电加热炉温度控制系统硬件设计毕业设计论文.docx

电加热炉温度控制系统硬件设计毕业设计论文.docx

《电加热炉温度控制系统硬件设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电加热炉温度控制系统硬件设计毕业设计论文.docx（84页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电加热炉温度控制系统硬件设计毕业设计论文

毕业设计（论文）

题目电加热炉温度控制系统硬件设计

英文题目TheHardwareDevelopmentforControllingTemperatureofanElectronicHeatingFurnace

摘要

本文以电加热炉的温度控制为被控对象，通过对电加热炉的温度控制对象特性的分析来确定电加热炉的温度控制硬件系统的设计和控制方案。

冶金、化工、机械各类工业控制中，电加热炉得到了广泛的应用，其温度控制具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点。

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ATMELAT89C52芯片和通过控制过零触发型固态继电器的通断比，来控制输入到加热炉的功率，从而达到控制温度的目的。

测量部分是采用铂銠10-铂热电偶。

为了在工业现场应用中具有较强的抗干扰能力,采取了一系列抗干扰措施。

以单片机为核心,采用温度变送器和固态继电器控温电路,实现对电炉温度的自动控制。

该控制系统具有硬件成本低、控温精度较高、可靠性好、抗干扰能力强等特点。

有较高的适用价值和理论价值。

关键字

电加热炉温度控制；AT89C52；PID闭环控制；铂銠10-铂热电偶；SSR

Abstract

Thispaperwiththetemperaturecontrolofelectricheatingfurnaceforthecontrolobject,byvirtueoftheobjectcharacteristicofanalysisfortemperaturecontrolofelectricheatingfurnacethentocertainthehardwaresystemofdesignandcontrolsolutionsfortheheatingfurnace.Inallwalksofcontrolrealms,forexample:

Themetallurgy,chemicalengineering,machineandotherindustrycontrolfield,electricheatingfurnacegotanextensiveapplication,itstemperaturecontrolhascharacteristicsofnon-linear,biglag,biginertial,time-variableandwarmupunilateralismetc.UsebidirectionalSCRthatTraditionalwaytocontroltemperatureofheatingfurnaceisaphaseshiftstylethichmakenodoubtofcouldcontroltemperatureautomaticallybutbeprovedtothatcouldproducethefearfulnessintermediatefrequencyinterfereresultinacommondisastertopowersystemduringtransportatiion.Onthecontrarycontrol,byusingmicro-chipcomputerassortwiththeslidestateraley（SSR）tocontroltemperatureisasteady,reliableandadvancedwayfortheintactsinewavewhichcouldn'tdisturbthepowersystem.Inordertoreduceandbesureofhighprecision,weuseATMELAT89C52micro-chipcomputer,whichbeproveawonderfulabilityofanti-jaming,tocontrolthepowerofradiationresistancewhichcouldinfecttemperaturedirectlybyordertheproportionofON/OFFofSSR,Themeasurementpartweselectthethermocouple（platinumrhodium10-platinum）todetectthevariabletemperature.andtoachiveautomaticcontrol.Thiscontrolsystempossessstrongpointoflowcost,highcontrolaccuracy,goodreliabilityandgoodresistancetointerferenceetc,soithavesomeworthwhiletoputonapplication.

Keywords

electricheatingfurnace；AT89C52；PIDclose-loopcontrolthermocouple（platinumrhodium10-platinum）；SSR

