基于PID电加热炉温度控制系统设计

武汉理工大学《计算机控制技术》课程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 说明书 1 基于 PID 电加热炉温度控制系统设计 1 概述 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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。 在本控制对象电阻加热炉功率为 800W，由 220V 交流电供电，采用双向可 控硅进行控制。本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围 50~350C，保温阶段温度控制精度为正负 1 度。选择合适的传感器，计算机输出 信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。其对象问温控数 学模型为： 1 )(    sT eK sG d s d  其中：时间常数 Td=350 秒 放大系数 Kd=50 滞后时间 =10 秒 控制算法选用改 PID 控制 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 2 2 系统硬件的设计 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、 热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。 系统硬件结构框图如下： 图 2-1 系统硬件结构框图 看门狗 报警提醒 通信接口 LED 显示 键盘 微 型 控 制 机 AT89S52 温度检测 PT100 驱动执行机 构 8 路 D/A转换 器 DAC0832 测 量 变 送 8 路 A/D 转换 器 ADC0809 加热电阻 温度 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 3 图 2-2 系统电路图 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 4 2.1 电源部分 本系统所需电源有 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。 2.2 采样测量部分 在检测装置中，温度检测用WZP-231铂热电阻（Pt100），采用三线制接法， 采样电路为桥式测量电路，其输入量程为50~350°C，经测量电路采样后输出 2~5V电压，再经模数转换芯片ADC0809进行转换，变为数字量后送入单片机进 行分析处理。 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感 器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温 (-200℃～650℃)范围的温度测量中。 PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50~600℃范围内具有其他任何温度传 感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的 电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正 和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等 干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温 度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 5 度值。 常用的 Pt 电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将 PT100 的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用 的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。在本系统设计 中，采用了第一种方法，即桥式测温。 测温原理：电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源；采用 R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥（其中R1＝R2，VR2为100Ω精密电阻）， 当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这 个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连 AD转换芯片。差动放大电路中R3＝R4、 R5＝R6、放大倍数＝R5/R3，运放采 用单一5V供电。 设计及调试注意点： 1. 同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小； 2. 改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对 温度范围的要求 3. 放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作 。 4. VR2也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定， 例如Pt100的零点温度为0℃，即0℃时电阻为100Ω，当电位器阻值调 至109.885Ω时，温度的零点就被设定在了25℃。测量电位器的阻值 时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生 了改变。 5. 理论上，运放输出的电压为输入压差信号×放大倍数，但实际在电路 工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理 论值小很多，实际输出信号为 4.096*(R Pt100 /(R1+R Pt100 )- R VR2 /(R1+R VR2 )) （1） 式中电阻值以电路工作时量取的为准。 6. 电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC的话，当网 压波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 6 到以VCC未发生波动时建立的温度-电阻表中查表求值时就不准确。 