計算機控制技術課程設計之電阻爐溫度控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著科學技術的迅猛發(fā)展，各個領域對溫度控制系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性等要求越來越高，控制系統(tǒng)也千變?nèi)f化。電阻爐廣泛應用于各行各業(yè)， 其溫度控制通常采用模擬或數(shù)字調(diào)節(jié)儀表進行調(diào)節(jié)，但存在著某些固有的缺點。而采用單片機進行爐溫控制，可大大地提高控制質量和自動化水平， 具有良好的經(jīng)濟效益和推廣價值。</p><p>　

2、　本設計以89C51單片機為核心控制器件，以ADC0809作為A/D轉換器件，采用閉環(huán)直接數(shù)字控制算法，通過控制可控硅來控制熱電阻，進而控制電爐溫度，最終設計了一個滿足要求的電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)。</p><p>　　關鍵字：電阻爐 89C51單片機 溫度控制 A/D轉換 </p><p><b>　　電阻爐溫度控制系統(tǒng)</b></p><

3、p><b>　　1系統(tǒng)的描述與分析</b></p><p><b>　　1.1系統(tǒng)的介紹</b></p><p>　　該系統(tǒng)的被控對象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)的溫度?？煽毓杩刂破鬏斎霝?~5伏時對應電爐溫度0~500℃，溫度傳感器測量值對應也為0~5

4、伏，對象的特性為帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性系統(tǒng)，這里慣性時間常數(shù)取T1＝30秒，滯后時間常數(shù)取τ＝10秒。</p><p>　　該系統(tǒng)利用單片機可以方便地實現(xiàn)對PID參數(shù)的選擇與設定，實現(xiàn)工業(yè)過程中PID控制。它采用溫度傳感器熱電偶將檢測到的實際爐溫進行A/D轉換，再送入計算機中，與設定值進行比較，得出偏差。對此偏差按PID規(guī)律進行調(diào)整，得出對應的控制量來控制驅動電路，調(diào)節(jié)電爐的加熱功率，從而實現(xiàn)對爐溫的控制。利用

5、單片機實現(xiàn)溫度智能控制，能自動完成數(shù)據(jù)采集、處理、轉換、并進行PID控制和鍵盤終端處理（各參數(shù)數(shù)值的修正）及顯示。在設計中應該注意，采樣周期不能太短，否則會使調(diào)節(jié)過程過于頻繁，這樣，不但執(zhí)行機構不能反應，而且計算機的利用率也大為降低；采樣周期不能太長， 否則會使干擾無法及時消除，使調(diào)節(jié)品質下降。</p><p><b>　　1.2技術指標</b></p><p>　　

6、設計一個基于閉環(huán)直接數(shù)字控制算法的電阻爐溫度控制系統(tǒng)具體化技術指標如下：</p><p>　　1.電阻爐溫度控制在0~500℃；</p><p>　　2. 加熱過程中恒溫控制，誤差為±2℃；</p><p>　　3. LED實時顯示系統(tǒng)溫度，用鍵盤輸入溫度，精度為1℃；</p><p>　　4. 采用直接數(shù)字控制算法，要求誤差小，平

7、穩(wěn)性好；</p><p><b>　　2方案的比較和確定</b></p><p><b>　　方案一</b></p><p>　　系統(tǒng)采用8031作為系統(tǒng)的微處理器。溫度信號由熱電偶檢測后轉換為電信號經(jīng)過預處理（放大）送到A/D轉換器，轉換后的數(shù)字信號再送到8031內(nèi)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。

8、但對于8031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8031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(tǒng)的設計復雜化。</p><p><b>　　方案二</b></p><p>　　系統(tǒng)采用89C51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。8

9、051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。</p><p>　　綜上所述的二種方案，該設計選用方案二比較合適。</p><p><b>　

10、　3控制算法</b></p><p>　　3.1控制算法的確定</p><p>　　PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)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(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種PID的變型，如PI、PD控制及改進的PID控制等。它具有許多特點，如不需要求出數(shù)學模型、控制效果好等，特別是在微機控制系統(tǒng)中，對于時間常數(shù)比較大的被控制對象來

11、說，數(shù)字PID完全可以代替模擬PID調(diào)節(jié)器，應用更加靈活，使用性更強。所以該系統(tǒng)采用PID控制算法。系統(tǒng)的結構框圖如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)結構框圖</p><p>　　3.2數(shù)學模型的建立</p><p>　　具有一階慣性純滯后特性的電阻爐系統(tǒng)，其數(shù)學模型可表示為：</p><p><b>　?。?-1）

12、</b></p><p>　　在PID調(diào)節(jié)中，比例控制能迅速反應誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是：只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以使減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度

