1、北华大学 1 计算机控制技术 课程设计报告 题 目 ： 电加热炉计算机温度测控系统设计 学 院 ： 计算机科学技术 专 业 ： 计算机科学与技术 学生姓名 ： 学 号 ： 21 年 级 ： 指导教师 ： 2016 年 5 月 北华大学 2 北华大学 3 目录 第一章 引言 . 2 第二章 系统工作原理 . 3 第三章 硬件设计部分 . 4 3.1 电源部分 . 4 3.2 A/D 转换电路 . 4 3.3 温度采样测量部分 . 6 3.4 LED 显示电路 . 6 3.5 功能键 . 7 3.6 信号输出电路 . 8 第四章 软件设计部分 . 9 4.1 系统总程序设 计 . 9 4.2 A/
2、D 转换器程序流程图 . 11 4.3 LED 显示模块程序流程图 . 12 4.4 报警模块程序设计 . 12 4.5 键盘模块程序设计 . 13 4.6 控制对象数学模型 . 13 心得体会 . 15 参考文献 . 16 北华大学 4 第一章 引言 温度是工业对象中的很重要参数的之一。广泛应用在冶金、化工、机械各类加热炉热、处理炉和反应炉等工业中。电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用 数学方法建立精确的数学模
3、型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。 单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。 北华大学 5 第二章 系统工作原理 本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、传感器、温度变送器以及被控对象组成。系统硬件结构框图如图 2.1 所示。 其工作原理： 炉 温控制程序及温度与热电偶电势之间的对于关系表存放在 EPROM2746中，双向可控硅采用过零触发方式。触发脉冲由过零同步脉冲形成电路提供。在每个工作周期 T 内的工作占空比与单片
4、机输出的门控脉冲信号决定。键盘与显示器用于各种参数的设置和显示。热电偶与放大器将被测温度转换成热电势信号并放大，再由 A/D 转换器换成相应的数字量供单片机识别处理。单片机每隔一定时间要启动一次 A/D 转换、采样一次现场温度，将温度数据与给定温度 W 进行比较，得到温差，再根据偏差的大小和正负，通过 PID控制算法送出 1 个相应脉冲，让一定数量的触发脉 冲在高电平上通过控制门去触发可控硅，送入 8031，通过键盘显示来去控制温度。同时反应炉温的热电偶的电势，经冷端补偿后送运算放大器放大，其电压范围为 010V，将此电压经多路开关送入 12 位 A/D 转换器后，计算机通过数据口获得相应的表
5、征炉温的数字量。该数字量经数字滤波、线性化处理以及标度变换后，一方面通过 LED 显示炉温，另一方面当采样周期到达时，与设定温度进行比较，再做 PD/PID 运算；根据运算结果。计算机通过 I/O 口改变控制脉冲宽度，从而改变双向可控硅在一个固定的控制周期 T 内导通的时间（或交流电的周波数），即 改变电加热炉的平均输入功率，以此达到控温的目的。 图 2.1 系统硬件结构框图 51 单片机 电源 LED 显示 键盘 温度变送 电加热 固态继电器温度控制 低漂移毫伏放大器 A/D转 换 器 温度给定值 热 电 偶 报警模 块 北华大学 6 第三章 硬件设计部分 3.1 电源部分 本系统所需电源有
6、 220V 交流市电、直流 5V 电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路 。电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有 +-10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后 ,还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用 78L05,配合电容将电压稳定在 5V，供控制电路、测量电
7、路和驱动执行电路中弱电部 分使用。除此之外， 220V 交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的功率。低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。 3.2 A/D 转换电路 本系统采用的是 12 位 A/D 转换器 AD574，这是一种高性能的 12 位逐次逼近式 A/D 转换器，在此设计中采用 AD574 转换器对信号进行模 /数转换。工作流程是：当由传感器传过来模拟信号经放大器放大后，送到 AD574 转换器转换成单片机能 够识别的数字信号。其电路图如
8、图 3.1 北华大学 7 图 3.1.1 单片机系统及与 A/D 转换接口 图 3.2.2 A/D574 电路及与单片机的相关接口 北华大学 8 3.3 温度采样测量部分 温度的采集我们可以选择温度变送器，对于简单的控制可以采用惠更斯电桥做采集电路。经信号滤波，放大处理后形成标准的工控模拟信号（电流 4mv10mv,电压 1v5v） ,便于传输和模数转换。 3.4 LED 显示电路 系统中我们需进行参数设置以及温度的显示，因此需要显示电路，本实验采用七段数码管显示。采用静态显示的方式， 减少程序的执行时间，进而提高系统工作的可靠性。 同时采用蜂鸣器进行声音报警。其具体显示电路如图 3.4 所示
9、。 北华大学 9 图 3.4 数码管静态显示及声音报警电路 3.5 功能键 此系统需进行参数的设定，因此需要将按键设计在此系统之内。具体电路如图 3.4 所示。其中，具体功能为： K1 加 1 键（按下时数据自加 1）。 K2 减 1 键，（按下时数据自减 1）。 K3 F键，（按下时进入下一个参数的设定）。 K4 ok键，按下时结束参数设定，开始运行主程序。 北华大学 10 图 3.5 功能键及与单片机的相关接口 3.6 信号输出电路 3.6.1 PWM 控制原理 通过改变电阻丝电压的接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电阻丝的平均电压，控制其输出功率，进而控制炉内温度 . 在此系统中
10、，就只需要控制采样周期和导通时间即可，即将周期 T 内导通 T1 时间（采用定时 /计数器 T0），定时到了以后，关闭固态继电器。直到下一个周期需要接通时。 3.6.2 输出电路及接口 单片机通过 PWM 脉冲调宽功率放大器控制 SSR 固态继电器调节电炉丝的功率而达到调节温度的目的。调功的 原理为：设电网连续 N 个完整的正弦波为一个控制周期 T，则 gNT f 式中 gf-电网频率， HZ 若在设定的周期 T 内控制主回路导通 n(n N)个完整的正弦波 (周波 ),则负载功率为 2UnP RN 式中 U-电网电压的有效值 R-负载的有效电阻 因此 ,只要控制在设定的周期 T 内主回路导通的周波数 n 的个数 ,就可调节负载的功率 P。固态继电器控温电路如图 4 所示 ,采用 Z 型交流固态继电器 SSR,实现零触发交流调功。 SSR 内设光电隔离电路 ,可减少与电网间的相互干扰 ,其电路图如下：
