施密斯算法控制电炉温度

武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书

1 1系统的描述与要求

1.1系统的介绍

该系统的被控对象为电加热炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0~5伏时对应电炉温度0~500℃；，温度传感器测量值对应也为0~5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶惯性系统。

该系统利用单片机可以实现温度智能控制。它采用温度传感器将检测到的实际炉温进行A/D转换，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按达林算法进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行施密斯预估控制算法和终端处理（各参数数值的修正）及显示。

1.2技术指标

设计一个基于达林控制算法的电阻炉温度控制系统具体化技术指标如下：

1.电阻炉温度控制在0~500℃；

2.加热过程中恒温控制，误差为±2℃；

3. LED实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为1℃；

4.采用达林控制算法，要求误差小，平稳性好；

5.温度超出预置温度±5℃时发出报警。

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2 2方案设计

本温度控制系统为一典型的反馈式系统，其设想的系统框图如下。

图1系统框图

整个系统由四个部分组成，即：AT89C51单片机作为系统的微处理器来完成对炉温的智能控制，AT89C51单片机应用广泛，性能高。温度测量变送部分采用温度传感器采用MAX6675进行当前电阻炉温度的采集，MAX6675结构简单，集成了信号放大，冷端补偿，及线性化A/D转换测温范围及精度也满足设计要求；执行机构部分采用了可控硅调功电路来实现，连接MOC3021及驱动器即可完成控制，通过改变可控硅的导通角改变输出电功率而改变电阻炉的温度；显示部分了连接74HC00通过LED7位数码管，可将温度控制结果输出，其中前两个数码管显示设定控制温度，后两个数码管显示当前温度。工作时，温度由集成温度传感器MAX6675转换成电压信号，在MAX667内部由热电偶输出的热电势经放大，再经过电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端，此信号与温度的给定值比较得到温度的偏差，通过施密斯预估控制算法，此控制量经可控硅控制加在电阻炉上的电压的通断时间以达到温度控制的目的。

图2硬件结构框图

系统的给定值、达林控制算算法的参数由键盘输入，并可以随时修改，给温度和采样温度同时显示在LED上。 　　　　AT89C51ＭＡＸ６６７５温度控制温度显示输出炉温控制输出报警装置武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书

3 3 硬件电路设计

硬件电路的设计依照系统的控制过程进行：首先由MAX6675集成芯片组成的检测现场温度的温度采集电路，然后将检测的现场的温度送至单片机并与给定值进行比较，然后根据比较的结果按已定的施密斯预估控制算法决定系统要采取的控制行为，这是在单片机内进行的，最后是系统对执行机构发出控制信号完成控制，这是由可控硅调功器电路实现的。另外在电路中加了显示部分和报警部分。

3.1温度采集电路

本系统选用了Ｋ型热电偶作为炉温测量传感器，热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单，制造容易，使用方便，测温范围宽，测温精度高等特点。但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题：1）非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。 2）冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0℃时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿。 3）数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然法直接满足这个要求。因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号放大。A/D转换。查表线性线。温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大。冷端补偿。线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。

Maxim公司新近推出的MAX6675即是一个集成了热电偶放大器。冷端补偿，A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。不需外围电路、I/O接线简单、精度高、成本低。MAX6675集成了滤波器、放大器等，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，将K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量，分辨率0.25℃,测量范围是0℃～ 1024℃，满足题目要求。

MAX6675各引脚的功能：

--T：热电偶负极（使用时接地）

+T：热电偶正极

SCK：串行时钟输入 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书

4 CS：片选信号

SO:串行数据输出

MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T和T-输入端连接到低噪声放大器,以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器放大，再经过电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。对于K型热电偶，电压变化率为41μV/℃，电压可由线性公式Vout=(41μV/℃)(tR-tAMB)来近似热电偶的特性。上式中，Vout为热电偶输出电压(mV),tR是测量点温度；tAMB是周围温度。

图3 温度集成电路图

系统中我们将MAX6675的5，6，7口分别连接AT89C51芯片的P2.4，P2.5，P2.6，当P2.5为低电平并且P2.4口产生时钟脉冲时，MAX6675输出转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3为相应的温度转换数据。当P2.5为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。

