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温度控制系统自动控制设计——温度控制
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本设计采用直接数字控制(DDC)对加热炉进行控制,使其温度稳定在在某一个值上。并且具有键盘输入温度给定值,LED数码管显示温度值和温度达到极限时提醒操作人员注意的功能。
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微型计算机控制技术课程设计 电阻炉温度控制系统
摘要:本设计采用直接数字控制(DDC)对加热炉进行控制,使其温度稳定在在某一个值
上。并且具有键盘输入温度给定值,LED 数码管显示温度值和温度达到极限时提醒
操作人员注意的功能。
一. 概述
温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都与温度密切
相关,因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控
制,所采用的加热方式,燃料,控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各
类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等;燃料有煤气、天然气、油、
电等;控制方案有直接数字控制(DDC),推断控制,预测控制,模糊控制( Fuzzy),
专家控制(Expert Control),鲁棒控制(Robust Control),推理控制等。
本设计的控制对象为一电加热炉,输入为加在电阻丝两断的电压,输出为电加热炉内
的温度。输入和输出的传递函数为:G
(s)
=2/(s(s+1))。控温范围为 100~500℃,所采用的控
制方案为直接数字控制(DDC)中的最少拍控制。
二.温度控制系统的组成框图
采用典型的反馈式温度控制系统,组成部分见下图。其中数字控制器的功能由微型机
算机实现。
三.温度控制系统结构图及总述
图中由 4~20mA 变送器,I/V,A/D 转换器构成输入通道,用于采集炉内的温度信号。
其中,变送器选用 XTR101,它将热电偶信号(温度信号)变为 4~20mA 电流输出,再由
高精密电流/电压变换器 RCV420 将 4~20mA 电流信号变为 0~5V 标准电压信号,以供 A/D
转换用。转换后的数字量与与炉温的给定值数字化后进行比较,即可得到实际炉温和给定
炉温的偏差。炉温的设定值由键盘输入。由微型计算机构成的数字控制器按最小拍进行运
算,计算出所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给 8253,由 8253 定时计
数器转变为高低电平的不同持续时间,送至 SCR 触发电路,触发晶闸管并改变其导通角大
小,从而控制电加热炉的加热电压,起到调温的作用。
1
8086
CPU
定时计数器 SCR 触发回路 SCR 主回路
电
加
热
炉
4~20mA 变送器
I/V
A/D
数字滤波
微型计算机控制技术课程设计 电阻炉温度控制系统
四.温度控制系统硬件与其详细功能介绍
1. 微型计算机的选择
选择 8086 微处理器构成炉温控制系统,使其工作于最小方式下。并配备以 8284A
——时钟发生器,8282——带三态缓冲器的通用 8 位地址锁存器,8286——具有三态
输出的 8 位双极型总线收发器。其中,时钟发生器 8284A 为 CPU 提供时钟信号,经时
钟同步的系统复位信号 RESET 和准备就绪信号 READY;地址锁存器 8282 是针对于
8086CPU 地址/数据线分时复用而设计配备的,它可以在 8086CPU 总线周期的 T1 状态,
利 用 ALE 信号的下降沿将地址信息锁存于其中;总线收发器 8286 是 为 了 提 高
8086CPU 数据总线的驱动能力
2. SCR 触发回路和主回路
如图所示为一晶闸管触发电路。包括脉冲触发器(单稳态电路,由 IC1 和 IC2 组
成),控制门,光电耦合器 4N25,放大器和双向晶闸管。由全波整流电路得到的同步
电压使晶体管 BG1 每半波导通一次。当控制端为“1”高电平的时候,BG1 的每次导通
都会经由单稳电路由 IC2 输出一个负脉冲,该脉冲经 IC3 反向后由光电耦合器和放大
电路发大后触发晶闸管,在这一半周内晶闸管基本上处于全导通状态。若控制端为“0”
低电平的时候,则单稳态电路不输出脉冲,在这一半周内晶闸管也不导通。因此,可
以改变控制端的电平,控制单稳态电路每秒输出的脉冲数,从而改变晶闸管每秒钟内
导通的时间,达到调压的目的。与以下的电路相比较
第一个电路的优点在于晶闸管导通时基本处于全导通状态,因此波形较好,包含
的谐波成分较少,因此对系统的干扰也较小。而第二个电路的缺点是加热电阻两端电
压波形很差,包含了较多的谐波成分,当晶闸关导通角较小时由为如此,这些些波电
压可能会对周围系统产生影响。
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微型计算机控制技术课程设计 电阻炉温度控制系统
