计算机控制课程设计(电阻炉温度控制系统)

2024-08-25

计算机控制课程设计(电阻炉温度控制系统)（精选6篇）

计算机控制课程设计(电阻炉温度控制系统) 第1篇

计算机控制课程设计

报告

设计题目：电阻炉温度控制系统设计年级专业： 09级测控技术与仪器姓名：

武帆学号： P60914001 任课教师：谢芳

电阻炉温度控制系统设计

0.前言

随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，特别是微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，利用单片机来改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本设计就是利用单片机来控制高温加热炉的温度，传统的以普通双向晶闸管（SCR）控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。

温度控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行温度控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。

1.课程设计任务

项目设计：电阻炉温度控制系统设计

以在工业领域中应用较为广泛的电阻炉为被控对象，采用MCS—52单片机实现电阻炉温度计算机控制系统的设计，介绍电阻炉温度计算机控制系统的组成，并完成系统总体控制方案和达林算法控制器的设计，给出系统硬件原理框图和软件设计流程图等。

1.1电阻炉组成及其加热方式

电阻炉是工业炉的一种，是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化元件或物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成，炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同;由于工艺不同，所要求的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，对控温精度要求不同，因而控制系统的组成也不相同。电气控制系统包括主机与外围电路、仪表显示等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，因炉种的不同而各异。电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件，电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，是将电源直接接在所需加热的材料上，让强大的电流直接流过所需加热的材料，使材料本身发热从而达到加热的效果。工业电阻炉，大部分采用间接加热式，只有一小部分采用直接加热式。由于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布均匀、环保等优点，应用十分广泛。1.2控制要求

本系统中所选用的加热炉为间接加热式电阻炉，控制要求为:（1）采用一台主机控制8个同样规格的电阻炉温度;（2）电炉额定功率为20 kW;（3）恒温正常工作温度为1000℃，控温精度为±1%;（4）电阻炉温度按预定的规律变化，超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性;（5）具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±1℃;（6）具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。

二、系统总体设计

根据题目要求,电热锅炉温度控制系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。采用比较流行的AT89S52作为电路的控制核心,使用8位的模数转换器AD0808进行数据转换,控制电路部分采用PWM通过AC-SSR实现锅炉温度的连续控制,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。系统总体框图如下。

显示电路热电偶电阻炉变送器数据采集单片机越限报警

2.1核心处理模块——单片机

该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。

选择单片机的理由：单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。

2.2温度信号采集与传感器

本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号，使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，本设计采用的是数字温度传感器，以上过程都在温度传感器内部完成。

2.3人机交互及串口通信

人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。AC-SSR过零检测光耦隔离键盘控制 2.4控制执行单元

是单片机的输出控制执行部分，根据单片机数据处理的结果，驱动继电器控制外部设备，可以达到超温报警及升温或者降温目的，使环境温度始终保持在一个范围之内。

根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设计了以AT89S52单片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用8位LED动态显示。

三、硬件电路设计

硬件电路如图所示：硬件系统主要由AT89S52单片机、温度采集、A／D转换、键盘显示电路、报警等功能电路组成。

3.1、核心部分单片机

AT89S52单片机为主控制单元。AT89S52单片机首先根据炉温的给定值和测量值计算出温度偏差，然后进行PID控制并计算出相应的控制数据由P1．0口输出。最后将P1．0口输出的控制数据送往光电耦合隔离器的输入端，利用PWM脉冲调制技术调整占空比，达到使炉温控制在某一设定温度。AT89S52单片机还负责按键处理、温度显示以及与上位机进行通信等工作。4位高亮度LED用于显示设定温度或实测温度。3.2、温度采集转换模块

温度采集电路主要由铂铑-铂热电偶LB-3。LB-3热电偶可以在1300℃高温下长时间工作，满足常规处理工艺要求。测温时，热电阻输出mV热电势，必须经过变送器变换成0-5V的标准信号。本系统选用DWB型温度变送器，并将其直接安装在热电偶的接线盒内，构成一体化的温度变送器，不仅可以节省补偿导线，而且可以减少温度信号在传递过程中产生的失真和干扰。电阻炉炉温信号是一种变换缓慢的信号。这种信号在进行A/D转换时，对转换速度要求不高。因此为了减低成本以及方便选材，可以选用廉价的、常用的A/D芯片ADC0809，ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入、8为数字输出地A/D转换器件，转换时间为100us，完全满足系统设计的要求。经过ADC0809转换所得到的实测炉温数据直接送入AT89S52单片机中进行数据处理。

