电阻炉温度控制系统设计

计算机控制技术

课程答辩论文题目：电阻炉温度控制系统设计电阻炉温度控制系统设计摘要自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。电阻炉在国民经济中有着广泛的应用，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。温度是工业对象中主要的被控参数之一。尤其是在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类不同，所采用的加热方法及燃料也不相同，如煤气、天然气等。为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。因此，本设计要求用单片机设计一个能在多种领域得到广泛应用的电阻炉温度控制系统。关键词：恒温；热处理；控温系统目录第一章绪论1.1选题的背景与意义1.2电阻炉简介1.3电阻炉的优点第2章系统总体设计2.1总体方案设计2.2对象分析2.3系统功能设计第3章硬件设计3.1计算机机型3.2设计支持计算机工作的外围电路3.3设计输入输出通道3.4元器件的选择第四章软件设计4.1系统程序流程图4.2程序清单第五章系统调试设计总结参考文献附录第1章绪论1.1选题的背景与意义电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备，广泛应用于冶金、机械、建材等行业，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。本设计要求采用单片机设计一个电阻炉温度控制系统。1.2电阻炉简介电阻炉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工件和物料的热加工设备。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。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，虽炉种的不同而已。电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等1.3电阻炉的优点.热效率高。电阻炉不需要燃烧气体，没有派出因燃烧气体而产生的废气造成的热损失。炉膛室内热强度高，能达到较高的温度，是高熔点金属得熔化。.能满足工件在各种工艺樊为中的要求，并使之成为可控。能用质量流量计对所控气氛进行检测。由保护气氛来保证炉内气氛的清洁。比如保护气氛改为真空，可以将炉内的残余气体抽走，保护气氛改为氢气，各种可随之运出。高纯度的氢气，气含氧量可小于0.1ppm,气露点小于一70°C.能够满足工作空间温度场均匀分布和恒温的精度要求。比如在48小时内温度漂移±0.5Co整个工艺过程能用微机和智能化程序控制。有利于连锁保护，报警、防爆、数显、曲线记录操作简单，寿命长，安全有保障。场所利用率大，噪声较稳定。第2章系统总体设计2.1总体方案设计设计任务：用一台计算机及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，并使系统达到工艺要求的性能指标。2.1.1设计内容及要求电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为8KW,有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。系统模型:G(s)=G(s)=2.8e-40s178s+l2.1.2工艺要求按照规定的曲线进行升温和降温，温度控制范围为50〜350°C，升温和降温阶段的温度控制精度为±5°C，保温阶段温度控制精度为±2°C。2.1.3要求实现的系统基本功能微机自动调节：正常工况下，系统投入自动。模拟手动操作：当系统发生异常，投入手动控制。微机监控功能：显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出值，参数报警时有灯光报警。2.2对象分析在此设计中，要求电阻炉炉内的温度，按照上图所示工艺要求的规律变化，首先从室温开始到50C为自由升温阶段，当温度到达50C，就进入系统调节，当温度上升到达350C时进入保温段，要求始终在系统控制下，保证所需的炉内温度的精度。加工完毕，要进行降温控制。保温段的时间为600〜1800s。过渡过程时间：即从开始控制到进入保温阶段的时间要小于600s。在保温段当温度高于352C或低于348C时要报警，在升温和降温阶段也要进行控制，使炉内温度按照曲线的斜率升或降。采用MCS—51单片机作为控制器，ADC0809模数转换芯片为模拟量输入，DAC0832数模转换芯片为模拟量输出，伯电阻为温度检测元件，运算放大器和可控硅作为功率放大，电阻炉为被控对象，组成电阻炉炉温控制系统，另外，系统还配有数字显示，以便显示和记录生产过程中的温度和输出值。2.3系统功能设计计算机定时对炉温进行测量和控制一次，炉内温度是由铂电阻温度计来进行测量，其信号经放大送到模数转换芯片，换算成相应的数字量后，再送入计算机中进行判别和运算，得到应有的电功率数，经过数模转换芯片转换成模拟量信号，供给可控硅功率调节器进行调节，使其达到炉温变化曲线的要求。第3章硬件设计3.1计算机机型：MCS—518031（不包含ROM、EPROM）系统总线：PC总线3.2设计支持计算机工作的外围电路矩阵键盘技术：图3-1用8255接口的4X8键盘矩阵图3-1为4X8矩阵组成的32键盘与微机接口电路。图中8255端口C为行扫描口，工作于输出方式，端口A工作于输入方式，用来读入列值。图中I/O口地址必须满足CE_-=0,才能选中相应的寄存器。在每一行与列的交叉点接一个按键，故4X8共32个键。温度输出显示技术：LED静态显示接口技术，所谓静态显示，即CPU输出显示值后，由硬件保存输出值,保持显示结果.