13、，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。將P、I、D三種調(diào)節(jié)規(guī)律結合在一起，可以使系統(tǒng)既快速敏捷，又平穩(wěn)準確，只要三者強度配合適當，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。</p><p>　　模擬PID控制規(guī)律為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中：稱為偏差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號，其中為給定值，為被測變量值；為

14、比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)；為調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓信號。</p><p>　　因為計算機只能處理數(shù)字信號，故上述數(shù)字方程式必須加以變換。設采樣周期為T，第次采樣得到的輸入偏差為，調(diào)節(jié)器的輸出為，作如下近似：</p><p><b>　?。ㄓ貌罘执嫖⒎郑?lt;/b></p><p><b>　　（用求和代替積分）</b

15、></p><p>　　這樣，式（2-2）便可改寫為：</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　其中， 為調(diào)節(jié)器第次輸出值；、分別為第次和第次采樣時刻的偏差值。由式可知： 是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構的位置一一對應，所以稱之為位置型PID算法。在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，而且輸出的控

16、制量不僅與本次偏差有關，還與過去歷次采樣偏差有關，使得產(chǎn)生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以在實際中當執(zhí)行機構需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可采用增量型PID算法。當控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進電機、電動調(diào)節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時，一般均采用增量型PID控制算法。</p><p>　　與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點：</p><p&

17、gt;　　（1）位置型算式每次輸出與整個過程狀態(tài)字有關，計算式中要用到過去偏差的累加值 ，容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。</p><p>　?。?）為實現(xiàn)手動—自動無憂切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應設置為原始閥門開度 ，若采用增量型算法，其輸出對應與閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)

18、項，所以易于實現(xiàn)從手動到自動得的無憂動切換。</p><p>　?。?）采用增量型算法時所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣影響。</p><p>　　正因為具有上述優(yōu)點，在實際控制中，增量型算法要比位置算法應用更加廣泛。利用位置型PID控制算法，可得到增量型PID控制算法的遞推形式為：</p><p>&

19、lt;b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中，為比例增益；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。</p><p>　　為了編程方便，可將式（2-4）整理成如下形式：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　式中：</b></p>&

20、lt;p><b>　　4系統(tǒng)軟硬件設計</b></p><p><b>　　4.1總體設計</b></p><p>　　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/報警）4個主要部分，系統(tǒng)的結構框圖如圖4-1所示。</p><p>　　系統(tǒng)程序采用模塊化設計方法，程序有主程序、中斷服

21、務子程序和各功能模塊程序組成，各功能模塊可直接調(diào)用。</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)結構框圖</p><p>　　該部分電路主要包括89C51主程序的工作情況，主程序完成系統(tǒng)的初始化，溫度預置及其合法性檢測。預置溫度的顯示及定時器T0的初始化設置等。T0中斷服務程序是溫度控制體系的主體，用于溫度檢測。主程序和中斷服務子程序的流程圖如圖4-2所示。</p><p>

22、;<b>　　主程序如下：</b></p><p>　　TEMP1 EQU 50H ；當前檢測溫度（高位）</p><p>　　TEMP2 EQU TEMQ1+1 ；當前檢測溫度（低位）</p><p>　　ST1 EQU 52H ；預

23、置溫度（高位）</p><p>　　ST2 EQU 53H ；預置溫度（低位）</p><p>　　T100 EQU 54H ；溫度BCD碼顯示緩沖區(qū)（百位）</p><p>　　T10 EQU T100+1 ；溫度BCD碼顯示緩沖區(qū)（十位）&

24、lt;/p><p>　　T EQU T100+2 ；溫度BCD碼顯示緩沖區(qū)（個位）</p><p>　　BT1 EQU 57H ；溫度二進制碼顯示緩沖區(qū)（高位）</p><p>　　BT2 EQU BT1+1 ；溫度二進制碼顯示緩沖區(qū)（低位）<

25、/p><p>　　ADIN0 EQU 7FF8H ；ADC 0809通道IN0的端口地址</p><p>　　TEMP1 DB 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H ；50H~58H單元初始化(清零)</p><p><b>　　ORG 0000H&l

26、t;/b></p><p>　　AJMP MAIN ；轉主程序</p><p><b>　　ORG 00BH</b></p><p>　　AJMP PT0 ；轉T0中斷服務子程序</p><p><b>　　ORG 0030H</b>

27、</p><p>　　MAIN： MOV SP，#59H ；設堆棧標志</p><p>　　MOV TMOD，#01H ；定時器0初始化（方式1）</p><p>　　MOV TL0，#0B0H ；定時器100ms定時常數(shù)</p><p>　　MOV TH0，#3CH &

