1、學(xué) 號： 0121011360211課 程 設(shè) 計題 目電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名指導(dǎo)教師2013年7月4日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 石云 工作單位： 題 目: 電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計初始條件： 設(shè)計一個電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)為一階慣性純滯后特性（參數(shù)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(wù): 1 輸入通道及輸出通道設(shè)計；2 LED接口設(shè)計；3 采用改進(jìn)PID控制算法；1 系統(tǒng)軟件流程及各程序模塊設(shè)計并用仿真軟件演示；4 完成符合要求的設(shè)計說明書。時間安排：2013

2、年6月25日2013年7月4日指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)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12方案的比較和確定13統(tǒng)軟硬件設(shè)計2 3.1總體設(shè)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44 系統(tǒng)軟件設(shè)計5 4.1 程序流程圖5 4.2控制算法65基MATLAB仿真被控對象86.心得體會10參考文獻(xiàn)11附錄一 電路圖12附錄二 程序代碼13摘要當(dāng)今社會，隨著產(chǎn)品的精細(xì)化，溫度對產(chǎn)品的影響原來越受到人們的關(guān)注，于是，溫度控制成為了工業(yè)生產(chǎn)中重要的控制參數(shù)之一。這樣，一個能夠精確控制溫度的系統(tǒng)成為人

3、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(yè)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(wěn)定性的溫度控制系統(tǒng)。本次試驗以C51單片機為核心，采用溫度變送器橋路和固態(tài)繼電器控溫電路，該控制系統(tǒng)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?；镜南敕ㄊ牵篊51單片機能夠按要求對電阻爐進(jìn)行實時監(jiān)測和控制算法的確定，發(fā)出準(zhǔn)確的控制命令；A/D轉(zhuǎn)換芯片將得到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；單片機對數(shù)字量進(jìn)行處理，得到應(yīng)有的控制量，去控制加熱功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。關(guān)鍵詞：單片機、電阻爐、溫度測量、控制系統(tǒng)電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計1 控制對

4、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(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化工件和物料的熱加工設(shè)備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)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(tǒng)包括電子線路、微機控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，雖爐種的不同而已。 電阻爐的主要參數(shù)由額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸。生產(chǎn)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(shè)計要求控制一個電阻爐，它是一個具有很大滯后性的系統(tǒng)，慣性也很大，其傳遞函數(shù)的形式可以寫為，溫度控制要求為500，溫度控制精度為 1，

5、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(tǒng)采用8084芯片作為系統(tǒng)的微處理器。溫度信號由熱電偶檢測后轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)過預(yù)處理（放大）送到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號再送到8084芯片內(nèi)部進(jìn)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(nèi)部只有128個字節(jié)的RAM，沒有程序存儲器，并且系統(tǒng)的程序很多，要完成鍵盤、顯示等功能就必須對8084芯片進(jìn)行存儲器擴(kuò)展和I/O口擴(kuò)展，并且需要容量較大的程序存儲器，外擴(kuò)時占用的I/O口較多，使系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜化。方案二系統(tǒng)采用AT89C51作為系統(tǒng)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

6、片內(nèi)除了128KB的RAM外，片內(nèi)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(jié)的小系統(tǒng)。系統(tǒng)程序較多時，只需要外擴(kuò)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(shè)計提供了硬件資源，簡化了設(shè)計，降低了成本。因此89C51可以完成設(shè)計要求。綜上所述的二種方案，該設(shè)計選用方案二比較合適。3統(tǒng)軟硬件設(shè)計3.1總體設(shè)計系統(tǒng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計方法，程序有主程序、中斷服務(wù)子程序和各功能模塊程序組成，各功能模塊可直接調(diào)用。圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.

7、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(zhuǎn)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(yīng)的溫度值。當(dāng)被測介質(zhì)中存在溫度梯度時，測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)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=R01+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。

8、公式中的A,B,系數(shù)為實驗測定。這里給出標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)：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(fā)雙硅輸出光耦。過零觸發(fā)是在設(shè)定時間間隔內(nèi)，改變晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)來實現(xiàn)電壓或功率的控制。 實際上它就相當(dāng)于一個用于交流電路中的“電子開關(guān)”，這個電子開關(guān)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(fù)荷不會造成“電流沖擊”。電路的工作狀況是“斷續(xù)”的，適用于本系統(tǒng)熱慣性較大的電阻爐負(fù)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(tǒng)具有較大的熱慣性，即

