电阻炉温度控制系统设计

1、目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc296512496 摘要 PAGEREF _Toc296512496 h 三 HYPERLINK l _Toc296512497 一、总体设计及系统原理 PAGEREF _Toc296512497 h 三 HYPERLINK l _Toc296512498 2.硬件电路设计 PAGEREF _Toc296512498 h 四 HYPERLINK l _Toc296512499 2.1 主机电路 PAGEREF _Toc296512499 h 四的设计 HYPERLINK l _Toc296512500 2.2 数据采集电路设计

2、 PAGEREF _Toc296512500 h 五 HYPERLINK l _Toc296512501 2.3 电控执行电路设计 PAGEREF _Toc296512501 h 五 HYPERLINK l _Toc296512502 2.4 键盘显示 PAGEREF _Toc296512502 h 六设计 HYPERLINK l _Toc296512503 3.系统软件设计。 PAGEREF _Toc296512503 h 七 HYPERLINK l _Toc296512504 3.1 主程序模块 PAGEREF _Toc296512504 h 七 HYPERLINK l _Toc29651

3、2505 3.2 功能实现模块 PAGEREF _Toc296512505 h 八 HYPERLINK l _Toc296512506 3.2.1 T0中断子程序 PAGEREF _Toc296512506 h 八 HYPERLINK l _Toc296512507 3.2.2 T1中断程序 PAGEREF _Toc296512507 h 九 HYPERLINK l _Toc296512508 3.3 运行控制模块 PAGEREF _Toc296512508 h 九 HYPERLINK l _Toc296512509 3.3.1 比例转换子程序 PAGEREF _Toc296512509 h

4、九 HYPERLINK l _Toc296512510 3.3.2 PID算法子程序 PAGEREF _Toc296512510 h 九 HYPERLINK l _Toc296512511 4.源代码 PAGEREF _Toc296512511 h 10 HYPERLINK l _Toc296512512 5、结果分析与讨论。 PAGEREF _Toc296512512 h 15 HYPERLINK l _Toc296512513 6. 参考文献 PAGEREF _Toc296512513 h 15摘要电阻炉是一种工业炉，是一种利用电流通过电热元件将电能转化为热能，加热或熔化元件或材料的热加工

5、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（含隔热罩）等部件组成。由于炉子的种类不同，所用的燃料和加热方式也不同；由于工艺不同，所需温度不同，所采用的测温元件和方法也不同。不同的产品对控温精度的要求不同，所以控制系统的组成也不同。电气控制系统包括主机及外围电路、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，随炉型不同而有所差异。介绍了基于AT89S52单片机的温度控制器的设计。本设计采用高精度温度传感器AD590实时测量电锅炉温度，采用超低温漂高精度运算放大器OP07放大温度-电压信号，即然后送入12位AD进行A/D转换，从而实现自动检测、实时显示和超

6、限报警。控制部分采用PID算法，实时更新PWM控制的输出参数，控制可控硅的通断时间，最终实现炉温的高精度控制。574A一、总体设计及系统原理温度控制是工业生产中常见的过程控制。一些工艺流程的控温效果直接影响产品的质量，因此设计一个理想的控温系统非常有价值。根据课题要求，电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、控制执行模块组成。电路以AT89S52单片机为控制核心，采用12位高精度模数转换器AD进行数据转换。 PWM用于控制电路中可控硅的通断，以连续控制锅炉温度。温度控制采用改进的PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，通用性

7、强，因此系统设计总体框图如下：574AAT5189CSingle-Chip Microcomputerkeyboardshowsensorelectric resistance furnaceTemperature detectioncircuitTemperature control图（1）系统设计总体框图2、硬件电路设计2.1 主机电路设计选用ATMEL公司的51系列单片机AT89S52作为主机。凭借单片机软件编程灵活、自由度大的特点，试图通过软件来完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的AT89S52芯片时钟为12MHz，运算速度快，控制功能完善。一部分有128字节的RAM，一部分包含4

8、KB的flash ROM，无需外接扩展存储器，使系统的整体结构更加简单实用。其示意图如下：图（2）单片机最小系统2.2 数据采集电路设计就本系统而言，需要实时采集水温数据，然后通过A/D转换成数字信号，发送到单片机中的特定单元，再进行一部分被送去展示；另一部分与设定值比较，通过PID算法得到控制量，单片机的输出用于控制电锅炉的加热或冷却。数据采集电路主要由AD590、0P07、74LS373、AD等组成。由于要求控制精度为0.1度，考虑到测量干扰和数据处理误差，温度传感器和AD转换器的精度要更高保证控制精度的实现，可大致设定在0.1度。因此，温度传感器需要能够区分0.1度；至于AD转换器，由于