图3-2用锁存器连接的图3-2用锁存器连接的6位静态显示电路图3-2为6位BCD码静态显示电路原理图。图中74LS244为总线驱动器，6位数字显示共用同一组总线，每个LED显示器均配有一个锁存器（74LS377），用来锁存待显示的数据。当被显示的数据从数据总线经74LS244传送到各锁存器的输入端后，到底哪一个锁存器选通，取决于地址译码器74LS138各输出位的状态。总线驱动器74LS244由IOW和A9控制，当IOW和A9同时为低电平时，74LS244打开，将数据总线上的数据传送到各个显示器的锁存器74LS377上。特点:占用机时少，显示可靠.但使用元件多，且线路复杂、成本高。报警电路设计：正常运行时绿灯亮，在保温阶段炉内温度超出系统允差范围，就要进行报警。报警时报警红灯亮，电笛响，同时发送中断信号至CPU进行处理。如图3-3

3.3设计输入输出通道输入通道：因为所控的实际温度在50〜350°C，即（350—50）=300所以选用8位A/D转换器，其分辨率约为1.5C/字，再加放大器偏置措施实现。（通过调整放大器的零点来实现偏置）这里采用一般中速芯片ADC0809。ADC0809是带有8位A/D转换器，8路多路开关以及微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。这种器件无需进行零位和满量程调整。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且其三态TTL输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。其具有较高的转换速度和精度，受温度影响较小，能较长时间保证精度，重现性好，功耗较低，故用于过程控制是比较理想的器件。interhUpTAODflESSDECOOf(AD4~AD15r5.CQQVO.QOOVHART>INTERRUPTMSBwrite——5VSUPPLYO图3-4AIAOCOfiDSDC0809应用接线图0-5VANALOGINPUTRANGE输出通道：据其实际情况，D/A转换器的位数可低于'A/D转换器的位数，因为一般SDOkHEAODflESSDECOOf(AD4~AD15r5.CQQVO.QOOVHART>INTERRUPTMSBwrite——5VSUPPLYO图3-4AIAOCOfiDSDC0809应用接线图0-5VANALOGINPUTRANGE输出通道：据其实际情况，D/A转换器的位数可低于'A/D转换器的位数，因为一般Rn=2R图3-5DAC0832双极性电压输出电路双极性电压输出的D/A转换电路通常采用偏移二进制码、补码二进制码和符号一数值编码。只要在单极性电压输出的基础上再加一级电压放大器，并配以相关电阻网络就可以构成双极性电压输出。在上图中，运算放大器A2的作用是把运算放大器A1的单向输出电压转变为双向输出。3.4元器件的选择传感器的选择：伯铑10-伯热电偶，S型，正极性，量程0—1300°C，使用温度小于等于600C，允差±1.5C。执行元件的选择：电阻加热炉采用晶闸管（SCR）来做规律控制，结合电阻炉的具体要求，为了减少炉温的纹波，对输出通道采用较高的分辨率的方案，因此采用移相触发方式，并且由模拟触发器实现移相触发。变送器的选择：因为系统要求有偏置，又需要对热电偶进行冷端补偿，所以采用常规的DDZ系列温度变送器。控制元件：采用双向可控硅进行控制，其功能相当于两个单向可控硅反向连接，具有双向导通功能，其通断状态有控制极G决定。在控制极加上脉冲可使其正向或反向导通。