电加热炉温度控制系统设计方案.pdf
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1、电加热炉温度控制系统设计方案 绪论 电加热炉的出现,给人类的生活带来了很多方便,使人类不管是在生活还是在工业方面都有了很多便利之处。但是电加热炉主要应用还是在生产过程、实验室及研究所。电加热炉本身可由多组炉丝提供功率,用多组温度传感器检测炉温度,因此电加热炉属多区温度系统。控制理论从经典理论、现代理论已经发展到更先进的控制理论,控制系统也由简单的控制系统、大系统发展到今天的复杂系统。本文讨论的电加热炉炉温控制系统由上下两组炉丝进行加热,用上下两组热电偶检测炉温。本文所采用的电加热炉温度控制,采用的是适用于工业控制的8051 单片机组成的控制系统。为了降低电加热炉的成本,系统要求采用实现温度闭环
2、控制,控制温度误差围 5C,调节温度的超调量小于30%,系统被测参数是温度,由单片机 PID 运算得出的控制量控制光控可控硅的导通和关断,以便切断或接通加热电源,调整电功率,从而控制电加热炉的温度稳定在设定的值上,并实时显示炉温度,记录温度的变化过程,以更好的控制电加热炉工作。本系统较理想地解决了炉温控制中平稳性、快速性与精度之间的矛盾。电加热炉是一种将电能转换为热能,在工矿企业和日常生活中,是一种常见的设备。在社会发展的今天,电加热炉的使用,即可以提高生产效益,节约能源,也减少了环境的污染,在社会经济发展和改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会的共识。随着社会经济的不断发展,科技水平的进步
3、,人民生活水平的提 4 高,将使社会带入一个新的阶段。人们对热能的需求质量越来越大,电加热炉的优越性越发的突出来,这样就出现了一个问题,由于传统的电加热炉存在一定的弊端而造成能源的浪费,导致其生产效率低,其主要原因是缺少有效的调节设备,导致的浪费。如何解决这一问题,满足社会的需求,设计得更加科学、合理,在全国仍在探讨。并且现代电加热炉的控制方法由于数学深奥、算法复杂、现场工程师难以理解和接受,因而先进控制算法的推广受到制约,为克服以上种种困难,将来的电加热炉以控制算法简单,静动态性能好的特点,有较高的实用价值和理论价值,特别是以节约能源、保护环境的方向发展。1.电加热温度控制系统的构成 此次设
4、计的电阻炉温度控制系统,主要包括 8051 单片机、温度控制检测元件和变送器、A/D 转换器、键盘与显示器、温度控制电路和报警电路等几个部分。1.1 各主要芯片的在电加热炉温度控制系统中的功能。首先该系统选用性能价格比较高的适用于工业控制 MCS51 系列单片机 8051 作为主机,具有控制方便、简单和灵活性等特点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而能大大提高产品的质量和数量。其次是应用了定时/计数器。定时/计数器控制寄存器 TCON 的作用是控制定时器的启、停,标志定时器的溢出和中断情况。此外还应用了锁存器 74LS373。74LS373 片是 8 个输出带三态门的 D 锁存器,缩存
5、器中容可以根据设置的电平的高低对容进行更新和保存。还有应用到了光控可控硅。晶闸管又叫硅可控整流元件,常简称为可控硅不只是用5 来进行可控整流它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路,实现将直流电变成交流电的逆变,将一种额率的交流电变成另种频率的交流电,8279 芯片,它是一种可编程的键盘/显示器接口芯片。它含键盘输入和显示输出两种功能。A/D 转换器:这里采用 ADC0809 A/D 转换器。通过一个串行三态输出端与主处理器或其外围的串行口通信,可与主机高速传输数据,可编程输出数据长度和格式。热电偶:常用的热电偶有好多种,根据我们实际所需要的,在这里我采用铂铑。这种热电偶可在 1600C 以
6、下围长期工作,短期可测 1800C 的高温。1.2 电加热炉温度控制系统的结构框图及工作原理 图 1-1 系统结构框图 工作原理:热电偶用来检测炉温,将电阻炉中的温度转变成毫伏级的电压信号,经温度变送器放大并转换成电流信号。由于 A/D 转换器接受的是电压量,所以在温度变送器的输出端介入电阻网络,把得到的电流信号转换成电压信号。通过采样和 A/D转换,所检测得到的电压信号和炉温给定的电压信号都转换成数字量送入到微型机中进行比较,其差值即为实际电炉和给定炉温间的偏差。微型机构成的数字控制器对偏差按一定的控制规律进行运算,运算结果送D/A 转换器转换成模拟电压,经功率放大器放大后送到晶闸管调压器,
