【正文】 微型計算機控制技術(shù)課程設(shè)計電阻爐溫度控制系統(tǒng) 摘要本設(shè)計采用直接數(shù)字控制DDC對加熱爐進行控制使其溫度穩(wěn)定在在某一個值上并且具有鍵盤輸入溫度給定值LED數(shù)碼管顯示溫度值和溫度達到極限時提醒操作人員注意的功能概述溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制所采用的加熱方式燃料控制方案也有所不同例如冶金機械食品化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐熱處理爐反應(yīng)爐等燃料有煤氣天然氣油電等控制方案有直接數(shù)字控制DDC推斷控制預(yù)測控制模糊控制Fuzzy專家控制 Expert Control 魯棒控制Robust Control推理控制等本設(shè)計的控制對象為一電加熱爐輸入為加在電阻絲兩斷的電壓輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度輸入和輸出的傳遞函數(shù)為G s 2 s s1 控溫范圍為100500℃所采用的控制方案為直接數(shù)字控制DDC中的最少拍控制二．溫度控制系統(tǒng)的組成框圖采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)組成部分見下圖其中數(shù)字控制器的功能由微型機算機實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及總述圖中由420mA變送器IVAD轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道用于采集爐內(nèi)的溫度信號其中變送器選用XTR101它將熱電偶信號溫度信號變?yōu)?20mA電流輸出再由高精密電流電壓變換器RCV420將420mA電流信號變?yōu)?5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號以供AD轉(zhuǎn)換用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與與爐溫的給定值數(shù)字化后進行比較即可得到實際爐溫和給定爐溫的偏差爐溫的設(shè)定值由鍵盤輸入由微型計算機構(gòu)成的數(shù)字控制器按最小拍進行運算計算出所需要的控制量數(shù)字控制器的輸出經(jīng)標(biāo)度變換后送給8253由8253定時計數(shù)器轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗娖降牟煌掷m(xù)時間送至SCR觸發(fā)電路觸發(fā)晶閘管并改變其導(dǎo)通角大小從而控制電加熱爐的加熱電壓起到調(diào)溫的作用溫度控制系統(tǒng)硬件與其詳細(xì)功能介紹微型計算機的選擇選擇8086微處理器構(gòu)成爐溫控制系統(tǒng)使其工作于最小方式下并配備以8284A時鐘發(fā)生器8282帶三態(tài)緩沖器的通用8位地址鎖存器8286具有三態(tài)輸出的8位雙極型總線收發(fā)器其中時鐘發(fā)生器8284A為CPU提供時鐘信號經(jīng)時鐘同步的系統(tǒng)復(fù)位信號RESET和準(zhǔn)備就緒信號READY地址鎖存器8282是針對于8086CPU地址數(shù)據(jù)線分時復(fù)用而設(shè)計配備的它可以在8086CPU總線周期的T1狀態(tài)利用ALE信號的下降沿將地址信息鎖存于其中總線收發(fā)器8286是為了提高8086CPU數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動能力SCR觸發(fā)回路和主回路如圖所示為一晶閘管觸發(fā)電路包括脈沖觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)電路由IC1和IC2組成控制門光電耦合器4N25放大器和雙向晶閘管由全波整流電路得到的同步電壓使晶體管BG1每半波導(dǎo)通一次當(dāng)控制端為1高電平的時候BG1的每次導(dǎo)通都會經(jīng)由單穩(wěn)電路由IC2輸出一個負(fù)脈沖該脈沖經(jīng)IC3反向后由光電耦合器和放大電路發(fā)大后觸發(fā)晶閘管在這一半周內(nèi)晶閘管基本上處于全導(dǎo)通狀態(tài)若控制端為0低電平的時候則單穩(wěn)態(tài)電路不輸出脈沖在這一半周內(nèi)晶閘管也不導(dǎo)通因此可以改變控制端的電平控制單穩(wěn)態(tài)電路每秒輸出的脈沖數(shù)從而改變晶閘管每秒鐘內(nèi)導(dǎo)通的時間達到調(diào)壓的目的與以下的電路相比較第一個電路的優(yōu)點在于晶閘管導(dǎo)通時基本處于全導(dǎo)通狀態(tài)因此波形較好包含的諧波成分較少因此對系統(tǒng)的干擾也較小而第二個電路的缺點是加熱電阻兩端電壓波形很差包含了較多的諧波成分當(dāng)晶閘關(guān)導(dǎo)通角較小時由為如此這些些波電壓可能會對周圍系統(tǒng)產(chǎn)生影響熱電偶的選擇熱電偶是常用的測溫元件它利用不同材料的導(dǎo)體一端緊密連接在一起產(chǎn)生的熱電勢效應(yīng)將溫度信號轉(zhuǎn)換為電勢信號本設(shè)計采用K型熱電偶鎳絡(luò)鎳硅 線性度較好熱電勢較大靈敏度較高穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好抗氧化性強價格便宜 對溫度進行檢測參比端溫度為20℃由以下公式可以計算出K型熱電偶分別在100℃200℃300℃400℃500℃時候的輸出電勢E 10020 E 1000 E 200 4096mV0798 mV 3298 mVE 20020 E 2000 E 200 8138mV0798 mV 734 mVE 30020 E 3000 E 200 12209mV0798 mV 11411 mVE 40020 E 4000 E 200 16397mV0798 mV 15599 mVE 50020 E 5000 E 200 20644mV0798 mV 19846 mV 420mA變送器XTR101XTR101為420mA線性化變送器它可與鎳絡(luò)鎳硅測溫傳感器構(gòu)成精密的TI變換器件中的放大器適合很寬的測溫范圍在40℃85℃的工作溫度內(nèi)傳送電流的總誤差不超過1供電電源可以從116V到40V輸入失調(diào)電壓 177。