第四章软件设计4.1系统程序流程图a、系统主程序框图b、A/Da、系统主程序框图c、LED显示流程图d、e、数字控制算法子程序流程图4.2程序清单计算皿orG'锄丽林AJMPMAINORG00AJMPK睁数据为下一次采样作醇ORG000BHAJMPPIT0ORG001BHw子程序返回AJMPPIT1；AJMPPIT1MAIN：MOVSP，#00HCLR5FHCLR5FHMOVA，#00HTOC\o"1-5"\h\zMOVR7，#09HMOVR0，#28HLP1：MOV@R0，AINCR0DJNZR7，LP1课程答辩论文：电阻炉温度控制系统设计MOVR7,#06HMOVR0,#39HLP2：MOV@R0,AINCR0DJNZR7,LP2MOVR7,#06HMOVRO,#50HLP3：MOV@R0,AINCR0DINZR7,LP3;清显示缓冲区MOV33H,#00HMOV34H,#00H;赋KP高低字节MOV35H,#00HMOV36H,#00H；赋KI高低字节MOV37H,#00HMOV38H,#00H；赋KD高低字节MOV42H,#00HMOV43H,#00H；赋K高低字节MOVTMOD,#56H；T0方式2,T1方式1计数MOVTLO,#06HMOVTHO,#06HMOV25H,#163H；设定值默认值350SETBTR0；键盘高优先级SETBET0SETBEX0SETBEA；开键盘T0。T1中断LOOP：MOVR0,#56HMOVR1,#55HLCALLSCACOV；标度转化MOVR0,#53HLCALLDIRNOPLCALLDLY10MSNOPLCALLDLY10MSAJMPLOOP；等中断键盘子程序KEYS：CLREX0CLRPUSHPUSHEAPSWACC；关中断LCALLDLY10MS；消抖CC：JBP3.2AASETB5DH；置“显示设定值温度值标志”MOVA,25H；取运算位的值MOVB,#10H；BCD码转化DIVMOVMOVMOVMOVLCALLAB52H，AA,B51H,AR0,#50HDIR;显示设定温度BB:NOPLCALLDLY10MSNOPLCALLDLY10MSJBP1.7,BBMOVR1,#25HLCALLDAAD1NOPLCALLDLY10MSAJMPCCJBP1.6CCAA:MOVR1,#25HLCALLDEEC1NOPLCALLDLY10MSAJMPCCPOPACCPOPPSW显示子程序DIR:SETBEX0SETBEARETI；出栈MOVSETBJBMOVMOVMOVCMOVJNBCLRINCMOVMOVCANLMOVJNBCLRINCMOVMOVCMOVJNBCLRCLRCLRRETMOVAJMPDBSCON,#00H;置串行口移位寄存器状态P1.4;开显示5DH,DL1;显示设定温度DPTR,#SEGTA,@R0A,@A+DPTRSBUF,ATI,LOOP1TIR0A,@R0A,@A+DPTRA,#7FH；使数带小数点SBUF,ATI,LOOP2TIR0A,@R0A,@A+DPTRSBUF,ATI,LOOP3TIP1.45DH50H,#0AH;小数位黑屏DL20C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFHMOVORLA,#00HA,@R1DL2:DL0:LOOP1:LOOP2:LOOP3:DL1:SEGT:加一子程序DAAD1:ADDA,#01HCJNEA,#30H,DAAD2;超过48度了吗？DAAD3:MOV@R1,ADAA:RETDAAD2:JCDAAD3MOV@R1,#15EH;超过48则转回到355AJMPDAA减一子程序DEEC1:MOVA,@R1DECACJNEA,#15EH,DEEC2;低于355度了吗？DEEC3:MOV@R1,ADEE:RETDEEC2:JNCDEEC3MOV@R1,#30H;低于355则转回到48AJMPDEET0中断子程序PTT0:CLREAPUSHACCPUSHPSWPUAHDPLPUSHDPHSETBEA;压栈后开中断响应键盘PPP:LCALLSMAP；米样数据LCALLFILTER;数字滤波MOVA,2AH;取采样值CJNEA,#07H,AAA;下限48比较AJMPBBBAAA:JCCCC;小于48度转CJNEA,#0FEH,DDD;上限355比较AJMPBBB;转至48~355正常范围处理DDD:JCBBBCLRP1.2;大于355黄灯亮SETB5EHCLRP1.1;置标志启动风扇