9、一階慣性純滯后特性，本系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)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(dǎo)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(qū)動，提供更大的電流驅(qū)動發(fā)光二極管?？煽毓栝T極回路與220V電源相通，光電耦合器有效地把單片機系統(tǒng)與220V強電隔離，確保了單片機系統(tǒng)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(shè)計中選取型號為7SEG-MPX4-CC的數(shù)碼管顯示器，其為共陰極數(shù)碼管。工作方式為動態(tài)顯示方式。動態(tài)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

10、只能一個器件顯示。但由于人視覺的暫留現(xiàn)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(tǒng)軟件設(shè)計4.1 程序流程圖該控制系統(tǒng)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(shù)初始化，然后就啟動A/D轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等操作，使數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提高，然后進(jìn)行標(biāo)度變換，得到實際的測量溫度。把測量溫度進(jìn)行處理后送到數(shù)碼管顯示，把測量溫度與規(guī)定溫度作比較，判斷是否動作。同時計算測量溫度與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差，根據(jù)偏差判斷是進(jìn)行PID計算還是積分項改進(jìn)（分離）的PD計算，得到PWM脈沖控制執(zhí)行機構(gòu)，然后程序重復(fù)執(zhí)行。圖4-1電阻爐系統(tǒng)控制流程圖4.2控制算

11、法4.2.1控制算法的確定PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟的、應(yīng)用最廣泛的一種控制算方法。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行改進(jìn)，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(jìn)的PID控制算法，它具有許多特點，如不需要求出數(shù)學(xué)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(qū)等，特別是在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(chǎn)生很大的積累，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生很大超調(diào)，甚至發(fā)生震蕩，使用改進(jìn)PID控制算法可以將積分項進(jìn)行分離，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。改進(jìn)PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示：圖4-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖具有

12、一階慣性純滯后特性的電阻爐系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型可表示為： （4-1）在改進(jìn)PID調(diào)節(jié)中，需要根據(jù)多次測試確定積分分離閾值，當(dāng)時，采用PD控制，當(dāng)時，采用PID控制。閾值一定要選取合適，若選取過大，達(dá)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(qū)，一直處于PD控制，將會出現(xiàn)殘差。確定時，可以先假設(shè)一個值，然后測試若干個不同的PI、PD參數(shù)，得出一組較好的控制參數(shù)。積分分離控制算法可表示為： （4-2）式中：T為采樣時間，a為積分項開關(guān)系數(shù)，當(dāng)時，a=0；時，a=1。為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；為比例系數(shù)。因此，爐溫控制系統(tǒng)的輸出量為：a=0， a=1，其中， 為輸出量；、分別為第t次、第t-1

13、次和第t-2次采樣時刻的偏差值。由式可知： a=1時，比例系數(shù)和微分系數(shù)同時起作用，溫度快速接近設(shè)定值。a=0時，比例系數(shù)和微分系數(shù)同時起作用，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定接近設(shè)定值，避免超調(diào)和過沖。與PID控制算法相比，改進(jìn)PID控制算法有如下優(yōu)點：（1） 單純的PID控制算法無法發(fā)揮計算機運算速度快、邏輯判斷能力強、編程靈活等優(yōu)勢，從而很難獲得更好的效果。而改進(jìn)PID控制算法則能夠更加靈活的根據(jù)輸入量的變化與特點進(jìn)行算法調(diào)整，使輸出更加準(zhǔn)確。 （2）對于溫度這種變化緩慢的過程，PID算法的積分項會使系統(tǒng)產(chǎn)生很大超調(diào)量和很長的調(diào)整時間，如果在較大時取消積分作用，在較小時才投入積分項，就可以很靈活的避免這種

14、情況，獲得更加準(zhǔn)確的調(diào)整。正因為具有上述優(yōu)點，在實際控制中，改進(jìn)PID控制算法比標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法應(yīng)用更加廣泛。5基MATLAB仿真被控對象由于在硬件電路中，我們看到的只是PID整定的結(jié)果，而對于其工作過程卻不清楚，因此為了更清楚的了解PID的調(diào)節(jié)過程，我們使用MATLAB的SIMULINK功能對PID調(diào)節(jié)進(jìn)行仿真，得出其整定的工作波形，從而更直觀的看到PID調(diào)節(jié)過程。采用SIMULINK仿真，通過SIMULINK模塊實現(xiàn)積分分離PID控制算示。設(shè)采樣時間Ts=10s，被控對象為：SIMULINK仿真圖如圖5-1所示。圖5-1 Simulink仿真圖選擇合適的Kp，Ki，Kd是系統(tǒng)的仿真效果趨