25mV輸入失調(diào)電流 20nAXTR101外形采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳DIP封裝芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與封裝見附錄XTR101有如下兩種應(yīng)用于轉(zhuǎn)換溫度信號的典型電路IV轉(zhuǎn)換器RCV420RCV420是一種精密電流電壓變換器它能將420mA的環(huán)路電流變?yōu)?5V的電壓輸出并且具有可靠的性能和很低的成本除具有精密運放和電阻網(wǎng)絡(luò)外還集成有10V基準(zhǔn)電源對環(huán)路電流由很好的變換能力具有25℃85℃和0℃70℃的工作溫度范圍輸入失調(diào)電壓 1mA總的變換誤差 01電源電壓范圍177。5177。18VRCV420的外形采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳DIP封裝芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與封裝見附錄它的典型應(yīng)用如下6 AD轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司的CMOS型8位28條引腳AD轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近技術(shù)輸出的數(shù)字信號由TTL三態(tài)緩沖器順序控制可以直接與數(shù)據(jù)總線相連分辨率為8位精度為7位時鐘頻率范圍在101280kHz之間單一5V電源供電數(shù)據(jù)具有三態(tài)輸出能力易于和微處理器相連芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與封裝見附錄ADC0809的典型應(yīng)用如下7定時計數(shù)器82538253是Intel公司的使用單一5V電源供電NMOS工藝制成的24條引腳的雙列直插式芯片具有3個獨立的計數(shù)器每一個都可以單獨作為定時器或者計數(shù)器使用且都可以按照二進制或者十進制計數(shù)每個計數(shù)器計數(shù)速率高達2MHz最高的技術(shù)速率可達26MHz所有的輸入輸出引腳都與TTL電平兼容芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與封裝見附錄8253典型應(yīng)用如下圖所示8LED數(shù)碼管驅(qū)動芯片ICM7218AICM7218是一種多功能LED數(shù)碼管驅(qū)動芯片能驅(qū)動8位共陽或者共陰數(shù)碼管且輸出可以直接驅(qū)動LED顯示器其內(nèi)部主要由控制器88靜態(tài)RAMBCS譯碼B碼和顯示字段譯碼器掃描振蕩控制電路和顯示驅(qū)動器等組成ICM7218的外引線有寫入控制線2條WR和MODE數(shù)據(jù)線8條ID0ID7LED顯示驅(qū)動線16條電源線2條WR為寫選通信號低電平有效MODE為寫入控制字的寫入顯示數(shù)據(jù)控制線當(dāng)MODE 1時寫控制字當(dāng)MODE 0是寫數(shù)據(jù)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與封裝見附錄典型應(yīng)用如下圖所示9可編程并行IO接口芯片82C55A82C55A是Intel公司的并行IO接口芯片40條引腳雙列直插式封裝D0D7位三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線可與CPU總線直接相連內(nèi)部由3個端口ABC三個端口都具有8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器只有A端口具有輸入所鎖存器芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與封裝見附錄典型應(yīng)用如下圖所示10硬件地址分配列表 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 82C55A A口 0 0 0 1 0 0 0 0 10H B口 0 0 0 1 0 0 1 0 12H C口 0 0 0 1 0 1 0 0 14H 控制口 0 0 0 1 0 1 1 0 16H 8253 計數(shù)器0 0 0 0 0 1 0 0 0 04H 控制口 0 0 0 0 1 1 1 0 0EH ADC0809 START 0 0 0 0 0 1 1 0 06H OE 0 0 0 1 1 1 1 0 1EH ICM7218 控制口 0 0 1 0 0 0 0 0 20H 寫數(shù)據(jù) 0 0 0 0 0 0 0 0 00H 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計溫度控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖上圖所示的是單回路閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)虛線框內(nèi)的某些功能有計算機來完成總體流程圖 Y N模塊程序流程圖數(shù)字濾波采用程序判斷濾波的限速濾波 N Y Y N注C1C2C3分別為第一次采樣第二次采樣 第三次采樣值工程量變換程序模塊變送器XTR101輸出420mADC溫度起點為100℃滿量程為500℃8位ADADC0809輸出數(shù)字量00HFFH05V應(yīng)用以下變換公式進行變換AX A0AMA0NXN0NMN0式中A0為一次測量儀表的下限AM為一次