毕业设计电阻炉单片机检测控制系统1.docx
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毕业设计电阻炉单片机检测控制系统1
第1章系统概述
1.1控制系统方案的选择
温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关,因此温度控制是生产自动化的重要任务。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制,所采用的加热方式,燃料,控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等;燃料有煤气、天然气、油、电等;控制方案有直接数字控制(DDC),推断控制,预测控制,模糊控制(Fuzzy),专家控制(ExpertControl),鲁棒控制(RobustControl),推理控制等。
根据设计的要求,本系统采用直接数字控制(DDC)。
并运用传统的PID系统,即单片机微、积分电路控制系统。
工作流程:
传感器定时对炉温进行监测放大后,经芯片ADC0809的A/D转换得到相应的数字量,再送到单片机8031CPU进行判断和运算,得到相应控制量去控制电阻炉功率,从而实现对温度的控制。
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse
1.2直接数字控制的原理和优点
直接数字控制(DDC)是用于监视和控制系统中有关机电设备的控制器,它是一个完整的控制器,有应有的软硬件,能完成独立运行,不受到网络或其它控制器故障的影响。
根据不同类型的监控点数提供符合控制要求和数量的控制器。
每处DDC具有10-15%点数的扩充或余量。
控制器构成符合以下要求:
A)以32位或16位微处理器的可编程DDCB)具有不同类型点的点终端模块C)具有可脱离中央控制主机独立运行或联网运行能力D)电源模块E)通信模块F)可配置运行不同的输入/输出模块:
a)模拟信号输入,数字信号输入和脉冲信号输入b)模拟信号输出和数字信号输出G)DDC有在模板LED显示每个数字输入,输出点的实时变化状态。
H)当外电断电时,DDC的后备电池可保证RAM中数据在60天不掉失。
I)当外电重新供应时,在无需人工干预的情况下,DDC能自动恢复正常工作。
J)当DDC存储的数据非正常丢失时,用户可通过现场标准串行数据接口和通过网络操作将数据重新写入DDC控制器。
K)DDC的操作程序与应用程序皆采用PPCL高级语言编写。
L)DDC程序的编写,修改既可在中央站上进行,也可通过便携机进行。
M)DDC在外电断时,同时后备电池丢失时,能存储其应有程序。
N)DDC的采集精度与传感器的精度相匹配。
O)工作环境:
温度0度到50度,相对湿度0-90%P)电源:
AC220V,±10%,50HZ。
DDC具备以下功能:
DDC定时启停,自适应启/停DDC自动幅度控制,需求量预测控制DDC事件自动控制,扫描程序控制与警报处理DDC趋势记录,全面通信能力
1.3直接数字控制的缺点
DDC控制系统要求的配置比较复杂,扩展性也有一定的局限性,设置空间浪费 , 设计变更时消耗很多时间和费用,在干扰下稳定性比较弱,发生故障时使其他通信线路终止(严重时使CPU损坏),这样对整个设计造成一定的困难。
1.4控制算法的选择
在计算机控制系统中,PID控制规律是用计算机程序来实现的,因此它的灵活性很大。
一些原来的模拟PID控制器中无法实现的问题,在引入计算机以后就可以得到解决,于是产生了一系列的改进算法,以满足不同控制系统的需要。
由于被控制对象是复杂的、经常变化的量,因此在系统中采用单片机微、积分计算,即数字化PID控制系统。
PID算法是按照偏差的比例、积分、微分进行的一种算法,计算机PID算法是用差分方程近似实现的。
用微分方程表示的PID调节规律的理想算式为:
u(t)=Kp[e(t)+∫e(t)dt/Ti+Td×de(t)/dt]
式中,c(t)=r(t)-y(t)为偏差信号,是调节器的输入信号,r(t)是给定值,y(t)为被控量,u(t)为调节器输出的控制信号,Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。
模糊控制规则的形成是把有经验的操作者或专家的控制知识和经验制定成若干控制决策表,这些规则可以用自然语言来表达,但一般要进行形式化处理。
例如:
(1)“If An Then Bn”;
(2)“If An Then Bn Else Cn”;(3)“If An And Bn Then Cn”;其中An是论域U上的一个模糊子集,Bn是论域V上的一个模糊子集。
根据人工试验,可离线组织其控制决策表R,R是笛卡尔乘积U×V上的一个模糊子集。
则某一时刻,以上控制规则的控制量分别为:
(1)Bn=An.R
(2)Bn=An.RCn=An.R(3)Cn=(An×Bn).R式中 ×——模糊直积运算 .——模糊合成运算 控制规则(3)是实际模糊控制器最常用的规则形式。
在这类规则中,A一般用来表示被控制量的测量值与期望值的偏差E=x-x0的隶属函数。
B一般表示偏差变化率C=d E/dt的隶属函数。
目前设计的模糊控制器基本上都是采用这种方式。
即在模糊控制过程中,同时要把系统与设定值的偏差和偏差的变化率作为模糊输入量。
这种方法不仅能保证系统的稳定性,而且还可减少超调量和振荡现象。
1.4.2模糊PID控制算法
PID调节对于线性定常系统的控制是非常有效的,但对于非线性、时变的复杂系统和模型不清楚的系统就不能很好地控制。
而模糊控制器对复杂的和模型不清楚的系统却能进行简单而有效的控制,但由于模糊控制器不具有积分环节,因而在模糊控制系统中又很难完全消除静差,而且在变量分级不足够多的情况下,常常在平衡点附近会有小的振荡现象。
如果把两种控制方法结合起来,就可以构成兼有这两者优点的模糊PID控制器。
有几种方法可把模糊技术与PID控制算法结合起来构成模糊PID控制器:
一种是利用模糊控制器来给PID控制器在线自整定PID参数,组成模糊自整定参数PID控制器;另一种是在大偏差范围内采用比例控制,而在小偏差时采用模糊控制,两种控制方式可根据预先确定的偏差阈值进行切换,这就构成FUZZY-P双模分段控制器;与此类似,可以设计多模分段控制的算法,根据不同条件和要求分段,用不同模态进行控制。
模糊控制与传统的PID控制之间的区别可以理解为:
PID控制是一种基于时间的控制,而模糊控制则是一种基于过程的控制。
两者在结构上的区别如图1.1所示。
图1.1 模糊控制与传统PID控制的区别(a)传统PID控制系统框图 (b)模糊PID控制系统框图
模糊控制器的智能性就体现在它比传统的PID控制器多加一个设定值调节器和设定值选择器。
设定值调节器模拟有经验的操作者的控制过程和功能。
它着眼于控制的过程(在PID控制的范围内)、系统的动态特性及非线性(包括负载的改变),通过向PID运算器内输入假定目标设定值而使系统运行起来。
其典型的控制结果如图1.2所示。
可见模糊控制减小了系统的超调量,并且对系统失调响应速度更快。
图1.2 模糊控制典型的控制结果
由于模糊控制明显减小了超调量,有效地提高了系统的反应速度和控温精度,并且更易于实现计算机控制,因此,模糊控制技术被很多控制系统所采用。
在热处理设备控制技术中,模糊控制技术也是最近十年最显著的进步,已越来越多地受到热处理界的关注。
1.5系统的基本组成
整个系统采用单片机控制,基本组成分为主机、辅助部分、温度检测、电炉控制四个部分。
在实际电路中分别由以下部分来实现其功能,8031芯片作为系统的主机,即CPU部分;另外包括地址锁存器(74LS373);程序存储器(2732);A/D数模转换(ADC0809);电压比较器(LM311);波形变换(MC14528)和键盘显示、报警电路(8155)等几个部分。
从系统要求,可以看出系统应该具有温度检测、电炉控制、温度预置、温度显示及报警等功能。
该系统的结构框图如下图1.3所示。
主
机
热电偶
信号处理
A/D转换器
温度显示
键盘
发光报警
电阻
可控硅调节器
图1.3系统结构框图
1.6系统的基本工作原理
电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程:
当电源电压有所变化时,或系统参数更换以后,系统自动比较实际炉温和需要的炉温,得到一个温度偏差参数,通过对偏差的处理获得控制信号,去调节炉子的加热功率大小,从而实现对炉温的控制。
从电阻炉炉温控制系统原理图中分析,系统工作过程为:
使单片机8031的P3.4口,即T0定时器产生每秒一次的定时中断,作为本系统的采样周期。
在其中断服务程序中启动ADC,读入采样数据,进行数字滤波,得到相应的数字量,送入单片机进行比较判断及PID计算。
得到相应的控制量。
然后由P1.3输出控制脉冲信号。