摘要与关键词..........................................................I

英文摘要与关键词.....................................................II

绪论..................................................................1

1.系统总体方案设计...................................................3

1.1系统的设计原则.................................................3

1.2系统的设计步骤.................................................3

1.3系统的工程设计与实现...........................................3

1.4系统的总统方案设计.............................................4

1.5硬件的工程设计与实现...........................................4

2．电加热炉温度单片机控制系统设计....................................6

2.1系统概述........................................................6

2.2系统的总体结构..................................................6

2.3系统的基本工作原理..............................................6

2.4系统的技术指标..................................................7

3．温度控制硬件系统设计..............................................8

3.1硬件电路的设计系统规范...........................................8

3.2芯片功能介绍....................................................8

3.3分模块详述系统各部分的实现方法.................................20

3.3.1温度采集电路...............................................20

3.3.2控制芯片...................................................22

3.3.3加热器控制电路.............................................27

3.3.4抗干扰电路（看门狗电路）....................................28

3.3.5A/D转换器.................................................29

3.3.6温度检测和变送器...........................................34

3.3.7固态继电器控温电路.........................................35

4．系统软件与模型...................................................39

4.1数学模型建立...................................................39

4.2控制系统的算法设计.............................................39

4.3编程模型及数据结构.............................................40

4.4软件设计.......................................................41

5．系统实现技术....................................................42

5.1硬件调试.......................................................42

5.2软件调试.......................................................42

结论................................................................43

致谢................................................................44

参考文献............................................................45

附录1源程序.......................................................46

附录2硬件电路总图.................................................59

绪论

单片微型计算机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中扮演着各式各样的控制角色。

随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样性，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。

在科研、生产中，常常需要对某些系统进行温度的监测和控制。

需检测和控制的温度系统一旦确定，其热惯性大小和散热等各项硬件条件就确定了。

这时，影响系统热平衡的因素主要有：

系统温度T、设定温度Ta、系统周围的环境温度Ts以及加热方式和调节方法。

目前已有的实现温控的方法有很多种，如:

恒温法、比例式、积分式及其组合的调节方法等等，其中有的方法达到热平衡需要的时间很长，但是其控温精度很高，而有的是达到热平衡的时间短，但其控温精度却不够高。

本文介绍如何用单片机模型来实现系统温度的自动控制。

用这种方法控温，使整个系统灵活、可靠性高，系统达到热平衡较快，而且精度也比较高，融合了前面列举方法的优点，而且更加简单方便。

本文主要介绍单片机在温度控制中的应用，该控制系统具有硬件成本低、控温精度较高、可靠性好、抗干扰能力强等特点。

而采用单片机对加热炉进行自动控制，不但可以克服上述缺点，而且减轻工作人员的负担。

提高企业的经济效益。

电加热炉以其无污染、操作方便、自动化程度高、出力稳定切出力可调范围大、节省基建投资等诸多优点逐渐受到人们的欢迎。

但这其中对温度的控制上不是很理想，温差大、温度控制精度不准确。

针对这一情况。

近年来，不少人对微机温度控制这一课题进行研究。

一般的电加热炉温度控制系统（如温度控制表控制接触器）的主要缺点是温度波动范围大。

传统的以普通双向晶闸管（SCR）控制的高温电加热炉采用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”。

他们的工作多数是采用时间比例控制及改善比例温度控制规律进行的。

这种控制温度系统能使温度稳定在某一具体值上（热平衡状态）,但当某作用量发生变化时（如电源电压变化时）被控温度虽然能达到新的平衡状态,但是永远也回不到原来的给定值上,这是P控制的致命弱点,即有静差（或称稳态偏差）,如果在P控制基础上增加I控制,则可消除其静差,再增加D控制,则能够提高控制系统抗外界干扰的能力.这即本论文所要研究的PID控制方法。

电阻炉炉温控制系统的研究方向是：

热电偶对炉温进行检测，经A/D转换芯片得到相应的数字量，经过单片微机AT89C52进行数据转换，得到应有的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。

电加热炉是一个非线性的、时变的、分布参数的复杂被控对象。

要实现其最优控制，必须建立被控对象的数学模型，然后求取相应的控制器方程。

普通的电加热炉是一种常见的设备。

在其控制系统中，温度控制是其中的关键部分，目前国内电加热炉普遍采用PID模拟控制算法，而这种算法一般温差大，很难保证温度控制在≤±1℃，温度是工业控制对象中的主要被控参数，特别是在冶金、化工、机械、检定计量等领域，广泛的使用着各种加热炉、热处理等，所采用的加热方法及燃料也不相同，如油、电、天燃气等。

