Hefei University
计算机控制课程设计
设计题目： 电阻炉温度控制系统设计 姓 名： 李宏灶 学 号： 0805070110 专业班级： 08级自动化(2)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，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过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；在农业生产、粮食储备、计算机机房等都需要对温度进行测量和控制。因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
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，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行温度控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促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发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，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，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。
随着检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常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，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。
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目 录
一、课程设计任务........................................................................................................ 3 二、系统总体设计及方案论证.................................................................................... 4
2.1系统总体设计 ................................................................................................. 4
2.1.1核心处理模块——单片机 ................................................................... 4 2.1.2温度信号采集与传感器 ...................................................................... 4 2.1.3人机交互及串口通信 .......................................................................... 4 2.1.4控制执行单元 ...................................................................................... 5 2.2系统功能设计 ................................................................................................. 5 三、硬件电路设计........................................................................................................ 5
3.1、核心部分单片机 .......................................................................................... 5 3.2、温度采集转换模块 ...................................................................................... 6 3.3、AC—SSR交流功率调节电路........................................................................ 6 3.4、变送电路 ...................................................................................................... 7
3.4.1、4~20mA变送器XTR101 .................................................................... 7 3.4.2、I/V转换器RCV420 ............................................................................ 7 3.5、键盘及显示的设计 ...................................................................................... 8
3.5.1键盘设计 .............................................................................................. 8 3.5.2 LED数码管显示设计 ........................................................................ 8 3.6、硬件连接图 .................................................................................................. 9 四、系统软件设计........................................................................................................ 9
4.1 主程序模块 .................................................................................................... 9 4.2 功能实现模块 .............................................................................................. 10
4.2.1T0中断子程序 .................................................................................... 10
4.2.2 T1中断子程序.................................................................................................... 10
4.3运算控制模块 ............................................................................................... 11
4.3.1标度转换子程序 ................................................................................ 11 4.3.2 PID算法 .............................................................................................. 11
