加热炉的智能温控仪表设计.docx
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加热炉的智能温控仪表设计
加热炉的智能温控仪表设计
摘要
电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类
工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。
对于这样一个具有非线
性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数
学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。
单片机以其高可靠性、高性能
价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到
广泛应用。
采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。
近年来随着科技的飞
速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动温度控制检测的日新月异。
在自动控制
和实时检测的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个主要部件来使用。
我们设计的内容为加热炉的智能温控仪表设计。
本设计介绍了采用STC89C51芯片、A/D
转换、LCD显示技术以及AD590温度传感器等组成的智能电加热炉定时控制系统的设计方法和
工作原理。
该设计给出了单片机测量温度的基本电路，分析了测量算法，给出了软件流程图，
并汇出了部分汇编的原程序。
噪音小，电路简单可靠，使用效果非常好。
传感器将模拟信号输
送给芯片ADC0809，进行A/D转换把模拟信号转换成为数字信号,能一目了然被测物体温度的
LED数码显示温度计。
在当今重视环境和提高人民生活水平的氛围下，温度的准确测量影响着人们的生活和生
产，准确快速的测出物体温度然后对温度进行有效的控制是必要的，所以对定时控制的研究具
有重要的理论意义和实际应用价值。
关键字：
智能仪表；加热炉；温度控制系统；单片机
第1章绪论3
第1章绪论
1.1加热炉的智能温控仪表设计系统的目的和意义
加热炉在冶金、化工等工业生产过程中广泛地使用，加热炉的温度是生产工艺的一项重要
指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。
热处理加热炉是一种能改善金属材料及其制品
（如机器零件、工具等）性能的工艺。
本设计介绍了智能电加热炉定时控制系统的计算机控制过
程。
实现了全数字化的控制。
系统具有实时显示温度，超限报警，在指定的时间内进行智能温
度控制。
根据加热炉温度控制过程的特点和要求研制了具有定时控制和温度智能控制的微型计
算机炉温控制系统，编制了基于单片机平台的控制程序。
系统能按照输入的控制时间、温度自
动实现炉温状态的长期实时准确的智能控制,系统由STC89C5151单片机，LED数码显示管，
ADC0809模数转换器，AD590温度传感器，独立式键盘，故障声光报警等电路组成。
系统具有
结构先进合理、控制精度高、抗干扰能力强、功能完善、通用性好、价格低，调试和使用方便、
控制方案合理、稳态精度高、超调小、结构简单等特点。
由于现代工艺越来越多的需要对实时温度进行监测和控制，而且需要的精度越来越高。
所
以温度控制系统国内外许多有关人员的重视，得到了十分广泛的应用。
温度控制系统发展迅速，
而且成果显著。
温度控制系统是利用下位机设置温度上下限，和实时温度的采集，传输到上位机。
以达到
对温度的比较、控制。
本设计用MCS51单片机为主要硬件，并设计了相应的复位电路，振荡器
和时钟电路。
为实现设计目的此设计还设计了包括温度采集，温度显示，系统控制，串口通信
等外围电路。
而且对所设计电路给出了相应的软件设计，包括定时器初始化，串行口初始化和
数据传输等程序。
以简单说明了温度控制系统的工作原理。
随着单片机技术的迅猛发展,用单片机来作实时处理已成为当今和未来技术发展的一个新
热点。
由于工业过程控制的需要,温度控制器的应用也十分广泛。
如何设计出控制精度高、满
足生产高质量要求的温度控制器已成为目前的研究热点之一。
本文以常规电阻工业加热炉为背
景,设计了一个基于AT89C51单片机的多回路温度控制器。
由于温度控制系统为纯滞后系统,
纯滞后会引起系统的不稳定或降低系统的工作性能。
如果进一步改善,本系统可以应用到大多
数需要温度检测与信号处理的工业以及商业应用领域当中
1.2国内外研究现状
电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控
制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。
对于这样一个具有非线性、大
滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，
因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。
单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、
智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。
采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自
动化水平。
单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口
和中断系统集成于同一硅片的器件。
单片机发展迅速，各类产品不断涌现，出现了许多好性能
新兴机种，现已成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。
由于生产工艺和设计能力的不
断提高，单片机也在向着更高集成化、更多位多功能，更强化处理控制问题的能力、更快的运
算速度、更廉价低功耗、更兼容开发和更好的软件固有化的方向发展。
单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断增加，功能不断加强，其应
用领域也迅速扩大。