15、于理想狀態(tài)。MATLAB編寫程序如下：clear all;close all;ts=10sys=tf(1,30,1,'inputdelay',80);dsys=c2d(sys,ts,'zoh');num,den=tfdata(dsys,'v');kp=5.2ki=0.1;kd=0.1MATLAB仿真波形如圖5-2所示。圖5-2 MATLAB仿真波形6.心得體會本次課程設(shè)計之初，通過老師的給的資料，對報告的要求和所設(shè)計的內(nèi)容有了一定的了解。由于對電阻爐，溫度傳感器等不是太了解，于是在我查詢了相關(guān)的資料，了解了電阻爐，溫度傳感器，根據(jù)題目的要求選擇了

16、熱電阻中的鉑電阻。同時本次課程設(shè)計中運用到了51單片機、TLC2543等較多的芯片，為此查詢了相關(guān)芯片的引腳圖，對這些芯片有了大致的了解，在學(xué)會使用這些芯片的過程，我也學(xué)到了許多的知識。本次課程設(shè)計讓protues，Diagram Designer，word，Keil等軟件的使用，增強了我的電腦操作能力，對單片機的使用讓我重新回顧了C語言的使用，對以前的知識有了復(fù)習(xí)的機會。而本次課程設(shè)計主要的難點也是在于程序的設(shè)計。本次課程設(shè)計中也遇到了些問題，如剛開始時題目的理解錯誤，程序運行出錯，仿真出問題等，在同學(xué)的指導(dǎo)和幫助下，這些問題得到了一定的解決。在今后的學(xué)習(xí)生活中也是如此，除了自己的努力外，還

17、需請教他人，學(xué)習(xí)他人的經(jīng)驗，讓今后的路更加的平坦。參考文獻(xiàn)1 陳立周、陳宇.單片機原理及其應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，20062 于海生編著.計算機控制技術(shù).機械工業(yè)出版社，20033 譚浩強.C程序設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社，20054 于海生.計算機控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2007.5 劉紅麗、張菊秀. 傳感與檢測技術(shù). 國防工業(yè)出版社，2007.6 康華光編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.高等教育出版社，2000附錄一 電路圖附錄二 程序代碼#include <reg52.h>#include <intrins.h>#define uint unsigned

18、 int#define uchar unsigned charsbit D_OUT=P30;sbit D_IN=P31;sbit _CS=P32;sbit CLOCK=P33; /單片機與TLC2543連接的端口定義sbit C1=P21;sbit C0=P20;sbit C2=P22;sbit C3=P23; /單片機與數(shù)碼管位選連接的端口定義sbit dip=P07; /數(shù)碼管小數(shù)點的定義sbit green=P34;sbit red=P35; /報警燈的定義uint KP=10; /比例系數(shù)uint KI=5; /積分系數(shù)uint KD=3; /微分系數(shù)uint KC=5; /速度調(diào)整s

19、bit HEAT=P27;/執(zhí)行裝置端口定義float PWM; /脈沖調(diào)制寬度uint temp; /溫度值uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71; /數(shù)碼管顯示表/*精確延時模塊*/void delay(uchar n)uchar i;for(i=0;i<n;i+)_nop_(); /*毫秒級延時模塊*/void delayms(uchar m)uint x,y;for(x=m;x>0;x-)for(y=110;y>0;

20、y-);/*TLC2543驅(qū)動模塊*/uint read2543(uchar port)uint ad=0,i;CLOCK=0;_CS=0;port<<=4;for(i=0;i<12;i+)if(D_OUT) ad|=0x01;D_IN=(bit)(port&0x80);CLOCK=1;delay(3);CLOCK=0;delay(3);port<<=1;ad<<=1;_CS=1;ad>>=1;return(ad); /* 溫度顯示函數(shù)*/void display(uchar qian,uchar bai,uchar shi,uch

21、ar ge)P0=tableqian;C0=0;delayms(2);C0=1;P0=tablebai; C1=0;delayms(2);C1=1;P0=tableshi;dip=1; C2=0;delayms(2); C2=1;P0=tablege;C3=0;delayms(2);C3=1;/*PID程序判斷計算模塊*/void PID() uint diff19=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0; uint um_diff=0; /(diff) uint urr_=0; float p_out,i_out,d_out,temp_pid; float pwm_0; temp_pid=diffcurr_; if(curr_+1>=19)curr_=0; sum_diff-=diffcurr_; diffcurr_=abs(key-(uint)(temp); sum_diff+=diffcurr_; p_out=KP*diffcurr_; /比例項輸出 i_out=KI*sum_diff; /積分項輸出 d_out=KD*(diffcurr_-temp_pid); /微分項輸出 pwm_0=KC*key; /維持功率項