此外，为了防止断偶或者炉温越限，产生热处理质量事故；同时为了提高温控系统的智能化控制性能，降低热处理操作人员的劳动强度，本系统特别设置了断偶或炉温越限自动报警电路。在热处理生产过程中，当发生断偶或炉温越限等异常现象时，主控单元AT89S52单片机自动启动报警电路进行声、光报警，以便操作人员快速处理，防止炉内工件过热，破坏金属组织结构。

3.3、AC—SSR交流功率调节电路

由输出来控制电炉,电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为：

其中时间常数T=350秒，放大系数K=50，滞后时间t=10秒。为了避免交流接触器等机械触电因频繁通断产生电弧，烧坏触电或者干扰其他设备正常工作，本系统选用AC-SSR交流功率调节器作为PID控制系统的执行机构。AT89S52单片机P1.0口输出的温度控制信号经过光电耦合器件隔离，送至过零检测电路。过零检测电路产生脉冲控制AC-SSR调功电路。当实测温度偏低时，单片机输出的控制信号使得双向可控硅的导通角减小，导通时间变短，加热器功率降低炉温适当降低。通过控制输入到加热器平均功率的大小达到控制电阻炉炉温的目的。

控制执行部分的硬件电路如下图

3.4键盘模块电路

采用4×4矩阵键盘接单片机的P1口，然后实现对设定温度的修改，将它与实际温度进行对比，实现要求的功能。矩阵键盘如下图3所示：

3.5 A/D转换电路

如图所示：

3.6 变送电路

3.6.1、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。XTR101有如下两种应用于转换温度信号的典型电路：

3.6.2、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。它的典型应用如下：

四、系统软件设计

系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。

4.1 主程序模块

开始初始化计时器初始化PID参数A/D采样以及变换Y判断越限报警N显示当前温度和设定温度报警开启设置PWM的占空比

主程序流程图

4.2 功能实现模块

以用来执行对可控硅及电炉的控制。功能实现模块主要由A／D转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。

4.2.1T0中断子程序

该中断是单片机内部100ms定时中断,优先级设为最高,是最重要的子程序。在该中断响应中,单片机要完成调用PID算法子程序且输出PID计算结果等功能。其流程图如下:

进入中断设置定时器寄存器判断标志位是否为1NY标志位置0计算PID子模块标志位加1中断返回 T0中断子程序

4.2.2 T1中断子程序

T1定时中断用于调制PWM信号，优先级低于T 0中断,其定时初值由PID算法子程序提供的输出转化而来，T1中断响应的时间用于输出控制信号。其流程图如下:

进入中断取反标志位,表示该输出高电平或低电平输出高电平?Y设置高电平脉宽N输出口置高电平设置低电平脉宽Y输出低电平?N输出口置低电平中断返回 T1中断子程序

4.3运算控制模块

运算控制模块涉及标度转换、PID算法、以及该算法调用到的乘法子程序等。

4.3.1标度转换子程序

该子程序作用是将温度信号(00H~FFH)转换为对应的温度值,以便送显示或与设定值在相同量纲下进行比较。所用线形标度变换公式为：

式中,Ax：实际测量的温度值;Nx：经过A／D转换的温度量； Am =90；Ao=40；Nm =FEH;No=01H；

单片机运算采用定点数运算，并且在高温区和低温区分别用程序作矫正处理。

4.4 控制算法：PID算法

积分分离控制的基本思路是：当偏差e(k)绝对值较大时。取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当偏差e(k)绝对值小于某一设定值M时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度，PID算法的表达式为：

u(t)Kp[e(t)式中u(t)：调节器的输出信号；

e(t)：偏差信号；

1TIt0e(t)dtTDde(t)]dt

Kp：调节器的比例系数；

TI：调节器的积分时间； TD：调节器的微分时间。

在计算机控制中，为实现数字控制，必须对上式进行离散化处理。用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程。设系统的采样周期为T，在t=kT时刻进行采样，e(t)dtTe(i)0i0tk

