电阻炉温度控制系统设计

合卒摩沒HefeiUniversityJ运算机控制课程设计设计题目：电阻炉温度控制系统设计

姓名： 李宏灶 学号： 00专业班级： 08级自动化⑵班指导老师： 丁健前言温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各类温度控制系统普遍应用于冶金、化工、机械、食物等领域。温度控制是工业生产进程中常常碰到的进程控制，有些工艺进程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食物加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处置炉、反映炉和锅炉中的温度进行检测和控制；在农业生产、粮食储蓄、运算机机房等都需要对温度进行测量和控制。因此设计一种较为理想的温度控制系统是超级有价值的。温度控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，致使传统控制方式超调大、调节时刻长、控制精度低。采用单片机进行温度控制,具有电路设讣简单、精度高、控制效果好等长处，对提高生产效率、增进科技进步等方面具有重要的现实意义随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃进展，其稳固、安全、高效、经济等长处十分突出，所以其应用也十分普遍。单片机已经无处不在、与咱们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通运算机系统的简化，增加一些外围电路，就可以够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通运算机类似的、壮大的数据处置功能，通过利用一些科学的算法，能够取得很强的数据处置能力。所以单片机在工业应用中，能够极大地提高工业设备的智能化、数据处置能力和处置效率，而且单片机无需占用专门大的空间。随着检测理论和技术的不断更新，温度传感器的种类也愈来愈多，在微机系统中利用的传感器，必需是能够将非电量转换成电量的传感器，U前常常利用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器按照其自身特性，都有它自己的应用领域。TOC\o"1-5"\h\z一、 课程设计任务 3\o"CurrentDocument"二、 系统整体设计及方案论证 4\o"CurrentDocument"系统整体设计 4\o"CurrentDocument"2.1.1核心处置模块一一单片机 4\o"CurrentDocument"2.1.2温度信号收集与传感器 4\o"CurrentDocument"2.1.3人机交互及串口通信 4\o"CurrentDocument"2.1.4控制执行单元 4\o"CurrentDocument"系统功能设计 5\o"CurrentDocument"三、 硬件电路设计 5\o"CurrentDocument"、核心部份单片机 5\o"CurrentDocument"、温度收集转换模块 5\o"CurrentDocument"、AC-SSR交流功率调节电路 6、变送电路 7341、4~20mA变送器XTR101 73.4.二、I/V转换器RCV420 7\o"CurrentDocument"、键盘及显示的设计 83.5.1键盘设计 8LED数码管显示设计 8\o"CurrentDocument"、硬件连接图 9\o"CurrentDocument"四、 系统软件设计 9\o"CurrentDocument"主程序模块 9\o"CurrentDocument"功能实现模块 10\o"CurrentDocument"4.2.1T0中断子程序 10T1中断子程序 10\o"CurrentDocument"运算控制模块 11\o"CurrentDocument"4.3.1标度转换子程序 11\o"CurrentDocument"PID算法 11\o"CurrentDocument"五、 结果分析论述 12\o"CurrentDocument"六、 参考文献 13课程设计任务项目设计：电阻炉温度控制系统设计以在工业领域中应用较为普遍的电阻炉为被控对象，釆用MCS—51单片机实现电阻炉温度运算机控制系统的设计，介绍电阻炉温度运算机控制系统的组成，并完成系统整体控制方案和达林算法控制器的设讣，给出系统硬件原理框图和软件设计流程图等。1•电阻炉组成及其加热方式电阻炉是工业炉的一种，是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或熔化元件或物料的热加工设备。电阻炉山炉体、电气控制系统和辅助系统组成，炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。由于炉子的种类不同，因此所利用的燃料和加热方式也不同;由于工艺不同，所要求的温度高低不同，因此所采用的测温元件和测温方式也不同;产品工艺不同，对控温精度要求不同，因此控制系统的组成也不相同。电气控制系统包括主机与外围电路、仪表显示等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，因炉种的不同而各异。电阻炉的类型按照其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件,电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，是将电源直接接在所需加热的材料上，让壮大的电流直接流过所需加热的材料，使材料本身发烧从而达到加热的效果。