12电气2班计算机

广东工业大学华立学院课程设计（论文）课程名称计算机控制技术题目名称电阻加热炉温度控制学生学部（系）机电与信息工程学部专业班级12电气2班学号5112002212030224（01）学生姓名梁志立指导教师王赟2015年6月1日1广东工业大学华立学院课程设计（论文）任务书一、课程设计（论文）的内容主要设计了一种温度控制器，它以8051作为控制器，通过MCS—51单片机和ADC0809模数转换芯片模数转换器等硬件系统和软件设计方法，实现具有液位检测报警和控制双重功能，并对液位值进行显二、课程设计（论文）的要求与数据1.用单片机实现；2.被控对象。被控对象为电阻加热炉；3.温度测量。温度测量由温度传感器和变送器组成。其中，温度传感器为水银温度计当温度上升或下降时，处于空气中的两相电极产生的温差量被电子线路测得，并转换成电压信号输出至单片机；4.A/D转换器、D/A转换器。A/D转换器将测量的模拟量转换为数字量送给计算机处理，而D/A转换器将数字量转换为模拟量控制给电动机调节阀；三、课程设计（论文）应完成的工作题目名称电阻加热炉温度控制学生学部（系）机电与信息工程学部专业班级12电气2班姓名梁志立学号5112001203022421.完成硬件和软件设计，绘出电路原理图；2.完成课程设计报告的撰写。四、课程设计（论文）进程安排序号设计（论文）各阶段内容地点起止日期1收集单片机等相关资料，确定设计方案校内2015年6月1日2进行硬件和软件设计，绘出电路原理图校内2015年6月2-5日3进行课程设计报告的撰写校内2015年6月6、7日五、应收集的资料及主要参考文献1．收集单片机及设计中所涉及的主要器件等方面的资料2．收集相关的软件编程方面的资料发出任务书日期：2015年5月26日指导教师签名：计划完成日期：2015年6月7日教学单位责任人签章：3目录一、摘要………………………………….……….（2）二、总体方案设计…………………………….….（2）设计任务1、设计内容及要求…………………………………………（2）2、工艺要求……………………………………..…………..（2）3、要求实现的系统基本功能………………………………（3）4、对象分析…………………………………………………（3）5、系统功能设计……………………………………..……..（3）三、硬件的设计和实现…………………………..（4）四、数字控制器的设计…………………….…….（7）五、软件设计…………………………….……….（9）1、系统程序流程图………………………………………….（9）2、程序清单…………………………………………..……..（11）六、完整的系统电路图…………………………..（21）七、系统调试……………………………………..（21）一、摘要温度是工业对象中主要的被控参数之一。特别是在冶金、化工、机械各类工4业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类不同，所采用的加热方法及燃料也不相同，如煤气、天然气等。但就控制系统本身的动态特性而言，均属于一阶纯滞后环节，在控制算法上基本相同，可采用PID控制或其他纯滞后补偿算法。为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。因此，在工农业生产或科学实验中常常对温度不仅要不断地测量，而且要进行控制。二、总体方案设计设计任务用一台计算机及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，并使系统达到工艺要求的性能指标。1、设计内容及要求电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。系统模型：52、工艺要求按照规定的曲线进行升温和降温，温度控制范围为50—350℃，升温和降温阶段的温度控制精度为+5℃，保温阶段温度控制精度为+2℃。3、要求实现的系统基本功能微机自动调节：正常工况下，系统投入自动。模拟手动操作：当系统发生异常，投入手动控制。微机监控功能：显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出值，参数报警时有灯光报警。4、对象分析在本设计中，要求电阻炉炉内的温度，按照上图所示的规律变化，从室温开始到50℃为自由升温阶段，当温度一旦到达50℃，就进入系统调节，当温度到达350℃时进入保温段，要始终在系统控制下，一保证所需的炉内温度的精度。加工结束，要进行降温控制。保温段的时间为600—1800s。过渡过程时间：即从开始控制到进入保温阶段的时间要小于600s。在保温段当温度高于352℃或低于348℃时要报警，在升温和降温阶段也要进行控制，使炉内温度按照曲线的斜率升或降。采用MCS—51单片机作为控制器，ADC0809模数转换芯片为模拟量输入，6DAC0832数模转换芯片为模拟量输出，铂电阻为温度检测元件，运算放大器和可控硅作为功率放大，电阻炉为被控对象，组成电阻炉炉温控制系统，另外，系统还配有数字显示，以便显示和记录生产过程中的温度和输出值。5、系统功能设计计算机定时对炉温进行测量和控制一次，炉内温度是由一铂电阻温度计来进行测量，其信号经放大送到模数转换芯片，换算成相应的数字量后，再送入计算机中进行判别和运算，得到应有的电功率数，经过数模转换芯片转换成模拟量信号，供给可控硅功率调节器进行调节，使其达到炉温变化曲线的要求。