计算机控制课程设计电阻炉温度控制系统的设计

1、计算机控制设计课程设计报告班级b电气084姓名 学号0810601409课程设计题目：电阻炉温度控制系统的设计本课程设计要求设计以电阻炉为被控对象，由镍铬/镍硅热电耦测量被控对象的温度，通过滤波、放大，送至a/d转换器。这样通过采样和a/d转换，就将所检测的炉温对应的电压信号转换成数字量送入计算机模糊控制器，计算出该电压信号对应的温度值与给定温度进行比较，得到偏差，计算机由偏差信号计算出相应的控制量控制可控硅的导通角，从而调节电阻丝两端的电压，进而控制对象的温度，使得对象的实际温度最终达到给定的温度。技术参数和设计任务：1、要求电阻炉温度保持在95-100，最高温度不得超过100，最低温度不能

2、低于95；2、温度控制采用数字控制算法，参数检测值不能保证在所要求温度范围时，进行报警；3、由加热元件实现加温；4、对电阻炉的温度参数进行检测并要求实时显示锅炉温度，显示位数4位；5、温度参数由传感器进行检测，经变送器处理后，转换成05v标准信号，送a/d转换器进行a/d转换，计算机每隔一定时间采样一次，采满5次后进行中值滤波，经数据变换后，显示参数的实际值；6、以lcd实现显示；7、将温度检测值与给定值进行比较，得到偏差，将偏差经数字pid运算得到输出控制值，经转换后输出控制电压或电流，以控制电阻炉温度；8、从p1口各引脚输出报警信号，点亮发光二极管，实现报警。一、本课程设计系统概述1、系统

3、原理在系统中，利用传感器测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号，该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过液晶显示器显示温度，同时将温度与设定温度进行比较并判断是否报警，然后由设定的控制算法计算出控制量，根据控制量，通过控制双向晶闸管的导通和关断从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。2、系统结构图图1-1 电阻炉温度控制系统总体结构框图3、文字说明控制方案本课题方案采用stc89c51单片机为主控芯片，电阻炉温度控制系统由单片机、温度检测电路、键盘、显示、保护及报警电路和温度控制电路等部分组成，利用单片机可以方便地实现对pid参数的选

4、择与设定，实现工业过程中pid控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行a/d转换，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按pid规律进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电阻炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行pid控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示。二、硬件设计1、单片机的选型由于单片机技术在各个领域正得到越来越多的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。1980年，inter公司推出mcs-51型系列单片机。这种高档8位单片机的芯片功能强、适用范围宽，迅速成为单片

5、机的主流产品。本系统选用以atemel公司的89c51单片机为核心，特点如下：1、低功率基本型cmos工艺2、8位cpu3、32根i/o线4、4k的片内rom5、128字节的片内ram6、2个定时/计数器7、6个中断源8、全双工串行口89c51单片机又如此丰富的硬件资源，这可使单片机系统的硬件设计大为简化，从而大大提高系统的可靠性。2、单片机最小系统的设计与实现最小系统板是本装置的核心模块，它提供了51单片机的一个最小工作系统，并充分地扩展了单片机总线和i/o口以便于与其他模块的电路连接。最小系统板包括的外围电路有：时钟电路、复位电路、p0口锁存电路、拨码开关电路。最小系统板上扩展的i/o口，

6、包括p0、p1、p2、p3口的每个管脚都独立引出，作为数据总线（p0口），地址总线低8位（p0口经锁存后的输出），地址总线高8位用8针的双排插针座引出；控制总线（wr, rd, ale等）独立引出。如下图3-1为mcs-51系列单片机芯片引脚图：图2-1 51单片机引脚图(1)主电源引脚vcc（40脚）：接+5 v电源正端； vss（20脚）：接+5 v电源地端。 (2)外接晶体引脚xtal1和xtal2xtal1（19脚）：接外部石英晶体的一端。 在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。xtal2（18脚）：接外部晶体的另一端。 在单片机内部， 接至片内振荡器的

