武汉理工大学计算机控制课程设计.docx

学号:课程设计题 目 基于PID电加热炉系统设计学 院 自动化专 业 自动化班 级姓 名指导教师2013年 6月 27日课程设计任务书学生姓名： 专业班级：指导教师： 工作单位： 自动化学院题目：基于PID电加热炉系统设计初始条件：电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定时间内将炉内温度稳定在给定值上本控制 对象电阻加热炉功率为800W，由220V交流电源供电本设计以单片机为控制核心，加上相 应的输入输出通道，采用PID算法，将温度控制在规定范围内，并要求实时显示当前温度 值被控对象由一阶惯性和纯滞后环节组成要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等 具体要求）1、 确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路；2、 建立被控对象的数学模型；3、 推导控制算法，设计算法的程序流程图或程序清单；4、 仿真研究，验证设计结果5、 撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上时间安排：第1-2天：构建计算机控制系统框图第3-4天：单片机、A/D、传感器选型并扩展电路第5-6天：被控对象控制的功率部分设计和器件选型第7天：控制算法选择，绘制流程图第8-9天：撰写设计说明书指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中 得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。

对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、 时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论 和方法很难达到好的控制效果电加热炉加热温度的改变是由上、下两组炉丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器 供电调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，本设计以AT89C51单片机为控制核心， 输入通道使用PT100传感器检测温度，测量变送传给ADC0809进行A/D转换，输出通道驱动执行结构 过零触发器，从而加热电炉丝本系统PID算法，将温度控制在50〜350°C范围内，并能够实时显示当 前温度值关键词： 电加热炉；功率；温度范围；PID目录1总体设计 11.1概述 11.2总框图 22系统硬件的设计 32.1微处理器部分 32.2电源部分 42.3数模转换部分 52.4采样测量部分 62.5驱动执行部分 72.5.1光耦驱动电路 72.5.2驱动电路有关元件的选择 82.5.3双向可控硅电路 82.6显示电路 103系统的软件程序 113.1主程序流程图 113.2键盘扫描子程序流程图 123.3显示子程序流程图 133.4 A/D转换器流程图 143.5 D/A转换器流程图 153.6 pid算法的控制流程图 164仿真操作步骤及使用说明 17心得体会 18参考文献 19附录1： C语言程序 20附录2：电路图 28本科生课程设计成绩评定表 29基于PID电加热炉温度控制系统设计hi1总体设计i.i概述电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各 类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。

对于这样一个具 有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建 立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制 系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用采用单片机进行炉温控制，可以提高控 制质量和自动化水平在本控制对象电阻加热炉功率为800W，由220V交流电供电，采用双向可控硅进行控 制本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围50〜350C，保温阶段温度控 制精度为正负1度选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器 控制加热电阻两端的电压其对象问温控数学模型为：G (s)=Ke氏T：s +1其中：时间常数Td=350秒放大系数Kd=50滞后时间^ =10秒 控制算法选用PID控制1.2总框图本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传 感器、温度变送器以及被控对象组成系统硬件结构框图如图1：图1总体框图在这里单片机部分，选择STC89C52RC，显示部分选择LCD1602,键盘选择独立按键，A/D转换器选择ADC0809，D/A转换器选择DAC0832，测量变送器件选择PT100铂热电 阻传感器，执行机构为光电耦合和双向可控硅。