单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面
都有相当的应用领域。
当前，8位单片机主要用于工业控制，如温度、压力、流量、计量和机
械加工的测量和控制场合；高效能的16位单片机（如MCS-96、MK-68200）可用在更复杂的计
算机网络。
单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和单片化，简化一些专用接口电路，
如编程计数器、锁相环（PLL）、模拟开关、A/D和D/A变换器、电压比较器等组成的专用控制
处理功能的单板式微系统。
随着电子技术的飞速发展，电子控制器件不断向着小型化、智能化
方向发展，同时可应用性不断提高，单片机由于具有集成度高、功能强、通用性好、可应用性
高、抗干扰能力强、体积小、使用方便灵活等特点，无论是在国防工业、通讯尖端技术领域，
还是在智能仪器、民用电器中都使用的越来越多。
可以说，微机测控技术的应用已渗透到国民
经济的各个部门，微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新的有效途径。
1.3研究内容及创新点
本设计主要研究智能加热炉定时控制器系统，通过处理数据的单片机，转化数据的A/D
转换器，采集数据的温度传感器，安全报警，键盘电路，输出显示的显示器等硬件设施和一些
程序等软件设施实现自动化控制。
控制过程中应用先进的传感器技术和A/D转换技术。
使得设
计结果稳态精度高、超调小、调试方便、抗干扰性强。
1.4本章小结
本设计以单片机STC89C51为核心，与温度传感器和数据转换器等相结合，通过软件实行
智能控制。
它具有高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点。
控制器采用新
型的智能控制算法，因而系统升温快，控温精度高，稳态误差可达±2℃以内，满足系统要求。
整个系统操作简便,抗干扰能力强、运行可靠。
本章对设计进行初步介绍，对智能电加热炉定
时控制系统的目的和意义，国内外研究现状，论文研究内容及创新点进行简单介绍。
使得对本
设计有初步了解。
第2章加热炉的智能温控仪表设计硬件选择
智能电加热炉定时控制系统主要分为硬件部分和软件部分，这章主要论述硬件的选择，本
设计用到的硬件部分主要有采集数据的温度传感器，转化数据的A/D转换器，处理数据的单片
机，键盘电路，安全报警电路和输出显示的显示器。
2.1设计理念与思路
在现实社会中，温度、湿度等变化量的自动化控制已经得到了充分的使用，在工业生产
中占据了较高的比例。
其中的控制方法较多使用了闭环控制系统。
闭环控制系统（closed-loopcontrolsystem）
的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭
环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈
（NegativeFeedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称
负反馈控制系统。
闭环控制系统的例子很多。
比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，
眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。
如果没有
眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。
当一台的全自动加热炉具有能连续
检查温度是否合理，在温度达到合理要求之后能自动调节电源，它就是一个闭环控制系统。
2.2功能及技术指标：
⑴加热炉由2kW电炉丝加热，最高温度为150°C。
⑵加热炉的温度可以设置，恒温控制过程为设置的温度，温度控制误差≤±2°C。
⑶可以实时显示设置温度和实际温度，显示精度为1°C。
⑷当实际温度超出设置温度±5°C时发出报警
⑸采用STC89C51单片机和12Hz的晶振；采用AD590温度传感器。
⑹采用比例控制、并用晶闸管移相驱动加热炉（电源电压为AC220V）。
控制方式
•比例控制
比例控制的原理可以用图1来说明。
图中，B为进水阀，进水阀的开启程度受电压u控
制，即电压u越大，B的开启程度越大；电压u越小，B的开启程度就越小。
图中，A为一个水位传感器，用于指示水位的变化。
设e为水位传感器输出的水位的变化
量，如果把e作为某控制单元的输入量，电压u作为输出量，那么；u随e变化的关系，可用
a
图中的两个相似三角形表示。
由图中的这两个相似三角形可推得：
u=
e=Kp
e。
式中，Kp
b
是比例系数，是个确定的值。
如果把u作为进水阀的控制信号，那么可知，进水阀的开启程度随e按比例Kp变化。
图1比例控制的原理图
•晶闸管移相驱动
晶闸管一般有两种触发方式，即移相触发和过零触发。
所谓移相触发，就是通过改变晶闸
管的触发角度来控制晶闸管输出电压的一种触发方式；或者说，移相触发是通过改变交流电的
导通角（或导通相位），来改变晶闸管输出的一种触发方式。
在这种触发方式中，晶闸管可在
交流电的不同相位被选通。
由于移相触发可在交流电的任何相位选通晶闸管，因此容易产生电
磁和高频干扰，所以在不允许产生电磁和高频干扰的场合，可采用过零触发。
但过零触发不适
用于对输出量的连续控制系统。
如果对晶闸管采用过零触发方式，则可采用过零触发电路（或过零触发器）；如果对晶闸
管采用移相触发方式，可采用移相触发电路（或移相触发器）。
目前，市场上已有智能型可控
硅触发器，能以自动方式或手动方式对单向或双向可控硅进行过零或移相触发，实现可控硅的
调压控制。
其中，移相触发方式是通过改变可控硅导通角大小，调节负载两端的电压，从而调
节负载的加热功率；而过零触发方式是通过改变可控硅在一定周期内的通断时间，来调节负载
的加热功率。
2.3选择温度传感器
现代信息技术的三大基础是信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理
（计算机技术）。
传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生
产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。