3.热电偶的选择
热电偶是常用的测温元件,它利用不同材料的导体一端紧密连接在一起产生的热
电势效应将温度信号转换为电势信号。本设计采用 K 型热电偶——镍络-镍硅(线性度
较好,热电势较大,灵敏度较高,稳定性和复现性较好,抗氧化性强,价格便宜)对温
度 进行检测,参 比端 温 度 为 20℃ 。由以 下 公 式 可 以计 算 出 K 型热 电 偶 分别在
100℃,200℃,300℃,400℃,500℃时候的输出电势:
E(100,20)=E(100,0)-E(20,0)=4.096mV-0.798 mV=3.298 mV
E(200,20)=E(200,0)-E(20,0)=8.138mV-0.798 mV=7.34 mV
E(300,20)=E(300,0)-E(20,0)=12.209mV-0.798 mV=11.411 mV
E(400,20)=E(400,0)-E(20,0)=16.397mV-0.798 mV=15.599 mV
E(500,20)=E(500,0)-E(20,0)=20.644mV-0.798 mV=19.846 mV
4.4~20mA 变送器 XTR101
XTR101 为 4~20mA 线性化变送器,它可与镍络-镍硅测温传感器构成精密的 T/I
变换。器件中的放大器适合很宽的测温范围,在 -40℃~+85℃的工作温度内,传送电
流的总误差不超过 1%,供电电源可以从 11.6V 到 40V,输入失调电压<±2.5mV,输入失
调电流<20nA。XTR101 外形采用标准的 14 脚 DIP 封装。(芯片内部结构与封装见附
录)
XTR101 有如下两种应用于转换温度信号的典型电路:
5.I/V 转换器 RCV420
RCV420 是一种精密电流/电压变换器,它能将 4~20mA 的环路电流变为 0~5V 的
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微型计算机控制技术课程设计 电阻炉温度控制系统
电压输出,并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密运放和电阻网络外,还集
成有 10V 基准电源。对环路电流由很好的变换能力。具有-25℃~+85℃和 0℃~70℃的
工 作 温 度 范 围 , 输 入 失 调 电 压 <1mA , 总 的 变 换 误 差 <0.1% , 电 源 电 压 范 围
±5~±18V。RCV420 的外形采用标准的 16 脚 DIP 封装。(芯片内部结构与封装见附
录)
它的典型应用如下:
6 .A/D 转换器 ADC0809
ADC0809 是美国国家半导体公司的 CMOS 型 8 位 28 条引脚 A/D 转换器。采用逐
次逼近技术,输出的数字信号由 TTL 三态缓冲器顺序控制,可以直接与数据总线相连。
分辨率为 8 位,精度为 7 位,时钟频率范围在 10~1280kHz 之间,单一+5V 电源供电,
数据具有三态输出能力,易于和微处理器相连。(芯片内部结构与封装见附录)
ADC0809 的典型应用如下:
7.定时计数器 8253
8253 是 Intel 公司的使用单一+5V 电源供电,NMOS 工艺制成的 24 条引脚的双列
直插式芯片。具有 3 个独立的计数器,每一个都可以单独作为定时器或者计数器使用,
且都可以按照二进制或者十进制计数,每个计数器计数速率高达 2MHz,最高的技术
速率可达 2.6MHz。所有的输入输出引脚都与 TTL 电平兼容。(芯片内部结构与封装
见附录)
8253 典型应用如下图所示:
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8.LED 数码管驱动芯片 ICM7218A
ICM7218 是一种多功能 LED 数码管驱动芯片,能驱动 8 位共阳或者共阴数码管,
且输出可以直接驱动 LED 显示器。其内部主要由控制器,8*8 静态 RAM,BCS 译码,
B 码和显示字段译码器,扫描振荡控制电路和显示驱动器等组成。
ICM7218 的 外 引 线 有 写 入 控 制 线 2 条 : WR 和 MODE ; 数 据 线 8 条 :
ID0~ID7;LED 显示驱 动线 16 条; 电源 线 2 条 。WR 为 写选 通信 号, 低电 平有 效 。
MODE 为 写 入 控 制 字 的 写 入 显 示 数 据 控 制 线 , 当 MODE=1 时 , 写 控 制 字 ; 当
MODE=0 是,写数据。(芯片内部结构与封装见附录)
典型应用如下图所示:
9.可编程并行 I/O 接口芯片 82C55A
82C55A 是 Intel 公司的并行 I/O 接口芯片,40 条引脚,双列直插式封装。D
0
~D
7
位
三态,双向数据线,可与 CPU 总线直接相连。内部由 3 个端口 A,B,C。三个端口都
具有 8 位数据输出锁存器,只有 A 端口具有输入所锁存器。(芯片内部结构与封装见
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