28、lt;/p><p>　　MOV R7，#150 ；置15s軟計數(shù)器初值</p><p>　　SETB ET0 ；允許定時器0中斷</p><p>　　SETB EA ；開中斷</p><p>　　SETB TRO ；啟動定時器0&

29、lt;/p><p>　　MAIN1：ACALL KIN ；調(diào)鍵盤管理子程序</p><p>　　ACALL DISP ；調(diào)用顯示子程序</p><p>　　SJMP MAIN1</p><p>　　定時器0中斷服務子程序PT0：</p><p>　　PT0： MOV

30、 TL0，#0BOH</p><p>　　MOV TH0，#3CH ；重置定時器0初值</p><p>　　DJNZ R7，BACK ；15s到否，不到返回</p><p>　　MOV R7，#150 ；重置軟計數(shù)器初值</p><p>　　ACALL TIN

31、 ；溫度檢測</p><p>　　MOV BT1，TEMP1 ；當前溫度送到顯示緩沖區(qū)</p><p>　　MOV BT0，TEMP0</p><p>　　ACALL DISP ；顯示當前溫度</p><p><b>　　BACK：RETI</b></p>

32、<p>　　圖4-2 主程序和中斷服務子程序的流程圖</p><p><b>　　4.2溫度檢測電路</b></p><p>　　溫度檢測電路包括溫度傳感器、變送器和A/D轉換三部分。傳感器選用型號為WZB-003的鉑熱電阻，可滿足本系統(tǒng)0~500℃測量范圍的要求。變送器將電阻信號轉換成與溫度成正比的電壓，當溫度在0~500℃時變送器輸出0~4.9v左右

33、的電壓。A/D轉換可采用ADC0809進行，亦可采用單片機內(nèi)部A/D功能進行。電路設計好后調(diào)整變送器的輸出，使0~500℃的溫度變化對應于0~4.9v的輸出，則A/D轉換對應的數(shù)字量位00H~FAH,即0~250，轉換結果乘以2正好是溫度值。用這種方法一方面可以減少標度變換的工作量，另一方面還可以避免標度變換帶來的計算誤差。</p><p>　　本設計A/D轉換采用查詢方式（由P1.4查詢ADC0809的ECO轉

34、換結束信號）。為提高采樣的可靠性，對采樣溫度進行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波的方法很多，這里采用4次采樣取平均值的方法。因此，4次采樣的數(shù)字量之和除以2就是檢測的當前溫度。溫度檢測子程序流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 溫度檢測子程序流程圖</p><p><b>　　4.3溫度控制電路</b></p><p>　　控制電路采用可控硅

35、來實現(xiàn)，雙向可控硅SCR和電路電阻絲串接在交流220V市電回路中，單片機信號通過光電隔離器和驅動電路送到可控硅的控制端，由端口的高低電平來控制可控硅的導通與斷開，從而控制電阻絲的通電加熱時間。</p><p>　　將當前溫度與預置溫度比較，當前溫度小于預置溫度時，繼電器閉合，接通電阻絲加熱；當前溫度大于預置溫度時，繼電器斷開，停止加熱；當二者相等時電路保持原來狀態(tài)；當溫度降低到比預置溫度低2℃時，再重新啟動加熱。

36、溫度控制模塊流程圖見圖4-4。</p><p>　　圖4-4 溫度控制模塊流程圖</p><p><b>　　4.4人機對話電路</b></p><p><b>　　4.4.1鍵盤管理</b></p><p>　　為使系統(tǒng)簡單緊湊，鍵盤只設置四個功能鍵，分別是“啟動鍵”、“百位”、“十位”和“個位”

37、。由P1口低四位作為鍵盤接口。利用數(shù)字鍵可以分別對預置溫度的百位、十位和個位進行0~500℃的溫度設置。程序設有預置溫度合法檢測報警，當預置溫度超過500℃時會報警并且將溫度設為500℃。鍵盤管理子程序流程圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 鍵盤管理子程序流程圖</p><p><b>　　4.4.2數(shù)碼顯示</b></p><p&g

38、t;　　本系統(tǒng)設有3位LED數(shù)碼顯示器，用于顯示電阻爐的設定溫度和實際溫度。采用串行口擴展的靜態(tài)顯示電路作為顯示接口電路。</p><p>　　顯示子程序DISP如下：</p><p>　　DISP： ACALL HTB ；調(diào)用將顯示數(shù)據(jù)轉換成BCD碼的子程序HTB</p><p>　　MOV SCON,#00H