式中e(k)：根据本次采样值所得到的偏差；

e(k-1)：由上次采样所得到的偏差。将上面的三个式子代入，则有

de(t)e(k)e（k1)dtT

Tu（k）Kp[e（k）TITe（i）i0kkDe（k）e（k1）]TKpe（k）kie（i）kdi0e（k）e（k1）T

式中，T为采样时间，项为积分项的开关系数

01e(k)e(k)

积分分离PID控制算法程序流程图如图10所示。

开始参数初始化采入r(k)及y（k）yPID控制E(k)<ß？nPD控制控制器输出参数更新返回

积分分离PID控制算法程序流程图

参考文献

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单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社

[9]刘洪恩.利用热电偶转换器的单片机温度测控系统[J]仪表技术,2005.2: 29-30。[10]孙凯, 李元科.电阻炉温度控制系统[J].传感器技术,2003.2:50-52.。

附录

主程序

ORG 0400H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP,#50H CLR 5EH CLR 5FH CLR A MOV 2FH,A MOV 30H,A MOV 3BH,A MOV 3CH,A MOV 3DH,A MOV 3EH,A MOV 44H,A MOV DISM0,A MOV DISM1,A MOV DISM2,A MOV DISM3,A MOV DISM4,A MOV DISM5,A MOV TMOD,#56H MOV TL0,#06H MOV TH0,06H CLR PT0 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA LOOP:ACALL DISPLY ACALL SCAN AJMP LOOP

50H送SP

清暂存单元

清显示缓冲区

T0为计数器方式2，T1为方式1

T0赋初值

T0为低中断优先级 T0工作 T0中断 CPU中断

；；清本次越限标志；清上次越限标志；清累加器；；；；；；；；；；；；；；设；；；令；启动；允许；开；调用显示程序；调用扫描程序；等待中断T0中断服务程序 ORG 000BH AJMP CT0 ORG 0100H CT0: PUSH ACC ；

PUSH DPL ；保护现场 PUSH DPH ；

SETB D5H ；置标志

ACALL SAMP ；调用采样子程序 ACALL FILTER ；调用数字滤波程序

CJNE A,42H,TPL ；若Ui（k）不等于Umax，则TPL WL: MOV C,5EH ；

MOV 5FH,C ； 5EH送5FH CLR 5EH ；清5EH单元 ACALL UPL ；转上限处理程序 POP DPH POP DPL POP ACC RETI ；中断返回

TPL: JNC TPL1 ；若Ui（k）大等Umax，则TPL1 CLR 5FH ；清上次越限标志

CJNE A,43H,MTPL ；若Ui（k）不等于Umin，则MTPL HAT: SETB P1.1 ；若温度不越限则令绿灯亮 ACALL PID ；调用计算PID子程序 MOV A,2FH ；PID值送A CPL A ；

INC A ；对PID值求补，作为TL1值 NM: SETB P1.3 ；令p1.3输出高电平脉冲 MOV TL1,A ；

MOV TH1,#0FFH ； T1赋初值 SETB PT1 ；T1高优先级中断 SETB TR1 ；启动T1 SETB ET1 ；允许T1中断

ACALL TRAST ；调用标度转换程序 LOOP: ACALL DISPLY ；显示温度 JB D5H,LOOP ；等待T1中断 POP DPH ；

POP DPL ；恢复现场 POP ACC ；

RETI ；中断返回

MTPL: JNC HAT ；若Ui（k）大于Umin，则HAT SETB P1.0 ；否则越下限声光报警 MOV A,45H ；取PID最大值输出 CPL A ；

INC A ；对PID值求补，作为TL1 AJMP NM ；转NM执行

TPL1: SETB 5EH ；若Ui（k）大于Umax，则5EH单元置位 JNB 5FH,WL ；若上次未越限，则转WL INC 44H ；越限计数器加1 MOV A,44H CLR C SUBB A,#N ；越限N次？

JNZ WL ；越限小于N次，则WL SETB P1.2 ；否则，越上限声光报警 CLR 5EH CLR 5FH POP DPH POP DPL POP ACC RETI