AJMPPPPCCC:CLRP1.3;小于48红灯亮SETB5FHBBB:CLRP1.0;置标志启动电炉AJMPPPPSETBP1.0SETBP1.1SETBP1.2SETBP1.3CLR5EHCLR5FH;50~350之间正常LCALLPIDJNB20H,EEF;设定温度小于实际值转到风扇MOVA,29HLCALLFFFCLRP1.0LOOP10:MOVR0,#56H;存放相乘结果的首址MOVR1,#55H;赋显示缓冲区最高位地址LCALLSCACOV;标度转化MOVR0,#53H;赋显示首址CLRDIRJBD5H,LOOP10;等待T1中断CLREAPOPDPHPOPDPLPOPPSWSETBEAPOPACCRETIEEE:MOVA,28H;风扇处理LCALLFFFCLRP1.1AJMPLOOP10FFF:CRLA;根据PID结果计算T1初值INCA

MOVTL1,AMOVTH1,#0FFHSETBPI1SETBTR1SETBET1RET标度转化SCACOV:PROCNEARMOVDX,0MOVDATA1,#258HMOVDATA2,#708HMOVDATA3,#960HPROCNEARMOVDX,0MOVAX,DATAP;取采样时间CMPAX,DATA3;时间大于2400?JAEQ3DORCMPAX,DATA2JAEQ3-Q2;1800<时间<2400CMPAX,DATA3JAEQ2-Q1;600<时间<1800Q0:MOVBX,0.8H;<600SQ=50+t/2MULBXADCDX,0JMPDONEQ2-Q1:MOVAX,#15EH;Q=350Q3-Q2:SUBAX,DATA2;Q=350-(t-1800)/2MOVBX,0.8HMULBXMOVAX,#15EHSUBAX,BXMOV@R1,APP:RET采样子程序SWAP:MOVR0,#20HMOVR1,#03HSAW1:MOVDPTR,#7FF8HMOVX@DPTRA;A/D转化MOVR2,#20HDLY:DJNZR2,DLY;延时HERE:JBP3.3,HEREMOVDPTR,#7FF8HMOVXA,@DPTR;读转化结果MOV@R0,AINCR0DJNZR1,SAM1RET数字滤波FILTER:MOVA,20HCJNEA,2DHCMP1AJMPCMP2CMP1:JNCCMP2XCHA,2DHXCHA,2CHCMP2:MOVA,2DHCJNEA,22EH,CMP3MOV2AH,AAJMPRRCMP3:JCCMP4MOV2AH,AAJMPRRCMP4:MOVA,2EHCJNEA,2CH,CMP5MOV2AH,AAJMPRRCMP5:JCCMP6XCHA,2CHCMP6:MOV2AH,ARR:RETT1中断

PIT1:CLR00HJB20H,GGGSETBP1.0;关闭电炉GG:CLRPT1RETIGGG:SETBP1.1;关闭风扇CLR20HAJMPGG延时10MS子程序DLY10MS:MOVR7,#0A0HDLOO:MOVR6,#0FFHDL11:DJNZR6,DL11DJNZR7,DL00RET数字PID算法子程序PID:MOVR5,#00HMOVR4,2DH;取NX值MOVR3,#00HMOVR2,#32H;取50LCALLCPL1LCALLDSUM;求(NX-32H)值MOVR0,#5AH;赋乘法算法运算暂存单兀地址首址MOVR5,#05HMOVR4,#1CH;赋参数LCALLMULT;调无符号数乘法MOV31H,5BHMOV32H,5AH;存放结果有效值MOVR5,31HMOVR4,32H;取双字节UR(设定)MOVR3,2AHMOVR2,#00H;取双字节实测值ACALLCPL1;取U(K)补码ACALLDSUM;计算E(K)MOV39H,R7MOV3AH,R6;存E(K)