三、硬件的设计和实现1、计算机机型：MCS—518031（不包含ROM、EPROM）系统总线：PC总线2、设计支持计算机工作的外围电路矩阵键盘技术：温度输出显示技术：LED静态显示接口技术，所谓静态显示,即CPU输出显示值后,由硬件保存输出值,保持显示结果.7特点:占用机时少,显示可靠.但元件多,线路复杂、成本高，功耗大。报警电路设计：正常运行时绿灯亮，在保温阶段炉内温度超出系统允差范围，就要进行报警。报警时报警灯亮，电笛响，同时发送中断信号至CPU进行处理。3、设计输入输出通道输入通道：因为所控的实际温度在50～350℃左右，即（350－50）＝300所以选用8位A/D转换器，其分辨率约为1.5℃/字，再加放大器偏置措施实现。（通过调整放大器的零点来实现偏置）这里采用一般中速芯片ADC0809。ADC0809是带有8位A/D转换器，8路多路开关以及微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS8组件，其转换方法为逐次逼近型。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。输出通道：据其实际情况，D/A转换器的位数可低于A/D转换器的位数，因为一般控制系统对输出通道分辨率的要求比输入通道的低，所以这里采用常用的DAC0832芯片DAC0832是8位D/A转换器，与微处理器完全兼容。期间采用先进的CMOS工艺，因此功耗低，输出漏电流误差较小。因DAC0832电流输出型D/A转换芯片，为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器，Rf为为运算放大器的反馈电阻端。94、元器件的选择传感器的选择：铂铑10—铂热电偶，S型，正极性，量程0—1300C，使用温度小于等于600C，允差+1.5C。执行元件的选择：电阻加热炉采用晶闸管（SCR）来做规律控制，结合电阻炉的具体要求，为了减少炉温的纹波，对输出通道采用较高的分辨率的方案，因此采用移相触发方式，并且由模拟触发器实现移相触发。变送器的选择：因为系统要求有偏置，又需要对热电偶进行冷端补偿，所以采用常规的DDZ系列温度变送器。控制元件：采用双向可控硅进行控制，其功能相当于两个单向可控硅反向连接，具有双向导通功能，其通断状态有控制极G决定。在控制极加上脉冲可使其正向或反向导通。10四、数字控制器的设计1、控制算法：电阻加热炉温度控制系统框图：.整个闭环系统可用一个带纯滞后的一阶惯性环节来近似，所以其控制算法采用大林算法。电阻加热炉温度控制系统模型为其广义的传递函数为：大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即：通常认为对象与一个零阶保持器相串联，相对应的整个闭环系统的脉冲传递函数是：11788.2)(40sesGs2、计算过程：连同零阶保持器在内的系统广义被控对象的传递函数]11788.21[)(40seseZzGsTs])1178(1[)1(8.2401ssZzzT]11781781[)1(8.2401ssZzzT]1111[)1(8.211781141zezzz15945.01154.0zz11系统闭环传递函数]11[)()()(seseZzRzCzNTsTs111)1(zeezTTN数字控制器：)](1)[()()(zzGzzD)(])1(1[)1(111zGzezeezNTTTN51510110105154.0945.01])1(1[)1(zzzezeez511933.0007.01)945.01(448.6zzz]933.0933.0933.0933.01)[1()945.01(448.6)(432111zzzzzzzD消除振铃现象后的数字控制器：111)945.01(448.6)(zzzD111945.0297.1297.1)()()(zzzEzUzD将上式离散化：U（Z）—U（Z）Z—1=1.279E（Z）—1.226E（Z）Z—1U（K）—U（K—1）=1.279E（K）—1.226E（K—1）最终得：U（K）=U（K—1）+1.279E（K）—1.226E（K—1）12五、软件设计1、系统程序流程图a、系统主程序框图b、A/D转换子程序流程图13c、LED显示流程图d、数字控制算法子程序流程图14六、完整的系统电路图七、系统调试在设计完成后进行调试，根据设计逻辑图制作好实验样机，就可以进入硬件调试，调试的主要任务是排除样机的故障，其中包括设计错误和工艺性故障，然后在进行软件的调试用微型机对MCS51系列单片机程序进行交叉汇编。在硬件，软件单独调试后，即可进入硬件、软件联合调试阶段，找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试，直到符合设计要求。15心得体会我觉得在这次的课程设计的过程中获益良多，在课程学到大半的时候开始做课程设计，对书本上的知识还不太理解熟悉，起初觉得很茫然，不知道该从哪里开始，于是从图书馆借了几本相关的书来看渐渐的找到感觉，第一次花了好几天构思，其中不时的查书查一些资料，很是浪费时间了，基础不做好后续工作难展开啊，就在其过程中慢慢的对课本知识进一步的学习、理解，通过这次课程设计我发现，只有理论水平提高了；才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，从而辅助动手能力，通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力2015年6月7日教师评语2015年6月15日成绩及签名2015年6月15日