T1中断服务程序 ORG 001BH AJMP CT1 ORG 0200H CT1: CLR D5H CLR P1.3 RETI ；

；清越限标志；

；恢复现场；

；中断返回

p1.3变为低电平；中断返回；清标志；令

计算机控制课程设计(电阻炉温度控制系统) 第2篇

1.题目背景与意义

《计算机控制系统》是一门技术性、应用性很强的学科，实验课教环节是它的一个极为重要的环节。不论是硬件扩展、接口应用还是编程方法、程序调试，都离不开实验课教学。如果不在切实认真地抓好学生的实践技能的锻炼上下功夫，单凭课堂理论课学习，势必出现理论与实践脱节，学习与应用脱节的局面。

《计算机控制系统》课程设计的目的就是让同学们在理论学习的基础上，通过完成一个涉及MCS-51单片机A/D和D/A多种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件、等方面的知识进一步加深认识，同时在系统设计、软件编程、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。

设计题目介绍

设计一个基于单片机的具有A/D和D/A功能的信号测控装置。要求该信号测控装置能够接入典型传感器、变送器信号，同时可输出标准电压/电流信号。并满足抗干扰、通用性、安全性、性价比等原则性要求。

标准电压/电流信号此处定为：0～5V/4～20mA

(0～20mA

2.1发挥部分

可将系统扩展为多路。可在此系统中扩展键盘、显示（LCD/LED）、与上位机通讯功能。

完成以上基本设计部分之后，可以运用Protues仿真软件对设计结果进行相应的编程和仿真，调试测控系统并观察其运行结果(可以分部分完成)。

系统总体框架

图1总体框图

系统硬件设计

4.1

AT89C52

4.1.1

AT89C52的主要工作特性

片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；

片内数据存储器内含256字节的RAM；

具有32根可编程I/O口线；

具有3个可编程定时器；

中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；

串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；

具有一个数据指针DPTR；

低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；

具有可编程的3级程序锁定位；

AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；

AT89C52最高工作频率为24MHz。

4.1.2

AT89C52的最小电路

图2

AT89C52最小电路图

4.2

ADC0809

4.2.1

ADC0809概述

ADC0809是8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片

4.2.2

ADC0809的主要特性

1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）

4）单个+5V电源供电。

5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～+85摄氏度。

7）低功耗，约15mW。

4.2.3

ADC0809的内部结构

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图3所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

图3

ADC0809内部结构图

图4

ADC0809引脚图

图5

ADC0809

与AT89S52的连接电路

4.3

DAC0832

4.3.1

DAC832的主要特性参数

分辨率为8位；

电流稳定时间1us；

可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；

只需在满量程下调整其线性度；

单一电源供电（+5V～+15V）；

低功耗，20mW。

4.3.2

DAC0832的工作方式及引脚图

根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。

DAC0832引脚图如图6所示

DC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。所以这个芯片的应用很广泛,关于DAC0832应用的一些重要资料见下图：

D/A转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。

图6

D/A转换器引脚图

4.3.3

DAC0832的数模转换图

图7

DAC0832的数模转换图

4.4

MAX7219

MAX|X7219/MAX7221是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。

4．4.2

MAX7219的功能特性

10MHz连续串行口

独立的LED段控制

数字的译码与非译码选择

150μA的低功耗关闭模式

亮度的数字和模拟控制

高电压中断显示

共阴极LED显示驱动

限制回转电流的段驱动来减少EMI（MAX7221）

SPI,QSPI,MICROWIRE串行接口（MAX7221）

24脚的DIP和

封装

4.5

LED显示

图9

为MAX7219的8位LED显示电路实例。图5中，单片机89C52的P1.0、P1.1分别接MAX7219的串行数据输入端DIN和时钟信号CLK,P1作为LOAD信号。电阻R根据不同的LED选值，范围在7KΩ～

60KΩ之间。

图8　MAX7219

应用电路

5.系统软件设计

图9系统软件框图

6.结论

通过这次设计，我加深了对《计算机控制系统》这门课的了解，在查资料的过程中了解了各种芯片的作用和特点，尤其是对单片机的了解，懂得了如何将已学到的知识运用到实际中去，加深了对课本知识的理解，也学到了一些在课本中学不到的知识。

