1、<p><b>　　計算機控制技術</b></p><p><b>　　課程設計報告 </b></p><p>　　題 目 電加熱爐計算機溫度控制系統(tǒng) </p><p>　　學院(部) 電子信息工程學院 　 </p><p>　　專 業(yè)

2、自動化 　 </p><p>　　學生姓名 　 </p><p>　　學 號 年級 2008級 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　2011年 6月 20日</p&g

3、t;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1.引言1</b></p><p>　　2.系統(tǒng)工作原理1</p><p>　　3.硬件的設計與實現(xiàn)2</p><p>　　3.1 系統(tǒng)硬件設計2</p><p>　　3.2 單

4、片機最小系統(tǒng)2</p><p>　　3.3 A/D轉(zhuǎn)換器3</p><p>　　3.4 LED數(shù)碼管4</p><p>　　3.5 鍵盤電路4</p><p>　　3.6 晶閘管及其控制電路5</p><p>　　3.7爐溫檢測電路5</p><p>　　4.系統(tǒng)控制流程及軟件設計

5、6</p><p>　　4.1總體流程圖6</p><p>　　4.2程序塊流程圖6</p><p>　　4.2.1 溫度控制系統(tǒng)主程序及流程圖6</p><p>　　4.2.2 LED數(shù)碼管顯示子程序及其流程圖8</p><p>　　4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換程序及流程圖8</p><p&g

6、t;　　4.2.4 數(shù)字控制器的設計9</p><p>　　4.2.5鍵盤控制流程圖10</p><p>　　5.設計工作總結及心得體會12</p><p><b>　　參考文獻13</b></p><p>　　附錄:電加熱爐計算機溫度控制系統(tǒng)設計電路圖14</p><p><b&

7、gt;　　1.引言</b></p><p>　　溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一。為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動強度，節(jié)約能源，對加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動或爐內(nèi)物體而變化，或者有的電爐的爐溫根據(jù)工藝要求按照某個指定的升溫或保溫規(guī)律而變化，等等。</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)過程中，用模擬控制來控制電

8、加熱爐溫已經(jīng)取得了較為成熟的經(jīng)驗，但他的控制精度較低，顯示操作不方便，為此引入了計算機控制系統(tǒng)對溫度進行數(shù)字算法控制。由于電爐加熱的時間常數(shù)相對于采樣周期來說很大，所以電爐加熱控制系統(tǒng)的動態(tài)特性可以看作一階滯后環(huán)節(jié)來近似，在控制算法上可采用PID控制或其他純滯后補償算法。</p><p>　　本課程設計所控制的電加熱爐的加熱能源是熱阻絲，根據(jù)控制系統(tǒng)要求，設計控制方案和主電路及各檢測控制模塊電路，然后針對溫度控制

9、要求計算電路元件所需參數(shù)，應用PID控制算法，實現(xiàn)溫箱的閉環(huán)控制。進而了解溫度控制系統(tǒng)的特點及運用計算機設計控制程序?qū)崿F(xiàn)計算機自動控制溫度的方法。</p><p><b>　　2.系統(tǒng)工作原理</b></p><p>　　整個加熱爐的溫度控制系統(tǒng)采用典型的反饋式閉環(huán)控制，系統(tǒng)結構框圖如圖2.1所示。</p><p>　　數(shù)字控制器的功能采用單片

10、機AT89c51實現(xiàn)，執(zhí)行器的作用由可控硅實現(xiàn)，溫度有采樣與測量采用熱電偶及變送器實現(xiàn)。</p><p>　　數(shù)字控制器的設計：在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于加熱爐溫度的時間常數(shù)很大（相對于采樣周期而言），所以其閉環(huán)調(diào)節(jié)可以用一個一階滯后環(huán)節(jié)來近似?？梢圆捎弥睌?shù)字控制，也可以采用模糊控制和PID控制，本設計中采用PID控制，其控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理如圖2.2所示：</p><p>　　爐溫控制的基本原

11、理是：改變可控硅的導通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓可在0—140V內(nèi)變化。溫度傳感器是通過一只熱敏電阻及其放大電路組成，溫度越高其輸出電壓越小。外部LED燈的亮滅表示可控硅的導通與關斷的占空比時間，如果爐溫低于設定值則可控硅導通，系統(tǒng)加熱，否則系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設定值。</p><p>　　3.硬件的設計與實現(xiàn)</p><p>　　3.1 系統(tǒng)硬件設計</p

12、><p>　　本系統(tǒng)的硬件設計主要包括：單片機最小系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度變送器、控制鍵盤、LED顯示數(shù)碼管、光電隔離可控硅觸發(fā)電路。硬件系統(tǒng)框圖如圖3.1所示：</p><p>　　3.2 單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　本系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為該控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對溫度的采集、檢測和控制。單片機控制A/D轉(zhuǎn)換器，接收由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的二進制溫度數(shù)