脉冲宽度由T1(P3.5)计数器溢出中断决定,去控制双向可控硅的开关时间,改变电热器件两端电压的通、断时间的长短,从而改变电热器件的加热功率,从而实现对温度高低的控制。
第2章单片机系统硬件设计
2.1单片机的选择
在微机控制高速发展的今天,高性能产品不断问世,典型的单片机有TMS系列、F8系列、MC系列、MCS系列等。
MCS-51系列是目前8位单片机的主流机型,在实时、智能化仪器表等方面应用最广。
MCS-51系列单片机是8位增强型,其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线和具有多级识别功能的串行通讯接口(UART),规范了功能单元的SFR控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统。
由于单片机具有较高的性能比,易于开发、使用灵活、而且体积小、易于开发、抗干扰能力强,可以工作于各种恶劣的条件下,工作稳定等特点。
本设计是炉温的实时控制,本着应用性,因此选择MCS-51系列的8031单片机作为中央处理器,如图2.1所示。
8031片内无程序存储器,只有128字节的数据存储器,与常见的微机的配置方式不同,数据存储器和程序存储器两者是分开的,各有自己的寻址系统、控制信号和功能。
片内RAM和ROM最多可以扩展64K字节数据和程序存储器空间。
采用8031的最小系统作为中央处理器,再加上必要的外围电路,形成自动控制电路。
本设计硬件总电路图见附录A。
8031的内部资源如下:
●一个8位CPU图2.1单片机8031的引脚图
●一个片内振荡器及时钟电路
●128字节RAM数据存储器
●两个16位定时器/计数器
●可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储空间的控制电路
●32条可编程的I/O线(四个8位并行I/O端口)
●一个可编程全双工串行口
●具有五个中断源,两个优先级嵌套中断结构
●时钟频率:
1.2MHZ~12MHZ
2.2A/D转换器的应用
基于单片机对炉温的控制和检测,从反馈模块接收到的模拟信号,要通过A/D转换器转换成数字信号,才能达到控制和检测的目的。
2.2.1A/D转换器的基本工作原理
模数转换器是连接模拟和数字世界的一个重要接口。
A/D转换器将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作。
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号,转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。
1、取样和保持
图2.2取样过程
取样(也称采样)是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号,即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲,脉冲的幅度取决于输入模拟量。
其过程如图2.2所示。
图中Ui(t)为输入模拟信号,S(t)为采样脉冲,
为取样后的输出信号。
在取样脉冲作用期τ内,取样开关接通,使
,在其它时间(TS-τ)内,输出=0。
因此,每经过一个取样周期,对输入信号取样一次,在输出端便得到输入信号的一个取样值。
为了不失真地恢复原来的输入信号,根据取样定理,一个频率有限的模拟信号,其取样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍,即取样频率必须满足:
模拟信号经采样后,得到一系列样值脉冲。
采样脉冲宽度τ一般是很短暂的,在下一个采样脉冲到来之前,应暂时保持所取得的样值脉冲幅度,以便进行转换。
因此,在取样电路之后须加保持电路。
图2.3(a)是一种常见的取样保持电路,场效应管V为采样门,电容C为保持电容,运算放大器为跟随器,起缓冲隔离作用。
在取样脉冲S(t)到来的时间τ内,场效应管V导通,输入模拟量Ui(t)向电容充电;假定充电时间常数远小于τ,那么C上的充电电压能及时跟上Ui(t)的采样值。
采样结束,V迅速截止,电容C上的充电电压就保持了前一取样时间τ的输入Ui(t)的值,一直保持到下一个取样脉冲到来为止。
当下一个取样脉冲到来,电容C上的电压再按输入Ui(t)变化。
在输入一连串取样脉冲序列后,取样保持电路的缓冲放大器输出电压Uo(t)便得到如图2.3(b)所示的波形。
.
