課 程 設 計
題 目 | 電阻爐微型計算機溫度控制系統的設計 |
學 院 | 自動化 |
專 業 | 自動化 |
班 級 | 1103 |
姓 名 | 薩楚拉 |
指導教師 | 張素文 |
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課程設計任務書
學生姓名： 薩楚拉 專業班級： 自動化1103
指導教師： 張素文 工作單位： 自動化
題 目: 電阻爐微型計算機溫度控制系統的設計
初始條件：
設計一個電阻爐微型計算機溫度控制系統，系統為一階慣性純滯后特性（參數自定），溫度控制要求為500℃，溫度控制精度為 1℃；通過LED 顯示溫度；
要求完成的主要任務:
1． 輸入通道及輸出通道設計；
2． LED接口設計；
3． 采用改進PID控制算法；
1． 系統軟件流程及各程序模塊設計并用仿真軟件演示；
4． 完成符合要求的設計說明書。
時間安排：2013年6月25日~2013年7月4日
指導教師簽名： 年 月 日
系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日
目錄
1 控制對象 1
1.1控制對象介紹 1
1.2 控制性能要求 1
2方案的比較和確定 1
3統軟硬件設計 2
3.1總體設計 2
3.2溫度檢測電路 3
3.3 控制信號輸出通道 3
3.4 LED顯示電路 4
4 系統軟件設計 5
4.1 程序流程圖 5
4.2控制算法 6
5基MATLAB仿真被控對象 8
6.心得體會 10
參考文獻 11
附錄一 電路圖 12
附錄二 程序代碼 13
摘要
當今社會，隨著產品的精細化，溫度對產品的影響原來越受到人們的關注，于是，溫度控制成為了工業生產中重要的控制參數之一。這樣，一個能夠精確控制溫度的系統成為人們迫切的需要，它將能夠廣泛的被使用于的各種加熱爐、精密器件制造、甚至于食品行業等。
本次試驗便以電阻爐的溫度控制為例，試圖探求一個具有良好穩定性的溫度控制系統。本次試驗以C51單片機為核心，采用溫度變送器橋路和固態繼電器控溫電路，該控制系統具有硬件成本低、控溫精度較高、可靠性好、抗干擾能力強等特點。基本的想法是：C51單片機能夠按要求對電阻爐進行實時監測和控制算法的確定，發出準確的控制命令；A/D轉換芯片將得到的模擬量轉化為數字量；單片機對數字量進行處理，得到應有的控制量，去
控制加熱功率，從而實現對溫度的控制。
關鍵詞：單片機、電阻爐、溫度測量、控制系統
電阻爐微型計算機溫度控制系統的設計
1 控制對象
1.1控制對象介紹
電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉化為熱能來加熱或者熔化工件和物料的熱加工設備。
電阻爐由爐體、電氣控制系統和輔助系統組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。電氣控制系統包括電子線路、微機控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統通常指傳動系統、真空系統、冷卻系統等，雖爐種的不同而已。
電阻爐的主要參數由額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸。生產率、空爐損耗功率、空爐升溫時間、爐溫控制精度及爐溫均勻性等
1.2 控制性能要求
本設計要求控制一個電阻爐，它是一個具有很大滯后性的系統，慣性也很大，其傳遞函數的形式可以寫為，溫度控制要求為500℃，溫度控制精度為 1℃，電阻爐的溫度還要通過LED 實時顯示出來。
2方案的比較和確定
方案一
系統采用8084芯片作為系統的微處理器。溫度信號由熱電偶檢測后轉換為電信號經過預處理（放大）送到A/D轉換器，轉換后的數字信號再送到8084芯片內部進行判斷或計算。從而輸出的控制信號來控制鍋爐是否加熱。但對于8084芯片來說，其內部只有128個字節的RAM，沒有程序存儲器，并且系統的程序很多，要完成鍵盤、顯示等功能就必須對8084芯
片進行存儲器擴展和I/O口擴展，并且需要容量較大的程序存儲器，外擴時占用的I/O口較多，使系統的設計復雜化。
方案二
系統采用AT89C51作為系統的微處理器來完成對爐溫的控制和鍵盤顯示功能。C51單片機片內除了128KB的RAM外，片內又集成了4KB的ROM作為程序存儲器，是一個程序不超過4K字節的小系統。系統程序較多時，只需要外擴一個容量較小的程序存儲器，占用的I/O口減少，同時也為鍵盤、顯示等功能的設計提供了硬件資源，簡化了設計，降低了成本。因此89C51可以完成設計要求。
綜上所述的二種方案，該設計選用方案二比較合適。
