电阻炉温度控制系统

1摘要温度控制是工业对象中主要的控制参数之一，其控制系统本身的动态特性属于一阶纯滞后环节，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。以8031单片机为核心，采用温度变送器桥路和固态继电器控温电路，实现对电炉温度的自动控制。该控制系统具有硬件成本低、控温精度较高、可靠性好、抗干扰能力强等特点。电阻炉炉温控制系统的控制过程是：单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换芯片得到相应的数字量，经过计算机进行数据转换，得到应有的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。关键词：电炉温度控制系统ADC0809AD转换器2目录1控制方案总述.......................................................................................................12硬件电路设计.......................................................................................................12.1温度检测和变送器部分..................................................................................................22.2接口电路..........................................................................................................................32.2.1主要特性...............................................................................................................32.2.2内部结构...............................................................................................................32.2.3外部特性（引脚功能）.......................................................................................42.3接口电路..........................................................................................................................63软件设计...............................................................................................................73.1主程序..............................................................................................................................73.2T0中断服务程序..............................................................................................................83.3子程序............................................................................................................................103.3.1采样子程序SAMP..............................................................................................103.3.2数字滤波子程序FILTER...................................................................................103.3.3积分分离PID控制算法的程序设计.................................................................114基于MATLAB仿真被控对象..........................................................................135结果分析.............................................................................................................15设计小结.................................................................................................................17参考文献.................................................................................................................18附录.........................................................................................................................191温度控制系统设计1控制方案总述随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，特别是微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，利用单片机来改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。本设计就是利用单片机来控制高温加热炉的温度，传统的以普通双向晶闸管（SCR）控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。采用AT80C51为核心，结合温度传感器热电偶和AD转换器来监测被控温度数据，并把数据传递给单片机同时显示实时数据。同时键盘会给与要求的控制温度大小供单片机把其和测量温度进行比较处理，从而控制执行系统的开关量的通断状态，达到温度检测、赋值和控制的作用。其系统结构框图如图1所示：2硬件电路设计2硬件电路如图2所示：现对各部分电路分述如下：2.1温度检测和变送器部分温度计的检测元件和变送器的类型选择与被控温度及进度等级有关。镍鉻/镍铝热电偶适用于0~1000摄氏度的温度测量范围，相应输出电压为0~41.32mV。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的图2硬件电路图30~41.32mV变换成0~10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范围内的电压。为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如，若温度测量范围为0~300摄氏度，则热电偶输出为0~12.396mV，毫伏变送器零点迁移后输出0~10mA范围的电流。这样，采用8位A/D转换器就可以量化温度误差达到正负2.34摄氏度以内。2.2接口电路8031的接口电路有8155、2732和ADC0809等芯片。8155用于键盘LED显示器接口，2372可以作为8031的外部ROM存储器，ADC0809为温度测量电路的输入接口。ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模——数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。2.2.1主要特性1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100μs4）单个＋5V电源供电5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度7）低功耗，约15mW。2.2.2内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近。42.2.3外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3所示。下面说明各引脚功能。IN0～IN7：8路模拟量输入端。2-1～2-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START：A/D转换启动信号，输入，高电平有效。EOC：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。图3ADC0809引脚图5CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一＋5V。GND：地。ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。8155有40条引脚，如图4所示。下面说明各引脚功能：AD0~AD7：三态地址/数据线。是低8位地址与数据复用线。地址可以是8155片内RAM单元地址或I/O端口地址。AD0~AD7上的地址由ALE的下降沿素存到8155片内地址锁存器。也就是由AIE信号来区别AD0~AD7上出现的地址信息还是数据信息。ALE：地址锁存允许信号。在ALE信号的下降沿把ADO~AD7上的8位地址信息，CE片选信号及IO/M信号都锁存到8155内部存储器中。IO/M：I/O端口和RAM选择信号。当IO/M=1时，AD0~AD7的地址位8155I/O端图48155引脚图6口地址，选择I/O端口。当IO/M=0时，AD0~AD7的地址位8155片内RAM单元地址，选择RAM存储单元。CE：片选信号。低电平有效。由ALE信号的下降沿锁存到8155内部存储器。RD：读选通信号。低电平有效。当RD=0，CE=0时开启AD0~AD7的缓冲器，被选中的片内RAM单元或IO口的内容送到AD0~AD7上。WR：写选通信号。低电平有效，当CE,WR都有效时，CPU输出到AD0~AD7上的信息想偶尔到8155片内PAM单元或I/O端口。PA0~PA7：A口的I/O线。PB0~PB7：B