39、 ；置串行口為方式0</p><p>　　MOV R2,#03H ；顯示位數(shù)送R2</p><p>　　MOV R0,#T100 ；顯示緩沖區(qū)首地址送R0</p><p>　　LD： MOV DPTR,#TAB ；指向字符碼表首地址</p>&

40、lt;p>　　MOV A,@R0 ；取出顯示數(shù)據(jù)</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR ；查表</p><p>　　MOV SBUF,A ；字符碼送串行口</p><p>　　WAIT： JBC TI,NEXT ；發(fā)送

41、結束轉下一個數(shù)據(jù)并清除中斷標志</p><p>　　SJMP WAIT ；發(fā)送未完等待</p><p>　　NEXT： INC R0 ；修改顯示緩沖區(qū)指針</p><p>　　DJNZ R2,LD ；判斷3位顯示完否，未完繼續(xù)</p>

42、<p><b>　　RET</b></p><p>　　TAB： … ；字符碼表</p><p>　　5基MATLAB仿真被控對象</p><p>　　采用simulink仿真，通過simulink模塊實現(xiàn)積分分離PID控制算示。設采樣時間Ts=10s，被控對象為：</p

43、><p>　　Simulink仿真圖如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1 Simulink仿真圖</p><p>　　選擇合適的Kp，Ki，Kd是系統(tǒng)的仿真效果趨于理想狀態(tài)。MATLAB編寫程序如下：</p><p>　　clear all;</p><p>　　close all;</p><

44、;p><b>　　ts=4;</b></p><p>　　sys=tf([1],[30,1],'inputdelay',10);</p><p>　　dsys=c2d(sys,ts,'zoh');</p><p>　　[num,den]=tfdata(dsys,'v');</p>

45、<p><b>　　kp=13;</b></p><p><b>　　ki=0.4;</b></p><p><b>　　kd=0.2;</b></p><p>　　MATLAB仿真波形如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 MATLAB仿真波形</

46、p><p><b>　　6心得體會</b></p><p>　　課程設計是對我們在這學期學到的微型計算機控制技術這門課的理論知識的一個綜合測評，是對我們將理論結合時間的綜合能力的考查，是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識的途徑。在此次課程設計中，我們學到了許多平時課堂上學不到的東西，比如：單片機系統(tǒng)的開發(fā)與可行性分析、電爐的設計與制作、器件的選型、程

47、序的設計與調(diào)試、系統(tǒng)的調(diào)試以及平時沒有接觸到的在線編程與相關軟件等等。在設計過程中我遇到了許多難以解決的問題，通過去圖書館看書、上網(wǎng)查資料以及請教同學，努力最終一步一步得以解決。通過這次課程設計，不僅鍛煉了我的動手能力，更培養(yǎng)了我發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，鞏固了我以前學過的專業(yè)知識，促進了我的自學能力。</p><p>　　通過本次設計，我還了解了微機控制中DDC算法的基本概念及其對系統(tǒng)設計的相關應用。什么樣的課

48、程設計都離不開理論與實際相結合的真理，設計過程中的方案選擇和參數(shù)設定使我進一步深刻認識到算法的控制對整個系統(tǒng)的重要作用。一個細小的參數(shù)設定出現(xiàn)偏差，可能導致最后的性能指標不和標準。所以選擇一個優(yōu)良的方案對于實驗至關重要。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]吳金戌, 沈慶陽, 郭庭吉.8051單片機實踐與應用. 北京:清華大學出版社

49、, 2000.</p><p>　　[2]李建忠. 單片機原理及應用. 西安:西安電子科技大學出版社, 2001.</p><p>　　[3]潘新民, 王燕芳. 微型計算機控制技術. 北京:高等教育出版社, 2001. </p><p>　　[4]何立民. 單片機應用系統(tǒng)設計. 北京:北京航空航天大學出版社, 2000.</p><p&g

50、t;　　[5]韓志軍, 沈晉源, 王振波. 單片機應用系統(tǒng)設計. 北京:機械工業(yè)出版社, 2005.</p><p>　　[6]宋書中. 自動化技術工程設計實踐. 武漢:武漢理工大學出版社, 2004.</p><p>　　[7]周航慈.單片機程序設計基礎.北京:北京航空航天大學出版社,2000.</p><p><b>　　致謝</b>&

51、lt;/p><p>　　課程設計論文即將完成，我的大三生涯也要告一段落了。在此期間，我曾遇到了各種各樣的困難，多虧有老師和同學的關心與幫助，我才能夠克服各種困難，在挫折中漸漸的成長了起來，借此機會，我要對一直以來幫助和支持過我的老師與同學表示深深的感謝！</p><p><b>　　附錄1：</b></p><p><b>　　系統(tǒng)原理圖