近百年来，温度传感器的发展大致经
历了以下三个阶段；
（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；
（2）模拟集成温度传感器／控制器；
（3）智能温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正由模拟式向数字式、由集成化向智能化、
网络化的方向发展。
集成温度传感器的产品分类：
模拟集成温度传感器：
集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器
或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器
集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的
主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、
微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
它是目前在国内
外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。
模拟集成温度控制器：
模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型
产品有LM56、AD22105和MAX6509。
某些增强型集成温度控制器（例如TC652/653）中还包含了
A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。
但它自成系统，工作时
并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。
智能温度传感器：
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能
温度传感器系列产品。
智能温度传感器发展的新趋势：
进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全
性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
本文将传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感
器探测炉内温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。
传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现
自动测量、信息处理和自动控制。
传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系
统的性能。
因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经
过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用
实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来。
传
感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都
在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。
温度传感
器就是其中重要的一类传感器。
传感器是借助于检测元件，接受一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的
装置。
它获取的信息，可以是各种化学量和生物量，物理量，而转换后的信息也有各种形式。
目前大多数的传感器将获取的信息转换为电信号。
具体本设计用到的温度传感器,由于温度分
布范围极宽，加上被测对象繁杂、多样，因此只能根据不同的温度范围和不同的被测对象，适
当的选择不同的传感器。
传感器从原理上分为：
热阻变化、热电效应、P-N结电压变化、频率变化、晶体管特性变
化压电效应、热辐射等多种。
其中又分为接触式和非接触式，非接触式如：
热辐射传感器、红
外测温传感器，它们通常用于高温测量，如：
炼钢、炼铁炉内的温度测量。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口
电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并
且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
传感器的主要性能参数有：
线性度，线性度传感器测出的输入、输出曲线与某以规定直线不吻合的程度，称为非线性
误差，或称为线性度，如图2-1所示。
在输出特性与规定直线间，垂直方向上的最大偏差与最
大输出的百分比，即为非线性误差。
线性度的考虑在选择传感器中很重要，采用线性度高的传
感器，在电路上处理较方便，测量精度也高。
而线性度不高，则需要加入线性转化的硬件或在
软件中处理。
测量范围（量程），各种传感器都有一定的测量范围，超过规定的测量范围，测量结果会
有较大的误差或造成传感器的损坏。
有的传感器允许过载（即允许超过测量范围），但过载范
围不作为测量范围。
在选用传感器时，传感器的测量范围应稍大于实际测量范围，以防止万一
超量程时，不致损坏传感器。
其它如：
重复性，滞后（迟滞），精确度（精度），灵敏度（传感器系数），零点温度漂移，
灵敏度漂移，零点时间漂移，工作环境条件，响应速度等参数应该综合考虑。
图2-1传感器的线性化曲线
综上所述，设计为日常生活测温，再考虑小型化，使用方便，故选择晶体管特征变化的集
成传感器为最佳，它是温度传感器（热敏晶体管）、放大电路等后续电路，利用集成化技术做
在同一芯片上的功能器件，这种传感器输出信号大，与温度有较好的线性关系，小型化、成本
低、使用方便、测温精度高，得到广泛的使用。
再根据设计所要求的测量范围，选择了比较常
用的AD590单片集成温度传感器。
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
图2-2为其接线图
图2-2AD590接线图
它的主要特性如下：