在设计的过程中我们克服了各种困难，了解了科研的艰辛，也培养了我们查阅资料自学的能力，使我们的学习能力和适应能力得到了提高

参考文献

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陈粤初.单片机应用系统设计与实践.北京：北京航空航天大学出版社.1991

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李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社.1993

计算机控制课程设计(电阻炉温度控制系统) 第3篇

电阻炉广泛应用于工矿企业、科研院所等场合,用作元素分析测定和钢件淬火、退火、回火热处理的加热设备。单片机以其体积小、价格低、功耗低、控制能力强的优点,已经成为了电阻炉温度控制领域的核心器件[1,2]。

然而,当前大多数电阻炉温度控制系统采用一个单片机核心器件[3,4],当CPU处理能力不够就会造成“瓶颈”现象:例如当使用A/D转换器或计算处理时间长时,人机接口和监控程序就难以使用。为解决上述“瓶颈”问题,同时又兼顾到经济性原则,本文设计了基于低端双单片机结构的电阻炉温度控制系统,该系统在并行处理信息、实时采集数据及可靠性等方面具有优势。

1 控制系统设计方案

本设计采用两个ATMEL公司生产的51系列单片机AT89S52:其中单片机U1用作实时控制;单片机U2用作监控机,主要完成人机对话和辅助计算功能。

有关双机数据交换[5~7],可考虑3种方式:1)采用串行总线,这种方法硬件简单但传输速度比较慢;2)采用并行总线,其速度较高但考虑到两个CPU时钟同步问题因而硬件比较复杂;3)采用存储器方式,其传输速度比较快且对时钟同步性要求也不很严格。在此,本着提高性能与降低成本相结合的设计原则,采用第3种方式即由双端口RAM承担双机信息的互换。系统原理框图如图1。

2 控制系统硬件设计[8,9]

系统硬件电路由3部分组成:1)实时控制模块;2)人机交互模块;3)双机通讯模块。

2.1 实时控制模块[10]

该模块以单片机U1为控制核心,可以分为温度检测电路和输出控制电路两部分,如图2、图3所示。

图2为温度检测电路。热电偶将温度转换为0-41.32mv电压输出,经毫伏变送器转换成4-20m A电流,再经过电流/电压转换成0-5V电压信号,由ADC0809转换为8位的数字量送到单片机U1的P0口。图3为输出控制电路。单片机U1的P1.0引脚输出控制信号,经过零触发电路去控制双向晶闸管,通过改变双向晶闸管的导通时间来改变加热功率,达到调节温度的目的。当P1.0=1时,双向晶闸管导通,P1.0=0时则截止;可控硅在给定周期的100%时间内接通时的功率最大,这时加热温度最高。图中同步过零脉冲信号接U1的T0、T1脚,用来记数定时周期和控制输出波头数。

2.2 人机交互模块

人机交互模块由图4,由四个独立的发光二极管(作为电源指示灯、PID正常运行指示灯、上限报警指示灯和下限报警指示灯)显示电路和两个4位7段数码管动态显示电路以及四个独立按键电路和一个复位按键电路共同组成。

2.3 双机通讯模块

以双端口静态存储器芯片DS1609作为两单片机的数据交换器,基本原理为:需要送出数据的一方先把数据送入DS1609中,然后接收数据的一方对DS1609中的同一地址进行读取,完成数据交换。

3 控制系统软件设计

单片机U1的软件包括主程序(负责初始化及通过DS1609与单片机U2进行联系)、T0及T1中断服务程序(T0中断服务程序进行采样、滤波、标度转换、越限处理、控制显示温度;T1中断服务程序主要控制双向可控硅的通断)、采样子程序(ADC0809以查询方式对IN0通道采样4次)、数字滤波子程序(采用防脉冲干扰平均值法滤波对4次采样值处理得平均值,以备PID运算和温度标度转换使用)、标度转换子程序(参数经A/D转换后得到的数码值仅对应于参数的大小并不等于原来带有量纲的参数值,故必须把它转换成带有量纲的数值以便显示)、PID运算子程序(控制原理是先求出实测温度对所需温度的偏差值,对偏差值处理而获得控制信号去调节电阻炉的加热功率)及其它子程序(如为进行采样值数码显示而加入二至十进制转换子程序和压缩BCD码变成单字节BCD码子程序;为求取PID运算而加入将键盘设定值进行十至二进制转换的子程序等)。