五、结果分析论述...................................................................................................... 12 六、参考文献.............................................................................................................. 13
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一、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广泛的电阻炉为被控对象，采用MCS—51单片机实现电阻炉温度计算机控制系统的设计，介绍电阻炉温度计算机控制系统的组成，并完成系统总体控制方案和达林算法控制器的设计，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者熔化元件或物料的热加工设备。电阻炉由炉体、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，因而所使用的燃料和加热方法也不同;由于工艺不同，所要求的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，对控温精度要求不同，因而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。
电阻炉的类型根据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，让强大的电流直接流过所需加热的材料，使材料本身发热从而达到加热的效果。工业电阻炉，大部分采用间接加热式，只有一小部分采用直接加热式。由于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布 均匀、环保等优点，应用十分广泛。 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个同样规格的电阻炉温度; （2）电炉额定功率为20 kW;
（3）恒温正常工作温度为1000℃，控温精度为±1%;
（4）电阻炉温度按预定的规律变化，超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性; （5）具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±1℃; （6）具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。
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二、系统总体设计及方案论证
2.1系统总体设计
根据题目要求,电热锅炉温度控制系统由核心处理模块、温度采集模块、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,使用8位的模数转换器AD0808进行数据转换,控制电路部分采用PWM通过AC-SSR实现锅炉温度的连续控制,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。系统总体框图如下。
显示电路热电偶电阻炉变送器数据采集单片机越限报警2.1.1核心处理模块——单片机
该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，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理核心。
2.1.2温度信号采集与传感器
本部分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变化。再把电流信号转换成电压信号，使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，本设计采用的是数字温度传感器，以上过程都在温度传感器内部完成。
2.1.3人机交互及串口通信
人机交换的目的是为了提高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，为将来系统功能的扩展做好基础工作。
AC-SSR过零检测光耦隔离键盘控制 图2.1 系统设计总体框图 4
2.1.4控制执行单元
是单片机的输出控制执行部分，根据单片机数据处理的结果，驱动继电器控制外部设备，可以达到超温报警及升温或者降温目的，使环境温度始终保持在一个范围之内。
2.2系统功能设计
根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设计了以AT89S52单片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用8位LED动态显示。该设计结构简单,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：
1、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%, 2、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。
三、硬件电路设计
硬件系统主要由AT89S52单片机、温度采集、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。
3.1、核心部分单片机
AT89S52单片机为主控制单元。AT89S52是ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机．它除正常工作以外还可以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，延迟了芯片的使用寿命。其内部配有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成本。除此之外，AT89S52还具有2个16位定时计数器。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，以及看门狗定时器等功能单元。AT89S52单片机首先根据炉温的给定值和测量值计算出温度偏差，然后进行PID控制并计算出相应的控制数据由P1．0口输出。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理、温度显示以及与上位机进行通信等工作。4位高亮度LED用于显示设定温度或实测温度。
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3.2、温度采集转换模块
温度采集电路主要由铂铑-铂热电偶LB-3。LB-3热电偶可以在1300℃高温下长时间工作，满足常规处理工艺要求。
测温时，热电阻输出mV热电势，必须经过变送器变换成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，构成一体化的温度变送器，不仅可以节省补偿导线，而且可以减少温度信号在传递过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。因此为了减低成本以及方便选材，可以选用廉价的、常用的A/D芯片ADC0808，ADC0808是一种逐次逼近式8路模拟输入、8为数字输出地A/D转换器件，转换时间为100us，完全满足系统设计的要求。经过ADC0808转换所得到的实测炉温数据直接送入AT89S52单片机中进行数据处理。
此外，为了防止断偶或者炉温越限，产生热处理质量事故；同时为了提高温控系统的智能化控制性能，降低热处理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。在热处理生产过程中，当发生断偶或炉温越限等异常现象时，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理，防止炉内工件过热，破坏金属组织结构。
3.3、AC—SSR交流功率调节电路
由输出来控制电炉,电炉可以近似建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：
