电阻炉温度控制系统的设计.docx
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电阻炉温度控制系统的设计
电炉温度控制系统设计
摘要
热处理是提高金属材料及其制品质量的重要技术手段。
近年来随工业的发展，
对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、
节能、无公害方向发展。
电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，加热时
恒温过程的测量与控制成为了关键技术，促使人们更加积极地研制热加工工业过
程的温度控制器。
此设计针对处理电阻炉炉温控制系统，设计了温度检测和恒温控制系统，实现了基本控制、数据采样、实时显示温度控制器运行状态。
控制器采用51单片机作为处理器，该温度控制器具有自动检测、数据实时采集处理及控制结果显示等功能，控制的稳定性和精度上均能达到要求。
满足了本次设计的技术要求。
关键词：
电阻炉，温度测量与控制，单片机
一、绪论
1.1选题背景
在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、流速、流量、压力和开关量都
是常用的主要被控参数。
例如：
在机械制造、电力工程、化工生产、造纸行业、
冶金工业和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应
炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
其中温度控制在生产过程中占有相当大的比
例，即使日常生活中的电热水器、空调、微波炉、电烤箱等家用电器也同样需要
温度监控。
可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各领域，所以对温度进行控
制是非常有必要和有意义的。
准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗
和安全生产的重要条件。
1.2电阻炉国内发展动态
电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械、冶金等行业的生
产中占有十分重要的地位，温度控制质量的好坏将直接影响着热处理产品的产
量和质量，对于提高生产率和节约能源也有举足轻重的意义。
我国对电阻炉的控制进行了广泛的研究始于上世纪80年代，随着微型计算机控制技术的发展，电阻炉计算机控制逐步进入实用化阶段。
目前，国内电阻炉控制系统的研究现状如下：
（1）采用先进的控制设备
随着单片机、可编程控制器与工业控制机等先进控制系统的发展，逐步取代了以前大规模的继电器、模拟式控制仪表。
单片机也因其极高的性价比而受到人
们的重视和关注，获得广泛地应用和迅速地发展。
单片机具有体积小、重量轻、控制功能强、价格低与开发方便等优点。
单片
机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，
单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。
以前采用硬
件电路实现的大部分控制功能，现在可以用单片机通过软件的方法来实现。
以前
自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。
这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。
（2）采用新的控制方法
对传统的负反馈、单一PID控制系统做了多种补充，从而使控制性能更佳。
同时，越来越多的控制系统采用新的控制方法如：
模糊控制、神经网络控制、才遗传算法控制、最优控制、自整定PID参数控制器、自适应控制和自校正控制器等。
1.3设计主要内容
设计分析了炉温的特性和单片机炉温控制系统的工作原理，完成了以AT89S5l单片机为控制器，控制系统包括温度数据采集电路、功率控制输出电路、键盘与显示接口电路和声光报警等电路的硬件电路设计，实现了温度数据采集、处理、显示、状态切换、定时保温、系统的故障自诊断和超限声光报警等功能。
二、温度测量系统的设计要求
电阻炉温度控制系统应具备温度测量、显示、过限报警等功能，并要求具有良好的稳定性、高控制精度，以满足热处理对温度的需求。
系统设计时，首先确定系统的设计目标，确定温度控制器的规格与技术指标，这对于明确设计的目的性和控制功能的逻辑性有重要的意义。
然后设计系统的相关的操作规范及运行参数，为硬件设计和软件设计确定具体的目标。
2.1设计任务
针对原有电阻炉温度控制系统的功能缺陷及现有控制要求，确定本次设计的
目标如下：
（1）系统的测温范围在0~1000℃，控温精度≤±2℃，显示精度0.1℃；
（2）控制面板能便捷输入控制参数，如P、I、D及保温时间；
（3）用7段高亮数码管显示设定炉温（5位数码管）、炉温实时温度（5位数码管）、保温时间（3位数码管）等系统信息；
（4）用三个发光二极管以不同的颜色和发光状态来指示显系统的工作状态。
2.2系统的技术参数
整个系统最终达到的技术指标是由系统中的各个环节共同作用后完成的。
比
如要提高温度检测的精度，只采用高精度的A/D转换器是不够的，还需要好的抗干扰措施、精确度高的传感器及软件线性化处理等。
一般情况下，技术指标达到某个限度后，再想提高是不容易办到的，为此可能付出更多的经费与时间。
设备规格是硬件投资的主要依据。
如电源的规格、传感器类型、控制器类型等。
根据需要确定所设计的温度控制系统的主要技术参数如表2-1所示：
表2-1系统主要技术参数
2.3操作功能设计
为了便于操作，所设计的温度控制器的面板总计五个按键、三个工作状态指示灯、一个蜂鸣器和十三个高亮7段LED数码管，用于完成参数的设置和信息的显示。
其中，五个按键分别为设置、加一、减一、左移、右移，用于设置温度以及保温时间。
三个工作状态指示灯分别指示暂停状态、工作状态、超限报警。
十三个高亮7段LED数码管中有五位显示设定温度、五位显示实际温度、三位显示保温时间。
三、系统硬件设计
电阻炉控制系统应具备温度测量、显示、参数输入等功能，并要求具有可靠性高、通用性强、控制精度佳等特点，以满足控制需求。
基于上述性能要求，系统的硬件结构如图3-1所示，系统包括单片机、温度检测与处理电路、键盘与显示接口电路、声光报警电路以及计时电路等。
图3-1温度控制系统硬件结构图
3.1CPU选型
温度控制系统选用ATMEL89系列单片机中的AT89S51作为微处理器。
