微机控制课程设计报告书DOC

1、中原工学院信息商务学院越）中凉工学liBlSW院微机控制课程设计报告书班级：自动化112学号：姓名完成日期：14年5月18、课程设计功能描述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

2、提高控制质量和自动化水平。在本控制对象电阻加热炉功率为 800W，由220V交流电供电，采用双向 可控硅进行控制。本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围 50350C,保温阶段温度控制精度为正负1度。选择合适的传感器，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。其对象为温控数学模型为：KdeYG（S）"Td=350 秒Kd=50其中：时间常数放大系数滞后时间T=10秒 控制算法选用改PID控制二、课程设计分析设计2.1课程设计目的:大学本科学生动手能力的培养和提高是大学本科教育的一个重要内容。如何让学生在学好基础知识的同时，迅速掌握应用技术，实验与

3、课程设计环节起 着非常重要的作用。本课程设计的目的，是让自动化专业学生通过课程设计， 首先熟悉认识微机控制的理论基础，根据实际的系统设计要求，掌握初步微机 控制系统的设计方法，从硬件系统和软件系统设计两个方面得到实际的提高， 为今后的毕业设计打下良好的基础。2.2课程设计基本要求:1、运用微机控制理论，根据设计要求设计微机控制系统控制结构方框图， 绘制微机控制系统主电路图、控制电路图，编制系统程序流程图、根据系统程 序流程图编制C语言程序。2、课程设计应由学生本人独立完成完成，严禁抄袭（对自己的设计不熟悉，读不懂设计中的关键功能部分， 对设计的结构不清楚，对设计的功能不了 解等），一经验收教师

4、认定其抄袭行为，成绩即为不及格。3、认真编写课程设计报告。2.3课程设计题目安排:设计电阻炉温度控制系统，加热炉功率为800W，要求控制温度范围50350C,保温阶段温度控制精度为正负1度。选择合适的传感器，计算机输 出信号经转换后通过双向晶闸管控制器控制加热电阻两端的电压 .1、设计主电路。2、设计控制电路。3、绘制主程序流程图，设计主程序。4、设计温度采集子程序。5、编制 PID 程序。6、编制显示子程序。三、控制方案总述3.1 方案设计根据设计任务的要求，采用 80C51 单片机系统组成的数字控制器代替常 规模拟调节器。整个系统在规定的采样时刻经过 A/D 转换采集由温度传感器 ADC0

5、809 反馈回来的温度反馈测量值，并和给定值进行比较，将经过控制运 算后的控制量输出给执行元件控制电阻丝的加热过程。 这样的系统属于直接数 字控制( Direct Digital Control ，DDC )系统。直接数字控制系统中的 80C51 单片机取代了多个模拟调节器， 在不更换硬件的情况下， 只要改变程序或调用 不同子程序， 就可实现各种复杂的控制规律。 此外，系统还应实现人机接口功 能。3.2 系统组成框图及工作原理系统的组成框图如图( 2.1)所示。整个系统由四部分组成，即： 80C51 单片机系统；温度检测通道；输出控制通道及报警显示系统。工作时，温度由 集成温度传感器 AD59

6、0 转换成电流信号，经运放放大至 0-5v 的电压信号，由 ADC0809 转换成单片机所能接受的数字信号，此信号与温度的给定值比较得 到温度的偏差，通过 PID 控制器运算，此控制量经可控硅控制加在电阻炉上 的电压的通断时间，以达到控温目的。3.3 控制策略设计PID 调节在电阻炉控制系统技术中应用的非常多， 且是广泛被对推广的求 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，变换积分 PID 控制，比例 PID 控制等等。在 PID 控 制系统中， 系统参数整定方便， 而且在大多数工业生产过程中效果比较好， 不 需要求出数学模型。

7、用数字 PID 完全可以代替模拟调节器，而且可以得到比 较满意的效果。所以用数字模型 PID 是目前应用比较广泛的方法之一。通过分析控制器和执行器的关系，选用位置式 PID 控制作为电阻炉控制 系统的控制策略。控制算法如下式：阳=Kp 久切+-£ W) + GW(盒)-它(k -1)+ u(k - 1)式中：Kp：比例増益Tit积分时间常数Tdt徴分时间常数首先，计算出给定值温度与实际温度之间的差，反馈给 PID控制器，PID 控制器根据其大小，来控制晶闸管的导通角 的大小，这样使得触发时间t改 变，从而改变电阻炉的通电时间。其次，由于本系统是单向控温系统，所以在 晶闸管没有导通时其

8、导通角度是 甄。最后，根据公式：PID控制3 来间接控制电阻炉的电压加热情况，使得电阻炉的温度得以控制。四、系统硬件的设计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、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。系统硬件结构框图如下：M-LCO 示M1/微 控 制 系 统:IM«hl ttS脉冲也路 _M哉控品4.1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

9、大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，+-10%左,还需要接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 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 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，

