電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)

時(shí)間：2023-04-30 22:31:56 資料我要投稿

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電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)

沈陽(yáng) 工業(yè) 大學(xué) 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)（論文）

題目：電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)

院（系）：繼續(xù)教育學(xué)院

專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電本1002

學(xué) 號(hào)： 101310204

學(xué)生姓名：宋俊杰

指導(dǎo)教師：張揚(yáng)

起止時(shí)間：2012.6.8—2012.6.20

課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)

第1章設(shè)計(jì)的方案 ............................................................................................................1

1.1 概述 ............................................................................................................................1

1.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) ....................................................................................................1

第2章硬件設(shè)計(jì).................................................................................................................2

2.1 模擬量輸入通道設(shè)計(jì) ................................................................................................2

2.2 模擬量輸出通道的設(shè)計(jì) ............................................................................................3

第3章軟件設(shè)計(jì).................................................................................................................5

3.1 PID控制算法 .............................................................................................................5

3.2 軟件流程圖設(shè)計(jì) ........................................................................................................5

第4章課程設(shè)計(jì)總結(jié) .......................................................................................................7 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................8 附頁(yè)A：程序清單................................................................................................................9

1.1 概述

電加熱爐是典型的工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象。其溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后、時(shí)變性等特點(diǎn)，且其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù)，由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)所取代。單片機(jī)優(yōu)異的性能使溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)方便。這種溫度控制系統(tǒng)對(duì)改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。

1.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，檢測(cè)電阻加熱爐的溫度，并與系統(tǒng)給定值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)電阻加熱爐的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)的控制方案選用直接數(shù)字控制系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框圖如圖1.1所示。

圖1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 模擬量輸入通道設(shè)計(jì)

由于溫度檢測(cè)點(diǎn)為4點(diǎn)，所示需要一個(gè)多路模擬選擇開(kāi)關(guān)CD4052。溫度信號(hào)變化比較緩慢，不需要采樣保持器可直接送到集成K型熱電偶變換器MAX6675。模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。

圖2.1 模擬量輸入通道框圖

1.溫度檢測(cè)單元

K型熱電是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni：Cr=90：10，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni：Si=97：3，其使用溫度為-200～1300℃。K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中，廣泛為用戶(hù)所采用。

2.多路選擇開(kāi)關(guān)

由于本系統(tǒng)要求檢測(cè)4點(diǎn)溫度值，為了減少系統(tǒng)成本，檢測(cè)通道采用多個(gè)通路共用一個(gè)MAX6675的形式，為此需要加入一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器CD4052。CD4052是一個(gè)雙 4選1的多路模擬選擇開(kāi)關(guān)，其使用真值表如表1所示。

表1 CD4052真值表

3.熱電偶變換器MAX6675

本系統(tǒng)要求溫度檢測(cè)范圍是0℃～1000℃，檢測(cè)精度為±1℃，所選A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n應(yīng)滿足式(2.1.1)

2≥1000 （2.1.1）

即n≥10，且n為整數(shù)。根據(jù)以上參數(shù)及所使用的傳感器為K型熱電偶，本系統(tǒng)選擇的MAX6675能夠滿足要求。

MAX6675是具有冷端補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換功能的單片集成Ｋ型熱電偶變換器，測(cè)溫范圍0℃～1023℃，主要功能特點(diǎn)為：直接將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)、具有冷端補(bǔ)償功能、簡(jiǎn)單的SPI串行接口與單片機(jī)通訊、12位A/D轉(zhuǎn)換器、0.25℃分辨率、單一+5V的電源電壓、熱電偶斷線檢測(cè)、工作溫度范圍-20℃～+85℃。

MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)使CS置為低電平，并提供時(shí)鐘信號(hào)給SCK，由SO讀取測(cè)量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過(guò)程，CS變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過(guò)程。將CS變低在SO端輸出第一個(gè)數(shù)據(jù)，一個(gè)完整串行接口讀操作需16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀16個(gè)輸出位，MAX6675 SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如表2所示。第1個(gè)輸出位是D15，是一個(gè)標(biāo)識(shí)位，并總為0。D14～D3為轉(zhuǎn)換溫度轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)全部為0時(shí)，表示被測(cè)溫度是0℃；全部為1時(shí)，表示被測(cè)溫度為+1023.75℃。D2為熱電偶開(kāi)路檢查位，平時(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開(kāi)放時(shí)為高，開(kāi)路熱電偶檢測(cè)電路完全由MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開(kāi)放熱電偶檢測(cè)器操作，T-必須接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近GND腳。D1位為低以提供MAX6675器件身份碼，該位恒為0。D0位為三態(tài)輸出位。

表2 SO端輸出數(shù)據(jù)格式

2.2 模擬量輸出通道的設(shè)計(jì)

模擬量輸出通道是把單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬電壓或電流信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到控制的目的。模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。

單片機(jī)將經(jīng)PID運(yùn)算后得到的控制數(shù)據(jù)送到DAC0832，DAC0832輸出差分電流信號(hào)，為了使其能變成電壓輸出，所以經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器A，將形成單極性電壓輸出，將運(yùn)算放大器輸出的電壓信號(hào)送到SG3525，用來(lái)控制PWM的占空比，從而調(diào)節(jié)加熱電阻兩端的電壓大小。

圖2.2 模擬量輸出通道框圖

1.D/A轉(zhuǎn)換器

DAC0832主要由輸入寄存器、8位DAC寄存器、采用R-2R電阻網(wǎng)路的8位D/A轉(zhuǎn)換器、相應(yīng)的選通控制邏輯四部分組成。 DAC0832的分辨率為8位，電流輸出。為了使其能變成電壓輸出，所以經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器A，將形成單極性電壓輸出0～5V（Vref為-5V）。

