课程设计仪器用温箱温度控制系统.doc

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长 春 大 学 课程设计纸

第一章 引言

仪器用温箱是常用的电加热设备，广泛用于各个行业。传统的温箱采用模拟式控制仪表，PD算法，接触器断续调节温度，控制温度低，温度波动范围大。本系统介绍的温箱温度控制系统以80C51单片机为核心，进行数据PID调节，输出控制信号，驱动加热丝加热，使温箱达到较为理想的控制目的。
1.1设计目的
(1) 掌握A/D转换电路的应用、掌握8253可编程定时器/计数器的应用、掌握温度采集及控制方法。
(2) 锻炼和培养由各个子模块功能单元构筑完整的微机控制系统的能力。
1.2设计要求
(1) 系统的被控对象为仪器用温箱，被测参数为温箱的温度，测温范围为0-300℃，误差不超过±0.1℃。
(2) 仪器用温箱中的被测气体通过温箱的管状加热交换器加热后，送入仪器中进行测量。
(3) 温箱按照预定的升温速率升温，或保持恒定大的温度不变。
(4) 温箱用电热丝加热。

第二章 温度控制系统的组成

仪器用温箱温度控制系统的原理图如图2-1所示。被测参数温度值由测温元件测量后得到0.5~1V信号，经放大后转换成5~10V的电压信号，经LM331电压—频率变换器变换成频率信号，再经8253可编程定时器/计数器转换成数字信号送入单片机。在CPU中进行数据处理后，一方面送去显示，一方面与键盘输入的设定值进行比较，若低于设定值，则进行PID调节，输出控制信号，驱动电加热丝加热，达到温度控制目的。

图2-1 仪器用温箱温度控制系统原理图

第三章 温度控制系统的硬件设计

3.1 温度检测和模拟量输入通道
（1）温度检测和放大电路
由于本系统的控制精度要求在0-300℃范围内误差不超过±0.1℃的高精度，选用了精度高、性能稳定可靠的测温元件---铂电阻。其测量及放大电路如图3-1所示

图3-1 铂电阻测温、放大及V/F转换电路图
在图3-1中Rt为测温铂电阻，跨接在运算放大器OP07的反馈回路上，使得铂电阻的阻值变化转换成运算放大器的输出电压变化。Vref为一个精密稳压源。输入端的电阻为温度系数很小的精密电阻。LM358放大后得到的5~10V电压信号经检测和放大的模拟信号送A/D转化器。
（2）用LM331V/F转换器实现A/D转换
LM331是一种廉价、精密的电压-频率转换专用集成电路。它的特点是V/F变化特性为10Hz/mV,其非线性误差小，电源适应能力强，可使用单5V电源。用V/F转换器实现A/D转换器，需要与频率计数器配合使用。由LM331实现A/D转换器的框图如图3-2所示。

图3-2 由LM331实现A/D转换器的框图
图中，模拟信号经V/F转换器LM331，把电压信号转化为脉冲信号，脉冲信号送到计算器的计数器/定时器的端口。同时启动频率计数器和定时器，定时器采用基准频率作为定时脉冲。当定时结束时，定时器产生输出信号使频率计数器停止计数，这样计数器的计数值与频率之间的关系是

而

因此

式中D------计数值
T--------计数时间
Ds-------定时计数器计数初值
s-----基准频率
-------LM331的输出频率
在本系统中用LM331实现A/D转换器的电路如图3-3所示。

图3-3 频率信号转换成数字信号的电路图

图3-3中，8253是可编程间隔定时器/计数器芯片，用来将LM331的输出频率信号转换成数字信号，送至单片机。A/D转换器框图中的定时器和频率计数器由8253和D触发器共同完成，它们的作用有：
（1）定时器定时1s时间间隔，是由8253芯片的计数器2和1串联得到的。
（2）计数器由8253芯片的计数器0来实现，即LM331的V/F输出脉冲端连接至8253芯片的CLK0端。
（3）为保证1s的精确时间是，采用了由软件发出选通，硬件关闭的办法。

3.2 键盘与显示电路
键盘用以设定给定温度。显示器用来显示当前温箱的温度值。显示器采用4位LED显示器，利用动态驱动方式。选用80C51外围接口芯片作为显示器与键盘的接口。其具体连接情况如图3-4所示。

图3-4 键盘与显示电路
在图3-4中，LED采用共阴极方式，4个显示器的段选码由8155的PB口提供，位选码由8155的PA口提供，矩阵式键盘的行线由PC提供。LED采用动态扫面方式，而键盘采用中断的工作方式。因为系统已经使用了和,所以采用定时器T0作为外部中断源。可以选择设置T0工作在方式2外部计数方式，定时器TH0，TL0初值为0FFH，并允许T0中断，这样当T0引脚上发生负跳变时，TL0加1，产生溢出，置“1”TF0向CPU发出中断申请，同时TH0的内容0FFH送TL0，即TL0恢复初值0FFH,然后CPU去执行键盘扫描。

