2022计算机控制系统课程设计(综合实验)报告

课程设计报告

( 2015 -- 2016年度第 2 学期)

名称：计算机控制系统A

题目：基于工业控制计算机的

电加热炉温度控制系统院系：动力工程系

班级：自动化12K*班

学号：121912010***

学生姓名：***

指导教师：李士哲

设计周数：1周

成绩：

日期：2016 年 5 月20 日

一、课程设计(综合实验)的目的与要求

温度是工业对象中一种重要的参数，特别在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉和反应炉等。由于炉子的种类不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油和电等。但是就其控制系统本身的动态特性来说，基本上属于一阶纯滞后环节，因而在控制算法上亦基本相同。

本次设计是电加热炉温度自动控制系统。该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定；实现工业过程中PID控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换，送入计算机中，与设定值比较出偏差。对偏差按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制固态续电器、调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行PID控制。在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长，否则会使干扰无法及时消除，使调节品质下降。

二、设计（实验）正文

1.1 设计内容

某工业电炉在对产品进行加工的过程中，炉温从室温上升到1000℃应为30min，然后温度保持到1000℃，其时间为1小时。最后断电，使电炉自然冷却。电炉的加热源是热阻丝，利用大功率可控硅控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。

炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压可在0～140V内变化。温度传感器是通过一只热敏电阻及其放大电路组成，温度越高其输出电压越小。外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间，如果炉温低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。

设计要求为：一个以单片机为核心，包括主要过程输入输出通道及主要接口，外配LED 显示、键盘操作以及包括传感变送器及执行器的小型计算机控制系统。

1.2 设计方案

该控制系统使用单片机作为微处理器，连接温度传感器、A/D转换、温度控制电路，并附加显示部分及键盘部分。它可以实时地显示温度，实现对温度的自动控制并设有报警电路。还可以通过键盘对PID参数进行设置。

该控制系统使用热电偶测出电阻炉实际温度并转换成电压信号。此电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号送入单片机，而单片机经过数据处理后，控制显示部分显示温度。此外，将温度与设定值比较，根据设定计算出控制量，通过控制电阻丝两端交流电压的通断时间比例来实现电阻丝发热量的控制。

2. 硬件部分设计

2.1温度检测电路

该部分采用热电偶传感器，该传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽（通常从-50℃～1600℃）及反应快速的优点。

热电偶传感器采用MAX6675，其引脚功能图如下：

MAX6675的数据输出分为3位串行接口，因此只需要占用微处理器的3个I/O口。图3为温度检测电路图，图中串行外界时钟由微处理器的P2.6提供，片选信号由P2.5提供，转换数据由P2.7读取。热电偶的模拟信号由T+和T-端输入，其中T-需接地。MAX6675的转换结构将在SCK的控制下连续输出。

图1 温度检测电路

热电偶工作原理如下：热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1,在经过S4送至ADC。电压可由如下公式来近似计算：

T-

U1T

?

=μ

(41

)

）

（

℃0

V/

2.2单片机连接电路

本设计选用了ATMEL公司的AT89C52单片机，该型号单片机片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内部集成了微处理器、储存器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、串行接口等基本部件。完全能满足控制要求。

此外，考虑到该设计中需使用显示输出、A/D转换、键盘输入、报警电路、信号输出等外部扩展功能，固选用经典的8255作为并行输出接口，方便外部数据寻址。

最小实现系统示意如下

图2最小实现系统原理图

2.3 LCD显示部分

在该温度控制系统中，选用AMPIRE 128X64型LCD作为显示部件，该液晶模块可以显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵），128个字符（16X16点阵），及64X256点阵显示RAM。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理器：8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式。AMPIRE 128X64型LED驱动电路如下所示。

图3 LCD显示电路

2.4按键与报警电路

按键控制电路如下图所示，分别接在单片机P1.0～P1.3口。当触发式按键闭合时，单片机P1.0～P1.3的管脚由“1”变为“0”。当触发式按键断开时，单片机P1.0～P1.3为高电平“1”。

报警电路采用黄、红、绿三种颜色的发光二极管进行显示，黄灯亮表示温度偏低，绿灯亮表示温度正常，红灯亮表示温度过高。电路如图4所示。

图4 按键、报警电路

2.5加热控制电路部分

MOC3021可以即时触发，只要输入引脚1输入15mA的电流，输出端6引脚、4引脚之间就会导通，内部双向晶闸管导通，触发外部晶闸管导通，当MOC3021输入引脚输入电流为0时，内部双向晶闸管关断，从而外部晶闸管也关断，从而外部晶闸管也关断，通过单片机来控制导通和关断的时刻，从而实现智能调压。