图2.3取样保持电路及输出波形
(a) 取样保持电原理图;(b)输出波形图
2.2.2A/D转换器的选择
A/D转换器的选择是至关重要的。
所选择的A/D转换器应能确保模拟信号在数字位流中被准确地表示,并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口,这一点很重要。
A/D转换器是一种能把模拟量变为数字量的变换器件。
其种类也很多,若按位数可分为8位、10位、12位、14位和16位;按工作原理可分为:
记数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次比较式A/D转换器三种。
1、记数式A/D转换器
当模拟电压Vi加到比较器的正端时,由S启动端加入一个负脉冲使8位计数器清零,D/A转换器输出为0,比较器输出高电平,计数器对CLK进行计数。
8位D/A转换器随计数值增大,输出电压Vi>Vo时,比较器输出为负电平,该电平一方面使计数器停止计数,另一方面同时送出一个转换结束信号,通知此时由计数器端口读出数字量,即Vi的转换值。
这种转换器的缺点是速度较慢,对于8位的转换需要256个计数脉冲周期。
2、双积分型A/D转换器
图2.4双积分ADC原理框图
双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压Ui转换成与其大小成正比的时间间隔T,再利用基准时钟脉冲通过计数器将T变换成数字量。
图2.4是双积分型ADC的原理框图,它由积分器,零值比较器,时钟控制门G和计数器(计数定时电路)等部分构成。
3、逐次逼近式A/D转换器
图2.5逐次逼近式ADC
图2.5为逐次逼近式A/D转换器,这种转换器是将转换的模拟电压Ui与一系列的基准电压比较。
比较是从高位到低位逐位进行的,并依次确定各位数码是1还是0。
转换开始前,先将逐位逼近寄存器(SAR)清0,开始转换后,控制逻辑将逐位逼近寄存器(SAR)的最高位置1,使其输出为100…000,这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压Uo,送至比较器与输入Ui比较。
若Uo>Ui,说明寄存器输出的数码大了,应将最高位改为0(去码),同时设次高位为1;若Uo≤Ui,说明寄存器输出的数码还不够大,因此,需将最高位设置的1保留(加码),同时也设次高位为1。
然后,再按同样的方法进行比较,确定次高位的1是去掉还是保留(即去码还是加码)。
这样逐位比较下去,一直到最低位为止,比较完毕后,寄存器中的状态就是转化后的数字输出。
例如,一个待转换的模拟电压Ui=163mV,逐位逼近寄存器(SAR)的数字量为八位。
逐位逼近式的A/D转换器的转换速度和精度都比较高,控制电路不复杂,它是目前使用最多的一种A/D转换器;双积分式A/D转换器虽然抗干扰能力强、转换精度高,但速度慢一点,选取时还要根据系统对A/D转换的抗干扰性、转换速度、精度等要求综合考虑,这种转换器被只应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中。
考虑到本设计要用高转换速度和高精度的A/D转换器,以便对温度的控制达到更好的效果和数据的转换更精确,我选择逐位逼近式的A/D转换器。
2.2.3ADC0809在设计中的选用
ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器,其内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量,故它本身既可看作一种输入设备,也可以认为是并行I/O接口芯片。
故ADC0809可以和微机直接接口,也可通过像8155这样的其它接口芯片连接。
大多数情况下,8031是和ADC0809直接相连的。
ADC0809采用双列直插式封装,共有28条引脚,主要引脚功能为:
IN0-IN7:
为八路模拟电压输入线,用于输入被转换的模拟电压。
ALE:
为地址锁存允许输入线,高电平有效。
ADDA、ADDB和ADDC:
为地址输入线,用于选择IN0-IN7上那一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。
ADDA、ADDB和ADDC对IN0-IN7的选择如表2.1所列:
被选模拟电压
ADDC
ADDB
ADDA
IN0
0
0
0
IN1
0
0
1
IN2
0
1
0
IN3
0
1
1
IN4
1
0
0
IN5
1
0
1
IN6
1
1
0
IN7
1
1
1
表2.1地址输入线对IN0-IN7的选择表
START:
为“启动脉冲”输入线,上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。
EOC:
为转换结束输出线,该线上高电平表示A/D转换已结束。
OE:
为“输出允许”线,高电平时能使2
-2
引脚上输出转换后的数字量。
1、8031对ADC0809的接口
如图2.6,8031通过地址线P2.2和读写控制线RD、WR来控制转换器的模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。
模拟输入通道地址的译码输入A、B、C由P0.0~P0.3须经锁存器接入A、B、C。
图2.6ADC0809与8031的连接图
其中
和START的逻辑关系分别为:
=
•
=P2.2+
START=
•
=P2.2+
8031和ADC接通通常可以采用查询和中断两种方式。
本系统采用中断方式传送数据,EOC线作为CPU的中断请求输入线。