13、據(jù)，并對其進行數(shù)字濾波、標度變換并與輸入的參照溫度相比較，得出誤差，根椐PID算法求出控制溫度達到期望值所需要的控制量。通過調(diào)節(jié)高低電平輸出時間，控制可控硅的接通時間，從而改變電爐的輸出功率，達到調(diào)溫的作用。單片機及其接口電路圖如圖3.2所示： </p><p>　　3.3 A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器在該系統(tǒng)中的功能是將溫度變送器輸出的1—5V電壓信號轉(zhuǎn)換為單片機能識別

14、的二進制代碼，供給單片機做進一步的處理。電熱爐的溫度變化范圍為室溫到1000℃，將控制精度確定限定在5℃范圍內(nèi)，則可選擇8位A/D轉(zhuǎn)換器，其最小精度可以達到1000℃÷256=3.921℃＜5℃，則選擇ADC0808或ADC0809均可滿足設計要求，這里選擇ADC0809。</p><p>　　ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型

15、A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成，其內(nèi)部結構如圖3.3所示。</p><p>　　ADC0809的工作過程：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個

16、信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。</p><p>　　本設計中只需要用到ADC0809的一個通道即可，故將ADC0809的輸入通道選通地址A、B、C均接地（即只使用輸入通道IN0）。ADC0809的工作時鐘為500KHz，由于單片機的ALE能自動輸出單片機時鐘頻率的1/6（即當單片機的時鐘晶振選擇12MHz時，ALE自動輸出2MHz時鐘信號），ADC08

17、09的時鐘信號通過對單片機ALE的輸出時鐘進行四分頻得到，進行四分頻的器件可采用集成有兩個二分頻器的74LS74。單片機的PA口作ADC0809的控制口，P0口作轉(zhuǎn)換結束后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的接收口。 ADC0809與單片機的接口電路如圖3.4所示。</p><p>　　3.4 LED數(shù)碼管</p><p>　　數(shù)碼管主要用以顯示設定溫度值與實際測量溫度值。數(shù)碼管根據(jù)其連接方式可以分為共陰數(shù)碼管與共

18、陽數(shù)碼管，根據(jù)其顯示的段數(shù)可以分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，其中八段數(shù)碼管相比七段數(shù)碼管要多一個小數(shù)位。</p><p>　　由于本設計所需用到的最大溫度值為1000，故需選用4位數(shù)碼，在這里選用4位共陰8段數(shù)碼管作為本設計的LED顯示。四位共陰數(shù)碼管的引腳圖如圖3.5所示，數(shù)碼管與單片機的接口電路如圖3.6所示。</p><p><b>　　3.5 鍵盤電路</b>&

19、lt;/p><p>　　鍵盤主要用來完成對系統(tǒng)參數(shù)的設置和啟動及停止計算機自動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要采用四位獨立鍵盤完成上述控制功能。鍵盤電路如圖3.7所示，其中，S1、S2對預溫度進行設置，S2為數(shù)碼管移位選擇按扭，被選中的數(shù)位小數(shù)點被點亮，此時再按S1，可以使被選中位從0—9依次循環(huán)，循環(huán)到所需要值的時候，再按S2移到下一位，依次設置完4位數(shù)碼管組成的預設溫度值。S3、S4分別為啟動和停止計算機自動控制系統(tǒng)，當S3

20、有按下信號時，單片機開始對系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)控制，當S4有輸入信號時，退出自動控制。</p><p>　　3.6 晶閘管及其控制電路</p><p>　　晶閘管屬于半控器件，當在基極輸入電流觸發(fā)信號滿足其導通電流強度時，晶閘管即導通，且導通后觸發(fā)信號將失去作用。要使晶閘管關斷，第一可以不斷減小電源電壓或是加大回路電阻，使陽極電流Ia低于維持電流IH之下，晶閘管即可恢復關斷；第二可以給晶閘管施

21、加反電壓，使晶閘管自行關斷。</p><p>　　本系統(tǒng)中晶閘管的關斷方式采用第二種，由于我們生活所用的交流電是頻率為50Hz的正弦交變電壓，系統(tǒng)所要求晶閘管控制電壓有效值在0—140V內(nèi)變化，故采用如圖3.8所示的電路接線方式。當電源電壓處于正弦變化的正半周的時修，通過調(diào)節(jié)晶閘管的導通角，即可改變電阻兩端的電壓有效值，當電源電壓處于正弦負半周的時候，加在晶閘管兩端的反電壓使晶閘管自動關斷。</p>

