基于数字PID电热炉温度控制系统设计说明.doc
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1、计算机控制技术课程考查报告题 目基于数字PID电热炉温度控制系统设计 1 系统方案设计1.1 课题要求与容本次设计:加热炉温度控制系统的设计,正是运用单片机和温度传感器对温度进行控制。本次设计的容为:以89C51单片机为核心,运用PID控制算法,设计加热炉温度控制系统,用于进行金属的热处理。工业中金属的热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度,并在此温度中保持一定时间后,又以不同速度冷却,通过改变金属材料表面或部的组织结构来控制其性能的一种工艺。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一,与其他加工工艺相比,热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分,而是通过改变工件部的显微组织,或改变工
2、件表面的化学成分,赋予或改善工件的使用性能。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能,除合理选用材料和各种成形工艺外,热处理工艺往往是必不可少的。而进行金属热处理最主要的设备为加热炉。因此,本次设计的温度控制器主要应用于热处理加热炉。根据工艺要求,系统需实现如下功能和指标:1. 加热炉的温度控制围为50350。2. 键盘输入预定温度值并实时显示当前温度值,保留一位小数。3. 设定温度上下限,并有越限报警功能。4. 控制参数可随时修改。5. 温度控制误差1。6. 采用温度检测装置,对加热炉温度进行实时检测。7. 采用PID控制算法,满足温度控制要求。1.2 总体方案设计根据加热炉的功
3、能和指标要求,本系统可以从元件级开始设计,选用89C51单片机为主控机。通过连接外围控制电路,实现对加热炉温度的测量和控制。1.2.1 系统结构该系统以89C51单片机为核心,由温度传感器、运算放大器、A/D转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘、LED显示电路共同组成。在系统中,温度的设置、温度值及误差显示、控制参数的设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。温度传感器把测量的电阻炉温度信号转换成弱电压信号,经过信号放大电路,送入低通滤波电路,以消除噪音和干扰,滤波后的信号输入到A/D转换器,转换成数字信号输入89C51单片机。下图为加热炉温度控制系统框图:单 片 机键盘显示电压同步信
4、号驱动器光电隔离晶闸管加 热 器加 热 器单 片 机A/D转换器运算放大器温度传感器图1-1 加热炉温度控制系统框图1.2.2 具体设计考虑具体设计如下:1、由于温度测量围为50350,温度控制精度要求高,温度控制围大,因此采用K型热电偶温度传感器进行温度测量。并选用K型热电偶信号放大器MAX6675对热电偶检测的温度信号进行放大。2、温度显示由四路LED显示电路组成,实时显示加热炉温度值并能显示温度给定值及各种参数值。进行各种操作时有必要的声、光提示。3、本系统通过改变双向可控硅的导通角实现对温度的控制。4、温度设定值及温度控制的各种参数由键盘输入。5、采用PID控制算法实现对温度的控制。6
5、、利用X5054作为本系统的看门狗。7、为了提高系统的抗干扰能力,采用MOC3021对执行原件与单片机进行光电隔离。8、出于系统安全考虑,需设定温度上下限,温度上下限由键盘输入,并可随时进行修改,并有越限报警功能。1.3 硬件和软件功能划分1.硬件系统应包括以下电路:A、测量电路,应包括温度传感器、放大器、AD转换及接口。B、温度控制电路,包括开关量输出和电阻丝的驱动。C、温度给定电路,主要通过键盘输入。D、温度显示电路。由4位LED显示电路组成。E、报警电路。2.软件功能应包括:A、温度检测,应包括定时采样和软件虑波。B、温度控制的实现,即根据温度给定值和采样值的大小,决定电阻丝的通断,从而
6、影响加热温度。C、利用定时器定时,以满足采样周期的要求。D、显示温度。E、输出报警信息。2 系统硬件的设计2.1 微处理器本次设计的温度控制系统精度较高,需要的I/O接口也比较多,因此采用AT89C51单片机作为本系统的微处理器。AT89C51是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,40个引脚,32个外部双向输入/输出I/O端口,同时含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。片含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器RAM,可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术
7、生产,兼容标准MCS-51指令系统,片置通用8位中央处理器和Flash存储单元,置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。因此此单片机完全能满足温度控制系统的要求。2.2 温度检测电路设计根据要求,本系统的温度检测电路主要由温度传感器、运算放大器及A/D转换器组成。经固定周期T对加热炉温度进行检测,实现加热功能,并使系统安全稳定。1温度传感器的选择由于本次设计的加热炉温度围为:50350,加热温度高,而本系统对加热炉温度控制精度的要求为1,为满足设计要求选用K型热电偶温度传感器。其具体参数如下:表2-1名称型号分度号测温围 允许偏差偶丝直径镍鉻镍硅WREUK长期短期030
8、03%1.22.5 mm01000013004001%由于热电偶温度传感器的材料一般都比较贵重,而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷端自由端延伸到温度比较稳定的控制室,连接到 仪表端子上。必须指出,热电偶温度传感器补偿导线的作用只起延伸热电极,使温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。2 温度传感器信号转换设备的选择由于温度传感器测量的温度信号为模拟信号,且测量信号比较微弱,因此必须要对此温度信号进行处理。处理
