1、目 录烤箱连续温度控制系统 .11设计概述 .11.1任务分析 .11.2整体方案 .22.1 系统硬件设计 .32.1.1 8155接口电路 .32.1.2 A/D转换电路 .42.1.3温度检测 .52.1.4电阻炉 .52.1.5电力电子装置 .62.2 系统软件设计 .72.2.1 主程序 .82.2.2 T0中断服务程序 .83控制过程说明 .93.1环节分析 .93.2调节规律 .93.3干扰分析 .113.4 PID控制 MATLAB仿真及参数整定 .11参考文献 .141烤箱连续温度控制系统摘 要自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为
2、常见的控制类型之一。随着电力电子和单片机技术的飞速发展，通过芯片对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。随着国民经济的发展，人们需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控
3、制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID 控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在 4001000。静态控制精度可以达到 2.43。本设计主要有四部分组成：（1）单片机控制器设计；（2）电力电子控制装置；（3）温度检测变送部分1 设计概述1.1 任务分析电烤箱是一种应用广泛的食品加工设备 .电烤箱本身是个热容系统 ,具有大纯滞后和大惯性 ;由于家用烤箱
4、的外壳很薄 ,封闭性不好 ,与环境温差越大散热越快 ,具有非线性 ;同时对象的参数还受箱内食品种类和数量的影响。2电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，虽炉种的不同而已。系统结构采用如下图所示。给定 温度控制器 电气执行装置 电炉温度检测变送器f图 1 系统结构框图如图 1 所示，该系统为单闭环控制系统。系统由控制器，执行器，被控对象，检测变送装置构成。其
5、中温度控制器及比较环节可以由单片机构成；电炉温度主要是由其电流来决定，因此可以利用电力电子装置组成电流可控的执行装置；检测变送器则可以用热电偶及相关信号处理电路来构成。对于该系统而言，冷工件进入电炉加热时对电炉温度造成的影响是系统的主要干扰因素。1.2 整体方案由单片机完成温度测量、控制，显示等功能。用温度传感器测量温度值，其选用AD590,经过运算放大器组成的信号调理电路变成 05V 电压信号，由 A/D 转换器转换为数字信号，送入单片机。单片机的数字信号经过 D/A 转换器转换成模拟量，由运算放大器电路变成 05V 电压信号，控制固态继电器的导通角，进而控制被控对象的输出功率。由单片机完成
6、温度测量、控制，显示等功能。用温度传感器测量温度值，其选用标准铂电阻 pt100,经过运算放大器组成的信号调理电路变成 05V 电压信号，由 A/D 转换器3转换为数字信号，送入单片机。单片机的数字信号经过 D/A 转换器转换成模拟量，由运算放大器电路变成 05V 电压信号，控制固态继电器的导通角，进而控制被控对象的输出功率。2 设计实现2 系统硬件设计电烤箱温度控制系统是以 MS-5l 单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。其系统结构框图可表示为:系统采用单闭环形式，其基本控制原理为:将温度设定值(即输入控制量 )和温度反馈值同时送入控制
7、电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上，电炉因此达到一定的温度。图 2 控制电路的设计2.1 8155 接口电路8155芯片内具有 256个字节的 RAM，两个 8位、一个 16位的可编程 I/O口和一个 14位计数器。它与 51型单片机接口简单，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。给定值 8051 控制电路驱动电路电路晶闸管主电路控制对象输出温度采样电路4图 4 带有 I/O 接口和计时器的静态 RAM81558155用作键盘/LED 显示器接口电路，当 IO/ 为高电平时， 8155选通片内的 I/O端M口。A,B,C 三个口可以作为扩
8、展的 I/O口使用，MCS51 单片机的 PO口与 8155的AD0AD7 相连。此时 P0 输出的低 8 位地址只有 3 位有效，用于片内选址，其他位无用。使用 A,B,C三个口时，首先向命令寄存器写入一个控制字以确定三个口的工作方式。如果写入的控制字规定他们工作于方式或方式下，则这三个口都是独立的基本 I/O 口。可以直接利用 MOVX A,DPTR 或 MOVX DPTR,A 指令完成这三个口的读 /写（输入/输出）操作。工作在方式或方式时，C 口用作控制口或部分用于控制。MCS51 单片机可以和 8155 直接连接，不需要任何外加电路，给系统增加了 256 个字节的 RAM、22 位