但就温度控制系统本身而言，均属于一阶纯滞后环节，本论文介绍的温度控制系统的内容是如何得用单片机来实现对电加热炉的精确控制：

首先，位于电热炉中的S型高温热电偶对炉内温度进得感测并将电压信号送到温度变送器及其附属转换电路，后者将热电偶的信号进得转换处理后直接送给A/D转换器AD574A，到这时，原始的温度信号才最终有规律地变换成了单片微机可以读取的信号，然后借助于AT89C52单片机内部强大的运算处理能力将信号进行比较分析计算后产生最终的控制信号用来控制双向可控硅的通断占空比来达到调温的目的。

本系统的外围接口布置了键盘（一共16键，含数字键10个和6个主功能键）、7段LED数码显示屏（一共8位，分别为四位的当前实时温度显示和四位的设定参考温度显示）、微型打印机用来对历史温度数据的打印，通过软件设计可以实现曲线和数据两种的打印方式。

主要技术指标有：

电加热炉温度加热范围：

≤1500℃

调节温度的超调量小于30%

能实时显示炉内温度，记录温度变化的过程

施加电压范围：

0-220V相AC或DC

加热方式：

电阻丝直接加热

炉内容积：

0.3×0.25×0.3M3

最大功率：

4KW。

1．系统总体方案设计

系统的总体方案设计包括系统的设计原则，设计步骤，工程设计等方面。

1.1系统的设计原则

一般系统的设计原则包含安全性（稳定抗干扰性），操作的便利性（人性化），实时性，通用性和经济性。

（1）安全可靠

首先要选用高性能的AT89C52单片机，保证在恶劣的工业环境下能正常运行。

其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，如报警、事故预测、事故处理和不间断电源等。

（2）操作维护方便

操作方便表现在操作简单、直观形象和便于掌握且不强求操作工要掌握计算机知识才能操作。

（3）实时性强

选用高性能的AT89C52单片机的实时性，表现在内部和外部事件能及时地响应，并做出相应的处理。

（4）通用性好

系统设计时应考虑能适应不同的设备和各种不同设备和各种不同控制对象，并采用积木式结构，按照控制要求灵活构成系统。

主要表现在两个方面：

一是硬件板设计采用标准总线结构（如PC总线），配置各种通用的模板，以便扩充功能时，只需增加功能模板就能实现；二是软件功能模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。

（5）经济效益高

1.2系统的设计步骤

（1）工程项目与控制任务的确定阶段

（2）项目的设计阶段

系统总体方案设计、

方案论证评审

硬件和软件的分别细化设计

硬件和软件的分别调试

系统的组装

（3）离线仿真和调试阶段

1.3系统的工程设计与实现

本论文设计对比目前最为流行的炉温控制方案后,采用了性能可靠且实施相对简易的单片机结合双向可控硅来达到调功及实现温度控制,具体概述参见模块化电路章节.

1.4系统的总统方案设计

确定系统的性质和结构

确定系统的构成方式

现场设备选择

确定控制策略和控制算法

硬件、软件的功能划分

系统总体方案

（1）系统的主要功能、技术指标、原理性方框及文字说明。

（2）系统的硬件结构几配置，主要软件的功能、结构几框图。

（3）保证性能指标要求的技术措施。

（4）抗干扰性和可靠性设计。

1.5硬件的工程设计与实现

（1）选择系统的总线和主机机型

选择系统的总线，系统总线的优点：

采用总线可以简化硬件设计，用户可根据需要直接选用符合总线标准的功能模板，而不必考虑模板插件之间的匹配问题，使系统硬件设计大大简化；系统可扩性好，仅需将总线标准研制的新的功能模板插在总线槽中即可；系统更新性好，一旦出现新的微处理器、存储器芯片相接口电路，只要将这些新的芯片按总线标准研制成各类插件，即可取代原来的模板而升级更新系统。

包括内总线选择和外总线选择

（2）选择主机机型

选择输入输出通道模板

模拟量输入输出模板

（3）选择变送器和执行机构

选择变送器

选择的变送器有温度变送器、压力变送器、液位变送器、差压变送器、流量变送器、各种电量变送器等，系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境选择变送器的具体型号。