7、反相放大器的输出端。 xtal1与xtal2借外接晶体与片内反相放大器构成振荡器。(3) 输入/输出（i/o）引脚：p0口、 p1口、 p2口及p3口p0口（39脚32脚）：p0.0p0.7统称为p0口。双向输入输出接口，在接有片外存储器或扩展io接口时，p0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。 p1口（1脚8脚）：p1.0p1.7统称为p1口，可作为准双向i/o接口使用。 p2口（21脚28脚）：p2.0p2.7统称为p2口。 准双向输入输出接口，在接有片外存储器或扩展io接口时，p2口用为高8位地址总线。 p3口（10脚17脚）：p3.0p3.7统称为p3口。 准双向输入输出接口，

8、p3口的每一个引脚都有第二功能。四个i/o端口p0、p1、p2、p3的作用：p2口负责输出高8位地址，p0口以分时方式承担输出低8位地址信息和数据输入/输出的双重任务 p3口则作为和外设沟通的控制线，p1口可随意用作i/o口。表2-1 p3口第二功能p3口引脚替代的专用功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2int0（外部中断0）p3.3int1（外部中断1）p3.4t0（定时器0的外部输入）p3.5t1（定时器1的外部输入）p3.6wr（外部数据存储器写选通）p3.7rd（外部数据存储器读选通）(4) 控制引脚rst/vpd（9脚）：rst即为reset，vpd为

9、备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。 (30脚)：(address latch enable/programming) 当访问外部存储器时，ale（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在p0口的低8位地址。 （29脚）：(program strobe enable)片外程序存储器读选通信号输出端， 低电平有效。 (31脚)：(enable address/voltage pulse of programing)为访问外部程序存储器控制信号。3、振荡时钟电路图2-2 时钟电路如图 2-2所示，外部时钟振荡电路由晶体振荡器和电容c1、c2构成并联谐振电路，连接

10、在xtal1、xtal2脚两端。对外部c1、c2的取值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。c1、c2通常取值c1=c2=30pf左右；8051的晶振最高振荡频率为12m，at89c51的外部晶振最高频率可到24m。在单片机最小系统板上已经提供了晶振电路，在使用该电路时，应加上跳线帽，并插入合适的晶振。at89c51也可以采用外部时钟方式，外部时钟从xtal1脚输入，xtal2脚浮空。可以采用我们板子上提供的外部时钟源作为单片机外部时钟输入。晶振（或外部时钟）的振荡频率的确定，就确定了cpu的工作时序。这里介绍几个重要的时序概念，我们在以后的实

11、验中还会经常涉及到： 振荡周期：是指为单片机提供定时信号的振荡器的周期。 时钟周期：振荡周期的两倍，前部分通常用来完成算术逻辑操作；后部分完成内部寄存器和寄存器间的传输。 机器周期：在8051单片机中，一个机器周期由12个振荡周期组成。 指令周期：是指执行一条指令所占用的全部时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。机器周期和指令周期是两个很重要的衡量单片机工作速度的值。若外接12mhz晶振时，8051的四个周期的值为：振荡周期=1/12us；时钟周期=1/6us；机器周期=1us；指令周期=14us。在一些应用中，传统的8051的速度显得有些慢，因此，当前很多采用8051内核的新型单片机采用

12、了加速处理器结构，使机器周期提高到振荡周期的6倍、4倍等等，risc（精简指令集）的采用，更让单片机在单个时钟周期完成一条指令，使得单片机在处理速度上得到大大提高。4、温度检测电路的设计温度检测电路是温度控制系统的重要部分，它承担着检测电阻炉温度并将温度数据传输到单片机的任务。(1) 温度传感器的选择热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器，它具有构造简单、使用方便、准确度高、稳定性好、温度测量范围宽等特点，在温度测量中占有很重要的地位。热电偶的类型有多种，在测量高温时通常使用的有镍铬-镍硅(k型)、铂铑-铂(s型)、镍铬-镍(e型)三种热电偶，在本设计中选用的是镍铬-硅k型热电偶。本系统中采用的