9、I/O 线及一个计数器。当 P2.00 且 P2.1=0 时，选中 8155 的 RAM工作；在 P2.0=1 和 P20=0 时，8155 选中片内三个 I/O 端口。相应地址分配为：0000H-00FFH 8155内部 RAM0100H 命令/状态口0101H A口0102H B 口0103H C 口0104H 定时器低八位口0105H 定时器高八位口52.2 A/D 转换电路图 5 A/D 转换电路图ADC0809 的 IN0 和变送器输出端相连，故 IN0 上输入的 0V-+5V 范围的模拟电压经A/D 转换后可由 8051 通过程序从 P0 口输入到它的内部 RAM 单元。首先输入地
10、址选择信号，在 ALE 信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入。然后输入启动转换控制信号 START 启动转换。转换结束，数据送三态缓冲锁存器，同时发出EOC 信号。在允许输入信号 OE 的控制下，再将转换结果输入到外部数据总线。2.3 温度检测6图 6 温度检测电路温度的检测通常用两种方法：热电阻和热电偶。热电阻一般用于温度低一些的地方，而热电偶则用于温度比较高的地方。这里是要检测电炉的温度，因此选择使用热电偶。对于 01000的温度,可以使用镍铬热电偶，分度号为 EU，其输出信号为 041.32 mA，经毫伏变送器,输出 010mA，然后再经过电流电压变换电路转换为
11、05V 。为了提高控制精度，可将变送器进行零点迁移，例如温度测量范围改为 4001000热电偶给出16.441.32 mA 时，使变送器输出 010mV，这样使用 8 位 A/D 转换器，能使量化误差达到2.34 。为了消除误差,还必须考虑进行冷端温度补偿。具体电路如图 5 所示。2.4 电阻炉电阻炉即为该系统的被控对象。其工作原理是将电能转化为电阻炉的热能。根据焦耳定律可知： 2QIRt其中 I 为流过电热丝的电流，R 为电热丝电阻，t 为工作时间。很明显改变电流就可以调节电阻炉的发热功率，而且电阻炉属于纯电阻负载，要改变其电流，只需要改变它的工作电压就行了。另外，电阻炉通常会给系统带来很大
12、的纯滞后时间，致使系统开环相频特性相角滞后过大，造成闭环系统稳定性下降。为了解决这一问题，通常可以采用采样控制的方式。让控制系以一定的时间间隔采样一次被控参数，与设定值进行比较后，经控制运算输出控制信号，然后保持该控制信号不变，保持时间必须大于纯滞后时间 。07图 7 采样控制过程结构图2.5 电力电子装置电力电子装置作为该系统的执行器，由电阻炉工作原理的分析可知，它的任务是改变供给电阻炉的电压。这里使用的是交流调功电路的方式。利用过零型双向晶闸管的触发特性，只有当其两端电压过零时控制端上施加触发信号，它才导通；一旦导通，只有再次过零时才被关断，针对这一特点，本系统采取了控制在 M 个电网周期
13、内晶闸管导通的周期数 m（0m M ）的方法来控制输出平均电压。为简单起见，可以使控制运算说的控制量 u 和实际导通周期 m 直接对应。同步检测电路检出电网电压信号的过零点，形成过零同步信号，并接到 CPU 的中断请求输入端，以提供触发参考点和控制周期 M 的计数信号。需要注意的是，同步检测电路和电阻炉加热回路的电源必须是同相的，以保证触发信号的同步。、图 8 过零型双向晶闸管的触发特性驱动电路设计为保证驱动电路可靠工作，其驱动电路应满足如下要求：1）动态驱动能力强，能提供驱动脉冲，使加热电路迅速导通。2）能提供适当的正向偏压和足够的反向偏压，使加热电路可靠的开通和关断。3)有足够的输入输出电
14、气隔离能力，使信号电路与栅极驱动电路隔离，且具有灵敏的短路、过流保护功能。所设计的驱动电路如图 9所示。8OPTOISO1Q1Q2R1R2R4R5R6R3+5VOUTG1E-10VGND+15V图 9 驱动电路工作原理电路Q1，Q2 组成功率放大电路，OUT1、OUT3 来自控制电路。该驱动电路能安全接受输入信号，在接到正确的控制信号后对加热电路进行驱动，加热电路开始工作，对外部进行加热，最大功率可达到 2000W。从而实现电烤箱的加热过程。93 系统软件设计3.1 主程序图 10 主程序流程图应当注意：由于 T0被设定为计数器方式 2，初值为 06H，故它的溢出中断时间为 250个过零同步脉冲。为了系统正常工作，T1 中断服务程序的执行时间必须满足 T0的制一时间要求，因为 T1的中断是嵌套在 T0中断之中的。3.2 T0 中断服务程序T0 中断服务程序是温度控制系统的主程序，用于启动 A/D 转换器，读如数据采样，数字滤波，越权温度报警和处理，PID 计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。P1.3 引脚上输出的该同步脉冲宽度由 T1 计数器的溢出中断控制， 8051 利用等待 T1 溢出中断空隙时间完成把本次采样数值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序，8051 从 T1中断服务程序返回后便可以恢复现场和返回主程序，以等待下次 T0 中断。
