描初值送R2MOV R，#00H； 扫描列号送R4LK4： MOV DPTR，#0101H； A口地址MOV A，R MOVX DPTR，A； 扫描初值送A口INC DPTR INC DPTR； C口地址MOVX A，DPTR； 读C口JB ACC.0， LONE；ACC.0=1，第0行无键闭合，转LONEMOV A，#00H； 装第0行值AJMP LKPLONE： JB ACC.1 LTWO；ACC.1=1，第1行无键闭合，转LTWOMOV A，#08H； 装第1行值AJM PLKPLTWO： JB ACC.2，LTHR；ACC.2=1，第2行无键闭合，转LTHRMOV A#10HAJMP LKPLTHR： JB ACC.3，NEXT；ACC.3=1，第3行无键闭合，转NEXT MOV A，#18H； 装第3行值LKP： ADD A，R； 计算键码PUSH ACC； 保护键码LK3： ACALL DIR； 延时6msACALL KSI； 检查是否继续闭合，若闭合再延时JNZ LK3POP ACC； 若键起，则键码送ARETNEXT： INC R； 扫描列号加1MOV A，RJNB ACC.7，KND；若第7位=0，已扫完最高列则转KNDRL AMOV R，AAJMP LK4； 进行下一行扫描KND： AJMP KEY1； 扫描完毕，开始新一轮4.3.3 A/D转换程序(1)A/D转换子程序。 PUSH A SETB EA； 开中断SETB IT1； 外中断1定义为跳变触发MOV DPTR，#0BFFFH； 送ADC0809口地址MOV A，#00H； 选通IN0通道MOVX DPTR,A; 启动A/D转换NOPNOPNOPNOPNOPSETB EX1; 开外中断1POP ARET（2）A/D转换结束中断程序。ADINT1： PUSH PSW ； 保护现场PUSHAPUSH DPH PUSHDPL MOVDPTR，#0BFFFH MOVX A，DPTR; 读A/D转换结果MOV 60H，A； 送入内部RAM60H中 MOV A，#00H； 再次启动IN0通道 MOVX DPTR,A POP DPL; 恢复现场 POPA POPPSW RET14.3.4温度检测子程序A/D转换采用查询方式。为提高数据采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波。数字滤波的算法很多，这里采用4次采样取平均值的方法。如前所述，本系统A/D转换结果乘2正好是温度值，因此，4次采样的数字量之和除以2就是检测的当前温度。检测结果高位存入50H，低位存入51H。温度检测子程序流程图如图1所示。 图1：温度检测子程序流程图温度检测子程序TIN：TIN： MOV TEMP1，#00H； 清检测温度缓冲区 MOV TEMP0，#00H MOV R2，#04H； 取样次数送R2 MOV DPTR，#7FF8H； 指向A/D转换器0通道 LTIN1：MOVX DPTR，A； 启动转换HERE：JNB IE1，HERE； 等待转换结束 MOVX A，DPTR； 读转换结果ADDA，TEMP0; 累加（双字节加法）MOVTEMP0，AMOVA，#00HADDCA，TEMP1MOVTEMP1，ADJNZR2，LTIN1； 4次采样完否，未完继续CLR C； 累加结果除2(双字节除法)MOVA，TEMP1 RRCAMOV TEMP1，AMOV A，TEMP0 RRC AMOV TEMP0，ARET4.3.5 温度控制子程序将当前温度与预置温度比较，当前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通电阻丝加热；当前温度大于预置温度时，继电器断开，停止加热；当二者相等时电炉保持原来状态；当前温度降低到比预置温度低5时，再重新启动加热；当前温度超出报警上下限时将启动报警，并停止加热。由于电炉开始加热时，当前温度可能低于报警下限，为了防止误报，在未达到预置温度时，不允许报警，为此设置了报警允许标志F0。模块流程见图2。 温度控制流程图温度控制子程序CONT： CONT：MOV A，TEMP0； 当前温度-预置温度（双字节减） CLR C SUBB A，ST0 MOV B，A； 低8位相减的差值暂存B MOV A，TEMP1 SUBB A，ST1JN
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