其中时间常数T=350秒，放大系数K=50，滞后时间t=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，烧坏触电或者干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P1.0口输出的温度控制信号经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，单片机输出的控制信号使得双向可控硅的导通角减小，导通时间变短，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出非正弦波而造成的对电网的公害。
控制执行部分的硬件电路如下图
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控制执行部分的硬件电路
3.4、变送电路
3.4.1、4~20mA变送器XTR101
XTR101为4~20mA线性化变送器，它可与镍络-镍硅测温传感器构成精密的T/I变换。器件中的放大器适合很宽的测温范围，在-40℃~+85℃的工作温度内，传送电流的总误差不超过1%，供电电源可以从11.6V到40V,输入失调电压<±2.5mV，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RCV420
RCV420是一种精密电流/电压变换器，它能将4~20mA的环路电流变为0~5V的电压输出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电源。对环路电流由很好的变换能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作温度范围，输入失调电压<1mA，总的变换误差<0.1%，电源电压范围±5~±18V。RCV420的外形采用标准的16脚DIP封装。它的典型应用如下：
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3.5、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（P3.2^）相连，INT1与外部中断1（P3.3^）相连。采用外部中断方式实现温度的设置。功能定义如下：
（1）、当SW拨到下面时，INT0健实现温度值的十位加1，INT1健实现温度值的十位减1
（2）、当SW拨到上面时，INT0健实现温度值的个位加1，INT1健实现温度值的个位减1
3.5.2 LED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,这样可以只用P3.0(RXD)口来输出显示数据,从而节省了单片机端口资源,在P2.5，P2.6，P2.7三个IO口和P3.1(TXD)的控制下通过74LS138和74LS164来实现8位动态显示。
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3.6、硬件连接图
四、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。
4.1 主程序模块
开始初始化计时器初始化PID参数A/D采样以及变换Y判断越限报警N显示当前温度和设定温度报警开启设置PWM的占空比 主程序流程图
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4.2 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、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。
4.2.1T0中断子程序
该中断是单片机内部100ms定时中断,优先级设为最高,是最重要的子程序。在该中断响应中,单片机要完成调用PID算法子程序且输出PID计算结果等功能。其流程图如下:
进入中断设置定时器寄存器判断标志位是否为1NY标志位置0计算PID子模块标志位加1中断返回 T0中断子程序
4.2.2 T1中断子程序
T1定时中断用于调制PWM信号，优先级低于T 0中断,其定时初值由PID算法子程序提供的输出转化而来，T1中断响应的时间用于输出控制信号。其流程图如下:
进入中断取反标志位,表示该输出高电平或低电平输出高电平?Y设置高电平脉宽N输出口置高电平设置低电平脉宽Y输出低电平?N输出口置低电平中断返回 T1中断子程序
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4.3运算控制模块
运算控制模块涉及标度转换、PID算法、以及该算法调用到的乘法子程序等。
4.3.1标度转换子程序
该子程序作用是将温度信号(00H~FFH)转换为对应的温度值,以便送显示或与设定值在相同量纲下进行比较。所用线形标度变换公式为：
式中,Ax： 实际测量的温度值;Nx：经过A／D转换的温度量； Am =90；Ao=40；Nm =FEH; No=01H；
单片机运算采用定点数运算，并且在高温区和低温区分别用程序作矫正处理。
4.3.2 PID算法
积分分离控制的基本思路是：当偏差e(k)绝对值较大时。取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当偏差e(k)绝对值小于某一设定值M时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度，即：
1、当|e(k)|≥ε时，说明系统实测温度远离设定值，应快速调整炉内温度。在这种情况下采用PD控制，而不因入积分空制．可以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)|<ε时，说明系统温度已经接近设定值，此时加入积分作用，可以消除系统静差，保证系统的控制精度。
上述各式中：u。k)第k次取样时刻PID空制器输出值；e(k)=r(k)-y(k)为第k时刻所得偏差信号；kp、ki,kd分别为比例增益系数、积分系数和微分系数。由式(2)可以推导得到增量式PID控制算法为：
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综上所述，PID算法流程图如下：
进入子程序计算积分偏差计算比例偏差更新e(k-1)计算PI控制值计算不灵敏区的运算补偿对输出值进行上限控制对输出值进行下限控制更新out(k-1)返回最终运算结果 PID控制算法流程图
五、结果分析论述
首先，学习完《计算机控制技术》课后，我已经可以熟练使用一些控制算法及设计方法。与此同时，也锻炼了我们的基本设计能力，为我们日后的学习打下了坚实的基础。通过这次课程设计，进一步加深了对计算机控制技术的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。但是有时也遇到了不少问题，特别是硬件之间的连接，总是有错误的存在，但是在细心的检查下，终于找出了错误和警告的所在，排除困难后，心里终于舒了一口气。
在数字PID的电阻热炉温度控制系统的设计过程中，再一次认识到团队精神以及协同合作的重要性和优越性。我要在尽量让自己闪光的同时，还要更加注重融入集体。无论是学习，还是日常生活，都应该继承和发扬这种珍贵的团队精神。
此次的《计算机控制技术》课程设计，得到了不少的启示。思考问题以及进行实践都要严谨，缜密。真所谓小心取证，就是这个道理。让我重新认识了团队精神的重要性及如何在团队中尽可能的发挥自己的长处，优势；如何去学习别人的长处，优点来弥补自身的不足都有了一定程度的提升。通过学习数字PID的电阻热炉温度控制系统的设计,更加了解可编程控
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制器的构造及应用。激发我们的创新意识，在学习与进行设计的过程中，利用已经掌握的知识及查阅的资料，自行完成课程设计任务以及设计完成。“学无止境，上下求索”，在今后的工作中，我将把学到的知识和自己的同伴的知识融合，并灵活的运用到学习、工作和生活当中。课程设计的学习生活使我的人生有了较高的起点，在这个起点上，我将不断向前，用自己辛勤的汗水，铿锵的脚步和竖韧不拔的精神，体验人生的涵义，谱写对生命的承诺。只有不断挑战自己、超越自己，才能跟上时代的步伐。
六、参考文献
【1】于海生 编著. 计算机控制技术. 机械工业出版社
【2】李朝青 编著. 单片机原理及接口技术. 北京航空航天大学出版社 【3】邵裕森 戴先中 编著. 过程控制系统．机械工业出版社 【4】何宏 田志宏.单片机原理与接口技术.国防工业出版社
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