热阻丝两端用220V交流进行加热，因此要控制热阻丝功率，可以通过调功实现，即控制交流电的通断时间比例来实现。把交流电经全波整流后通过三极管变成过零脉冲，在反相后加到单片机的中断控制端作为同步基准脉冲。使用定时器T0计时移相时间Ta,然后发出触发脉冲，改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，实现炉温控制。电路如图5所示。

图5 可控硅控制电路

3. 软件部分设计

在该温度控制程序中，温度信号要经过周期采样、数字滤波、PID运算、输出等过程，其过程如图6所示。

图6 信号流程图

3.1 周期采样程序

在计算机内部，执行算法时，需要将外部信号进行离散化处理，因此需要对外部模拟信号进行周期采样。从理论上讲，采样频率越高，失真越小，但从控制器本身而言，大都依靠偏差信号E(k)进行调节器计算。当采样周期T太小时，偏差信号E(k),也会过小，此时计算机将会失去调节作用，而采样周期T过长又会引起误差。因此采样周期必须综合考虑，一般而言采样周期根据外部信号变化快慢而定，如在该温度控制系统中，水箱温度变化比较缓慢，因此采样时间T应该适当大一些。其程流程图如图7.

图7 周期采样程流程图

3.2 数字滤波程序

在工业过程控制系统中，由于被控对象所处的环境比较恶劣，常存在干扰源，如环境温度、电场和磁场等，使得采样值可能偏离真实值。对于各种随机出现的干扰信号，在计算机控制系统中，应该对采样的数据进行判断，以及平滑加工，以提高信号的可信度，减小乃至消除各种干扰及噪声，以保证系统的可靠性。

数字滤波有如下优点:

1.无须增加任何硬件设备，只要在程序进入数据处理和控制算法之前，附加一段数字滤波程序即可。

2.由于数字滤波器不需增加硬件设备，所以系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。

3.对于模拟滤波器，通常是各通道专用的，而对于数字滤波器来说，则可多通道共享，从而降低了成本。

4.可以对频率很低（如0.01Hz ）的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低。

5.使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法或改变滤波器的参数。

在该系统中，我选用限幅滤波。限幅滤波的基本思路是：求出本次采样值与前一次采样值之差，该差值与最大允许差值Y ?比较，若小于或等于Y ?,则取本次采样值，若大于Y ?，则取上一次采样值，即：

数字滤波程流程图如图8所示。

，取上次采样值

，则，取本次采样值，则)1()()1()()()()1()(-=?>--=?≤--K Y k Y Y k Y k Y k Y k Y Y k Y k Y

图8 数字滤波程序框图

3.3 PID 程序

PID 调节由比例调节、积分调节、微分调节三者组成，是技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。PID 调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用于控制输出。在实际应用中，根据被控对象的特征和控制要求，课灵活地改变PID 的结构，取其中一部分环节构成控制规律，如比例调节、比例积分调节、比例积分微分调节等。

PID 算法表达式：

??

????++=?dt t de T dt t e T t e p K t P D I )()(1)()()( （1）

离散化后的PID 表达式：

[]??

????--++=∑=)1()()()()(0k E k E T T j E T T k E K k P D K j I P （2） 在该系统中，选用位置型PID 进行程序设计，位置型PID 输出表达式如下：

[])1()()()()(0--++=∑=k E k E K j E K k E K k P D K

j I P （3）

在进行程序编写时，一般将（3）式作一下改进：

[]?????--=-+==)1()()1()()()()(k E k E K P k P k E K k P k E K k P D D

I I I P P

（4） 根据该表达式，在计算机内进行具体的PID 运算，PID 程序流程图如图9。

图9 PID程序框图

3.4 总程序

当把以上程序都编好后，主程序只需要调用子程序即可，这样方便参数调整，以及程序修改，在该系统中主程序需要调用的子程序有：周期采样子程序、数字滤波子程序、PID运算子程序、输出子程序以及系统初始化。主程序程序流程图如图10。

图10 主程流程图

三、课程设计（综合实验）总结或结论

这次的课程设计实验是对我们进入大学以来学习微型计算机控制技术结果的一次大考验。自己动手，发现问题和解决问题。并发现了许多自己的不足，平时没掌握的知识在实践中暴漏，经过不断的思考，查阅书籍和上网查资料，解决了大部分问题，还稍微有些小问题。但是，我相信在今后的学习中，一定能把它解决好。

回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

四、参考文献

[1] 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术.（第二版）.北京：电子工业出版社，2011.1

[2] 谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计.（第二版）.北京：清华大学出版社，2009.7

[3] 张荣标.微型计算机原理与接口技术.（第二版）.北京：机械工业出版社，2009.2

[4] 黄家英.自动控制原理.(第二版).北京:高等教育出版社,2010.7

[5] 谭浩强.C程序设计（第二版）.北京:清华大学出版社,1999

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6a6l.html