单片机智能温度控制系统.doc

电阻炉温控制系统1.系统的组成及工作原理 电阻炉温度控制系统主要由8031单片机、数据采集电路、功率控制电路、键盘与显示电路、报警电路、存储电路、复位电路及控制软件等组成。其系统结构框图如图1所示。图1 系统结构框图 系统的控制过程是这样的:单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换得到相应的数字量，送往单片机进行判断和运算，获得相应的控制量，依此改变在一个给定周期中电阻丝的加热时间，实现对电阻炉加热功率和温度的实时控制。系统设计时应考虑如下问题: (1)炉温变化控制规律，即炉温按预定的温度时间关系变化，这主要在控制程序设计中考虑。(2)温度控制范围，如0 1000，这就涉及到测量元件，电炉功率等的选择。 (3)控制精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律的选择等。2.系统的控制回路设计 电阻炉温度控制采用单回路控制进行调节。对系统而言，单回路控制是一种有效的控制方法，它的结构框图如图2所示。 本系统单回路温度控制的原理:温度控制系统用热电偶检测电阻炉内的温度，PID控制器根据温度给定值和温度测量值的偏差，经过运算和处理来相应的调节控制量电阻丝的加热时间T，从而达到温度控制的目的。 图2 单回路控制系统图3.系统硬件电路设计1.MCS51单片机 在此系统中，数字控制模块的核心部分是中央处理单元CPU，它是单片机8031。从应用的角度看，它有以下优点: （1）集成度高。芯片内部含有128字节的RAM，4个并行的8位I/0口，一个全双工的串行口，两个16位定时/计数器，两种优先级的五个中断源的中断结构，64KB的程序存储器地址空间和64KB的数据存储器的地址空间。 （2）运行速度快，处理能力强。8031指令系统含有大量的算术运算、布尔运算和逻辑判断、传送指令，并有丰富的位操作功能。在采用12MHZ晶振频率时，执行一条乘法指令仅需4微秒，这个速度足以满足工业过程控制系统的要求。（3）可扩充性能好，寻址范围大。为其扩展一片2764如图3所示，2764是8K字节的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns，28脚双列直插式封装。A0A12为13根地址线，可寻址8K字节；O0O7为数据输出线；为片选线；为数据输出选通线；为编程脉冲输入端；VPP是编程电源；VCC是主电源。图3 扩展一片27643. 2温度数据采集电路 温度检测元件及变送器的选择要考虑温度控制范围的精度要求。对于01000的测量范围采用热电偶，如镍铬镍铝热电偶分度号EU，其输出信号为041. 32mv。经毫伏变送器，输出010mA的电流信号，然后在经过电流一电压变换电路转化为05V电压信号。为了提高测量精度，可将变送器进行零点迁移，例如温度测量范围是400 1000，热电偶输出16. 441. 32，时，使变送器输出010mv。这样使用8位A/D转换器，能使量化误差达到，已满足测量精度。所以在选择8位A/D转换器时，可以用较为常见的ADC0809芯片。 ADC0809与单片机8031的接口采用查询方式，接口电路如图4所示。由于ADC0809片内无时钟，可利用8031提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE端的频率是单片机频率的1/6。 ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。地址译码引脚A，B，C分别与地址总线的低三位A0, Al, A2相连，以选通工INOIN7中的一个通道。将P2.2作为选通信号，当P2.2=0时，选中ADC0809(允许启动各通道转换与读取相应的转换结果)。转换结束信号EOC经倒相后接至单片机的外部中断（P3.3）。当P3. 3=0时，说明转换结束。我们选用0通道作为输入。因而可以把0809视为一个地址为03F8H的外部数据存储单元。当其写数据时，8031的写信号使ALE和START有效，将74LS373锁存的地址低3位存入0809，并启动ADC。当EOC为低电平时，说明A/D转换正在进行，当EOC变成高电平(即P3.3=0时)，表示转换结束，8031可以读入转换好的数据。图4 ADC0809与单片机8031的连接图3.2 数模转换 DAC0832 温度采集系统采集回来的数据与给定的数据相比较后，得出差值，系统给出一定的补偿，经DAC0832转换成模拟量控制对象工作，如图5所示： 图5 DAC0832与单片机8031的连接图如图所示为单缓冲方式，0832的口地址为BFFFH，8031中数据送到DAC0832中的程序为：MOV DPTR ,#BFFFHMOV A,#DATAMOVX DPTR,A3. 4. 2利用8155芯片实现键盘/显示器接口 图5是8031单片机用扩展I/0接口芯片8155实现的8位LED显示和32键的键盘/显示器接口电路。在图中，8031单片机PO口输出的低8位地址不需要另加锁存器而直接与8155的ADOAD7相连，既作低8位地址总线又作数据总线，地址锁存直接用ALE在8155锁存。