9、过程为:首先要把温度信号经运算放大器进行放大,然后用A/D转换器把放大后的模拟信号转换为数字信号输入单片机。因此要进行温度的检测,温度传感器信号转换设备必不可少。MAX6675是MAXIM公司开发的一种K型热电偶信号转换器,该转换器集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体,直接输出温度的数字信号,使温度测量的前端电路变得十分简单。MAX6675的部由精密运算放大器、基准电源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC电路构成,完成热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和AD转换功能。因此,MAX6675简化了温度控制系统中热电偶测温电路的设计,实际运行结果表明,该测温系统抗干扰能力强、结构简单、可靠性
10、高,测量精度满足要求。因此,在基于微处理器的单片机嵌入式工业测温系统中,由MAX6675构成的单片机热电偶测温解决方案,具有良好的实用价值。 MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器,其部结构如图所示。主要包括:低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。其工作原理如下:K型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,再经过S4送至ADC。对于K型热电偶,电压变化率为,电压可由如下公式来近似热电偶的特性。U1=上式中,U1为热电偶输出电压mV,T是测量点温度;
11、T0是周围温度。在将温度电压值转换为相应的温度值之前,对热电偶的冷端温度进行补偿,冷端温度即是MAX6675周围温度与0实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管,产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。U2=T0在数字控制器的控制下,ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据,该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。图2-2 MAX6675内部原理图MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下:单片机使CS置为低电平,并提供时钟信号给SCK,由SO读取测量结果。CS
12、变低将停止任何转换过程,CS变高将启动一个新的转换过程。将CS变低在SO端输出第一个数据,一个完整串行接口读操作需16个时钟周期,在时钟的下降沿读16个输出位,第1个输出位是D15,是一伪标志位,并总为0;D14位到D3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值;D2位平时为低,当热电偶输入开放时为高,开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现,为开放热电偶检测器操作,T-必须接地,并使接地点尽可能接近GND脚;D1位为低以提供MAX6675器件身份码,D0位为三态标志位。 D12D3为12位数据,其最小值为0,对应的温度值为0,最大值为4095,对应的温度值为1023.75,由于MAX6675
13、部经过激光矫正,因此其转换结果与对应温度值有很好的线性关系,温度值与数字量的对应关系为:温度值=1023.75转换后的数字量/40953 温度测量电路原理图以上我们将温度传感器及其信号放大器选择完毕,下面我们要把选择好的镍鉻镍硅温度传感器及其信号放大器MAX6675与89C51单片机进行连接,组成温度测量电路。具体的电路原理图如下:2-3温度检测电路图此温度检测电路的工作原理可简单理解为:镍鉻镍硅温度传感器检测到的温度信号经MAX6675运算放大、处理后输入89C51单片机,单片机根据检测到的温度数据对温度进行显示与控制。2.3 温度控制电路设计本系统的另一个重要环节为温度的控制。通过选择合理
14、的加热原件、温度控制原件及其他辅助原件,对加热炉的温度进行控制,从而实现加热炉的加热功能。1 加热原件的选择本次设计的加热炉为电阻炉,因此采用高性能的加热电阻作为加热原件。根据加热炉的加热围01000及加热最高温度1023.75,本系统选用的加热电阻为:铁铬铝高电阻电热合金。其具体参数为:表2-2 铁铬铝电热合金参数类型铁铬铝电热合金品牌合金厂型号GBT1234-1995材质25AL5常温电阻1.42功率300-180000W主要用途加热产品认证GBT1234-1995最高耐温1400规格1mm2 双向可控硅的选择本系统对加热炉的温度控制是通过双向可控硅实现的,单片机通过改变双向可控硅的导通角
15、,控制加热电阻的通断,从而事加热炉的温度得到控制。因此,对双向可控硅的选择尤为重要。我为本系统选择的双向可控硅型号为标准型BTA24,其规格为:型号:标准型,电流:25A,电压:600-800V,触发电流:35-50A,封装形式:TO-220,控制方式:双向。3 其他控制原件的选择以上选择了温度控制系统中的加热电阻和双向可控硅,但可控硅在与单片机接口连接时需要加光电隔离,而且需要单片机发出触发脉冲来控制可控硅的导通角。其中,加热炉中的光电隔离器一般选择MOC3021,而触发脉冲常用单片机的某一根I/O接口产生触发脉冲。为了提高效率,要求触发脉冲与交流电压同步,通常采用检测交流电过零点来实现。如
16、图2-4所示:图2-44 温度控制电路原理图89C51单片机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电阻串接在交流220V、50Hz的回路中。89C51单片机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。可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由89C51用软件在P2.7引脚上产生,在过零同步脉冲同步后经驱动器7407和光电耦合器MOC3021输出送到可控硅的控制极上。具体电路图如下:图2-5温度控制电路图2.4 看门狗电路设计提到看门狗,则必须提一下电源监控和上电复位电路。为了使用者的方便,现在芯片都把上电复位、电源监控及看门狗集成到
17、一起。近年来各厂家开发出多种看门狗芯片,如:MAX813、X5045、24C021等。其中,X5045是SPI总线格式的具有看门狗、电源监控和PROM数据存储的多功能芯片,目前应用较为广泛,使用者可根据自己所选择的具体MCU来配置外围看门狗电路及电源监控。其引脚功能如下:表2-3 X5045引脚功能CS电路选择端,低电平有效SO串行数据输出端SI串行数据输入端SCK串行时钟输入端写保护输入端,低电平有效RESET复位输出端VCC电源端VSS接地端本系统采用的看门狗芯片就为X5045。其与89C51单片机的接口如下图所示:图2-6 看门狗与单片机的连接2.5 人机通道设计人机通道的设计包括三个部
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