电热炉温度控制设计

1、二一一二一二学年第 一 学期信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称： 电炉温度控制系统班 级： 自动化2008级（1）班 学 号： 200804134012 姓 名： 郑振 二一一年 十二月设计题目: 电炉温度控制系统设计要求:温度设定范围最高为600 ，设定值采用键盘输入，具有3位LED显示，控制温度误差为±3 。采用双向晶闸管对电炉系统进行控制，采用16位A/D和8位单片机实现温度控制。设计内容：1 设计电气原理图2 写出详细设计过程3 采用Smith预估算法，画出程序框图设计方案:方案概览：结合本设计的要求和技术指标，通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计以及I/O口

2、需求量的估计，考虑价格因素。选8051单片机作为系统的主要控制芯片，16位模数转换器ADC1143，采用镍铬/镍硅热电偶进行温度检测其测温范围为0-1000，8051对温度的控制是通过双向可控硅实现的。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，8031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。系统的工作原理：在温控系统中，需要将温度的变化转换为对应的电信号的变化，由于热电偶的结构简单制造容易，测量范围广，在高温测量中有较高的精度，所以选用镍铬/镍硅热电偶做热电传感器，测温范围0-1000，最高可测量1300。满足0-600的要求。热电

3、偶把测量的炉温温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，放大后的信号输人到A/D转换器(ADC1143)转换成数字信号输人主机(单片机8051)，并送往外接显示电路，主机对电炉温度和设定温度进行比较后如果越限，则软件触发用8051的P1口控制的输出控制脉冲，该控制脉冲与单稳态同步触发器输出的同步脉冲送人控制门(与非门)，门电路信号输人光偶管转换成电流信号，经过三级放大电路输人可控硅的门极，可控硅导通由程序控制同步触发脉冲的来临时间，从而控制可控硅的通断时间，以达到对电炉加热丝温度的调节和功率的改变，实现对电炉的恒温和升温控制。工作流程：开始，先接通电源，然后将开关打到开的位置，六段数码管显示

4、器就自动显示出当前温度，并且显示出设置温度的缺省值000000。此时继电器不工作。按下F1按键，温度控制系统进入温度控制点的设制。此时，显示设置温度的数码管闪烁，可以通过键盘输入预设置的温度。当按下“确定”按键的时候，单片机就会根据所写入的程序，对系统进行控制。当设置的温度高于当前的温度时，单片机通过可控硅控制极上触发脉冲控制加热电路连通。温度慢慢升高。当设置的温度低于当前的温度时，单片机通过可控硅控制极上触发脉冲控制加热电路断开。温度慢慢下降。通过温度芯片的反馈信息，使水的温度保持在设置温度上，从而达到自动控制温度的功能。总体结构图：系统的硬件电路有温度检测、信号放大、A/D转换、键盘接口、

5、LED显示、单稳态触发电路、可控硅控制电路等部分组成，见统结构图。炉温采样点温度传感器滤波信号放大AD转换单片机系统（8031）双向可控硅光耦驱动过零脉冲提取计时电炉220VLED显示键盘 系统框图温度传感器的选择及基本工作原理测量温度的方法分为两大类:一类是接触式的,即通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度；另一类是非接触的,即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。由于本系统测量的温度值在：0600，所以最常用的最经济的方法是用热电偶来测量。热电偶出来的电压为mv级，所以必须放大后进入A/D电路。采用OP07运放组成低漂移高精度前置放大器，对几十微伏变化信号测量比较精确，其放大倍数与

6、RF3/RF2成正比，可根据需要设计。其中OP07的1、4、5端与RW1构成调零电路。再接一级由运放741构成的放大器就可将毫伏级信号放大到需要的幅度，741的输出送给后面的模数转换电路。放大电路选用的传感器的输出电压为0mv-43.2mv,根据ADC1143相关参数表，设定ADC1143的输入电压范围为0-10v，计算得应放大240倍，取OP07放大0倍，741放大24倍，取R4=150, RF2=200由运放原理知道： RF1=20×R4=3K RF3=24×RF2=4.8K。模数转换电路该部分参考来自互联网的16位A D转换器ADC1143及其与8031单片机的接口一

7、文。A/D转换 电路选用ADC1143.特点：16位高分辨率转换时间：ADC1143J最大转换时间70ADC1143K最大转换时间为100低功耗：Vs=±15V，最大功耗175mwVs=±12V，最大功耗150mw最大非线性：ADC1143J为±0.006ADC1143K为±0.003动态非线性温度系数：ADC1143J最大为±2ppm/ADC1143K最大为±1ppm/供电范围:Vs=±11.4V±18.0VVs=+3.0V+18.0V相关引脚功能：模数转换电路ADC1143输出不具备三态功能，因此，输出需要经过

8、74HC244驱动后才能与8051数据线P0口连接，启动命令由p1.6发出。转换结束的判断采取查询方式，若需要采用中断方式，只须将状态信号经一级反相后再接P3.2（INT0）即可。由P2.5（A13），P2.4（A12），P3.7（/ RD）通过两个或门分别选择74HC244，从图中，高八位的地址，DFFFH，低八位的地址，EFFFH。现在设A/D转换数据分别放在8051的40H，41H单元，并考虑等待时间。程序段如下：MOVR0，#40HSETB P1.6NOPCLR P1.6MOV R2,#30HM0:DJNZR2,M0MOVDPTR,#DFFFHMOVXA,DPTRMOV R0,AINC