2.3 驱动执行部分 硬件输出通道主要包括加热电阻的控制环节，而此控制环节的核心是双向可 控硅，但电路的关键是设计双向可控硅的驱动电路。双向可控硅的通断直接决定 加热电阻的工作与不工作，本部分用带过零触发的光耦 MOC3061 来驱动。 2.3.1 光耦驱动电路 在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影 响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因此必 须要加入抗干扰 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，将强弱电隔离。光耦合器是靠光传送信号，切断了各部件 之间地线的联系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号。 此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。因此， 能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得到触发脉冲，具有 可靠、体积小、等特点。所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器 MOC3061，用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。MOC3061 是一片把 过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。其输出端的额定电压是 400V， 最大重复浪涌电流为 1.2A，最大电压上升率 dv/dt 为 1000v/us,输入输出隔离电压 为 7500V，输入控制电流为 15mA。 在图 2-2 驱动执行电路中，当单片机的 P2.0、P2.1、P2.2 发出逻辑数字量为 高电平时，经过三极管放大后驱动光耦合器的放光二极管，MOC3061 的输入端 导通，有大约 15mA 的电流输入。当 MOC306 的输出端 6 脚和 4 脚尖电压稍稍 过零时，光耦内部双向可控硅即可导通，提供一个触发信号给外部晶闸管使其导 通；当 P2.0、P2.1、P2.2 为低电平时，MOC3061 截止，双向可控硅始终处于截 止状态。 2.3.2 驱动电路有关元件的选择 R25，C10 组成吸收电路，并接在双向可控硅的两极之间。吸收回路组成缓 冲器。有了吸收回路，可控硅通断过程中电源电压的变化率受到 R25，C10 的限 制。R25 可以抑制双向可控硅通断时产生的浪涌电流。R25 和 C10 根据经验公式 选，一般 C10 取 0.01~1.0uF，R25 取几欧到几十欧，本电路中 R25 取 39 欧，C10 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 7 取 0.01 uF。 R27 为限流电阻，用来限制 MOC3061 的输出驱动电流，其数值为电源电压 峰值除以双向可控硅的允许重复电流。在本电路中 R27 取 300 欧。 R26：由于MOC3061在输出关断状态下也有小于或等于 500mA的输出电流， 所以加入 R26 分流消除这个电流对双向可控硅的影响，以防止双向可控硅误触 发，提高了系统的可靠性。 在此电路中可以看出单片机的输出通道采用了MOC3061进行驱动有以下优 点： （1）控制简单。可用 SETB 或 CLR 指令直接控制 P2.0、P2.1、P2.2 以控制 加热电阻的工作与否。 （2）MOC3061 由于采用了过零触发电路大大简化了双向可控硅的触发电 路，把 SCR 一向控制变为实用的数字脉冲控制。 （3）MOC3061 与双向可控硅实际组成了一个固态继电器，实现了无触电控 制。 （4）输出通道实现了光电隔离，防止了射电干扰。 （5）输出通道用 P2.0、P2.1、P2.2 口直接控制双向可控硅，省去了的 D/A 转换电路，简化了接口电路。 2.3.3 双向可控硅电路 (1)双向可控硅 这种可控硅具有双向导通功能，在交流电的正负半周都可以导通。其英文名 TRIAC 即三级交流开关的意思，并把它的两极称为 MT1 和 MT2，其电路符合如 图所示。 双向可控硅的通断情况由控制极栅极（G）决定，当栅极无信号时 MT1 和 MT2 成高阻态，管截止；而当 MT1 与 MT2 之间加一个阈值电压（一般大于 1.5V） 的电压时，就可以利用控制极栅极电压来使可控硅导通。但需要注意的是，当双 向可控硅接感性负载时，电流和电压之间有一定的相位差。在电流为零时，反向 电压可能不为零，且超过转换电压，使管子反向导通，故要管子能承受这种反向 电压，并在回路中加入 RC 网络加以吸收。 (2)触发方式 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 8 控制双向可控硅从高阻态（阻断区）转换到低阻态（导通区）可以用不同的 方式实现。相应的分为四种方式： （1） MT1 相对于 MT2 为正，控制脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为正 （2） MT1 相对于 MT2 为负，控制脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为负 （3） MT1 相对于 MT2 为正，控制脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为负 （4） MT1 相对于 MT2 为负，控制脉冲电压 Ug 相对于 MT1 为正 双向可控硅通常工作在控制方式（1）和控制方式（2）。在这两种控制方式 下，控制灵敏度特别高。另外两种控制方式下，要求高一倍的触发电流。在本 设计中，选择了控制方式（1）和（2）。 如同晶闸管的控制极那样，双向可控硅的控制极在触发后便失去了作用。 双向可控硅长期维持低阻态，直到低于维持电流 I H，然后在转换到高阻态。在 控制交流电压时，每次电源电压过零双向可控硅都会自动截止，所以双向可控 硅每半个周期都需要重新触发。 在本设计中，考虑到电网电压的稳定和现在市场上销售的双向可控硅型号， 选择了工作电压为 400V，通态电流为 4A 的双向可控硅 BT136。利用单片机控 制双向可控硅的导通角。在不同时刻利用单片机给双向可控硅的控制端发出触 发信号，使其导通或关断，实现负载电压有效值的不同，以达到调压控制的目 的。