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5 3.2单片机电路

温度控制系统核心为AT89C51单片机，其带有4KB的EEPROM，是一种低电压，高性能的单片机。具有４组可编程的I/O口，其中P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，编程时作为原码输入口，校验时，输出原码，在温度控制系统中P0口连接数码显示管显示实测的温度值；P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，在编程和校验时，作为第八位地址接收；P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，在编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号，在温度控制系统中，将其P2.0至P2. 2个端口连接74HC00驱动LED显示温度值；P3口为8个带内部上拉电阻的双向I/O口，同时也偶一些特殊功能，我们所使用到的P3.6/WR可作为外部数据存储器写选通，P3.7/RD可作为外部数据存储器读选通，在温度控制系统中，将P3.6端口可连接控制电路输出控制量改变电阻炉温度；RST口为复位输入；XTAL1口为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；XTAL2口为反向振荡器的输出，后向电路连接频率为11.0592MHz的晶振。

图４ 单片机电路 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书

6 3.3 温度控制电路

本系统中AT89C51单片机对温度的控制是通过可控硅调功器电路实现的，采用定周期控制方式，控制周期5cT秒，即250个电网周波。由电阻炉平均输出功率250mnpp，其中mp电阻炉全导通时功率，n为导通周期数，所以p与n成正比，也就改变了p和温度。

电阻炉的发热体就是电阻丝，双向可控硅管与电阻丝串联在220V交流电中，在定周期控制方式中，电阻炉平均输出功率250mnpp，则在给定的周期内，AT89C51单片机只要改变可控硅的导通周期便可以控制其输出平均电压，从而改变电阻丝的功率，以达到调节温度的目的。可控硅的接通时间可以通过控制极上的触发脉冲控制，该脉冲可以通过软件在单片机P3.6口上产生，经过了零同步脉冲同步后经过光耦管MOC3031和驱动器即可输出到可控硅的控制极上。

图５ 温度控制电路

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7 3.4 报警电路

在系统中设计报警电路是很重要的，在本系统中检测的温度信号高于500℃或低于0℃时发出警告信号，通知操作人员采取相应的措施。越限报警是工业控制过程中常见而又实用的一种报警形式，他分为上限报警，下限报警和上下限报警。如果需要判断的的报警参数是nX，该参数的上下限约束值分别为maxX和minX，则上下限报警的物理意义如下：

1）上限报警：若nX>maxX，则上限报警，否则继续执行原定动作

2）上限报警：若nX

3）上下限报警：若nX>maxX，则上限报警，否则对下式做判别：nX

保证性能好、结构简单、适用，所以选择鸣音报警。鸣音报警接口由两种：一种是蜂鸣音报警接口，另一种是音乐报警。本系统选用蜂鸣音报警接口。压电式蜂鸣器需10mA的驱动电流，因此可以使TTL系列集成电路74LS244低电平驱动，驱动器的输入端接入8051的P2.7。当P2.7输出高电平“1”时，74LS32输出为低电平为“0”时，使电压蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣音。当P2.7端输出低电压停止,而不产生蜂鸣音。

在温度控制系统，将检测到的温度与规定数值的范围进行比较，如果超出了规定值数值的范围，在单片机内进行操作控制P3.6口的输出进而控制报警电路的动作。

图6 蜂鸣音报警电 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书

8 3.5 LED显示电路

系统控制的温度恒温值为0℃-500℃，因此需要使用三个数码管来显示。LED显示部分使用了4个并列的7段两位数码管，显示现场采集的温度，温度控制系统中我们选择MAX7221，MAX7221为紧凑的串行输入/输出共阴极显示驱动器，用于连接微处理器(µP)与8位7段LED数码管显示器、条形图显示器或64个独立的LED。器件内置BCD B码译码器、多路复用扫描电路、段和位驱动器以及存储每位数字的8x8静态RAM。只需一个外部电阻即可设置所有LED的段电流。MAX7221兼容于SPI™、QSPI™以及MICROWIRE™接口，段驱动器带有摆率限制，以降低EMI。便利的4线串行接口可以连接所有通用µP。可对每位数字单独寻址和更新，无需重新写入整个显示器。MAX7221还允许用户为每位数字选择B码译码或非译码方式。器件具有150µA低功耗关断模式、模拟和数字亮度控制、允许用户显示1至8位数字的扫描限制寄存器以及强制点亮所有LED的测试模式

本系统中Din引脚是串行数据输入端，接至P2.0口，数据存入内部16位移位寄存器，CS为片选信号接至P2.1口，CS=0时，串行数据存入移位寄存器。

图7 LED显示电路