7、触发晶闸管并改变其导通角的大小,从而控制电阻炉的加温电压,起到调节炉温的作用。1.3 系统中要用到的主要芯片的简介 1.3.1 8051 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串口接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,具体介绍如下:中央处理器:中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是 8 位数据宽度的处理器,能处理 8 位二进制数据或代码,CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM):8051 部有 128 个 8 位用户数据存储单元和
8、128 个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的的 RAM 只有 128 个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。程序存储器(ROM):8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM,用于存放用户程序,原始数据或软 盘 显示 报警显示 A/D 光 控 可 控硅 热电偶 8051 电加热炉 变送器 表格。定时/计数器(ROM):8051 有两个 16 位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口:8051 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、
9、P1、P2 或 P3),用于对外部数据的传输。全双工串行口:8051 置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。中断系统:8051 具备较完善的中断功能,时钟电路:8051 置最高频率达 12MHz 的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但 8051 单片机需外置振荡电容2 MCS-51 的引脚说明:8051 采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构,下图是它们的引脚配置,40 个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4 组 8 位共 32 个 I/O 口,中断口线与 P3 口线复用。功能如下
10、说明:Pin20:接地脚 Pin40:正电源脚,正常工作或对片 EPROM 烧写程序时,接+5V 电源。Pin19:时钟 XTAL1 脚,片振荡电路的输入端。Pin18:时钟 XTAL2 脚,片振荡电路的输出端。输入输出(I/O)引脚:Pin39-Pin32 为 P0.0-P0.7 输入输出脚也可作为低 8 位地址总线,Pin1-Pin1 为P1.0-P1.7 输入输出脚,Pin21-Pin28 为 P2.0-P2.7 输入输出脚也可作为高 8 位地址总线,Pin10-Pin17 为 P3.0-P3.7 输入输出脚还具有第二功能,功能如下图所示。Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚,当
11、8051 通电,时钟电路开始工作,在 RESET 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。初始化后,程序计数器 PC 指向0000H,P0-P3 输出口全部为高电平,堆栈指钟写入 07H,其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后,系统即从 0000H 地址开始执行程序。然而,初始复位不改变RAM(包括工作寄存器 R0-R7)的状态,8051 的初始态如下表:表 1-1 8051 初始态 Pin30:ALE/PROE 当访问外部程序器时,ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问部程序存储器时,ALE 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号,这个
12、信号可以用于识别单片机是否工作,也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点,当访问外部程序存储器,ALE 会跳过一个脉冲。如果单片机是 EPROM,在编程其间,PROE将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时,此引脚输出负脉冲选通信号,PC 的 16 位地址数据将出现在 P0 和 P2 口上,外部程序存储器则把指令数据放到 P0口上,由 CPU 读入并执行。4 Pin31:EA/Vpp程序存储器的外部选通线,8051 和 8751 单片机,置有 4kB 的程序存储器,当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时,读取部程序存储器指令数据,而超过 4kB 地址则读取外部指令数据。如