22、<p>　　由于觸發(fā)晶閘管導通的電流信號是模擬信號，故需要采取隔離措施，使數(shù)字控制電路與模擬負載電路隔離開，防止模擬信號串入數(shù)字電路造成誤動作或損壞數(shù)字電路。這里采用的隔離措施是使用光電隔離器4N25，當P1.7輸出高電平時，經(jīng)7404反向為低電平，發(fā)光二極管發(fā)光觸發(fā)模擬電路部分導通，晶閘管IRF640得到觸發(fā)信號從而導通。根據(jù)單片機發(fā)出脈沖的間隔時間不同，即可改變晶閘管的導通角，從而起到調(diào)壓的作用。</p>

23、<p><b>　　3.7爐溫檢測電路</b></p><p>　　電爐的溫度先由熱電偶溫度傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，溫度變送器將此弱信號進行非線性校正及電壓放大后，送至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，此數(shù)字量經(jīng)過單片機數(shù)字濾波誤差校正及查表等處理后，得到電爐內(nèi)的實測溫度值。溫度檢測原理結構如圖3.9所示：</p><p>　　4.系統(tǒng)控制流程及軟件設計&

24、lt;/p><p><b>　　4.1總體流程圖</b></p><p>　　單閉環(huán)電加熱爐溫度計算機控制系統(tǒng)總體流程如圖4.1所示</p><p><b>　　4.2程序塊流程圖</b></p><p>　　4.2.1 溫度控制系統(tǒng)主程序及流程圖</p><p>　　主程序主要

25、進行初始化，定義I/O端口及定時器參數(shù)，調(diào)用子程序以便為系統(tǒng)正常工作創(chuàng)造條件。主程序如下，主程序流程序如圖4.2.1所示：</p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　#include<intrins.h></p><p>　　/*.....定義四位數(shù)碼管的位選腳.....*/</p><p

26、>　　sbit w1=P3^0; </p><p>　　sbit w2=P3^1; </p><p>　　sbit w3=P3^2; </p><p>　　sbit w4=P3^3; </p><p>　　/*.....定義AD轉(zhuǎn)換器的啟動引腳.....*/ </p><p>　　sbit ST=P1^1;

27、 </p><p>　　/*.....定義AD轉(zhuǎn)換器的控制腳.....*/</p><p>　　sbit EOC=P1^2;</p><p>　　sbit OE=P1^3;</p><p>　　/*.....定義0~9十個數(shù)字代碼.....*/</p><p>　　unsigned char wu_ds[] = {0

28、x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};</p><p>　　/*.....定義按鍵引腳.....*/</p><p>　　Sbit S1=P3.4;</p><p>　　Sbit S2=P3.5;</p><p>　　Sbit S3=P3.6;</p><p&g

29、t;　　Sbit S4=P3.7;</p><p>　　/*.....聲明程序中將會調(diào)用到的子程序.....*/</p><p>　　void delay(int t);//聲明程序延時子程序</p><p>　　int set_temp(int s);//聲明設置初始值子程序</p><p>　　void cont_temp(int x)

30、;//聲明數(shù)據(jù)處理，與工程量變換子程序</p><p>　　void start_temp(void);//聲明啟動A/D轉(zhuǎn)換器子程序</p><p>　　void _PID_(int y，int z);//聲明 PID 控制程序 </p><p>　　/*.....開始主函數(shù).....*/</p><p>　　void main()<

31、/p><p><b>　　{</b></p><p>　　int data_in; //定義一個用來存放AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結果的變量</p><p>　　int a1,a2,a3,a4,m,t;</p><p>　　m=set_temp(0) ;</p><p>　　P0=0xFF; /

32、/初始化AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)端口</p><p>　　while(1) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　cont_temp(data_in);</p><p>　　display(a1,a2,a3,a4); //調(diào)用數(shù)碼管分時顯示函數(shù)顯示測得溫度</p><p

33、>　　t=a1*1000+a2*100+a3*10+a4;</p><p>　　_PID_(m,t);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.2.2 LED數(shù)碼管顯示子程序及其流程圖</p><p>　　

34、本系統(tǒng)采用4位共陰數(shù)碼管用動態(tài)顯示的方式顯示預設值和測得溫度值，其動態(tài)掃顯示程序如下，程序流程圖如圖4.2.2所示：</p><p>　　void display(long int a,long int b,long int c,long int d)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P0=0; //先關閉全部數(shù)碼管

35、</p><p>　　w1=0; //顯示千位數(shù)，從左到右</p><p>　　P0=wu_ds[a];</p><p><b>　　delay(3);</b></p><p><b>　　w1=1;</b></p><p><b>　　P0=0;</b>

36、;</p><p><b>　　w2=0;</b></p><p>　　P0=you_ds[b];顯示百位數(shù)</p><p><b>　　delay(3);</b></p><p><b>　　w2=1;</b></p><p><b>　　P