2.PWM控制器SG3525

SG3525 A應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速、UPS電源以及其他需要PWM脈沖的領(lǐng)域。其外圍電路可對(duì)串聯(lián)諧振式逆變電源進(jìn)行多功能控制，實(shí)現(xiàn)H橋式IGBT脈寬調(diào)制PWM信號(hào)的生成和逆變電源的保護(hù)功能，以及變頻電源工作過(guò)程中諧振頻率的跟蹤控制。用 SG3525 A發(fā)出的PWM脈沖，來(lái)控制逆變器VT1、 VT2導(dǎo)通，從而控制逆變電壓。SG3525的6腳連接電阻R，改變R的大小，這樣就可調(diào)控SG3525輸出的PWM脈沖頻率。同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)SG3525的9腳電壓來(lái)改變輸出脈寬,9腳電壓輸入范圍0～5V。

第3章軟件設(shè)計(jì)

3.1 PID控制算法

數(shù)字PID的控制算法有兩種，即位置型和增量型。根據(jù)本系統(tǒng)控制對(duì)象為加熱電阻兩端電壓，以及增量型較位置型算法有累加誤差小、誤動(dòng)作影響小、計(jì)算量小和編程方便的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用PID增量型控制算法。數(shù)字PID增量型控制算法算式為

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

u(k)=u(k)+ Δu(k) （3.1.1）（3.1.2）

其中e(k)=ST-PT；ST為溫度目標(biāo)值，PT為溫度當(dāng)前值。u(k)為DAC0832要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，當(dāng)u(k)=00H時(shí)，運(yùn)算放大器A輸出0V電壓信號(hào)；當(dāng)u(k)=FFH時(shí)，運(yùn)算放大器A輸出+5V電壓信號(hào)。

為了防止積分項(xiàng)飽和，在程序中采取了抗積分飽和措施，原理如下：

當(dāng)u(k)FFH時(shí)，取u(k)=FFH

3.2 軟件流程圖設(shè)計(jì)

溫度采集及數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖3.1所示，PID控制算法程序流程圖如圖3.2所示。程序清單見(jiàn)附頁(yè)A。

圖3.1 溫度采集及數(shù)據(jù)處理程序流程圖

圖3.2 PID控制算法流程圖

第4章課程設(shè)計(jì)總結(jié)

通過(guò)幾天來(lái)，不斷的查閱文本資料以及網(wǎng)絡(luò)資料，對(duì)所要求設(shè)計(jì)的電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和考慮，最終形成了以上的課設(shè)材料，顯然，由于知識(shí)的欠缺以及知識(shí)構(gòu)成的不完善，使得設(shè)計(jì)系統(tǒng)難免會(huì)有不足和缺陷。但是，基本能滿足設(shè)計(jì)要求。

在本次設(shè)計(jì)作品過(guò)程中，深刻體會(huì)到了學(xué)以致用的深刻涵義，學(xué)到的不一定是自己的東西，只有把這些東西運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中，運(yùn)用于我們所面臨的問(wèn)題，能夠幫助我們解決問(wèn)題，這才是學(xué)習(xí)的最終目的。通過(guò)查閱資料，我也了解到了一些書(shū)本上并不存在的東西，學(xué)到了新的知識(shí)，培養(yǎng)了自己獨(dú)立思考和動(dòng)手的能力，面對(duì)一些自己無(wú)法求解的東西，不是盲目的向身邊的人求助，不假思索，實(shí)在無(wú)法解決的問(wèn)題，就必須向那些比自己水平高的人，做到真的明白，真的理解。我一定會(huì)在將來(lái)的學(xué)習(xí)生活中，進(jìn)一步提高自己，做到理論聯(lián)系實(shí)踐，虛心求教，敢于創(chuàng)新，敢于承認(rèn)自己的想法。爭(zhēng)取更大的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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附頁(yè)A：程序清單

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

#define addrt1 XBYTE[0xfffc]

#define addrt2 XBYTE[0xfffd]

#define addrt3 XBYTE[0xfffe]

#define addrt4 XBYTE[0xffff]

#define addr0832 XBYTE[0xefff]

sbit cs=P1^0;

sbit so=P1^1;

sbit sck=P1^2;

uchar timecount;

uchar uk,duk;

uint kp,ki,kd,e0,e1,e2;

uint st;

uint t1,t2,t3,t4,pt;

uint read_max6675()

{

uint datat=0;

uchar i;

cs=0;

for(i=0;i

{

datat

sck=1;

_nop_();

sck=0;

datat|=so;

}

datat>>=5;

return datat;

void read_pt()

{

}

void pid()

{

}

void timer0() interrupt 1

{

}

main()

addrt1=0; t1=read_max6675(); addrt2=0; t2=read_max6675(); addrt3=0; t3=read_max6675(); addrt4=0; t4=read_max6675(); pt=(t1+t2+t3+t4)/4; e0=st-pt; duk=(kp*(e0-e1)+ki*e0+kd*(e0-2*e1+e2))/10; uk=uk+duk; if(uk>0xff) uk=0xff; if(uk

TMOD=0x01; TH0=0X3C; //50ms TL0=0XAF; TR0=1; timecount=40; //定時(shí)時(shí)間為40*50ms=2s e0=0;

e1=0;

e2=0;

kp=360;

ki=180;

kd=80;

uk=0;

duk=0;

st=800; //溫度設(shè)定值

EA=1;

}

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