图5 用8155构成的键盘显示器电路RAM单元地址: 7E00H7EFFH命令/状态口: 7F00HPA口: 7F01HPB口: 7F02HPC口: 7F03H定时器低8位: 7F04H定时器高6位: 7F05H显示子程序清单如下:DIR: MOV R0 , #79H MOV R3, #01H MOV A, R3 LDO: MOV DPTR, #7F01H MOVX DPTR, A INC DPTR MOV A, R0 ADD A,#0DH MOVC A,A+PCDIRI: MOVX DPTR, A ACALL DL1MS INC R0 MOV A, R3 JB ACC. 5, LD1 RL A MOV R3, A AJMP LD0 LDI: RETDSEG: DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H, 6DH DB 7DH, 07H, 7FH, 6FH, 77H, 7CH DB 39H, SEH, 79H, 71H, 73H, 3EH DB 31H, 6EH, 76H, 38H,00HDLIMS: MOV R7,#02HDL: MOV R6,#0FFHDL6: DJNZ R6,#0FFH DJNZ R7, DL RET键输入子程序清单如下:KEYI: ACALL KS1 JNZ KSINI: ACALL DIR AJMP KEYIJK1: ACALL DIR ACALL DIR ACALL KS1 JNZ LK2 ACALL DIR AJMP KEYILK2: MOV R2,#0FEH MOV R4,#00HLK4: MOV DPTR,#7F01H MOV A, R2 MOVX DPTR,A INC DPTR INC DPTR MOVX A, DPTR JB ACC. 0, LONEMOV A, #00HAJMP LKPLONE: JB ACC. 1, LTWO MOV A, #08H AJMP LKPLTWO: JB ACC. 2, LTHR MOV A, #10H JMP LKPLTHR: JB ACC.3,NEXT MOV A, #18HLKP: ADD A, R4 PUSH ALK3: ACALL DIR ACALL KS1 JNZ LK3 POP A RETNEXT: INC R4 MOV A, R2 JNB ACC. 7, KND RL A MOV R2, A JMP LK4KND: AJMP KEYIKS1: MOV DPTR,#7F01HMOV A,#OOHMOVX DPTR,AINC DPTRINC DPTRMOVX A,DPTRCPL AANL A, #OFHRET3.5 8255电路扩展8255A是可编程并行口器件,有PA0PA7、PB0PB7、PC0PC7共24条静态口线。3个口皆为锁存/缓冲寄存器,A口、B口有锁存功能,C口无锁存功能。4系统的控制规律 PID调节是连续系统中技术最成熟，应用最为广泛的一种调节方式。它的控制结构简单，参数易于调整，在长期积累中已积累了丰富的经验。特别在工业控制中，由于被控对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析要耗费很大代价，却不能得到预期的效果。所以，人们经常采用PID调节器，并根据经验进行在线整定。即用实验和分析的方法来确定数字PID调节器的参数，得到满意的控制效果，因此，无论模拟调节器还是数字调节器大都采用PID控制。 在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，不仅可以采用常规的PID调节，而且可以采用各种PID的变种。如PI、PD控制，不完全微分控制，积分分离式PID控制，带死区的PID控制，变速积分PID控制，比例PID控制等等。PID调节的实质就是把给定值与实际输出值相减，得到控制偏差，偏差值经比例、积分、微分运算后通过线性组合构成控制量，然后对被控对象进行控制。虽然计算机控制是离散的，但对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化。因此，用数字P功完全可以代替模拟调节器，而且可以得到比较满意的效果。所以，用数字方式模拟PID调节器仍是目前应用比较广的方法之一，本系统也采用PID调节器进行控制。 在数字控制系统中，参数的整定是十分重要的，调节系统中参数整定的好坏直接影响调节品质。但是，常规PID调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，步骤繁琐复杂，既耗时又耗力，而且当对象特性变化时，又要重新进行整定，并且在现代工业控制过程中，许多被控对象机理复杂，具有多输入多输出的强祸合性、参数时变性、严重的非线性特性、滞后性等特点。在这种情况下，采用常规PID调节器，三个参数的整定比较困难，为此本系统采用归一参数整定法，即只整定一个参数，这样减少了许多工作量，提高了工作效率，为实现简易的自整定控制带来方便 已知增量型PID控制的公式为: 因此，该PID算法只需整定一个参数Kp。