37、0=0;</b></p><p><b>　　w3=0;</b></p><p>　　P0=wu_ds[c];顯示十位數(shù)</p><p><b>　　delay(3);</b></p><p><b>　　w3=1;</b></p><p>

38、<b>　　P0=0;</b></p><p>　　w4=0; </p><p>　　P0=wu_ds[d];顯示個位數(shù)</p><p><b>　　delay(3);</b></p><p><b>　　w4=1;</b></p><p>&

39、lt;b>　　}</b></p><p>　　4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換程序及流程圖</p><p>　　本系統(tǒng)所使用的A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809接線圖如圖3.4所示，控制其啟動及轉(zhuǎn)換程序如下，啟動A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖4.2.3所示：</p><p>　　void start_temp(void)</p><p><b&g

40、t;　?。?lt;/b></p><p>　　ALE=1;_nop_();_nop_();ALE=0; //鎖存通道地址，這里采用通道IN0</p><p>　　ST=1;_nop_();_nop_();ST=0;</p><p>　　_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();</p><p>　　_nop_()

41、;_nop_();_nop_();_nop_();//START下降沿，開始進行A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　while(EOC==0)//轉(zhuǎn)換時間約為100us，在轉(zhuǎn)換期間EOC為低電平，利用條件延時</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p>&

42、lt;p><b>　　}</b></p><p>　　OE=1; //轉(zhuǎn)換結束，給OE高電平，請求輸出轉(zhuǎn)換結果</p><p>　　data_in=P3; //用P3口來接收AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結果，將結果存入data_in</p><p><b>　　OE=0;</b></p><p>

43、<b>　　｝</b></p><p>　　4.2.4 數(shù)字控制器的設計</p><p>　　數(shù)字控制器是本控制系統(tǒng)的核心，用它對被測參數(shù)進行自動調(diào)節(jié)，這里采用PID程序設計法進行設計。根據(jù)位置型PID設計方法可寫出表達式4-1</p><p>　　P(k)=PP(k)+PI(k)+PD(k) 式4-1<

44、;/p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　PP(k)=KPE(k)</p><p><b>　　PI(k)=KI </b></p><p>　　=KIE(k)+ KI </p><p>　　= KIE(k)+PI(k-1)</p><p&

45、gt;　　PD(k)=KD[E(k)-E(k-1)]</p><p>　　根據(jù)4-1式和圖2.2所示的PID調(diào)節(jié)控制圖可得PID數(shù)字控制程序的流程圖如圖4.2.4所示：</p><p>　　4.2.5鍵盤控制流程圖</p><p>　　本系統(tǒng)采用4位鍵盤設置基本參數(shù)及啟動與停止計算機自動控制系統(tǒng)的自動運行。鍵盤控制程序采用定時器延時掃描的方法控制，當按鍵被按下時輸入

46、一個低電平，其流程圖如圖4.2.5所示：</p><p>　　5.設計工作總結及心得體會</p><p>　　通過對電加熱爐計算機溫度控制系統(tǒng)的設計，使我對實際工程中的自動控制系統(tǒng)的應用有了初步的設計理念。理論與實踐的結合，使我對自算機控制系統(tǒng)的特點以及其組成原理與應用程序有了更進一步的學習，通過對整個系統(tǒng)的設計，使我更進一步的鞏固了專業(yè)基礎知識，提高了用理論知識解決實際問題的實踐能力。通

47、過資料的收集及整理，也使我學到了許多相關專業(yè)課程的知識，并從中分析得到啟發(fā)，確立系統(tǒng)方案。</p><p>　　通過對數(shù)字控制器的設計，使我掌握了運用單片機實現(xiàn)PID算法控制、單片機與A/D轉(zhuǎn)換器的接口電路、鍵盤與單片機的接口電路、LED與單片機的接口電路以及編程實現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)顯示、A/D轉(zhuǎn)換器的編程、鍵盤控制的編程和通過單片機觸發(fā)可控硅導通的方法。</p><p>　　這次對計算機自動

48、控制系統(tǒng)的設計更加深了我對閉環(huán)控制系統(tǒng)的了解，使我對小型計算機控制系統(tǒng)的硬件及軟件設計有了綜合分析、獨立思考的能力。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]潘新民.微型計算機控制技術.第2版.電子工業(yè)出版社.2011</p><p>　　[2]林錦國.過程控制.第3版.東南大學出版社.2011</p>

49、;<p>　　[3]郁有文.傳感器原理及工程應用.第3版.西安電子科技大學出版社.2010</p><p>　　[4]謝維成.單片機原理與應用及C51程序設計.第2版.清華大學出版社.2009</p><p>　　[5]閻 石.數(shù)字電子技術基礎.第5版.高等教育出版社.2009</p><p>　　[6]譚浩強.C程序設計.第3版.清華大學出版社.2