单片机U2的软件主要包括键盘监控程序和显示输出程序。1)键盘监控程序设计。本系统功能较为复杂,考虑到如果采用一键一义监控会由于按钮过多,致使成本增加且面板难以布置用户操作也不方便,因而本设计采用一键多义的键盘监控程序。具体是:采用状态顺序编码设计状态图,构造两张表(即状态表和索引表),监控程序根据现态码和键码查表一方面可找到任务模块WORK0~WORK15中相应的某一项予以执行发出运行命令,另一方面可用于下次判断处理所需的次态NEXT项。2)显示输出程序设计。显示输出程序包括初始化、通过DS1609获取单片机U1数据、控制设定温度值显示和当前温度值显示。

本系统程序众多,由于篇幅所限具体程序流程图及源代码从略。

4 控制系统仿真调试

4.1 程序仿真调试

采用Keil软件进行程序仿真调试。程序首先通过汇编及语法错误检查,然后在仿真CPU中进行调试直至正确,则可保存其生成的目标文件(HEX文件)供单片机使用。图6、图7为某程序仿真调试过程图。

4.2 硬件仿真调试

硬件仿真调试利用proteus软件[11],上述keil软件生成的HEX文件将在proteus环境中的中导入单片机进行仿真。图8为对PID闭环控制的仿真,其中比例系数Kp=1.4、积分时间常数Ti=1、微分时间常数Td=6。从图9可以看出,该PID闭环系统可以很快(稳定时间为32.7s)达到温度设定值,故系统达到了预先快、准、稳的要求。

5 结束语

本次设计的双单片机电阻炉温度控制系统能有效解决原有单一单片机系统面临的当使用速度相对较慢的A/D转换器或当计算处理时间长时,人机接口和监控程序难以使用的问题。该系统响应速度快,存储容量大,CPU使用率小,因此在并行处理和实时采集数据等方面具有优势,且稳定性和可靠性也更好。

摘要：本文设计了基于双单片机的电阻炉温度控制系统,并对其进行了软件调试和硬件仿真。该系统的两个控制单片机均采用ATMEL公司生产的AT89S52:其中单片机U1主要用作实时控制;单片机U2则主要完成人机对话和辅助计算功能,两单片机之间通过双端口RAM实现通讯联系。与仅由一个单片机为控制核心的系统相比,本系统在并行处理信息、实时数据采集及可靠性等方面均具有优势。

关键词：温度控制,双单片机,仿真

参考文献

[1]余永权.单片机在控制系统中的应用[M].北京:电子工业出版社,2003.

[2]杜静,王振民.电阻炉的温度控制系统[J].机械管理开发,2005,82(1):3-4.

[3]沈协和.用单片微机构成的炉温控制器[J].仪表仪器,1998,15(6):25-36.

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[5]李平均,张江,等.双单片机的应用[J].微电子学与计算机,2004,21(4):78-80.

[6]罗冯涛,王渝.双单片机系统中一种简单的并行数据传输模式[J].现代电子技术,2002,134(3):11-13.

[7]林祝亮,武林,等.基于双单片机的多路数据采集系统设计[J].仪器仪表学报,2006,27(6):132-134.

[8]王幸之.AT89系列单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[9]宗光华,李大寨.多单片机系统应用技术[M].北京:国防工业出版社,2003.

[10]邓胡滨.电子电路Protel 98实用教程[M].北京:中国水利水电出版社,2000.

