电热炉温度控制设计.docx
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电热炉温度控制设计
二○一一～二○一二学年第一学期
信息科学与工程学院
课程设计报告书
课程名称：
电炉温度控制系统
班级：
自动化2008级
（1）班
学号：
200804134012
姓名：
郑振
二○一一年十二月
设计题目:
电炉温度控制系统
设计要求:
温度设定范围最高为600℃，设定值采用键盘输入，具有3位LED显示，控制温度误差为±3℃。
采用双向晶闸管对电炉系统进行控制，采用16位A/D和8位单片机实现温度控制。
设计内容：
1设计电气原理图
2写出详细设计过程
3采用Smith预估算法，画出程序框图
设计方案:
方案概览：
结合本设计的要求和技术指标，通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计以及I/O口需求量的估计，考虑价格因素。
选8051单片机作为系统的主要控制芯片，16位模数转换器ADC1143，采用镍铬/镍硅热电偶进行温度检测其测温范围为0-1000℃，8051对温度的控制是通过双向可控硅实现的。
双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz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即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。
系统的工作原理：
在温控系统中，需要将温度的变化转换为对应的电信号的变化，由于热电偶的结构简单制造容易，测量范围广，在高温测量中有较高的精度，所以选用镍铬/镍硅热电偶做热电传感器，测温范围0℃-1000℃，最高可测量1300℃。
满足0-600℃的要求。
热电偶把测量的炉温温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，放大后的信号输人到A/D转换器（ADC1143）转换成数字信号输人主机（单片机8051），并送往外接显示电路，主机对电炉温度和设定温度进行比较后如果越限，则软件触发用8051的P1口控制的输出控制脉冲，该控制脉冲与单稳态同步触发器输出的同步脉冲送人控制门（与非门），门电路信号输人光偶管转换成电流信号，经过三级放大电路输人可控硅的门极，可控硅导通由程序控制同步触发脉冲的来临时间，从而控制可控硅的通断时间，以达到对电炉加热丝温度的调节和功率的改变，实现对电炉的恒温和升温控制。
工作流程：
开始，先接通电源，然后将开关打到开的位置，六段数码管显示器就自动显示出当前温度，并且显示出设置温度的缺省值000000。
此时继电器不工作。
按下F1按键，温度控制系统进入温度控制点的设制。
此时，显示设置温度的数码管闪烁，可以通过键盘输入预设置的温度。
当按下“确定”按键的时候，单片机就会根据所写入的程序，对系统进行控制。
当设置的温度高于当前的温度时，单片机通过可控硅控制极上触发脉冲控制加热电路连通。
温度慢慢升高。
当设置的温度低于当前的温度时，单片机通过可控硅控制极上触发脉冲控制加热电路断开。
温度慢慢下降。
通过温度芯片的反馈信息，使水的温度保持在设置温度上，从而达到自动控制温度的功能。
总体结构图：
系统的硬件电路有温度检测、信号放大、A/D转换、键盘接口、LED显示、单稳态触发电路、可控硅控制电路等部分组成，见统结构图。
系统框图
温度传感器的选择及基本工作原理
测量温度的方法分为两大类:
一类是接触式的,即通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度；另一类是非接触的,即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。
由于本系统测量的温度值在：
0—600℃，所以最常用的最经济的方法是用热电偶来测量。
热电偶出来的电压为mv级，所以必须放大后进入A/D电路。
采用OP07运放组成低漂移高精度前置放大器，对几十微伏变化信号测量比较精确，其放大倍数与RF3/RF2成正比，可根据需要设计。
其中OP07的1、4、5端与RW1构成调零电路。
再接一级由运放741构成的放大器就可将毫伏级信号放大到需要的幅度，741的输出送给后面的模数转换电路。
放大电路
选用的传感器的输出电压为0mv-43.2mv,根据ADC1143相关参数表，设定ADC1143的输入电压范围为0-10v，计算得应放大240倍，取OP07放大0倍，741放大24倍，取R4=150Ω,RF2=200Ω
由运放原理知道：
RF1=20×R4=3KΩRF3=24×RF2=4.8KΩ。
模数转换电路
该部分参考来自互联网的《16位AD转换器ADC1143及其与8031单片机的接口》一文。
A/D转换电路选用ADC1143.