MOVR5,35HMOVR4,36H;取KI参数MOVR0,#4AHACALLMULT1;计算PI=KI*E(K)MOVR2,39HMOVR4,3AH;取E(K)MOVR3,3BHMOVR2,3CH;取E(K-1)MOVR5,33HMOVR4,34H;取KP参数MOVR0,#46HACALLMULT1;KP*[E(K)-E(K-1)]MOVR5,49HMOVR4,48HMOVR3,4DHMOVR2,4CHLCALLDSUM;KP*[E(K)-E(K-1)]+KI*E(K)MOV4AH,R7MOV4BH,R6;保存上式之和MOVR5,39HMOV3CH,3AH;存E(K)到E(K-1)MOVA,31H;取设定值CJNEA,2AH,AA2;比较设定值与实测值AA3:CLR20H;清电炉标志AA1:RETAA2JNCAA3SETB20H;清风扇标志位MOVR3,39HMOVR2,3AHLCALLCPL1MOVA,R3MOVR7,AMOVA,R2MOVR6,AMOVR5,42H

MOVR4,43H;取K1风扇标志MOVR0,#5AHACALLMULT1;计算P=K*E(K)且结果存在51H,50H单兀中MOV28H,5BH;取8位有效值存在28H单兀AJMPAADSUM:MOVA,R4;双字节加法子程序(R5R4)+(R3R2)(R7R6)ADDA,R2MOVR6,AMOVA,R5ADDCA,R3MOVR7,ARET双字节求补CPL1:MOVA,R2CPLAADDA,#01HMOVR2,AMOVA,R3CPLAADDCA,#00HMOVR3,ARET乘法被乘数R7R6乘数R5R4MULTI:MOVA,R7RLCAMOV5CH,C;被乘数符号C15CH位JNCPOS1;为正数则转MOVA,R1;为负数求补CPLAADDA,#01HMOVR6,AMOVA,R7CPLAADDCA,#00HMOVR7,APOS1:MOVA,R5;取乘数RLCA;乘数符号C2—f5DHMOV5DH,CJNCPOS2;为正数则转MOVA,R4CPLAADDA,#01HMOVR4,AMOVA,R5CPLAADDCA,#00HMOVR5,APOS2:ACALLMULTMOVC,5CHANLC,5DHJCTPL;负负相乘转MOVC,5CHMOVC,5DHJNCTPL;正正相乘转DECR0MOVA,@ROCPLAADDA,#01MOV@R0,AINCR0MOVA,@R0CPLAADDCA,#00HMOV@R0,ATPL:RETMULT:MOVA,R6MOVB,R4;取低位相乘MULABMOV@R0,AMOVR3,BMOVA,R4MOVB,R7MULABADDA,R3MOVR3,AMOVA,BADDCA,#00HMOVR2,AMOVA,R6MOVB,R5MULABADDA,R3INCR0MOV@R0,ACLR5BHMOVA,R2ADDCA,BMOVR2,AJNCLASTSETB5BH;置进位标志LAST:MOVA,R7MOVB,R5MULABADDA,R2INCR0MOV@R0,A;存积MOVA,BADDCA,#00HMOVC,5BHADDCA,#00HINCR0MOV@R0,ARETEND第五章系统调试在系统调试过程中，将系统各部分硬件连接，检测各部分是否正确。然后就可以进入硬件调试，调试的主要任务是排除硬件的故障，其中包括设计错误和工艺性故障，然后在进行软件的调试，软件调试时需要检查编程是否正确，用微型机对MCS51系列单片机程序进行交叉汇编。在硬件、软件单独调试后，即可进入硬件、软件联合调试阶段，找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试，直到符合设计要求。设计总结经过一周的设计，我对这门课程有了更深的了解。在设计过程中，首先要熟悉系统的工艺，进行对象的分析，要熟悉各元件的