1、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
2、AD590的电源电压范围为4V～30V。
电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于
温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
3、输出电阻为710MW。
4、精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，
非线性误差为±0.3℃。
2.4选择A/D转换器
选择适当的A/D转换器，主要从它的性能指标中来选择。
对于任何一个转换器都有：
转换时间、分辨率、增益误差、非线性误差、量化误差、偏置
误差、精度误差、失码和单调性等各项性能指标。
转换时间是完成一次A/D转换所需要的时间,指从启动转换开始到获得相应数据所需总时
间。
分辨率是指使A/D转换器输出数字量最低位变化1时所对应的输入模拟电压变化的大小值，
用位数来表示，即通常我们说的几位数模转换器。
根据本设计的要求，测温量程为150℃，精
度为1℃以上。
若使用8位A/D转换器，则Nm为28，Am-Ao为200℃。
用温度范围150℃除以
256（即每个十六进制数的温度增长率），然后乘以模拟转换的数字量，即得到升高的温度，结
果极可能大于0.5℃。
这样温度每次的变化大于0.5℃。
显然精度不满足要求。
同理计算，选
用12位的A/D转换器，它的Nm为212，经计算满足此精度要求。
其余几个指标为A/D内部转换误差，在考虑要求和价格的同时，尽量选用误差小的转换
器。
温度是一个变化比较稳定的量，且选用的传感器中已经有滤波、放大电路。
所以我们选择
了价格比较适中的，能满足设计要求精度的ADC0809。
ADC0809：
本设计使用的ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换芯片，片内有模
拟量通道选择开关及相应的通道锁存、译码电路，A/D转换后的数据有三态锁存器输出，由于
片内没有时钟须外接时钟信号。
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出
锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行
转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出
锁存器取走转换完的数据。
如图2-3为该芯片的引脚图。
图2-3ADC0809引脚图
各引脚功能如下：
INO~IN7：
八路模拟信号输出端。
D0~D7：
数字量输出端。
ADD-A、ADD-B、ADD-C：
三位地址码输入端。
八位模拟信号转换选择由这三个端口控制。
CLOCK：
外部时钟输入端（小于1MHz）。
OE：
A/D：
A/D转换结果输出端。
当OE为高电平时，允许A/D转换结果从D0~D7端输出。
START：
启动A/D转换信号输入端。
当START端输入一个正脉冲时，将进行A/D转换。
Vref（+）、Vref（-）:
正负基准电压输入端。
基准正电压的典型值为+5V。
ALE：
地址锁存器允
许信号输入端。
八路模拟通道地址由A，B，ALE信号有效时将八路地址锁存。
EOC：
A/D转换结束信号输出端。
当A/D转换结束后，EOC输出高电平。
Vcc和GND：
芯片的电
源端和地端
A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，引脚图如图2-3所示。
温
度、烟雾传感器的输出分别接到ADC0809的IN0和IN1。
ADC0809的通道选择地址A，B，C分
别由89C51的P0.0～P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。
当P2.7=0时，与写信号WR共同
选通ADC0809。
图中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿
启动转换。
例如，输出地址7FF8H可选通通道IN0，实现对温度传感器输出的模拟量进行转换；
输出地址7FF9H可选通通道IN1，实现对烟雾传感器输出的模拟量进行转换。
图中ADC0809的
转换结束状态信号EOC接到89C51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示
转换结束，产生中断。
在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。
ADC0809应用说明：
ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。
初
始化时，使ST和OE信号全为低电平。
送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
在ST
端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。
当EOC
变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
2.5选择单片机
2.5.1核心部件单片机的选择
单片机系统（SystemOnChip）是21世纪一项高新科技产品。
它是在芯片上集成一个系统
或子系统，其集成度将高达108~109元件/片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。
以AT89C51单片机为该控制系统的核心，实现对温度的采集、检测和控制。
单片机是一种集成
电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断
处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O
口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽
调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片
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