计算机控制课程设计(电阻炉温度控制系统) 第4篇

【关键词】控制系统仿真；教学研究；实践教学改革

【基金项目】内容：院级教学改革“控制系统计算机辅助设计”，编号：201402。

【中图分类号】G64 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2015）15-0265-01

1.引言

仿真技术是一门利用物理模型或数学模型模拟实际环境进行科学实验的技术，近年来在研究及工程设计中也发挥了越来越重要的作用。用仿真来代替实际系统的试验，在计算机上进行研究和设计系统，不仅经济、可靠、实用、安全、灵活并且还可以获得更加丰富、详细的数据资料，因此仿真成为了分析、综合各种复杂系统的一种强有力的工具和手段。

2.课程性质及教学内容

2.1课程性质及要求

“控制系统计算机辅助设计”是我院自动化专业本科生的一门方向选修专业课，通过本课程的学习，使学生认识到控制系统数字仿真在系统设计中的重要性，学习并掌握仿真中的系统建模、数值积分方法、MATLAB编程等基本内容，能针对不同的系统编写仿真程序。为学生的进一步理论研究和实际应用打下一个良好基础。

2.2教学内容的改革

该课程内容涉及计算机技术，计算数学与控制理论，系统辨识，控制工程等，具有一定的广度和难度。具体包括：控制系统计算机辅助设计概述，仿真工具MATLAB与SIMULINK；控制系统的数学模型及其转换；控制系统数字仿真的实现；控制系统的实验分析方法以及仿真实验的分类与性能比较等；控制系统计算机辅助分析和设计；仿真技术的综合应用。总学时32，其中实验学时8。

2.2.1教材的选用

选用的教材为《计算机仿真技术与CAD—基于MATLAB型的控制系统》，该教材强调教学实践的重要性，有利于学生自主学习和动手实践能力的培养。由于该课程实践性较强，因此尽量在有限的课时内，引导学生很好的进入该课程的学习，并培养实验动手能力，本人对教学内容及教学方式进行了一定的探索和實践。

2.2.2教学内容学时安排

理论知识部分主要讲该课程的背景、应用及其发展趋势，控制系统建模的基本方法，数学模型之间相互转换及其实例，常微分方程和差分方程基本的数值积分求解方法，面向系统传递函数的仿真，面向系统结构图的仿真，仿真工具Matlab与Simulink基础及其在控制系统仿真过程中的应用和控制系统仿真的具体实现。

该部分知识主要使学生对控制系统仿真这门课程有一个基本的认识和了解，结合实践课程能够对控制系统进行分析，建模，设计，仿真。该部分知识的重点在于仿真概念，仿真方法以及如何使用仿真工具进行仿真。

其中重中之重是仿真工具的介绍，此部分课程安排学时为8，为上机实践做好重要准备，主要讲解MATLAB的操作与使用，MATLAB的矩阵运算、图形的绘图、数据处理、流程控制、控制工具箱，MATLAB编译器，SIMULINK基础。这一部分内容是学生能够运用仿真工具，授课时，理论联系实际，列举实际案例帮助学生更好地理解理论知识和掌握仿真工具的使用。

实践课时安排：Matlab的基本操作，数值运算，符号运算安排为2个，Simulink工具箱的使用及操作、PID工具箱的应用为2个；验证及工程仿真类的实践课时为4个。如：液位控制或其它控制系统的仿真，直流电机双闭环调速系统的参数仿真优化等等。

3.教学方式的改革

该课程内容涉及内容很广，前续课程有自动控制原理，计算机控制系统等，同时，又为课程设计，毕业设计打下基础。既涉及仿真算法，数值积分方法，又涉及到MATLAB仿真工具的使用，程序的编制。因此在课堂知识的讲解中采用多媒体和板书相结合的方式，同时利用仿真工具进行演示，将理论和实际进行结合，使学生对仿真有一个初步的认识。

实践课程的安排，每次上机实验之前提前一天布置题目，要求上机之前先交实验报告，上机实验时，布置的题目有难有易，针对学生掌握知识的不同程度，要求每个人下课之前必须以电子作业形式交上课堂作业，较难的题目可以留给程度较好的同学练习，有老师进行指导。这样使每个学生都能力通过实践上机巩固自己所学的知识，验证自己的程序。

4.考核方式的改革

该课程采用开卷考试的方式，卷面成绩占总评成绩的70%，结合平时实验上机作业及出勤率给出平时成绩，占总评成绩的30%。这种考核方式在每个环节对学生进行督促，注重理论知识和实际编程能力的考核。

5.结束语

通过对教学内容及教学方式进行改进，利用案例演示激发学生的兴趣，加深了学生对授课内容的理解。通过课堂讲授与实验上机相结合，培养了学生分析与解决工程实际问题的能力。通过学生的反馈，进过该课程的学习，提高了计算机的编程能力，加深了对许多知识的感性认识，提高了实践动手的能力。

参考文献

[1]李国勇，程永强.计算机仿真技术与CAD-基于Matlab的控制系统[M].高等教育出版社，2012（2）.