具体如下： （1） 由硬件完成过零触发环节，即在工频电压下，每 10ms 进行一次 过零触发信号，由此信号来达到与单片机的同步。 （2） 过零检测信号接至单片机的 P2.3 口，由单片机对此口进行循环 检测，然后进行延时触发。 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 9 3 控制电路及程序 流程图 学校统计工作流程图儿科流程图质量监督工作流程图首诊负责制流程图车辆维修流程图 3.1 微处理器 89C51 89C51 是一种带 4K 字节 Flash 可编程可擦除的高性能 CMOS8 位微处 理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该 器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器 组合在单个芯片中，ATMEL 的 89C51 是一种高效微控制器。 单片机的抗干扰性设计。单片机干扰最常见的现象就是程序出现不可逆状 态，设计系统时一般要添加一个看门狗监控模块，在系统出现不可逆状态的干扰 时，监控模块将重启系统。MAX1232 微处理器监控电路给微处理器提供辅助功 能以及电源供电监控功能，当电源过电压、欠电压时，MAX1232 将提供至少 250ms 宽度的复位脉冲，其中的容许极限能用数字式的方法来选择 5%或 10%的 容限。 3.2 模数转换模块 ADC0809 是一个典型的逐次逼近型 8 位 A/D 转换器。它由 8 路模拟开关、8 位 A/D 转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许 8 路模拟量 分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可以直接与单片机数 据总线连接。ADC0809 采用+5V 电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为 500KHz 时，转换时间约为 128us. （1） 时钟信号：由于 ADC0809 无片选端，因此电路增加了或非门 74LS02， 以便对 ADC0809 进行读/写控制。单片机采用 6MHz/s 的晶振，ALE 输出 66MHz/s 时钟信号，经 74LS74 触发器 2 分频，得到 500KHz 的 时钟信号，与 ADC0809 的时钟端 CLK 相连。 （2） 通道选择：三位通道选择端 ADDA、ADDB、ADDC 与数据线 P1 口 的低三位 P1.0、P1.1、P1.2 相连，用数据线进行通道选择，由 P1.0、 P1.1、P1.2 三位决定选择那一通道。 （3） ADC0809 启动：ADC0809 的启动端 START、地址所存端 ALE 均为 高电平有效。将 START 和 ALE 连在一起，与 74LS02 的输出端相连。 或非门 74LS02 的两个输入端/WR 和 P3.5 均为低电平时，其输出为高 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 10 电平，执行外部 I/O 口的写操作。 （4） 转换数据的读取：当转换结束时，EOC 端输出高电平。可用查询和中 断的方法进行数据读取处理。输出允许 OE 端为高电平，8 位转换数 据 D0~D7 输出到数据线上。只有 P3.5 和/ RD 同时为低电平时，OE 端 才为高电平。执行外部 I/O 口读操作/ RD 为低电平。 （5） 转换结束标志 EOC:转换结束标志 EOC 端经反向器与单片机的/INT1 相连，即转换一旦结束，外部中断 1 则申请中断。 图 3-1 A/D 转换结束中断服务程序流程图 开始 将 PSW 压栈 调显示程序 读 A/D 结果 置位状态位 F0 关闭报警 F0 是否等于零 调 PID 控制算法程序 报警子程序 PSW 出栈并返回 输出控制量 启动定时器 T1 溢出标志 TF1 是否为零 设定值与 AD 结果比较 交流电是否过零 结果=0 结果 >or<设定 值的 20% -20%<结果<20% F0=0 F0=0 N Y N Y 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 11 3.3 LED 显示模块 8 段 LED 显示屏是最常用的显示器件，分为共阳极和共阴极两种形式。共 阳极 LED 将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平， 某一段的发光二极管阴极接低电平时，相应的字段就被点亮。共阴极 LED 将所 有发光二极管的阴极接在一起作为公共端，当公共端接低电平，某一段的发光二 极管阳极接高电平时，相应的字段就被点亮。 LED 数码管的显示方法 动态显示：动态扫描，分时循环 静态显示：一次输出，结果保持 (1)动态显示 动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分 时工作，每次只能一个器件显示。但由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有 的器件都在显示。 (2)静态显示 静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下 次送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠。 通过比较及对程序的分析，本设计当中两组数码管均采用了共阴极静态显 示。 图 3-2 显示子程序 子程序返回 译码选择显示位 送入 8255PA 口 将数据转换为七段码 开始 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 12 3.4 报警模块 根据设计要求，在保温阶段，温度控制精度为正负 1 度，故当温度下降或上 升 2 度时为故障状态，需要报警提醒。所以在电路设计上应用了蜂鸣器和发光二 极管，系统正常运行时绿色发光二极管点亮，当出现故障时红色发光二极管点亮 并且蜂鸣器鸣叫，提醒操作人员注意。报警状态可通过按键复位和系统恢复正常 后自动复位 图 3-3 报警子程序 3.5 键盘模块 在本次设计当中，输入设备采用 4*4 矩阵键盘。当“设定”键按下时触发键 盘中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。程控扫 描的任务是： (1)首先判断是否有键按下。 