工业电阻炉，大部份采用间接加热式，只有一小部份采用直接加热式。山于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场散布均匀、环保等长处，应用十分普遍。2.控制要求本系统中所选用的加热炉为间接加热式电阻炉，控制要求为：（1） 采用一台主机控制8个一样规格的电阻炉温度；（2） 电炉额定功率为20kW;（3） 恒温正常工作温度为1000°C,控温精度为±1%;（4） 电阻炉温度按预定的规律转变，超调量应尽可能小，且具有良好的稳固性;（5） 具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±1°C;（6） 具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。二、系统整体设计及方案论证系统整体设计按照题目要求，电热锅炉温度控制系统由核心处苣模块、温度收集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。采用比较流行的AT89S52作为电路的控制核心，利用8位的模数转换器AD0808进行数据转换，控制电路部份采用PWM通过AC-SSR实现锅炉温度的持续控制，此方案电路简单而且能够知足题目中的各项要求的精度。系统整体框图如下。图系统设计总体框图2.1.1核心处置模块一单片机该部份的功能不仅包括向温度传感器写入各类控制命令、读取温度数据、数据处置，同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核心及数据处置核心。2.1.2温度信号收集与传感器本部份的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号,温度传感器上电流将随环境温度值线性转变。再把电流信号转换成电压信号，利用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片性能够进行数据处置的数字电压信号，本设计采用的是数字温度传感器，以上进程都在温度传感器内部完成。2.1.3人机交互及串口通信人机互换的目的是为了提髙系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为未来系统功能的扩展做好基础工作。2.1.4控制执行单元是单片机的输出控制执行部份，按照单片机数据处置的结果，驱动继电器控制外部设备，能够达到超温报警及升温或降温LI的，使环境温度始终维持在一个范围之内。系统功能设计按照温度转变慢，而且控制精度不易掌握的特点，咱们设计了以AT89S52单片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。温度控制采用改良的PID数字控制算法，显示采用8位LED动态显示。该设il•结构简单,控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。所设计的控制系统有以下功能：一、 温度控制设定波动范围小于±1%,测量精度小于±1%,控制精度小于±2%,二、 实时显示当前温度值；3、 按键控制：设置复位键、运行键、功能转换键、加一键、减一键；4、 越限报警。、硬件电路设计硬件系统主要由AT89S52单片机、温度收集、A/D转换、光耦隔离、键盘显示电路、蜂鸣报警、等功能电路组成。、核心部份单片机AT89S52单片机为主控制单元。AT89S52是ATMEL公司生产的低功耗、髙性能CMOS8位单片机.它除正常工作之外还能够工作于低功耗和掉电模式，进一步减少了芯片的功耗。降低芯片的温升，延迟了芯片的利用寿命。英内部配有8K的Flash程序存储器和256字节的数据存储器。所配置的Flash程序存储器，便于实现ISP在线下载，降低了应用系统的开发本钱。除此之外，AT89S52还具有2个16位按时计数器。5个两级中断源结构，32位并行输人/输出端口和一个全双工的串行口，和看门狗按时器等功能单元。AT89S52单片机第一按照炉温的给龙值和测量值计算岀温度误差，然后进行PID控制并il•算出相应的控制数据由P1.0口输岀。最后将P1.0口输出的控制数据送往光电耦合隔离器的输入端，利用PWM脉冲调制技术调整占空比，达到使炉温控制在某一设定温度。AT89S52单片机还负责按键处宜、温度显示和与上位机进行通信等工作。4位高亮度LED用于显示设左温度或实测温度。、温度收集转换模块温度收集电路主要由钳链-钳热电偶LB-3oLB-3热电偶能够在1300°C髙温下长时刻工作，知足常规处程工艺要求。测温时，热电阻输岀mV热电势，必需通过变送器变换成0-5V的标准信号。本系统选用DWB型温度变送器，并将其直接安装在热电偶的接线盒内，组成一体化的温度变送器，不仅能够肖省补偿导线，而且能够减少温度信号在传递进程中产生的失真和干扰。电阻炉炉温信号是一种变换缓慢的信号。这种信号在进行A/D转换时，对转换速度要求不高。因此为了减低本钱和方便选材，能够选用廉价的、常常利用的A/D芯片ADC0808,ADC0808是一种逐次逼近式8路模拟输入、8为数字输岀地A/D转换器件，转换时刻为lOOus,完全知足系统设讣的要求。通过ADC0808转换所取得的实测炉温数据宜接送入AT89S52单片机中进行数据处豊。另外，为了避免断偶或炉温越限，产生热处垃质量事故；同时为了提髙温控系统的智能化控制性能，降低热处置操作人员的劳动强度，本系统特别设置了断偶或炉温越限自动报警电路。