13、为 k 型镍铬-镍硅热电偶。采集温度信号只需要一路采集炉温，由于热电偶测温范围广（-100摄氏度1300摄氏度），而且测量精度高，结构简单，热惰性小，输出为电信号便于事先远距离传送和集t0中检测、自动控制，因此在测量温度信号时选择它。1)、热电偶的测温原理图2-3 热电偶回路两种不同材料的导体(或半导体)组成一个闭和回路(如图2-3所示)，当两接点温度t和t0不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应。这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体a、b称为热电极。热电效应中的电动势由温差电势和接触电势组成，接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。

14、热电偶是一种应用广泛，发展比较完善的热点传感器。热电偶测温的基本工作原理是“热电动势效应”。热电效应的本质是热电偶本身吸收了外部的热能，在内部转换为电能的一种物理现象。热电偶是将不同材料的导体或半导体 a 和 b焊接起来，构成一个闭合回路。因为两种不同金属的自由电子密度不同，当两种金属接触时在两种金属的交界处，就会因电子密度不同而产生电子扩散，扩散结果在两金属接触面两侧形成静电场即接触电势差。这种接触电势差仅与两金属的材料和接触点的温度有关，温度愈高，金属中自由电子就越活跃，致使接触处所产生的电场强度增加，接触面电动势也相应增高。这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电偶产生

15、的电动势不仅与工作端的温度有关，而且也与自由端的温度有关。平常使用时，热电偶两端输出的热电势对应的温度值只是相对于自由端温度。为了直接得到一个与被测对象温度（工作端温度）对应的热电势，热电偶使用时时常采取冷端补偿的办法，热电偶的冷端处理有两类方法：将冷端延伸；使冷端温度为 0摄氏度。具体方法如下：1)、延伸导线法：延伸导线使冷端远离热端并与测量电路相接。2)、0度恒温法：将热电偶冷端置于 0度的恒温器内，使工作和分度状态达到一致。3)、冷端恒温加计算修正法。4)、电桥补偿法。(2) a/d转换单元的设计因为单片机不能直接处理模拟信号，所以必须将热电偶检测到的温度模拟信号变化成数字信号,单片机才

16、能做出相应的处理。采用8位a/d转换器，如果设定其成比例关系，即数字量0255对应0100。由于其精确度为0.39，可以满足要求。如图2-4 温度信号ad转换电路所示，温度信号测量处理电路后所得到的05v电压模拟信号输入给in-0通道，转换完成后，输送给单片机的p0口。其中adc0809的a、b、c三个端口作为它in0-in8八个输入通道的选择信号，由于此处只用到了in0通道，所以将此a、b、c三个端口全部接地，电路中adc0809的转换结束信号引脚eoc接在单片机p1.0上，单片机启动adc0809的转换后，延时一段时间，然后程序采取扫描方式检测adc0809是否转换结束，单片机然后去检测p

17、1.0电平，当接收到一个高电平时，发出一个read信号，使得adc0809输出锁存缓冲器开放，将数据输送到数据线上，从而完成温度数字信号的采集过程。1)、adc0809的介绍adc0809是m美国国家半导体公司生产的cmos工艺8通道，8位逐次逼近式a/d转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。是目前国内应用最广泛的8位通用a/d芯片。 a、adc0809的内部逻辑结构由下图可知，adc0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个a/d转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量

18、分时输入，共用a/d转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存a/d转换完的数字量，当oe端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图2-4 adc0809内部逻辑结构5、温度控制电路的设计此模块是系统的执行机构，将单片机端口输出的pwm方波通过光电耦合器精确转化成可控硅的开断，从而控制电热丝功率的变化。(1) 可控硅bta16一种以硅单晶为基本材料的p1、n1、p2、n2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅t。又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅scr。在性能上，可控硅不仅具有单向导电性

19、，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。可控硅从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由p型硅和n型硅组成的四层结构。它有三个pn结（j1、j2、j3），从j1结构的p1层

20、引出阳极a，从n2层引出阴级k，从p2层引出控制极g，所以它是一种四层三端的半导体器件。可控硅结构示意图和符号图如图2-4所示。图2-6 可控硅结构示意图可控硅是p1、n1、p2、n2四层三端结构元件，共有三个pn结，分析原理时，可以把它看作由一个pnp管和一个npn管所组成，其等效图解如图2-5所示。图2-7 可控硅内部等效图当阳极a加上正向电压时，bg1和bg2管均处于放大状态。此时，如果从控制极g输入一个正向触发信号，bg2便有基流ib2流过，经bg2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为bg2的集电极直接与bg1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经bg1放大，于是bg