方法：使所有的行输出均为低电平，然后从端口 A 读入列值。 如果没有键按下，则读人值为 FFH．如果有链按下．则不为 FFH。 (2)去除键抖动。 方法：延时 10—20 ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍 有键按下，则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。 (3)若有键闭合，则求出闭合键的键值。 方法：对键盘逐行扫描。 (4) 程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。 开始 置报警位 P3.4 子程序返回 清除报警状态位 F0 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 13 3.6 通信模块 在此部分主要是实现下位机与上位机之间的通信，将实时数据传送到上位 机，进行同一协调和集中管理。 RS232 的电气接口是单端的、双极性电源电路。由于 RS-232 采用的数据传 输线路是非平衡，且是误无差分的接收方式，当信号穿过电气干扰环境时，发送 的信号将会受到影响。故数据传输速率局限于 20KB/s；传输距离局限于 15m， 但 RS-232 也是目前最广泛使用的串行通信接口标准。 在本设计当中，考虑到系统调试的方便，采用了 RS232 串行总线。MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单 电源供电。 内部结构基本可分三个部分： （1）第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构 成。功能是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。 （2）第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚 构成两个数据通道。其中 13 脚（R1IN）、12 脚（R1OUT）、11 脚（T1IN）、 14 脚（T1OUT）为第一数据通道。8 脚（R2IN）、9 脚（R2OUT）、10 脚（T2IN）、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2O UT 送到电脑 DB9 插头；DB9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 T TL/CMOS 数据后从 R1OUT、R2OUT 输出。 （3）第三部分是供电。15 脚 GND、16 脚 VCC（+5v） 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 14 4 系统软件设计 本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任 务是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程序主 要由系统初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。系统初始化包括设置 栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、定时器的 工作方式以及 8255 的初始化、MAX1232 的初始化等。数据采集及处理主要包括 实时采集电加热炉的炉温信号，计算出实际炉温与理想值的差值以及温差的变化 率，并对炉温信号进行滤波和限幅处理。主程序流程图如图 3 所示。 图 4-1 系统主程序 控制系统的软件主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、 显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用数字 PID 调节， 应用增量型控制算法，并对积分项和微分项进行改进，以达到更好的控制效果。 开始 系统的初始化 温度数据采集及处理 温度值显示 计算温差 e（k）和温差变化率 智能控制算法程序 控制输出 求出输出控制量 ？）（ 0k e 结束 N Y 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 15 考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新 型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合， 做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 16 心得体会 通过为期一周的课程设计，让我学习了很多，也了解了很多，真的可以说是 受益匪浅。 此次课程设计中，我做的课题是《基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统》。 整个系统分为四个部分：测量检测模块，控制调节模块，驱动执行和电源模块。 查阅了很多资料并且对以前学习的专业知识系统并有针对性的复习设计出了自 己满意作品，进而得到同学和老师的肯定，也只有这样才能起到此次课程设计的 目的。 通过各方面的努力，最终设计出了自己较为满意的系统。虽然这一周过得很 辛苦，但是自己付出的努力得到了回报，那种成就感是任何事物都无法代替的。 还有在设计过程中，我们积累的经验，对我们以后的学习和工作会有莫大的帮助。 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 17 参考文献 [1] 康华光编著.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，2000 [2] 于海生编著.计算机控制技术.机械工业出版社，2003 [3] 李晓莹编著.传感器与测设技术.高等教育出版社，2002 [4] 付家才编著.单片机实验与实践.高等教育出版社，2004 [5] 谭浩强编著.MCS-51 单片机应用教程.清华大学出版社，2001 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 18 本科生课程设计成绩评定表 姓 名 性 别 男 专业、班级 课程设计题目：基于 PID 电加热炉温控制系统设计 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年 月 日