9、R0MOVDPTR,#EFFFHMOVXA,DPTRMOV R0,A键盘接口和数码显示在单片机应用系统中，同时需要使用键盘与显示器接口时，为了节省I/O口线常常把键盘和显示电路接在一起，构成实用键盘和显示电路，下图是典型实用的、采用8155并行扩展口构成的键盘、显示器电路。图中设置了15个键，单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路，以及专一的复位功能外，其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或是输入数据。3个LED显示器采用共阴极方式，段选码由8155PB口提供，位信号有PA口提供。键盘的列扫描也由PA口提供，查询输入由PC0PC1提供，LED采用动态显示软件，键盘采用逐列扫描查询

10、工作方式。电路图：键盘设定如下：键盘共有15个按键，用于方便设定温度。数字按键10个，输入数字09和小数点；确认键一个，设置的确认，修改设置温度时进行确认；清除键一个，设置的清除，修改设置温度时进行删除；F1键一个，显示及设置转换到预设温度点，按此按键后，显示预设置温度的数码管闪烁；此外，还有两个功能键。温度控制电路：根据要求选用双向晶闸管。晶闸管的特点：是“一触即发”。但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源或使阳极电流小于维持导通的最小值(称为维持电流)。如果晶闸管阳极和阴

11、极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。控制部分原理框图：220V交流电变压器比较器单片机触发脉冲单稳态触发器同步光耦及驱动双向晶闸管加热丝温度控制原理框图单片机对温度的控制是通过可控硅调功电路实现的，双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50HZ交流市电回路中。在给定的周期T内，8051只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。可控硅在给定周期T的100%时间内接通时的功率最大。可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上的触发脉冲控制。该触发脉冲由8051用软件在P1.3引脚上产生，受过零脉冲同步后经光耦管和驱动器输出送到可控硅的控制

12、级上。过零同步脉冲是一种50HZ交流电压过零时刻的脉冲，使可控硅在交流电压正弦波过零时刻触发导通。此脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到温度控制电路，另一方面还作为计数器脉冲加到8051的T0,T1端。光电耦合器在此处的作用是抗干扰，电气隔离。具体电路图如下所示：主程序结构图开 始8031系统初始化输入被控参数8155初始化键盘显示器监控程序运 行 吗？N中 断Y 图4.1 主程序流程简图T1中断程序清标志位D5H停止输出返回图4.2 T1中断程序流程采样炉温数字滤波=设定值？ NY采样炉温执行加温部分恢复现场返回键盘扫描和温度显示程序设计DIS指向显示缓冲区末址7EH先点亮最右边的LED送

13、位控制信号查表取字形码送出一位显示延时1ms指向下一格缓冲单元R0-1最左边一位显示吗？位控制信号左移一位结束YNLP0 显示程序流程行列式矩阵键盘，单片机对它的控制采用程序扫描即中断查询方式，A口为选通口，B口为显示口，C口为查询输入口。调用子程序延迟12ms开始有键闭合否？有键闭合否？闭合键释放？判断闭合键键号栈键入键号A返回YYYNNN键盘扫描子程序流程图炉温采样、数字滤波程序设计采样值起始地址送R0采样次数送R2选通IN0启动AD574延时A/D完成？所有采样结束返回YNN采样子程序流程图（2CH）送A(2CH）（2DH）？(2CH）（2DH）？(2EH）（2CH）？(2DH）（2EH

14、）？(2DH）（2EH）？(2CH）（2EH）？（2CH）和（2DH）互换2（CH）送2AH返 回YNYYN（2DH）送2AH2DHNN（2DH）送2AH2DH（2EH）送2AH2DH（2EH）送2AH2DHYNNYY 数字滤波程序流程带smith预估器的PID控制算法单回路控制系统中，控制器的传递函数为D(s)，被控对象传递函数为Gp(s)e-ts，被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为Gp(s)，被控对象纯滞后部分的传递函数为e-ts。传递函数为：系统框图：史密斯补偿的原理是：与控制器D(s)并接一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个补偿环节传递函数为Gp(s)(1-e-ts)，t为纯滞后时间，补偿后的系统如图所示。控制器D(s)和史密斯预估器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为 (6.44)可得史密斯预估器补偿后系统的闭环传递函数为 为了补偿滞后部分，添加补偿环节传递函数为Gp(s)(1-e-ts)。t为纯滞后时间。在此处，需要使用计算机实现smith预估器。结构框图：史密斯补偿计算机控制系统其中，H0(s)为零阶保持器，带零阶保持器的广义对象脉冲传递函数为D(z)就是要在计算机控制系统中实现的史密斯补偿器，其传递函数为 D(z)，可以采用如下方法确定：不考虑系统纯滞后部分，先构造一个无时间滞后的闭环系统，根据闭环系统理想特性要求确定