21、1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到bg2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通后，即使控制极g的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件如表2-2所示：表2-2 可控硅开关特性表状 态条 件说 明从关断到导通阳极电位高于阴极点位，控制极有足够的正向电流和电压两者缺一不可维持导通阳极电位高于阴极点位，阳极电流大于维持电流两者缺一不可从导通到关断阳极电位

22、低于阴极点位，阳极电流小于维持电流任一条件都可a、反向特性当控制极开路，阳极加上反向电压时，j2结正偏，但j1、j2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到j1结的雪崩击穿电压后，接差j3结也击穿，电流迅速增加，特性开始弯曲，弯曲处的电压uro叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向。b、正向特性当控制极开路，阳极上加上正向电压时，j1、j3结正偏，但j2结反偏，这与普通pn结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，特性发生了弯曲，弯曲处的是ubo叫“正向转折电压”。由于电压升高到j2结的雪崩击穿电压后，j2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量

23、的电子和空穴，电子时入n1区，空穴时入p2区。进入n1区的电子与由p1区通过j1结注入n1区的空穴复合，同样，进入p2区的空穴与由n2区通过j3结注入p2区的电子复合，雪崩击穿，进入n1区的电子与进入p2区的空穴各自不能全部复合掉。这样，在n1区就有电子积累，在p2区就有空穴积累，结果使p2区的电位升高，n1区的电位下降，j2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性。这时j1、j2、j3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态通态，此时，它的特性与普通的pn结正向特性相似。(2)温度控制模块电路图此部分电路主要由光电耦合器和可控硅组成，光电耦合器与单片机端口相连，可以根据

24、端口信号的变化迅速做出反应，延时时间短。由于单片机的端口电压不足以驱动光电耦合器，故令其低电平触发，外加上拉电阻。与外部电阻炉相连的部分是可控硅，与光电耦合器配合输出，以弱点控制强电，控制电阻炉的开断频率，以达到加热目的。由主控单片机运算输出脉冲宽度可调的pwm波用于双向可控硅在1s内的导通和关断数从而调节输出给电炉的功率，这样使得水温稳定在设定值上。接线图如图2-8所示：图2-8 温度控制模块电路图6、温度显示电路的设计此模块由显示部分和设定部分组成，显示部分采用lcd1602液晶显示器，显示2行，每行个16个字符，可显示字符和数字，显示内容丰富，此部分作用是实时显示电阻炉当前温度和设定温度

25、。设定部分主要是键盘输入，此部分主要由两个按键组成，plas为加，subs为减，当系统启动时，默认设定温度为30，当按下plas时设置水温增加，按下subs时设置水温减小。(1)lcd1602的简介液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，因此，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。本系统采用lcd1602液晶显示模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5v电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。(2)lcd1602接口引脚及功能介绍表2-3 接口引脚及其功能引脚号符号状

26、态功能1vss电源地2vdd电源+5v3v0液晶驱动电源4rs输入寄存器选择5r/w输入读、写操作6e输入使能信号7db0三态数据总线（lsb）8db1三态数据总线9db2三态数据总线10db3三态数据总线11db4三态数据总线12db5三态数据总线13db6三态数据总线14db7三态数据总线（msb）15leda输入背光+5v16ledk输入背光地(3)主要管脚介绍v0：液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，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。rs：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。r/w：读写信号线

27、，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为高电平r/w为低电平时可以写入数据。e：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。(4)温度显示模块电路图图2-9 温度显示模块电路图三、软件设计1、主程序流程图的设计单片机的主要任务是接受来自主机的命令并执行命令，同时返回系统的状态和当前的压力值。在主机工作之前，片机已启动。在设计中，单片机定时器t1工作于方式2，波特率9600，串行口工作方式1，允许接受，或允许发送，晶振11.0592，根据此设置，（tmod）=20h，(th1)=fd，(tl1)=fd，(scon)=50

