电阻炉温度控制系统

---- 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 目录 -.总结资料 ---- 1 控制方案总述 1 2 硬件电路设计 1 2.1 温度检测和变送器部分 2 2.2 接口电路 3 2.2.1 主要特性 3 2.2.2 部结构 3 2.2.3 外部特性（引脚功能）4 2.3 接口电路 6 3 软件设计 7 3.1 主程序 7 3.2 T0 中断服务程序 8 3.3 子程序 10 3.3.1 采样子程序 SAMP10 3.3.2 数字滤波子程序 FILTER11 3.3.3 积分分离 PID 控制算法的程序设计 12 4 基于 MATLAB 仿真被控对象 13 5 结果分析 15 设计小结 17 参考文献 18 附录 19 -.总结资料 ---- 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 -.总结资料 ---- 硬件电路如图 2 所示： 图 2 硬件电路图 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 -.总结资料 ---- 0~41.32mV 变换成 0~10mA 围的电流；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 围的电压。 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 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。 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 100μ s 4）单个＋5V 电源供电 5）模拟输入电压围 0～＋5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度围为-40～＋85 摄氏度 7）低功耗，约 15mW。 2.2.2 部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A／D 转换器，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。 -.总结资料 ---- 2.2.3 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。 图 3 ADC0809引脚图 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。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 -.总结资料 ---- 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。 图 4 8155 引脚图 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 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 部存储器中。 IO/M：I/O 端口和 RAM 选择信号。当 IO/M=1 时