在热处置生产进程中，当发生断偶或炉温越限等异样现象时，主控单元AT89S52单片机自动启动报警电路进行声、光报警，以便操作人员快速处置，避免炉内工件过热，破坏金属组织结构。、AC—SSR交流功率调节电路由输出来控制电炉，电炉能够近似成立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为：G(s)=-4re_ts其中时刻常数T二350秒，放大系数K二50,滞后时刻t二10秒。为了避免交流接触器等机械触电因频繁通断产生电弧，烧坏触电或F扰其他设备正常工作，本系统选用AC-SSR交流功率调节器作为PID控制系统的执行机构。AT89S52单片机口输出的温度控制信号通过光电耦合器件隔离，送至过零检测电路。过零检测电路产生脉冲控制AC-SSR调功电路。当实测温度偏低时，单片机输岀的控制信号使得双向可控硅的导通角减小，导通时刻变短，加热器功率降低炉温适当降低。通过控制输入到加热器平均功率的大小达到控制电阻炉炉温的目的。采用过零触发的方式，使可控硅输出为正弦波，有效地避免了移相触发输岀非正弦波而造成的对电网的公害。控制执行部份的硬件电路如下图

控制执行部分的硬件电路3.4.1.4~20mA变送器XTR101XTR101为4~20mA线性化变送器，它可与線络-線硅测温传感器组成精密的T/I变换。器件中的放大器适合很宽的测温范围，在-40°C~+85°C的工作温度内，传送电流的总误差不超过1%,供电电源能够从到40V,输入失调电压＜±,输入失调电流＜20nA。XTR101外形采用标准的14脚DIP封装。XTR101有如下两种应用于转换温度信号的典型电路：3.4.2.I/V转换器RCV420RCV420是一种精密电流/电压变换器，它能将4~20mA的环路电流变成0~5V的电压输出，而且具有靠得住的性能和很低的本钱。除具有稱密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电源。对环路电流由专门好的变换能力。具有-25°C~+85°C和0°C~70C的工作温度范围,输入失调电压＜lmA,总的变换误差＜%,电源电压范圉±5~±18V°RCV420的外形采用标准的16脚DIP封装。它的典型应用如下：、键盘及显示的设计3.5.1键盘设计位选键SW与P2"3相连，INTO与外部中断0(")相连，INT1与外部中断1(")相连。采用外部中断方式实现温度的设置。功能概念如下：、当诙拨到下面时，INTO健实现温度值的十位加1,INT1健实现温度值的十位减1、当S甲拨到上而时，INTO健实现温度值的个位加bINTI健实现温度值的个位减13.5.2LED数码管显示设计显示采用8位共阴LED动态显示方式，显示内容有温度值的百位、十位及个位，如此能够只用(RXD)口来输岀显示数据，从而节省了单片机端口资源,在，，三个10口和(TXD)的控制下通过74LS138和74LS164来实现8位动态显示。炉温魄实时显不呈示设定温度炉温魄实时显不呈示设定温度、硬件连接图imim、系统软件设计系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。主程序模块、系统软件设计系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。主程序模块主程序流程图功能实现模块以用来执行对可控硅及电炉的控制。功能实现模块主要由A/D转换子程序、中断处宜子程序、键盘处宜子程序、显示子程序等部份组成。4.2.1T0中断子程序该中断是单片机内部100ms按时中断，优先级设为最高，是最重要的子程序。在该中断响应中，单片机要完成挪用PID算方式程序且输岀PIDil•算结果等功能。英流程图如下：T0中断子程序4.2.2T1中断子程序T1按时中断用于调制PWA信号，优先级低于T0中断，苴按时初值由PID算方式程序提供的输出转化而来，T1中断响应的时刻用于输出控制信号。其流程图如下：T1中断子程序运算控制模块运算控制模块涉及标度转换、PID算法、和该算法挪用到的乘方式程序等。4.3.1标度转换子程序该子程序作用是将温度信号(OOH~FFH)转换为对应的温度值，以便送显示或与设左值在相同量纲下进行比较。所用线形标度变换公式为：Ax叽导芋+A。Nm-N0式中,Ax：实际测量的温度值;血：通过A/D转换的温气宇：Am=90；Ao二40：Nm二FEH;No=01H：单片机运算采用定点数运算，而且在高温区和低温区别离用程序作娇正处置。4.3.2PID算法积分分离控制的大体思路是：当误差e(k)绝对值较大时。取消积分作用，以避免由于积分作用使系统稳固性降低，超调量增大；当误差e(k)绝对值小于某一设左值M时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制稱度，即：一、当|e(k)|>e时，说明系统实测温度远离设左值，应快速调整炉内温度。在这种情形下采用PD控制，而不因入积分空制.能够提高系统的动态响应速度.避免产生过大的超调.减小动态误差。2、当e(k)!<e时，说明系统温度已经接近设定值，现在加入积分作用，能够消除系统静差，保证系统的控制精度。气)二kppg+k’j+kd际)-牛』](2)7=0 -上述各式中：U。k)第k次取样时刻PID空制器输岀值；e(k)=r(k)-y(k)为第k时刻所得误差信号：kp、ki,kd别离为比例增益系数、积分系数和微分系数。由式(2)能够推导取得增量式PID控制算法为：A%)=b協厂叭)+kd協厂2印_])+%"J⑶

综上所述，PID算法流程图如下:PID控制算法流程图五、结果分析论述第一，学习完《运算机控制技术》课后，我已经能够熟练利用一些控制算法及设计