第四章 数字控制器的数学模型

温箱的数学模型和控制算法的选择
根据实际测量，温箱是一个近似一阶惯性环节。以加热功率为输入，箱内温度为输出，其传递函数表达为

式中，。由于采样周期远远小于系统时间常数，所以可以应用模拟系统数字PID控制算法进行实时控制。
2. PID算法程序
PID算法采用增量式计算，位置式输出。

式中 R——温度给定值；
——第k次采样值；
——第k次误差值；
T——采样周期；
——比例系数；
——积分时间；
——微分时间。

第5章 温度控制系统的软件设计

整个温度控制系统是在应用程序的控制下工作的。控制系统的工作由实时测量、实时决策和实时控制三部分组成。应用程序包括数据采集、控制运算、键盘与显示以及输出控制等程序。这些程序有的在主程序中执行，有的在中断服务程序中执行。其中控制运算、键盘与显示子程序在前面都有介绍，在此不。
5.1数据采集程序
（1）采样周期定时
根据温度的采样周期经验公式，选用采样周期为15s。
采样周期定时由50HZ工频过零脉冲申请终端次数累计得到。此功能有外部中断1的中断服务来实现。
（2）启动A/D转换
在外部中断1的中断服务中，若判断采样周期到时，启动A/D转换信号，软件选通8253的触发信号，使8253的计数器工作。
（3） 数据采集
当8253定时1s到时，即A/D转换结束。此时由中断设备通知50C51。在外部中断0的终端服务中对被测的温度数据进行采集。
外部中断0的中断服务程序如下
ORG 9000H
PUSH ACC
PUSH PSW
PUSH DPH
PUSH DPL
MOV DPYR, #2000H
MOVX A,@DPYR
CPL A
MOV 33H, A
MOVX A, @DPYR
CPL A
MOV 32H, A
CLR C
LCALL SUBA
JB 77H, INTA1
MOV A, 2FH
OLR A,2FH
JZ INTA1
LCALL PID
LCAL COVR
SJMP INTA2
INTA: SETB PSW. 3
MOV R2, #00H
MOV R3, #00H
CLR PSW. 3
INTA2 POP DPL
POP DPH
POP PSW
POP ACC
RETI
SUBA EQU 9800H
PID EQU 9910H
COVR EQU 9A20H
5.2输出控制程序
输出控制程序主要完成两个任务：
（1）识别工频的过零时刻，并在过零时刻开启和关闭控制门，以保证SCR主回路产生整数正弦全波。
（2）保证门控电路的打开时间比于单片机输出控制量。
要完成上述任务，首先将单片机输出控制量在主程序中转换成SCR回路中整数正弦全波个数N。由于INT1信号反映工频电压过零时刻。因此只要在外部中断1的中断服务程序中执行下述功能，主程序可以按照运算结果控制量的要求，实现SCR的过零控制。
由于本系统的控制方式是一种“调试”方式。对于工频交流电（f=50HZ），电热丝在全导通的功率为Ph，则实际输出功率P将和实际导通次数N成正比（设控制周期为1s）。
外部中断服务程序为：
ORG 0050H
PUSH ACC
PUSH PSW
PUSH DPH
PUSH DPL
SETB PSW.3
MOV A,R2
ORL A,R3
JNZ INTB1
CLR P1.0
SJMP INTB2
INTB1： SETB P1.0
DEC R3
MOV A,R2
SUBB A,#00H
MOV R2,A
INTB2: DEC R
MOV A,R4
SUBB A,#00H
MOV R4,A
ORL A,R5
JZ INTB3
SJMP INTB4
INTB3: MOV R5,#0EEH
MOV R4,#02H
MOV DPTR,#4001H
MOVX @DPTR,A
INTB4: CLR PSW.3
POP DPL
POP DPH
POP PWS
POP ACC
RETI

5.3主程序
主程序完成系统初始化及各个程序之间的联系任务。
（1）系统初始化
包括清数据存储区、建栈、定时器T0初始化、8253初始化（送控制字和计数初值）、确定中断优先权、开中断等。
（2）中断等待
完成了系统的初始化任务后，主程序执行中断等待程序。等待工频过零同步中断与A/D转换结束中断。为了保证正弦波的完整，工频过零同步中断被确定为高一级的中断源。
主程序的程序流程图如图5-1所示。
主程序的程序清单如下
ORG 0000H
START: MOV R1，#10H
MOV R0，#30H
MOV A，#00H ;清数据区
ATAT1： MOV @R0，A
INC R0
DJNZ R1，ATAT1
SETB PSW.3
MOV R4，#02H ;赋采样周期值
MOV R5，#0EEH
CLR PSW.3
MOV SP，#60H ;建栈
MOV TMOD，#06H ;置单片年纪定时器T0为工作方式2
MOV TL0，#0FFH ;置计数器初值
MOV TH0，#0FFH
MOV DPTR，#2003H ;写控制字
MOV A，#34H ;选计数器0为方式2
MOV @DPTR，A ;读写方式为先低后高，二进制计数
MOV A，#64H ;选计数器1为方式2
MOV @DPTR，A ;只读、写低位字节
MOV A，#0B4H ;选计数器2为方式2
MOV @DPTR，A ;读写方式为先低后高，二进制计数
MOV DPTR，#2000H ;指向计数器0的口地址
MOV A，#0FFH ;送计数器0初值的
MOV @DPTR，A ;低8位
MOV @DPTR，A ;高8位
MOV DPTR，#2001H ;指向计数器1的口地址
MOV A，#16H ;送计数器1初值的
MOV @DPTR，A ;低8位
MOV DPTR，#2002H ;指向计数器2的口地址
MOV A，#60H ;送计数器2初值的
MOV @DPTR，A ;低8位
MOV A，#0E3H ;送计数器2初值的
MOV @DPTR，A ;高8位

图5-1 主程序的程序流程图

第六章 总结

通过这一次的课程设计，我不仅仅学到了专业知识，更使我懂得如何做事。其实每一次的课程设计都是在教会我怎么样做事情，它告诉我完成一件事情，光靠团队的人数是没有任何优势的，关键在于团队之中是否有优秀的骨干去引领这个团队完成这件事情。
这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

参考文献

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[6] 王树清，等. 先进控制技术及应用[M]. 北京：化学工业出版社，2001.
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