9、测量范围为40-90度，响应的AD判别要求为0.1度，所以AD需要区分(90-40)/0.1=500个数字量，显然需要10多个AD转换器。因此选择高精度的 12 位 AD。为了满足高测量精度的要求，选用温度传感器ad590，它具有较高的精度和重复性（重复性优于0。其良好的非线性可以保证测量精度优于0。测量精度可以通过非线性补偿。）超低温漂高精度运算放大器0P07对温度-电压信号进行放大，便于A/D转换，提高了温度采集电路的可靠性。模拟电路的硬件部分如下图所示：574A574A110.1图 3. 温度-电压转换电路2.3 电控执行电路设计输出控制电炉，电炉可近似建立为具有滞后的一阶惯性链接数学模

10、型。其传递函数形式为： QUOTE 其中时间常数T=350秒，放大系数K=50，滞后时间t=10秒。 SCR可以被认为是控制炉温的线性链接。单片机的输出和电炉的电源分别属于弱电和强电，需要隔离。这里控制部分采用光耦合元件TLP521进行光电隔离，采用变压器隔离实现弱电和强电的电源隔离。当单片机PWM输出电平为0时，光耦合元件导通，使三极管有效偏置导通。通过整流桥的电压经过集电极电阻向发射极反方向偏置，在双向晶闸管的控制端加一个7V左右的电压，使晶闸管导通，交流通路形成，电阻炉工作。反之，当单片机输出电平为0时，光耦元件不能导通，三极管不能有效偏置关断，晶闸管端电压几乎为零，晶闸管关断切断交流通

11、道，电炉停止工作。另外，有超限报警，当温度低于下限时，LED灯亮；当上限高时，蜂鸣器响起。控制执行部分的硬件电路如下图所示。图 4 控制执行部分电路2.4 键盘显示设计按键的响应是通过中断来实现的。 AN3按键与P3.2相连，采用外部中断方式，优先级最高； AN5、AN4按键分别接P1.7、P1.6，通过软件查询。 1为硬件复位键，与R、C组成复位电路。其功能定义如表1所示。按钮键名功能AN1重置键重置系统AN4添加密钥设定温度逐渐增加一。AN5减一键设定温度逐渐减一。1 表键功能采用3位共阳极LED静态显示方式，显示温度值的十位、一位、小数点后一位，只能使用P3.0(RXD)口输出温度值显示

12、数据，从而节省单片机的端口资源。在P1.4端口和P3.1(TXD)的控制下，由74LS164实现3位静态显示。数字电路的硬件部分如图5所示：图（5）数字硬件电路示意图3.系统软件设计。系统软件由三个模块组成：主程序模块、功能实现模块和运行控制模块。3.1 主程序模块主程序流程图如图6所示：图（6）主程序流程图3.2 功能实现模块功能模块主要由A/D转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等组成，用于控制可控硅和电炉。3.2.1T0 中断子程序该中断是单片机的100ms定时中断，优先级最高，是最重要的子程序。在这个中断响应中，单片机应该完成调用PID算法子程序和输出PID计算结果的

13、功能。流程图如下：图 7：t0 中断子程序3.2.2T1中断子程序T1 中断用于调制PWM 信号，其优先级低于T 0 中断。其时序初值由PID算法子程序提供的输出转换而来，T1中断响应时间用于输出控制信号。流程图如图（8）所示：图（8）T1中断子程序3.3 运行控制模块3.3.1比例转换子程序该子程序的作用是将温度信号（00HFFH）转换为相应的温度值，以显示或与同维度的设定值进行比较。使用的线性尺度变换公式为：式中，Ax：实测温度值； Nx：A/D转换后的温度； Am =90； Ao=40； Nm =FEH； No=01H。 单片机采用定点计算，高温区和低温区分别用程序进行校正。3.3.2

14、PID算法子程序系统控制采用工业上常用的位置PID数字控制，并结合具体系统对算法进行改进，形成变速积分PID与积分分离PID控制相结合的自动辨识控制算法。该方法不仅大大降低了超调，而且有效地克服了积分饱和的影响，大大提高了控制精度。由上式得到的PID参数为u(k)=Q0e(k)+Q1E(k-1)+Q2e(k-2)，因此可以计算出数字PID增量控制算法的参数：q0=120 , q1=-240, q2=120。 PID控制算法流程图如下（9）：图 9 为 9)PID 控制算法流程图4. 源代码#include #include PID.h#define AD_Data P0无符号字符 ADConv