3統軟硬件設計
3.1總體設計
系統的硬件包括微控制器部分（主機）、溫度檢測、溫度控制、人機對話（鍵盤/顯示）4個主要部分，系統的結構框圖如圖3-1所示。
系統程序采用模塊化設計方法，程序有主程序、中斷服務子程序和各功能模塊程序組成，各功能模塊可直接調用。
圖3-1系統結構框圖
3.2溫度檢測電路
溫度檢測電路包括溫度檢測電路、放大器和A/D轉換三部分。原理圖如圖3-2所示
圖3-2溫度檢測電路
Pt100溫度傳感器的測量范圍為：，符合題目中的溫度測量。它是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性來測量溫度的，顯示儀表將會指示出鉑電阻的電阻值所對應的溫度值。當被測介質中存在溫度梯度時，測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質層中的平均溫度。
鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化的計算公式：
-200<t<0℃ Rt=R0[1+At+Bt+C(t-100)t] （3-1）
0<t<850℃ Rt=R0（1+At+Bt2） （3-2）
Rt為t℃時的電阻值，R0為0℃時的阻值。公式中的A,B,系數為實驗測定。這里給出標準的系數：A=3.90802*10-3℃；B=-5.802*10-7℃； C=-4.27350*10-12℃。
3.3 控制信號輸出通道
該電路用到了芯片MOC3021，它是過零觸發雙硅輸出光耦。過零觸發是在設定時間間隔內，
改變晶閘管導通的周波數來實現電壓或功率的控制。 實際上它就相當于一個用于交流電路中的“電子開關”，這個電子開關的“接通”、“斷開”動作是在交流電流過“0”點完成的。這樣的電路，對用電負荷不會造成“電流沖擊”。電路的工作狀況是“斷續”的，適用于本系統熱慣性較大的電阻爐負載。
控制信號輸出通道的電路圖如圖10所示，考慮到加熱系統具有較大的熱慣性，即一階慣性純滯后特性，本系統采用脈沖寬度調制（PWM）的控制方法，單片機輸出控溫信號。單片機輸出低電平時，使雙向可控硅導通，電熱絲通電；輸出高電平時，雙向可控硅截止，電熱絲斷電。其中，7407用于驅動，提供更大的電流驅動發光二極管。可控硅門極回路與220V電源相通，光電耦合器有效地把單片機系統與220V強電隔離，確保了單片機系統的安全性。原理圖如3-3所示
圖3-3控制信號輸出通道
3.4 LED顯示電路
由于溫度控制精度為1℃，設計中選取型號為7SEG-MPX4-CC的數碼管顯示器，其為共陰極數碼管。工作方式為動態顯示方式。動態顯示，就是微型機定時地對顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能一個器件顯示。但由于人視覺的暫留現象，所以，仍感覺所有的器件都在顯示。
圖3-4LED顯示電路
4 系統軟件設計
4.1 程序流程圖
該控制系統的流程圖如圖4-1所示，首先對單片機的各個控制端口以及各個參數初始化，然后就啟動A/D轉換，讀取轉換后的數據。對轉換后的數據進行濾波等操作，使數據的準確性提高，然后進行標度變換，得到實際的測量溫度。把測量溫度進行處理后送到數碼管顯示，把測量溫度與規定溫度作比較，判斷是否動作。同時計算測量溫度與標準值之間的偏差，根據偏差判斷是進行PID計算還是積分項改進（分離）的PD計算，得到PWM脈沖控制執行機構，然后程序重復執行。
圖4-1電阻爐系統控制流程圖
4.2控制算法
4.2.1控制算法的確定
PID調節是連續系統中技術最成熟的、應用最廣泛的一種控制算方法。它結構靈活，不僅可以用常規的PID調節，而且可以根據系統的要求進行改進，適時的采用各種PID的變型，如PI、PD控制等，本次試驗便是使用改進的PID控制算法，它具有許多特點，如不需要求出數學模型、控制效果好、能夠避免積分飽和、能夠消除積分不靈敏區等，特別是在溫度調節系統中，由于被控量變化較為緩慢且有慣性和滯后情況，積分項往往會產生很大的積累，導致系統產生很大超調，甚至發生震蕩，使用改進PID控制算法可以將積分項進行分離，提高系統穩定性。改進PID控制系統的結構框圖如圖4-2所示：
圖4-2 系統結構框圖
具有一階慣性純滯后特性的電阻爐系統，其數學模型可表示為：
（4-1）
在改進PID調節中，需要根據多次測試確定積分分離閾值β，當時，采用PD控制，當時，采用PID控制。閾值β一定要選取合適，若選取過大，達不到積分分離的目的，若選取過小，被控量無法跳出積分分離區，一直處于PD控制，將會出現殘差。確定β時，可以先假設一個值，然后測試若干個不同的PI、PD參數，得出一組較好的控制參數。積分分離控制算法可表示為：