特点：
16位高分辨率
转换时间：
ADC1143J最大转换时间70
ADC1143K最大转换时间为100
低功耗：
Vs=±15V，最大功耗175mw
Vs=±12V，最大功耗150mw
最大非线性：
ADC1143J为±0.006％
ADC1143K为±0.003％
动态非线性温度系数：
ADC1143J最大为±2ppm/℃
ADC1143K最大为±1ppm/℃
供电范围:
Vs=±11.4V~±18.0V
Vs=+3.0V~+18.0V
相关引脚功能：
模数转换电路
ADC1143输出不具备三态功能，因此，输出需要经过74HC244驱动后才能与8051数据线P0口连接，启动命令由p1.6发出。
转换结束的判断采取查询方式，若需要采用中断方式，只须将状态信号经一级反相后再接P3.2（INT0）即可。
由P2.5（A13），P2.4（A12），P3.7（/RD）通过两个或门分别选择74HC244，从图中，高八位的地址，DFFFH，低八位的地址，EFFFH。
现在设A/D转换数据分别放在8051的40H，41H单元，并考虑等待时间。
程序段如下：
MOVR0，#40H
SETBP1.6
NOP
CLRP1.6
MOVR2,#30H
M0:
DJNZR2,M0
MOVDPTR,#DFFFH
MOVXA,@DPTR
MOV@R0,A
INCR0
MOVDPTR,#EFFFH
MOVXA,@DPTR
MOV@R0,A
……
键盘接口和数码显示
在单片机应用系统中，同时需要使用键盘与显示器接口时，为了节省I/O口线常常把键盘和显示电路接在一起，构成实用键盘和显示电路，下图是典型实用的、采用8155并行扩展口构成的键盘、显示器电路。
图中设置了15个键，单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路，以及专一的复位功能外，其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或是输入数据。
3个LED显示器采用共阴极方式，段选码由8155PB口提供，位信号有PA口提供。
键盘的列扫描也由PA口提供，查询输入由PC0—PC1提供，LED采用动态显示软件，键盘采用逐列扫描查询工作方式。
电路图：
键盘设定如下：
键盘共有15个按键，用于方便设定温度。
数字按键10个，输入数字0—9和小数点；确认键一个，设置的确认，修改设置温度时进行确认；清除键一个，设置的清除，修改设置温度时进行删除；F1键一个，显示及设置转换到预设温度点，按此按键后，显示预设置温度的数码管闪烁；此外，还有两个功能键。
温度控制电路：
根据要求选用双向晶闸管。
晶闸管的特点：
是“一触即发”。
但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。
控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。
使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源或使阳极电流小于维持导通的最小值（称为维持电流）。
如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。
控制部分原理框图：
温度控制原理框图
单片机对温度的控制是通过可控硅调功电路实现的，双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50HZ交流市电回路中。
在给定的周期T内，8051只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。
可控硅在给定周期T的100%时间内接通时的功率最大。
可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上的触发脉冲控制。
该触发脉冲由8051用软件在P1.3引脚上产生，受过零脉冲同步后经光耦管和驱动器输出送到可控硅的控制级上。
过零同步脉冲是一种50HZ交流电压过零时刻的脉冲，使可控硅在交流电压正弦波过零时刻触发导通。
此脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到温度控制电路，另一方面还作为计数器脉冲加到8051的T0,T1端。
光电耦合器在此处的作用是抗干扰，电气隔离。
具体电路图如下所示：
主程序结构图
图4.1主程序流程简图
图4.2T1中断程序流程
键盘扫描和温度显示程序设计
显示程序流程
行列式矩阵键盘，单片机对它的控制采用程序扫描即中断查询方式，A口为选通口，B口为显示口，C口为查询输入口。
键盘扫描子程序流程图
炉温采样、数字滤波程序设计
采样子程序流程图
数字滤波程序流程
带smith预估器的PID控制算法
单回路控制系统中，控制器的传递函数为D（s），被控对象传递函数为Gp（s）e-s，被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为Gp（s），被控对象纯滞后部分的传递函数为e-s。
传递函数为：
系统框图：
史密斯补偿的原理是：
与控制器D（s）并接一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个补偿环节传递函数为Gp（s）（1-e-s），为纯滞后时间，补偿后的系统如图所示。
控制器D（s）和史密斯预估器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为
（6.44）
可得史密斯预估器补偿后系统的闭环传递函数为
为了补偿滞后部分，添加补偿环节传递函数为Gp（s）（1-e-s）。
为纯滞后时间。
在此处，需要使用计算机实现smith预估器。
结构框图：
史密斯补偿计算机控制系统
其中，H0（s）为零阶保持器，带零阶保持器的广义对象脉冲传递函数为
D’（z）就是要在计算机控制系统中实现的史密斯补偿器，其传递函数为
D（z），可以采用如下方法确定：
不考虑系统纯滞后部分，先构造一个无时间滞后的闭环系统，根据闭环系统理想特性要求确定的闭环传递函数为Φ（z），则
数字控制器D（z）为
设计总结:
该设计使用8051及周围相关器件实现了温度实时测量，显示，控制。
控制算法采用带smith预估1器PID控制。
温度测量部分采用16位A/D转换，实现了较高的精度。
在课程设计的过程中，更加深入了解了计算机控制系统的结构，思想。
相关的电路的实现中，了解了相关的芯片的作用，熟悉了很多芯片的用法。
对部分电路的结构更加熟悉，包括温度测量及A/D转换电路，键盘和显示电路。
部分内容参考不少来自互联网的内容及相关数据库的论文。
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