15、ert(void);sbit AD_Start=P20;位 AD_EOC=P21;位 Ctrl=P34;位 SW=P23;sbit outpin=P10;unsigned char const DisCode10 = 0 x,0 x06,0 x5B,0 x,0 x66,0 x6D,0 x7D,0 x07,0 x,0 x,；3F4F7F6F无符号字符常量状态10 = 0 xb7,0 xf8,0 xf3； /n,t,p,i,d ,0 xb0,0 xdeunsigned int tep,step=300,s_ulCycle,s_uiHighTime,s_uiLowTime,Freq,value,Sc

16、ale;无符号长 longtemp，longtemp1，longtemp2；无符号字符 i=0;位 s_bStatus=0;无符号字符 ADConvert(void);无效显示（无符号整数 num1，无符号整数 num2）；无效延迟（无符号整数延迟时间）；无效 EX_init();void PWM_Set(unsigned int uiFreq, unsigned char ucScale);主要的（）无符号长温度=0，温度1=0；Ctrl=0；EX_init();初始化_pid_value();而（1）温度=ADConvert();温度=温度*400/256；if(温度360)|(温度 10

17、0) / 占空比不能大于 100%返回;s_ulCycle = 921600/uiFreq;longtemp1 = s_ulCycle;longtemp2 = ucScale;longtemp = 65535-(longtemp1*longtemp2/100);s_uiHighTime =longtemp;longtemp = 65535-(longtemp1*(100 - longtemp2)/100);s_uiLowTime = longtemp;无效 PWM_Tm1ISR(无效) 中断 1TR0 = 0；s_bStatus= s_bStatus; /取反标志位，表示本次输出的高电平或低电

18、平。if(s_bStatus) /输出高电平TH0 = s_uiHighTime8;TL0 = s_uiHighTime；输出 = 1;else /输出低电平TH0 = s_uiLowTime8;TL0 = s_uiLowTime；输出 = 0;TR0 = 1；无效 EX_init()EA=1；TMOD=0 x11； /T0,T1都使用16位定时器，不受外部引脚电平控制。ET0=1；ET1=1；EX0=1；IT0=1；EX1=1；IT1=1；TH0=s_uiLowTime8;TL0=s_uiLowTime； /Timer0 给出初始值。TR0=1； /启动定时器0TH1=0 x4b；TL1=0

19、 xff； /定时50msTR1=1；void PID_Ctrler(void) 中断 3TH0=0 x4b；TL0=0 xff；如果（i=1）i=0;值=ypid（步，步）； 否则我+；void EX0_int(void) 中断 0如果（SW）步骤+；否则步骤+=10；void EX1_int(void) 中断 2如果（SW）步；否则步骤-=10；无效显示（无符号整数 num1，无符号整数 num2）P2=0 xa0；延迟（5）； SBUF=DisCodenum1/100;延迟（100）；P2=0 x20；延迟（5）； SBUF=DisCodenum1%100/10;延迟（100）；P2=0

20、 xc0；延迟（5）； SBUF=DisCodenum1%10;延迟（100）；P2=0 x40；延迟（5）； SBUF=DisCodenum2/100;延迟（100）；P2=0 x80；延迟（5）； SBUF=DisCodenum2%100/10；延迟（100）；P2=0 x00；延迟（5）； SBUF=DisCodenum2%10;延迟（100）；P2=0 xe0；延迟（5）； SBUF=状态0；延迟（100）；P2=0 x60；延迟（5）； SBUF=状态1；延迟（100）；无符号字符 ADConvert(void)无符号整数电压；AD_Start=0；AD_开始=1；AD_Start=

21、0；延迟（10）；电压=AD_Data；返回电压；无效延迟（无符号整数延迟时间）而（延迟时间-）；PID.h：/* * 功能说明：主要用于PI运算，通过给定和反馈计算输出*入口：ifin,give（反馈，给定）*退出：退出* 全局变量：lasterror,lastout； * 调用模块：无 * */int idata lerror1,lastout; /,out_max,you5,lyrk,yrk,;无符号字符 xi,xp,xd;无符号字符常量 UPPER_LIMIT=400;字符 p;unsigned int ypid(unsigned int give,unsigned int feedback)整数错误1，错误2，输出；error1=反馈； /计算积分偏差错误2=错误1-lerror1； /计算比例偏差lerror1=错误1； /更新e(k-1)输出=最后输出+error1/xi+error2*xp； /计算PI控制值如果（错误1=0）输出=输出； /计算不敏感区域的操作补偿。否则如果（错误1-8）如果（错误1 0）输出=输出+1；否则 out=out-1;否则如果（错误1-16）如果（错误1 0）输出=输出+2；否则 out=out-2;如果（输出UPPER_LIMIT）输出=UPPER_LIMIT； /控制输出值的上限