本文着眼于炉温控制，首当其冲选择温度变送器。

选择执行机构

执行机构的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按预先规定的要求正常运行。

执行机构分为气动、电动和液压3种类型电加热炉温度控制系统的硬件设计。

本文采用过零触发的光耦可控制硅来实际对加热炉的调温。

其显著特性是只有当负载交流电源到达过零区时SSR才导通，所以负载工作时近似正弦波，可减少高次谐波对电网的干扰。

2.电加热炉温度单片机控制系统设计

2.1系统概述

一般的电加热炉控制系统（如温度控制表控制接触器）的主要缺点是温度波动范围大。

由于它重主要通过接触器的通断时间比例来达到该表加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低，故温度控制精度低，单片机脉宽调温闭环系统以AT89C52单片机作为该控制系统的核心，采用脉冲调宽技术，双向可控硅输出，工作稳定、性能可靠。

热点偶的冷端补偿采用热电阻温度传感器，测量准确，克服了常规方法补偿误差大的缺点。

该系统具有软启动、程序升温、键盘输入、显示打印等功能，使温度控制稳态误差精度达±1℃。

2.2系统的总体结构

过程计算机控制系统的设计过程分为总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试四个部分。

在进行控制系统设计前，应该首先考虑对控制对象进行深入的调查和分析，并熟悉工艺流程，根据生产中提出来的问题，确定系统所需要完成的任务。

然后写出论证，选择控制方案，控制方案的好坏，直接影响控制效果、系统投资和系统的经济效益。

用单片机实现的电加热炉温度控制系统如图2-2

图2-1电加热炉系统总框图

2.3系统的基本工作原理

工作原理：

炉温控制程序及温度与热电偶电势之间的对于关系表存放在EPROM2732中，双向可控硅采用过零触发方式。

触发脉冲由过零同步脉冲形成电路提供。

在每个工作周期T内的工作占空比与单片机输出的门控脉冲信号决定。

键盘与显示器用于各种参数的设置和显示。

热电偶与放大器将被测温度转换成热电势信号并放大，再由A/D转换器换成相应的数字量供单片机识别处理。

单片机每隔一定时间启动一次A/D转换、采样一次现场温度，将温度数据与给定温度WT进行比较，得到温差，再根据偏差的大小和正负，通过PID控制算法送出1个具有相应宽，让一定数量的触发脉冲在高电平奇迹通过控制门去触发可控硅，对被测温度调节开度的门控脉冲。

本系统的功能主要有数据采集、数据处理、输出控制。

能对0～1500°C范围内的各种电加热炉的温度进行精密测量，同时，八位LED显示器直接跟踪显示被控对象的温度值和设定值，准确度高，显示清晰，稳定可靠，使用方便（在具体设计编程、调试过程中，为了调试方便，编程把温度范围设在0～1500°C。

本系统的原理框图如下图所示。

数据采集部分能完成对被测信号的采样，显示分辨率1°C，测量精度1°C，控制精度1°C，可以实现采集信号的放大及A/D转换，并自动进行零漂校正，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行PID参数自整定和运算，并输出0～10mA控制电流，配以主回路实现温度的控制。

数据处理分为预处理、功能性处理、抗干扰等子功能。

输出控制部分主要是数码管显示控制。

2.4系统的技术要求

（1）温度范围：

40℃～1500℃

（2）供电电压：

三相交流380V

（3）调节温度的超调量小于30%

（4）功率范围：

4kW

3.温度控制硬件系统设计

3.1硬件电路的设计系统规范

原理图主要由设计、诊断与检查组成。

原理图的设计要符合以下几点要求：

（1）原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确。

（2）图中所使用的元器件要合理选用，电阻，电容等器件的参数要正确标明。

（3）原理图要完整，CPU，外围器件，扩展接口，输入/输出装置要一应俱全。

原理图的设计、诊断与检查在ProtelDXP软件环境下完成。

系统设计完成后，进入印制板制作、器件焊接及软件编程阶段。

在印制板设

计时，要仔细考虑印制板的面积、布局及连线长度，以减小对信号的延时和杠干

扰。

对加工好的印制板还要进行仔细的检查，最后将器件、插座及元件等逐一焊

接在印制板上。

3.2主要芯片功能介绍

（1）AT89C52

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8KBYTES的可反复擦