13、 EA 为低电平,则不管地址大小,一律读取外部程序存储器指令。显然,对部无程序存储器的 8031,EA 端必须接地。2在编程时,EA/Vpp脚还需加上 21V 的编程电压。1.3.2 定时/计数器 1)工作方式寄存器 TMOD 图 1-2 TMOD 寄存器 M1、M0 选择方式 表 1-2 M1、M0 选择工作方式 功能选择位,当为 0 时,为定时器方式:当为 1 时为计数器方式。GATE 门控位,当为 0 时,只要控制位 TR0 或 TR1 置 1,即可启动响应定时器开始工作;当为 1 时,除需要 TR0 或 TR1 置 1 外,还需要或引脚为高电平时,才能启动响应的定时器开始工作。TMOD
14、 不能进行寻址,只能用字节传送指令设置工作方式。2)定时/计数器控制寄存器 TCON TCON 的作用是控制定时器的启、停,标志定时器的溢出和中断情况。定时器 TCON格式如下:图 1-3 TCON 定时器 TCON.7 TF1定时器 1 溢出标志。当定时器 1 计满溢出时,由硬件 TF1 置 1,并且申请中断。进入中断服务程序后,由硬件自动清 0。TR1 定时器 1 运行控制位。当为 1 时,启动定时器 1 工作;当为 0 时,关闭定时器1 工作。TF0 定时器 0 溢出标志。TR0 定时器 0 运行控制位。操作同上。IE1 外部中断 1 请求标志。IT1 外部中断 1 触发方式选择位。IE
15、0 外部中断 0 请求标志。IT0 外部中断 0触发方式选择位。1.3.3 锁存器 74LS373 74LS373 片是 8 个输出带三态门的 D 锁存器,其结构图如下。当使能端 G 程 高电平时锁存器中的容可以改变更新,而在返回低电平瞬间实现锁存。如此时芯片的输出控制端为 OE 低,即输出三态门打开,锁存器中的地址信息便可经由三态门输出。74LS373 是带清除端 CLR 的 8D 触发器。它不带三态门,但 CLR 端为低时,8 个 D触发器中的容将被清除而输出全零,所以正常工作时该端应接高电平。它在时钟端CLK 输入为上升沿时触发器中的容更新,因此单片机的 ALE 引脚应先经反相,再与该端
16、相连接。经过我们对他们的分析最终我们采用 74LS373。(4)74LS373 的外部结构图如下:图 1-4 74LS373 的外部结构图 1.3.4 光控可控硅:晶闸管又叫硅可控整流元件,常简称为可控硅。普通晶闸管是一种具有三个 PN 结的四层结构的大功率半导体器件。目前,晶闸管的派生器件很多,如双向晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管等,在无线电技术中应用也很广泛。事实上,晶闸管不只是川来进行可控整流它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路,实现将直流电变成交流电的逆变,将一种额率的交流电变成另种频率的交流电,等等。人们常称它为电力电子器件。1)可控硅工作原理 可控硅是 P1N1P2N2 四
17、层三端结构元件,共有三个 PN 结,分析原理时,可以把它看作由一个 PNP 管和一个 NPN 管所组成。当阳极 A 加上正向电压时,BG1 和 BG2 管均处于放大状态。此时,如果从控制极 G输入一个正向触发信号,BG2 便有基流 ib2 流过,经 BG2 放大,其集电极电流ic2=2ib2。因为 BG2 的集电极直接与 BG1 的基极相连,所以 ib1=ic2。此时,电流ic2 再经 BG1 放大,于是 BG1 的集电极电流 ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到 BG2 的基极,表成正反馈,使 ib2 不断增大,如此正向馈循环的结果,两个管子的电流剧增,可控硅使饱和导通。由于 BG
18、1 和 BG2 所构成的正反馈作用,所以一旦可控硅导通后,即使控制极 G 的电流消失了,可控硅仍然能够维持导通状态,由于触发信号只起触发作用,没有关断功能,所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态,所以它具有开关特性,这种特性需要一定的条件才能转化,如下表 表 1-3 可控硅导通和关断条件 2)基本伏安特性 图 1-5 可控硅基本伏安特性 (1)反向特性 当控制极开路,阳极加上反向电压时(见图 3),J2 结正偏,但 J1、J2 结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流,当电压进一步提高到 J1 结的雪崩击穿电压后,接差 J3 结也击穿,电流迅速增加,图 3 的特性开始弯