改变Kp，观察控制效果，直到满意为止。由于电阻炉一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象，所以算法中的选择取决于电阻炉的阶跃响应特性和实际经验。从上面推得的计算公式可知，计算机需要进行四则运算，因为参与运算的数可能是小数、整数、混合数，还可能有负数，必须变成计算机易于处理的形式。 下面对整数的处理加以说明: （1）把所有的数都变成定点纯小数进行处理。 （2）算式中的各项有正有负，以最高位作为符号位，最高位为0表示正数，为1表示负数，正、负数都用补码表示，最后的计算结果以原码输出。（3）双精度运算，为了保证运算精度把单字节8位的输入采样值Y(i)和给定值Y最大和Y最小二都变成双字节16位进行运算最后将运算结果取成8位有效值输出。5系统的软件设计 系统的软件设计和硬件设计是进行应用系统总体设计的两个重要组成部分。为了可靠地实现系统的控制功能，达到预期的控制效果，在系统设计中一定要把软件设计和硬件设计统一考虑，相结合进行。 本系统的软件设计包括管理程序和控制程序设计两个部分。管理程序的主要功能处理键盘的扫描和响应，控制LED的动态显示，控制声光报警电路和显示系统工作状态的指示灯，进行掉电保护处理及复位操作等;控制程序是对被控对象进行采样、数据处理，调用控制算法进行计算并输出相应的控制量等。由于整个系统软件相当大，为了便于编写、调试、修改，并使设计的软件总体结构合理，在进行程序设计时采用了以下几个措施: (1)根据软件功能的要求，将系统软件分成若干个相对独立的部分。各 功能程序实现模块化，在各模块间通过软件接口连接，原则是模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散。 (2)编写软件前，绘制出相应的程序流程图，这不仅是程序设计的一个重要组成部分，而且是决定程序设计成败的关键部分。 （3）合理分配系统资源，包括Flash RAM，定时/计数器，中断源等。并列出了相关参数内部RAM分配表。 (4)为了提高程序的可读性，在程序的有关位置进行功能注释。5. 1系统的主程序设计 整个系统的程序主要包括主程序和两个中断服务子程序，主程序主要完成了系统的初始化功能(包括对8155芯片、定时器的设置，清显示缓冲区及暂存单元)，并调用键入子程序、显示子程序、对采样来的温度进行实时显示，同时等待TO中断的产生。系统的主程序流程图如图25所示，根据图25编写的主程序清单如下: ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP T0 ORG 001BH AJMP T1 ORG 0100HMAIN: MOV SP,#50H MOV DPTR,#0FD00H MOV A, #03H MOVX DPTR,A CLR 5EH CLR 5FH CLR A MOV 2FH, A MOV 30H, A MOV 3BH, A MOV 3CH, A MOV 3DH, A MOV 3EH, A MOV 44H, A MOV 79H, A MOV 7AH, A MOV 7BH, A MOV 7CH, A MOV 7DH, A MOV 7EH, A MOV TMOD, #56H MOV TL0, #06H MOV TH0, #06H CLR PT0 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA ACALL KEYILOOP: ACALL DIR AJMP LOOP5. 4采样子程序 在采用中值滤波算法进行数字滤波时，需要对炉温进行连续三次采样，并把采样值分别放入2CH, 2DH, 2EH中。要完成采样功能就必须在数据采集电路的基础上设计采样子程序。采样子程序清单如下:SAMP: MOV R0,#2CH MOV RI,#03HSAM1: MOV DPTR, #03F8H MOVX DPTR,A MOV R2,#20HDLY: DJNZ R2,DLYHERE: JB P3. 3, HERE MOVX A,DPTR MOV SR0, A INC R0 DJNZ R1,SAM1 RET5.5 PID程序 PID数字调节器的功能主要是通过PID程序实现地。本系统采用增量式PID算法，其流程图为：图7 增量式PID算法流程图6计算机仿真 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。通过观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各调节参数(Kp, Ti, Td)对系统响应的影响，进行反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。 PID控制器各参数的作用为：(I)比例环节影响系统的响应速度. 如果系统响应慢，就应放大比例环节;反之，就应减小比例环节。(2)积分环节影响系统的稳态误差，增大积分时间常数Ti，有利于减小超调，提高系统稳定性，但系统稳态误差的消除将随之变慢。(3)微分环节影响系统的动态响应，增大微分时间常数Td可以加速系统的响应，使超调量减小，增加