电炉炉温控制系统设计开题报告.doc

电炉炉温控制系统设计开题报告一、课题的开发背景与需求分析随着现代科学技术的迅猛发展，各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等的要求越来越高，控制系统也千变万化。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等等。随着电炉广泛应用于各行各业， 其温度控制通常采用模拟或数字调节仪表进行调节，但存在着某些固有的缺点。而采用单片机进行炉温控制，不仅可以大大地提高控制质量和自动化水平，而且具有良好的经济效益和推广价值。本设计以AT89C51单片机为核心控制器件，以MAX6675作为A/D转换器件，采用闭环直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度，最终设计了一个满足要求的电炉微型计算机温度控制系统。二、调研分析经过开题期间的文献查阅和实际情况调研，了解到在电炉炉温控制过程中主要应用AT89C51、MAX6675、LED显示器、LM324比较器等等，而主要是通过K型（镍铬镍硅）热电偶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。三、关键技术与解决方案1、温度传感器的选取 目前市场上温度传感器较多，主要有以下几种方案： 方案一：选用铂电阻温度传感器。此类温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好,但其成本较高。 方案二：采用热敏电阻。选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。 方案三：采用K型（镍铬镍硅）热电偶。其可测量1312以内的温度，其线性度较好，而且价格便宜。K型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU通信。传统的温度检测电路采用“传感器滤波器放大器冷端补偿线性化处理A/D转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。在本系统中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势温度”的转换，不需外围电路、I/O接线简单、精度高、成本低。MAX6675是MAXIM公司开发的K型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器等，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量，分辨率0.25，工作电压为3.05.5V。温度数据通过SPI端口输出给单片机,其冷端补偿的范围是-2080,测量范围是01023.75。表1 MAX6675的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6片选信号7SO数据串行输出口8NC悬空不用当MAX6675的CS引脚从高电平变为低电平时, MAX6675 将停止任何信号的转换并在时钟SCK的作用下向外输出已转化的数据。相反,当CS从低电平变回高电平时, MAX6675将进行新的转换。在CS 引脚从高电平变为低电平时, 第一个字节D15 将出现在引脚SO。一个完整的数据读过程需要16个时钟周期,数据的读取通常在SCK的下降沿进行。MAX6675的输出数据为16位,其中D15 始终无用, D14D3对应于热电偶模拟输入电压的数字转换量, D2用于检测热电偶是否断线(D2为1表明热电偶断开) , D1 为MAX6675 的标识符, D0 为三态。需要指出的是:在以往的热电偶电路设计中,往往需要专门的断线检测电路, 而MAX6675 已将断线检测电路集成于片内,从而简化了电路设计。D14D3 为12 位数据,其最小值为0 ,对应的温度值为0 ; 最大值为4095 , 对应的温度值为1023.75 ; 由于MAX6675 内部经过了激光修正, 因此, 其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为:温度值= 1023.75 转换后的数字量/ 4095。由于MAX6675 的数据输出为3 位串行接口, 因此只需占用微处理器的3 个I/ O 口。图2 是以89C51系列单片机为例给出的系统连接图。使用时, 可用软件模拟同步串行读取过程。图中串行外界时钟由微处理器的P1.3 提供,片选信号由P1.2 提供,转换数据由P1. 1 读取。热电偶的模拟信号由T+ 和T-端输入,其中T- 需接地。MAX6675 的转换结果将在SCK的控制下连续输出，如图1所示。图1 温度检测电路比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此选用方案三。2、键盘显示部分控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。 方案一：采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成，可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED的显示信号，并对LED显示控制。用8279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。方案二：采用单片机AT89C52与4X4矩阵组成控制和扫描系统，并用89C52的P1口对键盘进行扫描，并用总线的方式在P0口接1602液晶来显示炉温和设定值，这种方案既能很好的控制键盘及显示，又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。 对比两种方案可知，方案一虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计的成本和电路整体的性能，我们采用方案二。3、控制电路部分方案一：采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。方案二：采用2051芯片，其内部有2KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用。方案三：采用AT89C52单片机，其内部有4KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。比较这三种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案三。