[2]电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M].机械工业出版社，2012，（1）.

[3]董海棠，冯中毅.“控制工程基础”课程教学改革探索与实践[J].中国电力教育，2009（5）：81-82.

[4]王伟，申爱明.《控制工程基础》课程教学改革研究与探索[J].安徽师范大学学报（自然科学版），2007（3）：139-141.

[5]顾玉萍，石剑锋.MATLAB在《机械控制工程基础》教学中的应用[J].职业教育研究，2007（4）：168-169.

[6]蒙艳玫，黄炳琼，严巳杰.机械工程控制基础课程的实验研究[J].广西大学学报（自然科学版），2006（6）：43-44.

计算机控制课程设计题目第5篇

4、四路同步D/A输出译码电路硬件设计

5、单回路闭环反馈PID数字控制系统硬件及软件流程设计

6、大迟延对象达林控制算法MATLAB仿真，并比较振铃消除前后系统输出的变化

7、给定对象为一阶惯性加纯迟延，设计基于极点配置的全阶状态观测器线性反馈控制算法，并进行MATLAB仿真

8、现代控制理论算法分析设计

9、模糊控制理论算法分析设计

210、基于IC协议的串行通信程序设计

11、基于CAN协议的现场总线双处理器通讯程序设计

212、CAT1161－WDTEROM串行R/W程序设计

13、串行通讯中CRC循环冗余校验方法的程序设计

14、串行通讯中奇偶校验方法的程序设计

15、单回路PID控制系统中数字滤波算法的设计与MATLAB仿真

16、开关量I/O通道中抗干扰措施的分析与可实现方案设计

17、变电站微机监控系统静态数据库设计

18、变电站微机监控系统动态数据库设计

19、变电站单片微机监控器设计

20、变电站单片微机监控器串行通信设计

21、计算机控制系统接地系统设计与可靠性考虑

22、保证计算机控制系统中数据实时性的技术措施分析与设计

23、计算机控制系统容错技术分析与设计

24、提高计算机控制系统可靠性的技术措施与实现方法

25、嵌入式处理器技术及其应用发展

26、基于嵌入式处理器技术的CAN总线通信方案设计

27、基于DSP处理器的电力监控器设计

28、现场总线控制技术工程应用方案设计

29、数字控制系统中模拟量过程参数的检测与数字处理方法设计

30、基于PLC控制器的工程控制方案案例分析与设计

31、采样周期T与量化效应的关系，以及对计算机控制系统的性能影响分析

32、工程过程建模方法机理分析

33、计算机控制系统优化目标函数建立拟合方法分析

34、工程过程性能指标与系统优化目标函数之间的关系分析

35、基于模式识别技术的系统优化目标函数的建立方法分析

36、生物质直燃发电技术分析

37、生物质气化发电技术分析

38、生物质沼气发电综合利用分析

39、生物质料压缩成型过程分析

40、生物质循环流化床锅炉气化燃烧技术分析

41、生物质气化发电焦油脱除技术分析

计算机控制技术课程设计题目第6篇

设计内容

电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行温度控制，要求控制温度范围50-350℃,保温阶段温度控制精度为±1℃。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。其对象温控数学模型为：

Kdes G(s)Tds1其中：时间常数Td350秒，放大系数Kd=50，滞后时间=10秒控制算法选用改进的PID控制。

设计步骤

一、总体方案设计

二、控制系统的建模和数字控制器设计，必须要有相关控制算法的完整叙述（此部分为课程设计重点）

三、硬件的设计和实现

1.选择计算机机型（采用51内核的单片机）；

2.设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等）3.设计输入信号接口电路； 4.设计信号输出控制电路；

5.其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）

四、软件设计

1.分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；

2.编写A/D转换和位置检测子程序框图；

3.编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图；