10、 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。4.2 采样测量部分在检测装置中，温度检测用 WZP-231铂热电阻（PtIOO）,采用三线制接 法，采样电路为桥式测量电路，其输入量程为50350。C,经测量电路采样后 输出 25V 电压，再经模数转换芯片 ADCO8O9 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（-200C650r）范围的温度测量中。PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50600r范围内具有其他任何温 度传感

11、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

12、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 R1 = R2, VR2为100Q精密 电阻），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 R3= R4、 R5= R6、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

13、/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0C,B卩0C时电阻为100Q，当电位器阻值调至109.885Q时，温度的零点就被设定在了 25Co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X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*(RPt1

14、00/(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。4.3 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。4.3.1光耦驱动电路在驱动电路中，由于是弱电控制

15、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

16、向可控硅集成在一起的芯片。其输出端 的额定电压是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

17、终处于截止状态。4.3.2驱动电路有关元件的选择R25， C 1 0组成吸收电路，并接在双向可控硅的两极之间。吸收回路组成 缓冲器。有了吸收回路，可控硅通断过程中电源电压的变化率受到 R25， C10 的限制。R25可以抑制双向可控硅通断时产生的浪涌电流。R25和C10根据经验公式选，一般 C10取0.011.0uF, R25取几欧到几十欧，本电路中 R25取 39 欧，C10 取 0.01 uFoR27 为限流电阻，用来限制 MOC3061 的输出驱动电流，其数值为电源电 压峰值除以双向可控硅的允许重复电流。在本电路中R27取300欧。R26:由于MOC3061在输出关断状态下也有小于或等于

18、 500mA的输出电 流，所以加入 R26 分流消除这个电流对双向可控硅的影响，以防止双向可控 硅误触发，提高了系统的可靠性。在此电路中可以看出单片机的输出通道采用了 MOC3061 进行驱动有以下 优点:（ 1）控制简单。可用 SETB 或 CLR 指令直接控制 P2.0、P2.1、P2.2 以控制加热电阻的工作与否。（2）MOC3061 由于采用了过零触发电路大大简化了双向可控硅的触 发电路，把SCR 一向控制变为实用的数字脉冲控制。MOC3061 与双向可控硅实际组成了一个固态继电器，实现了无（3） 触电控制。（4）（5）输出通道实现了光电隔离，防止了射电干扰。输出通道用 P2.0、P2

19、.1、P2.2 口直接控制双向可控硅，省去了的 D/A 转换电路，简化了接口电路。4.3.3双向可控硅电路（1）双向可控硅这种可控硅具有双向导通功能， 在交流电的正负半周都可以导通。 其英文 名 TRIAC 即三级交流开关的意思，并把它的两极称为 MT1 和 MT2 ，其电路 符合如图所示。双向可控硅的通断情况由控制极栅极（G）决定，当栅极无信号时 MT1 和 MT2 成高阻态，管截止；而当 MT1 与 MT2 之间加一个阈值电压（一般大 于1.5V ）的电压时，就可以利用控制极栅极电压来使可控硅导通。但需要注 意的是， 当双向可控硅接感性负载时， 电流和电压之间有一定的相位差。 在电 流为零

20、时，反向电压可能不为零，且超过转换电压，使管子反向导通，故要管 子能承受这种反向电压，并在回路中加入 RC 网络加以吸收。（2）触发方式 控制双向可控硅从高阻态（阻断区）转换到低阻态（导通区）可以用不同 的方式实现。相应的分为四种方式：MT1MT1MT1MT1相对于 相对于 相对于 相对于MT2MT2MT2MT2为正， 为负， 为正， 为负，控制脉冲电压 控制脉冲电压 控制脉冲电压 控制脉冲电压为正 为负 为负 为正Ug 相对于Ug 相对于Ug 相对于Ug 相对于和控制方式（ 2）。在这两种控制方MT1MT1MT1MT1双向可控硅通常工作在控制方式（ 1） 式下，控制灵敏度特别高。另外两种控制

21、方式下，要求高一倍的触发电流。在 本设计中，选择了控制方式（ 1）和（ 2）。如同晶闸管的控制极那样，双向可控硅的控制极在触发后便失去了作用。 双向可控硅长期维持低阻态，直到低于维持电流 I H ，然后在转换到高阻态。 在控制交流电压时， 每次电源电压过零双向可控硅都会自动截止， 所以双向可 控硅每半个周期都需要重新触发。在本设计中，考虑到电网电压的稳定和现在市场上销售的双向可控硅型 号，选择了工作电压为400V，通态电流为4A的双向可控硅BT136。利用单 片机控制双向可控硅的导通角。 在不同时刻利用单片机给双向可控硅的控制端 发出触发信号， 使其导通或关断， 实现负载电压有效值的不同， 以

22、达到调压控制的目的。具体如下：由硬件完成过零触发环节，即在工频电压下，每 10ms进行一次过零触发 信号，由此信号来达到与单片机的同步。过零检测信号接至单片机的 P2.3 口，由单片机对此口进行循环检测，然 后进行延时触发。五、绘制软件流程图5.1微处理器89C51CMOS位微处100次。该89C51是一种带4K字节Flash可编程可擦除的高性能 理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 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 89C51是一种高效微控制器