4、报警部分当电炉温度高于上限温度时，报警系统报警。显示部分可实时显示电炉的炉温值。多功能控制按键，通过软件控制实现按键的多功能操作，可以完成设定温度基准值和报警取消等功能。5、PID过程控制部分（1）过程控制的基本概念过程控制对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。 1）模拟控制系统图2 基本模拟反馈控制回路 被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。 控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。2）、微机过程控制系统 图3 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。3）数字控制系统DDC图4 DDC系统构成框图 DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。 DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。 4）模拟PID控制系统组成图5 模拟PID控制系统原理框图PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 A、PID调节器的微分方程 式中 B、PID调节器的传输函数 5）PID调节器各校正环节的作用 A、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。 B、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 C、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号。（1） 数字PID控制器1）模拟PID控制规律的离散化表2 模拟PID控制规律模拟形式离散化形式2）数字PID控制器的差分方程式中 称为比例项 称为积分项 称为微分项四、系统完成的功能该系统的被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器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。可控硅控制器输入为05伏时对应电炉温度0500，温度传感器测量值对应也为05伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶惯性系统，这里惯性时间常数取T130秒，滞后时间常数取10秒。该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定，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，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，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控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示。在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，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，使调节品质下降。五、系统模块设计1、系统硬件设计框图与元器件选择电炉炉温控制系统的硬件选用MCS51系列89C51作为主控中心。为实现对系统的处理，将温度传感器采集得到的值，与通过键盘设置的上限及下限值进行比较，系统根据比较结果进行相应的控制操作。并选用89C52芯片实现键/显的功能，将结果送到LED显示。硬件框图见图6所示：电阻炉传感器温度检测电路AT89C51单片机键盘温度控制 蜂鸣器显示图6 电炉炉温控制系统硬件框图在考虑性能/价格比的前提下,在本次设计中我选择最容易实现产品的指标的几种仿真器件如下：（1）主机：一台奔腾4 PC机，伟福仿真器；（2）主控芯片：MCS-51系列中的89C51芯片；（3）温度传感器：用K型（镍铬镍硅）热电偶组成一个温度检测电路；（4）编辑键/显：一片AT89C52芯片；LED数码管；（5）报警器：1个蜂鸣报警器。2、系统软件功能模块设计图利用层次图来表示系统中各模块之间的关系。层次方框图是用树形结构的一系列多层次的矩形框描绘数据的层次结构。树形结构的顶层是一个单独的矩形框，它代表完整的数据结构，下面的各层矩形框代表各个数据的子集，最底层的各个矩形框代表组成这个数据的实际数据元素（不能再分割的元素）。随着结构的精细化，层次方框图对数据结构也描绘得越来越详细，这种模式非常适合于需求分析阶段的需要。从对顶层信息的分类开始，沿着图中每条路径反复细化，直到确定了数据结构的全部细节为止。本系统一共分为键盘显示、数据采集、蜂鸣器报警报警、温度控制和仿真电炉五大模块，每个模块之间虽然在表面上是相互独立的，但是在对数据库的访问上是紧密相连的。每个模块的功能都是按照在调研中搜集的资料进行编排制作的。系统功能模块图，如图7所示：电炉炉温控制系统报警模块数据采集模块仿真电炉模块温度控制模块键盘显示模块图7 系统功能模块图流程图如图8所示：键盘输入及目标炉温设置开始系统初始化设置炉温测量与显示炉温等于下限温度?炉温等于上限温度?PID算法控制炉温加热全速加热等于目标温度且稳定时间到?YN停止加热YN炉温测定并显示结束YN图8 总体流程图六、进度安排本课题的进度安排如表3所示。表3 进度安排表序号名称周数起止时间备注1需求分析1周2010.09.272010.10.012方案论证1周2010.10.042010.10.083硬件设计2周2010.10.112010.10.224软件编码与调试4周2010.10.252010.11.195总体联调2周2010.11.222010.12.036撰写论文3周2010.12.062010.12.24七、设备保障已经具备下列设备保障毕业设计的顺利开展：软件条件：开发工具AEDK-T598D；伟福6000；Protel99SE；硬件条件：电脑一台；AEDK试验平台；伟福仿真器；示波器；万用表；焊接工具等。参考文献1于海生.计算机控制技术M.北京：机械工业出版社,2007.2范立南.单片微型计算机控制系统设计M.北京：人民邮电出版社，2004.3潘新民.微型计算机控制技术M.北京：电子工业出版社,2003.4谢剑英.微型计算机控制技术M.北京：国防工业出版社,1998.5黄一夫.微型计算机控制技术M.北京