CPU线响应中断后,应在中断服务程序中使OE线变为高电平,以提取A/D转换后的数字量。
ADC0809的IN0和变送器输出端线连,故IN0上输入的0V~+5V范围的模拟电压经A/D转换后可由8031通过程序从P0口输入到它的内部RAM单元。
在P2.2=0和WR=0时,8031可使ALE和START变为高电平而启动ADC0809工作;在P2.2=0和RD=0时,8031可以从ADC0809接收A/D转换后的数字量。
这就是说:
ADC0809可以视为8031的一个外部RAM单元,地址为03F8H(有很大的地址重叠范围,由0000001111111000B确定),因此,8031执行如下程序可以启动ADC0809工作。
MOVDPTR,#03F8H
MOV@DPTR,A
对ADC0809地址的确定:
所选定模拟电压路数为IN0,其对应的地址为ABC=000,即;又P2.2=0时才能启动ADC0809工作和使8031从ADC0809接收A/D转换电压的数字量。
故16位地址表示:
P2.7~P2.0P0.7~P0.0,根据重叠地址范围定义(未参加译码的片选地址和片内地址从全“0”变到全“1”时的地址范围),而P2.7~P2.3未参加译码可知其由很大的重叠范围地址,确定ADC0809其中一个地址为:
0000001111111000B=03F8H,其中“__”表示固定量。
ADC0809所需时钟信号可以由8031的ALE信号提供。
8031的ALE信号通常是每个机器周期出现两次,故它的频率是单片机时钟频率的1/6。
本系统8031主频是6MHZ,ALE信号频率为1MHZ,使8031的ALE上信号经过2分频后接到ADC0809的CLOCK输入端,就可获得500KHZ的A/D转换脉冲,当然,ALE上脉冲会在MOVX指令的每个机器周期少出现一次,但通常情况下影响不大。
ADC0809时序图如图2.7。
tEoc
10us
EOC
START启动
模拟入
稳定
地址
ALE
图2.7ADC0809时序图
从时序图可以看出,在启动0809后,EOC约在10us后才变为低电平,EOC线经过反相器和8031INT1线相连,这即是8031采用中断方式来和ADC0809传送A/D转换后的数字量的。
为了给OE线分配一个地址,把8031RD和P2.2经或门和OE相连。
平时,使OE处于低电平封锁状态,在响应中断后,8031执行中断服务程序中如下两条指令就可以使OE变为高电平,从而打开三态输出锁存器,让CPU提取A/D转换后的数字量。
MOVDPTR,#03F8H
MOVXA,@DPTR;OE变为高电平,数字量送A
2.3温度检测和变送器
热电式传感器的总类有:
热电偶(在工业测温热电偶中常用铂铑-铂热电偶,这种热电偶可以用于较高的温度,能长时间在0~1300℃中工作,短时间可以测量到1600℃,它的物理化学稳定性好,因此一般用于较为精密测温中。
如果加热物质是钢水,我们就可以选择这种热电偶),热电阻,热敏电阻以及PN结型温度传感器。
热电偶虽然有测温范围宽的优点,但其热电势较低;热敏电阻的工作温度范围窄,但灵敏度高,有利检测微小温度变化。
由于它们的输出都是非线性的,给使用带来一定的困难。
PN结温度传感器和它们相比,最大优点是输出特性呈线性,且测温精度高。
PN结测温传感器是利用半导体材料和器件的某些性能参数的温度依赖性,实现对温度的检测、控制和补偿等功能。
在窄温场中得以广泛应用。
集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。
电压型集成温度传感器中的四端电压输出型,它由PTAT核心电路,参考电压源和运算放大器三部分组成。
典型的型号有LX5600/5700、LM3911、UP515/610A~C和UP3911等。
性能指标如下:
最大工作温度范围为-40~+125℃;
灵敏度为10mv/k;
线性偏差为0.5%~2%;
长期稳定性和重复性为0.3%
测量精度为±4K
U0
(10mv/K)
左图2.8所示为正电源接法,在内部参考电压的嵌位作用下,V+和V-端之间保持为6.85V,传感器实际是一个电压源。
因传感器必须和电R1串联,所加电压也必须高于6.85V,常取15V,传感器的电路电流通常选在1mA左右,因此,电阻R1值可以由下式确定:
R1(kΩ)=[Ucc(v)-6.85(v)]/1mA=8.2kΩ,其中Ucc=12V图2.8正电源接法图
2.3.2摄氏温度检测器
图2.9给出两种输出电压直接表示摄氏温度的检测电路,两种电路都是利用传感器自身的参考电压分压,而得到2.37V作为其偏置电压,这样使输出电压移动-2.73V,即使传感器在273K(0℃)时,输出为0,于是补偿后的输出电压U0将直接指示摄氏温度,而不是绝对温度。
图2.9摄氏温度的检测电路
输入
输出
2.4温度控制电路
温度控制电路采用可控硅调功方式。
双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50HZ交流市电回路。
在给定周期T内,8031只要改变可控硅管的接通时间就能达到改变加热功率的目的,从而实现温度调节。
如下图2.10示出了可控硅管在给定周期T内具有不同接通时间情况。
显然,可控硅在给定周期T的100%时间内接通时的功率最大。
图2.10可控硅管在给定周期T内的变化图
对于这样的执行机构,单片机只要输出能控制可控硅通断电时间的脉冲信号就可以了,这可用一条I/O线,通过程序输出控制脉冲。
在此采用8031用软件在P1.3引脚上产生受过零同步脉冲同步后经光耦管和驱动器输出
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