电阻炉温度控制系统设计(9)

电阻炉温度控制系统设计

如图2-9所示有4个中断源INTR3～INTR0，均为低电平有效，如表2-3所示；74LS148为8-3优先权编码器。外部4个中断源的中断请求分别介入74LS148的输入端IN3～IN0。74LS148对8 分中断源的申请进行优先权的排队，经排队后产生相应的矢量代码A2～A0送至AT89S51的P1.2～P1.0。其中INTR3的优先权最高，INTR0最低。当有多个中断同时发生时，编码器只对优先权最高的中断源做出反应，并输出其矢量代码。任意一个中断源有请求均可通过74LS148的GS输出端加到INT1引脚上，向CPU发出中断请求。

表2-3 5个中断源对应的中断矢量（74LS148提供）

输入 中断矢量 输入 中断矢量

INTR3 03H INTR2 04H INTR1 05H INTR0 06H

根据上述中断源的优先权高低，按键S3～S0分别对应74LS148的输入端IN3～IN0，即按键S3的优先权最高，S0的优先权最低。所以由优先权决定的按键S3～S0在功能上依次为设置键、确定键、移位键、加一键。

2.5.2 显示电路设计

由于AT89S51没有LED数码显示，由于需要，因而必须扩展这一功能。选择直接接8段LED数码管的方法来扩展这一个功能，又由于AT89S51的输出电流较小，不能驱动LED正常显示，故用4支NPN三极管对微控制器输出电流进行放大后输入LED，用以驱动LED并保证LED的亮度。动态扫描显示由微控制器控制，显示模块主要负责设定和运行过程时的温度显示。其电路连接如图2-13所示。

2.5.3 报警电路设计

采用蜂鸣器和三极管来构成报警电路，当温度超过温度上限（超过设定值20℃）时报警。微控制器I/O引脚输出的电流较小，微控制器输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。通过一个三极管来放大驱动蜂鸣器，原理图见图2-14。

- 20 -

四川理工学院本科毕业（设计）论文

12345678DPYaabcfbgdeecdfdpgdp12345678DPYaabcfbgdeecdfdpgdp12345678DPYaabcfbgdeecdfdpgdp12345678DPYaabcfbgdeecdfdpgdpQ1Q2Q3Q4 1234567891011121314151617181920P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4AT89S51P1.5P1.6P1.7RSTP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCNPNNPNNPNNPN VCCP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7EA/VPPALEPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A84039383736353433323130292827262524232221R84.7kR94.7kR104.7kR114.7kR7300 *8

图2-13 显示电路

图2-14 报警电路

P1.6VCCR131KSPEAKERQ5PNPSP1蜂鸣器的正极接到VCC（＋5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R13后由微控制器的P1.6引脚控制，当P1.6输出高电平时，三极管截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P1.6输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P1.6脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。

- 21 -

电阻炉温度控制系统设计

2.6 硬件抗干扰措施

硬件抗干扰是应用系统最基本和最主要的抗干扰手段，一般从防和抗两方面入手来抑制干扰。其总的原则是:抑制或消除干扰源，切断干扰对系统的藕合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。对于本系统，硬件抗干扰设计具体措施有:隔离、接地等常用方法。

(l)隔离主要用于过程通道的隔离。光电耦合器能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，提高信噪比。在输入、输出通道采用光电藕合器将控制系统与外围接口隔离；

(2)接地接地应遵循的基本原则是:数字地、模拟地、屏蔽地应该合理接地，不能混用。要尽可能地使接地电路各自形成回路，减少电路与地线之间的电流耦合。合理布置地线使电流局限在尽可能小的范围内，并根据地电流的大小和频率设计相应宽度的印刷电路和接地方式。模拟电源和数字电源各自并接0.luF的陶瓷电容(去耦电容)。

- 22 -

四川理工学院本科毕业（设计）论文

第3章 控制算法

3.1 PID控制

PID是生产过程中最普遍采用的控制算法，在冶金、机械、化工等行业中得到广泛应用。由于控制理论本身面临着一些改进和提高。尽管大量新的控制算法不断涌现，但常规的PID及改进的PID控制算法仍广泛应用于工业控制领域。

3.1.1 PID控制的发展

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，现今使用的PID控制器产生并发

展于1915～1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进的控制方法不断推出，但由于PID控制方法具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定，P、I、D控制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合，而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累了大量的PID控制器参数的调节经验。因此，PID控制器在工业控制中仍然得到广泛应用。据统计，有90%以上的工业控制器采用PID控制器。

PID控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展。

3.1.2 PID控制理论

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(O)与实际输出值只O构成控制偏差e(t):[13]

e(t)=r(t)-y(t) (3-1)

将偏差e(t)的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，因此称为PID控制。PID控制系统原理如图3-1所示。

其控制规律为

- 23 -

电阻炉温度控制系统设计

?1 u?t??KP?e?t??TI?

?t0e?t?dt?TDde?t??? (3-2) dt?图3-1 PID控制系统原理框图

或者写成传递函数的形式为

??1G?s??KP?1??Ts?TsD?? (3-3)

I??式中 KP—比例系数；

TI—积分时间常数； TD—微分时间常数。

PID控制器各校正环节的作用如下:

(1)比例环节 即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；

（2)积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，TI越大，积分作用越弱，反之则越强；

(3)微分环节 能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

3.1.3 PID控制算法

由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，(3-2)式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。现令T为采样周期，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以累加求和近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，做如下的近似变换: [1]

- 24 -