电热炉课程设计报告书(信商)

1、微机控制电阻炉温度控制系统班级： _自动 112_学号： _201107074236_姓名： _周雨_完成日期：2014年 5月中原工学院信息商务学院目录一、课程设计功能描述3二、课程设计分析设计32.1 课程设计目的：32.2 课程设计基本要求：32.3 课程设计题目安排：4三、控制方案总述43.1 方案设计43.2系统组成框图及工作原理43.3控制策略设计4四、系统硬件的设计54.1 电源部分54.2 采样测量部分64.3 驱动执行部分74.3.1 光耦驱动电路74.3.2 驱动电路有关元件的选择84.3.3 双向可控硅电路8五、绘制软件流程图95.1 微处理器 89C51105.2 模数

2、转换模块105.3 LCD 显示模块115.4 报警模块135.5 键盘模块135.6 系统主程序14六、设计心得体会：15七、参考文献162中原工学院信息商务学院一、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

3、应用。 采用单片机进行炉温控制，可以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：G(s)Kd esTd s 1其中：时间常数Td=350秒放大系数 Kd=50滞后时间=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

4、在学好基础知识的同时， 迅速掌握应用技术， 实验与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3中原工学院信息商务学院悉，读不懂设

5、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

6、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ADC0809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

7、制通道及报警显示系统。工作时，温度由集成温度传感器 AD590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4中原工学院信息商务学院制，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

8、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。 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：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导通角度是。最后，根据公式： PID 控制来间接控制电阻炉的电压加热情况

9、，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：键盘LCD 显示报警电路微控制系统A/D 模数转换模温度检测块（ AD574A ）温度（热电偶）触发脉冲电路双控晶加热电阻（热敏电阻）闸管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5中原工学院信息商务学院压。由于此脉动的直流电压还

10、含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，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 +-10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。 因而在整流、 滤波电路之后 , 还需要接稳压电路。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，

11、 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（Pt100），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 ADC0809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(-200 650) 范围的温度测量中。PT100 是一种广泛应用的测温元件，在-50600范围内具有其他任何

12、温度传感器无可比拟的优势，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

13、本系统设计中，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 100 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 R3R4、 R5R6、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/

14、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 0，即 0时电阻为 100，当电位器阻值调至6中原工学院信息商务学院109.885 时，温度的零点就被设定在了 25。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×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.

15、096*(RPt100/(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。图 4-2 温度检测模块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

16、电路在驱动电路中，由于是弱电控制强电，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

17、双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7中原工学院信息商务学院量为高电平时，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

18、时， MOC3061截止，双向可控硅始终处于截止状态。4.3.2 驱动电路有关元件的选择R25， C10 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 uF 。R27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。

19、R26：由于 MOC3061在输出关断状态下也有小于或等于 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。（ 3）MOC3061与双向可控硅实际组成了一个固态继电器，实现了无触电控制。（ 4）输出通道实现了光电隔离，

20、防止了射电干扰。（ 5）输出通道用 P2.0 、P2.1 、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

21、之间有一定的相位差。在电流为零时，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：MT1相对于 MT2为正，控制脉冲电压Ug相对于 MT1为正8中原工学院信息商务学院MT1相对于 MT2为负，控制脉冲电压Ug相对于 MT1为负MT1相对于 MT2为正，控制脉冲电压Ug相对于 MT1为负MT1相对于 MT2为负，控制脉冲电压Ug相对于 MT1为正双向可控硅通常工作在控制方式（ 1）和控制方式（ 2）。在这两种控制方

22、式下，控制灵敏度特别高。另外两种控制方式下，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

23、现负载电压有效值的不同， 以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、绘制软件流程图设定堆栈指针T1 中断程序清标志和暂存单元清标志 D5H清显示缓冲器区停止输出T0 初始化开 CPU返回扫描键盘温度显示图 5 主程序流程图9中原工学院信息商务学院5.1 微处理器 89C5189C51 是一种带4K 字节 Flash可编程可擦除的高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100 次

24、。该器件采用 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。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将提供至少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%的容限。5.2 模数转换

25、模块D574A是一种高性能的 12 位逐次逼进式 A/D 转换器，它同 ADC0809一样是常用的 A/D 转换器。转换时间为 25 s，线性误差为± 1/2LSB，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压输入，采用28 脚双立直插式封装。AD574A由 12 位 A/D 转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，10V 基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

26、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/ （212）和 20V/（212）三态输出锁存缓冲器用于存放 12 位转换结果 D（D=0 212-1 ）。 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) 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。10中原工学院信息商务学院图 5-2 晶闸管电路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AT8

27、9S51的 P00 P07 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 为低电平P25 为高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,P26 控制寄存器的选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。1602LCD分为带背光和不带背光两种，基

28、控制器大部分为 HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图5-3 所示：11中原工学院信息商务学院图 5-3 1602LCD 尺寸图1602LCD主要技术参数：显示容量 :16 × 2 个字符芯片工作电压 :4.5 5.5V工作电流 :2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压 :5.0V字符尺寸 :2.95 ×4.35(W×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 :编符引 脚 说编符引脚说明号号明号号1V电源地9D数据SS22V电 源

29、 正1D数据DD极033V液 晶 显1D数据L示偏压144R数 据 /1D数据S命令选择255R读 / 写1D数据/W选择366E使 能 信1D数据号477D数据1B背光源正05LA极8D数据1B背光源负16LK极表 10-13 ：引脚接口说明表第 1 脚： VSS为地电源。12中原工学院信息商务学院第 2 脚： VDD接 5V 正电源。第 3 脚： VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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

30、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： D0 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， 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

31、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图 5-4 报警电路5.5 键盘模块在本次设计当中，输入设备采用 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13中原工学院信息商务学院按下，则读人值为FFH如果有链按下则不为FFH。(2) 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

32、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。5.6 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：u(t )1tde(t)K p e(t)e(t )dt TDTI0dt式中 u(t) ：调节器的输出信号；e (t)：偏差信号；K p ：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，tke(t )dtTe(i)0i 0de(t )（e(k) e k 1)dtT式中 e(k)