28、h。图3-1 主程序流程图2、子程序流程图的设计本系统子程序主要有：lcd显示程序、ad转换程序、pid控制算法子程序等等。图3-2 显示流程图图3-3 a/d转换流程图图3-4 pid控制算法程序流程图3、部分程序清单(1)主程序：org 0000hajmp mainorg 0003hajmp keysorg 000bhajmp pit0org 001bhajmp pit1 ；中断入口及优先级main：mov sp，#00h clr 5fh ；清上下限越限标志 mov a，#00hmov r7，#09hmov r0，#28hlp1：mov r0，ainc r0 djnz r7，lp1mov

29、r7，#06hmov r0，#39hlp2：mov r0，ainc r0djnz r7，lp2mov r7，#06hmov ro，#50hlp3：mov r0，ainc r0dinz r7，lp3 ；清显示缓冲区mov 33h，#00hmov 34h，#00h ；赋kp高低字节mov 35h，#00hmov 36h，#00h ；赋ki高低字节mov 37h，#00h mov 38h，#00h ；赋kd高低字节mov 42h，#00hmov 43h，#00h ；赋k高低字节mov tmod，#56h ；t0方式2，t1方式1计数mov tlo，#06hmov tho，#06h mov 25h，#

30、163h ；设定值默认值350setb tr0 ；键盘高优先级setb et0setbex0setb ea ；开键盘t0。t1中断loop：mov r0，#56h mov r1，#55h lcall scacov ；标度转化 mov r0，#53h lcall dir nop lcall dly10ms nop lcall dly10ms ajmp loop ；等中断(2)键盘子程序keys：clr ex0 clr ea push psw push acc ；关中断 lcalldly10ms ；消抖cc： jb p3.2 aasetb 5dh ；置“显示设定值温度值标志”mov a，25h ；

31、取运算位的值mov b，#10h ；bcd码转化div a bmov 52h，amov a，bmov 51h，amov r0，#50hlcall dir ；显示设定温度noplcall dly10msnoplcall dly10msjb p1.7 ，bbmov r1，#25hlcall daad1nop lcall dly10ms ajmp ccbb： jb p1.6 ccmov r1，#25hlcall deec1noplcall dly10msajmp ccaa： pop accpop pswsetb ex0setb ea ；出栈reti(3)显示子程序dir： mov scon，#00h

32、 ；置串行口移位寄存器状态setb p1.4 ；开显示jb 5dh，dl1 ；显示设定温度dl2： mov dptr，#segtdl0： mov a，r0movc a，a+dptrmov sbuf ，aloop1：jnb ti，loop1 clr tiinc r0mov a，r0movc a，a+dptranl a，#7fh ；使数带小数点mov sbuf ，aloop2：jnb ti,loop2clr tiinc r0mov a，r0movc a，a+dptrmov sbuf,aloop3：jnb ti，loop3clr ticlr p1.4clr 5dhretdl1：mov 50h,#0a

33、h ；小数位黑屏 ajmp dl2segt:：db 0c0h ，0f9h，0a4h，0b0h，99h，92h，82h，0f8h，80h，90h，0ffh四、小结课程设计是对我们在这学期学到的微型计算机控制技术这门课的理论知识的一个综合测评，是对我们将理论结合时间的综合能力的考查，是培养我们发现问题、解决问题的能力，是激发我们内在创新意识的途径。在此次课程设计中，我们学到了许多平时课堂上学不到的东西，比如：单片机系统的开发与可行性分析、电阻炉的设计与制作、器件的选型、程序的设计与调试、系统的调试以及平时没有接触到的在线编程与相关软件等等。在设计过程中我遇到了许多难以解决的问题，通过去图书馆看书、上网查资料以及请教同学，努力最终一步一步得以解决。通过这次课程设计，不仅锻炼了我的动手能力，更培养了我发现问题、解决问题的能力，巩固了我以前学过的专业知识，促进了我的自学能力。通过本次设计，我还了解了微机控制中pid算法的基本概念及其对系统设计的相关应用。什么样的课程设计都离不开理论与实际相结