Pl. 0 E1「％□ VccPl. 1 E2 33□ P0. 0 /ADOP1. 2 E3 38□ P0. 1/AD1P1. 3 E4 37□ P0. 2/AD2P1.4 匚5 36□ P0. 3/AD3P1. 5 E& 35□ P0. 4/AD4P1.6 匚7 34□ P0. 5/AD5P1. 7 E8 33□ P0. 6/AD6RST匚9 32□ P0. 7/AD7KKD/P3. 0 匚10 31□ EA/VPPTKD/P3. 1 匚11 30□ ALE/PROCIHT0/P3. 2 匚12 23□ PESNIBT1/P3. 3 匚13 28□ P2. 7/A15T0/P3. 4 匚14 27□ P2. 6/A14T1/P3. 5 匚15 26□ P2. 5/A13??RZP3. 6 匚16 25□ P2. 4/Al 2ET/P3. 7 匚17 24□ P2. 3/A11KTAL2 匚18 23□ P2. 2/A10KTAL1 匚13 22□ P2. 1/A3CKD匚20 21□ P2. 0/A8PDIP图2 51单片机引脚图2系统硬件的设计2.1微处理器部分MSC-51系列单片机是英特尔公司于1980年起推出的第二代产品。

与8084相比，8051的硬件结构和指令系统均有很大改进，可支持更大的存贮空间，扩充了更多的硬件功能I/O 功能，速度提高了 2- 5倍，可完成逻辑运算等近年来推出的一些增强的MSC-51系统单 片机，片内还集成了许多特殊功能单元，只需要加一些扩展电路及必要的通道接口即可构 成各种计算机应用系统因MSC-51系统单片机在智能仪表、智能接口、功能模块等领域 得到了非常广泛的应用主要技术特性：① 适于控制应用的8位CPU② 扩展的逻辑处理能力③ 64K程序存贮器空间和64K数据存贮器空间④ 4KB片内程序存贮器⑤ 128B片内数据RAM⑥ 32根双向和可单独寻址的输入输出线⑦ 2个16位定时/计数器，片内时钟发生器⑧ 全双工异步发送/接收器⑨ 6源5向量中断结构，具有两个优先级引脚图如图2,并作如下说明：(1) VCC :供电电压2) GND:接地3)P0 □: P0 口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL门电流4)P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL门电流5) P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出4 个TTL门电流，当P2 口被写“1 ”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

6) P3 口： P3 口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL门电 流当P3 口写入“1 ”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入P3 口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3 口管脚 备选功能P3.0 RXD （串行输入口）P3.1 TXD （串行输出口）P3.2 /INT0 （外部中断0）P3.3 /INT1 （外部中断1）P3.4 T0 （记时器0外部输入）P3.5 T1 （记时器1外部输入）P3.6 /WR （外部数据存储器写选通）P3.7 /RD （外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号⑺RST：复位输入当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间8） ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节9） /PSEN:外部程序存储器的选通信号在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期 两次/PSEN有效但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现10） /EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）， 不管是否有内部程序存储器。

11） XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入12） XTAL2：来自反向振荡器的输出2.2电源部分本系统所需电源有220V交流市电、直流5V电压和低压交流电，故需要变压器、整流 装置和稳压芯片等组成电源电路电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电 压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压由于此脉动的直流电压还含有 较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压但这样的电压还随 电网电压波动（一般有+-10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化因而在整流、滤波 电路之后，还需要接稳压电路稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维 持输出直流电压稳定整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用78L05,配合电容将电 压稳定在5V，供控制电路、测量电路和驱动执行电路中弱电部分使用除此之外，220V 交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的 功率低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入 单片机后，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的2.3数模转换部分8位D/A转换器DAC0832DAC0832芯片为20引脚，双列直插式封装。

其引脚排列如图3所示1） 数字量输入线D7〜D0（8条）（2） 控制线（5条）（3） 输出线（3条）（4） 电源线（4条）DAC0832的技术指标（1） 分辨率：8位（2） 电流建立时间：1pS（3） 线性度（在整个温度范围内）8、9或10位（4） 增益温度系数：0. 0002% FS/°C（5） 低功耗：20mW（6） 单一电源： +5〜+15Vcs l・20 IN3 —12BWRi 219 lLE (BYTE1/BYTEPHIN4-227GND 3iaIN5 —526DI 3 417,——XFERIN6-425QI j — ■515DlqIN7-524DI] 1615一 DhSTART-623|LSB| 714—dieEOC —722VflEf B13 01/ iMSRir5-&21R饱 g12■ l0LT2OU。