19、曲,如特性 OR 段所示,弯曲处的电压 URO 叫“反向转折电压”。此时,可控硅会发生永久性反向击穿。图 1-6 阳极加反向电压(2)正向特性 当控制极开路,阳极上加上正向电压时(见图 1-6),J1、J3 结正偏,但 J2 结反偏,这与普通 PN 结的反向特性相似,也只能流过很小电流,这叫正向阻断状态,当电压增加,图 3 的特性发生了弯曲,如特性 OA 段所示,弯曲处的是 UBO 叫:正向转折电压 图 1-7 阳极加正向电压 由于电压升高到 J2 结的雪崩击穿电压后,J2 结发生雪崩倍增效应,在结区产生大量的电子和空穴,电子时入 N1 区,空穴时入 P2 区。进入 N1 区的电子与由 P1
20、区通过J1 结注入 N1 区的空穴复合,同样,进入 P2 区的空穴与由 N2 区通过 J3 结注入 P2 区的电子复合,雪崩击穿,进入 N1 区的电子与进入 P2 区的空穴各自不能全部复合掉,这样,在 N1 区就有电子积累,在 P2 区就有空穴积累,结果使 P2 区的电位升高,N1区的电位下降,J2 结变成正偏,只要电流稍增加,电压便迅速下降,出现所谓负阻特性,见图 3 的虚线 AB 段。这时 J1、J2、J3 三个结均处于正偏,可控硅便进入正向导电状态-通态,此时,它的特性与普通的 PN 结正向特性相似,见图 2 中的 BC 段(3)触发导通在控制极 G 上加入正向电压时(见图 5)因 J3
21、 正偏,P2 区的空穴时入 N2 区,N2 区的电子进入 P2 区,形成触发电流 IGT。在可控硅的部正反馈作用(见图 2)的基础上,加上 IGT 的作用,使可控硅提前导通,导致图 3 的伏安特性 OA 段左移,IGT 越大,特性左移越快。图 1-8 阳极和控制极均加正向电压(4)普通晶闸管的主要参数 晶闸管的主要参数有:(1)额定通态平均电流 It 在规定的使用条件下阳极阴极间可以连续通过 50H正弦半波电流的平均值。(2)正向阻断峰值电压Vdrm。在门极开路,不加触发信号,允许重复加在晶闸管阳极和阴极之间的正向峰值电压(手册规定重复率为 50 次s,持续时间不大于 10MS),称为正向阻断
22、峰值电压Vdrm。(3)反向阻断峰值电压Vdrm。当晶闸管加反向电压,处于反向阻断状态时可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压(手册规定重复率为 50 次s,重复时间不大于10MS)。(4)门极触发电流Igt在室温下,阳极与阴极间加有 6v 正电压时、使元件完全开通所必须的最小门极直流电流。(5)维持电流Ih。在室温和门极断路时,保持元件处于通态所必需的最小通态电流。1.3.5 8279 的芯片介绍 8279 是一种可编程/显示器接口芯片,用的比较多。它含键盘输入和显示输出两种功能。键盘输入时它自动扫描,能与 64 个按键或传感器组成的矩阵相连,接收输入信息,存入先进先出/传感器 RAM;显示输
23、出时它有一个显示 RAM,其容通过自动扫描,可由 8 或 16 位 LED 数码管显示。图 1-9 8279 芯片的引脚图 8279 芯片各主要部件介绍(1)数据总线缓冲器和 I/O 控制双向、三态的数据总线缓冲器用与单片机的数据总线相连。当 CS 为高,RD 为低时,数据总线缓冲器信息送 D7-D0;当 CS 为高,WR为低时,D7-D0 上信息写入数据总线缓冲器。当 A0=1 时,读向 CPU 的是状态字,自CPU 写入的是命令字;当 A0=0,读、写的都是数据。(2)控制及定时寄存器和控制及定时控制及定时寄存器用于寄存 CPU 送来的命令字,在通过译码产生相应的控制信号。定时是在对 CL
24、K 端输入的外部时钟频率 N 分频、得到 100kHz 的部定时脉冲的基础上,进一步给出 5.1ms 的键盘扫描时间、10.3ms 的消抖时间和显示扫描时间。(3)扫描计数器 有两种工作方式。一种是编码方式,需由外部译码器对扫描输端 SL3-SL0 上的二进制数进行译码,以产生对键盘或显示器的扫描信号;另一种是译码方式,在部对计数器低两位译码后送 SL3-SL0 输出,可做为键盘和显示器的扫描信号。(4)输入缓冲器和键盘消抖控制 输入缓冲器用与锁存 SL7-SL0 上的信息。键盘各种方式时,当搜索到闭合键,等待 10.3ms,若该键仍闭合,则将该键所在的行、列号和 SHIFT、CNTL 键状态
25、都写入 FIFO/传感器 RAM。传感器方式时,则直接将扫描时 SL7-SL0 上信息写入 FIFO/传感器 RAM。8279 还可各种于选通方式,此时由选通信号 STB 的上升沿将 SL7-SL0 上信息写入 FIFO/传感器 RAM。(5)FIFO/传感器 RAM 和它的状态寄存器 该 RAM 有 8 个单位。在键盘和选通方式时,按写入的次序,也即先进先出的原则读出。它的状态寄存器存放状态字,用以指出此 RAM 中存放的字符数,是否出错及溢出、空、满等信息。RAM 中有数据时,IRQ变高。在传感器方式时,RAM 的每一单元存放传感器矩阵中相应列的状态信息,当某一传感器状态有变化,IRQ 变
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