23、。单片机的抗干扰性设计。单片机干扰最常见的现象就是程序出现不可逆状 态，设计系统时一般要添加一个看门狗监控模块，在系统出现不可逆状态的干扰时，监控模块将重启系统。MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助 功能以及电源供电监控功能，当电源过电压、欠电压时，MAX1232各提供至少250ms宽度的复位脉冲，其中的容许极限能用数字式的方法来选择 5%或 10%勺 容限。5.2模数转换模块D574A是一种高性能的12位逐次逼进式A/D转换器，它同ADC0809 样是常用的A/D转换器。转换时间为25 us,线性误差为±/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压 源，单通道单极性或双极性电

24、压输入，采用28脚双立直插式封装。10V基AD574A由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，准电压源四部分构成。12位A/D转换器可以单极性也可以双极性的。单极性应用时，BIPOFF接0V，双极性时接10V。量程可以是10V也可以是20V。输入信号在10V范围内变化时，将输入信号接至10V(IN);输入信号在20V 范围内变化时，将输入信号接至20V(IN);所以量化单位相应的就是10V/ (2八12 )和20V/ (2八12 )三态输出锁存缓冲器用于存放12位转换结果D ( D=02X2-1 )。D的输出方式有两种， 引脚12/8=1时(8的上面有一横杠)，D的D(11)D(0

25、)并行输出； 引脚12/8=0时(8的上面有一横杠)，D的高8位与低4位分时输出。逻辑控制任务包括：启动转换，控制转换过程和控制转换结果 D的输出。5.3 LCD显示模块本设计液晶显示模块的设计如下图3-7所示，该电路实现的功能是：通过AT89S5的 P00P07八个口输出控制信号，控制液晶的8位双向数据线，通过 单片机的P24 P25 P26向液晶模块发送命令，控制液晶执行各种命令，其中 P24控制液晶的使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令， P25控制液晶模块的读写，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当P25 和P26共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当P26

26、为低电平P25为咼电平时可以读忙信号，当P26为高电平P25为低电平时可以写入数据 寄存器的选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。,P26控制1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780 比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图 所示：带背光的5-3O O O0 OOCD g E <*> co 0.*75.0广73 7*4 - a 0* - 2 54&oooooo66ooooooo 16 R图5-3 1602LCD尺寸图1602LCD主要技术参数:显示容量:16 X2个字符芯片工作电压：4.5 5.5V工作电

27、流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V匚字符尺寸 295 X 4.35(WX H)mm引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说 明如表10-13所示：第1 脚：VSS为地电源。第2 脚：VDD接 5V正电源。编 号符 号引脚说明编 号符 号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏 压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据1 5R/W读/写选择13D6数据1 6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表10-13 :引脚接口说明表VL为液晶显示器对比度

28、调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对第3脚：比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器 调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄 存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当 RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D旷D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。5.4报警模块根据设计要求，

29、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5.5键盘模块在本次设计当中，输入设备米用4*4矩阵键盘。当“设定”键按下时触发 键盘中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。程控扫描的任务是：(1) 首先判断是否有键按下。方法：使所有的行输出均为低电平，然后从端口 A读入列值。如果没有键按 下，则读人值为FFH如果有链按下.则不为 FFH(2

30、) 去除键抖动。方法：延时10 20 ms,再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则 认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。(3) 若有键闭合，则求出闭合键的键值。 方法：对键盘逐行扫描。三、程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。5.6系统主程序图4-1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。考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新 型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与

31、定性知识相结合， 做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。5.8子程序采样子程序 SAMP采样子程序流程图如图所示。5.9积分分离PID控制算法的程序设计PID算法的表达式为:1 tde(t)u(t"K pe(t)+T?0e心D亍式中u(t):调节器的输出信号；e (t):偏差信号；Kp：调节器的比例系数；TI :调节器的积分时间；TD调节器的微分时间。在计算机控制中，为实现数字控制，必须对上式进行离散化处理。用数字形 式的差分方程代替连续系统的微分方程。设系统的采样周期为T,在t=kT时刻进行采样,tk0e(t)dt 俺 2 Te(i)7de（t） e（k） e（ k1）a：dtT式中e（k）:根据本次采样值所得到的偏差；e （k-1）:由上次采样所得到的偏差。将上面的三个式子代入，则有u（k）Kpe（k） +Z e（i）Tp e（k八e（k1）TI i z0Tiz /1、丄 T' /、丄I e （k） e （k1） = Kpe （k） PkJ； e （i） + kd7式中，T为采样时间，P项为积分项的开关系数e(k)| < P e(k) > P积分分离PID控制算法程序流程图如图所示。六、设计心得体会：为期一周的课设终于落下帷幕，我熬夜做课设的生活告一段落，那 种为了搞清原理， 搞