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS型8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）Flash存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
3.2温度检测电路设计
温度检测电路是电阻炉温度控制系统的重要部分，其性能好坏直接决定了整个系统的性能，它承担着检测电阻炉温度并将温度数据传送到单片机的任务。
3.2.1温度传感器的选择
热电偶在工程上使用最为广泛的温度传感器之一，它具有构造简单、精度高、
热响应时间快、测温范围大（-200~+2000℃均可连续测温）以及性能可靠使用寿
命长的优点，在温度测量中占有很重要的地位。
热电偶的种类很多，热电偶有K型（镍铬-镍硅）WRN系列，N型（镍铬硅-镍硅镁）WRM系列，E型（镍铬-铜镍）WRE系列，J型（铁-铜镍）WRF系列，
T型（铜-铜镍）WRC系列，S型（铂铑10-铂）WRP系列，R型（铂铑13-铂）
WRQ系列，B型（铂铑30-铂铑6）WRR系列等。
考虑设计成本与实际的温度
范围（0～1000℃），在本设计中选用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶WRN-120，
表3-1所列的是常用热电偶的材料规格和线径使用温度的关系：
表3-1常用热电偶材料规格和线径使用温度
3.2.1.1热电偶的测温原理
将两种不同材料的导体或半导体（称为热电偶丝材或热电极）两端焊接起来，
构成一个闭合回路，当两导体之间存在温差时，便产生电动势，在回路中就会形
成一个大小的电流，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。
热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势，如图3-2所示。
图3-2热电偶温度计系统原理图
不同种类的两根金属导线A、B连接起来并保持接点的温度为t0。
若设由电压计引出的导线与金属线A、B连接点的温度为t，则显现出来的热电势EAB（t，t0）为：
3.2.1.2热电偶的温度补偿
热电偶都有对应的分度表，即在参考端温度为0℃时，热电势和测量温度的对应表。
热电偶的分度表是以冷端温度0℃为基准进行分度的，热电偶的实际工作环境，冷端温度往往不为0℃，不能直接使用分度表，因此必须对热电偶的冷端温度进行温度补偿。
常用的冷端温度补偿方法有：
冷端0℃恒温法（将冷端放在冰水混合物的恒温容器中等）、冷端温度修正法、电桥补偿法和冷端温度自动补偿法等。
在本设计中采用集成芯片MAX6675完成冷端温度的自动补偿，可在很大程度上简化系统的设计。
3.2.2炉温数据采集电路的设计
Ｋ型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、
使用方便、测温范围宽等特点，本次设计就是选用K型热电偶作为系统的温度传感器。
目前，在以Ｋ型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机系统。
中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。
MAXIM公司推出的MAX6675，它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，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速性与准确性。
故在本设计中，为简化系统电路设计采用芯片MAX6675作为热电偶电势与温度的转换。
3.2.2.1MAX6675芯片
MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成Ｋ型热电偶变换器，测温范围0℃～1024℃，温度范围满足本台电炉的温度需要，其主要功能特点如下：
（1）直接将热电偶信号转换为数字信号；
（2）具有冷端补偿功能；
（3）简单的SPI串行接口与单片机通讯；
（4）12位A/D转换器、0.25℃分辨率；
（5）热电偶断线检测；
（6）工作温度范围-20℃～+85℃。
3.2.2.2MAX6675的测温原理
MAX6675是一个复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构主要包括：
低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。
其工作原理如下：
K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。
对于K型热电偶，电压变化率为（41μV/℃），电压可由如下公式来近似热电偶的特性。
上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度，T0是周围温度。
在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。
通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。
在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量，即获得输出电
压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T，这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。
3.2.2.3MAX6675与单片机的连接
图3-3MAX6675与单片机的连接
MAX6675有五个引脚，脚（T-）接热电偶负极，脚（T+）接热电偶正极，脚（SCK）串行时钟输入端，脚（CS）片选端，使能启动串行数据通讯，脚（SO）串行数据输出端。
3.3输入/输出接口设计
键盘和显示电路实现了人机交互功能，通过键盘电路可以设置系统运行状态
和系统参数（P、I、D和保温时间），显示电路可以显示系统的运行状态、控制时间、设定温度、实际温度等。
该温度控制系统采用7段高亮LED数码管（红色）显示系统的设置参数、保温时间及实际温度值等。
总计13数码管和3个发光二极管（指示控制系统的工作状态）。
数码管的驱动动采用MAX7219，MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行输入／输出共阴极显示驱动器。
该芯片可直接驱动最多8位7段数字LED显示器，或64个LED和条形图显示器。
它与微处理器的接口非常简单，仅用3个引脚与微处理器相应端连接即可实现最高10MHz串行口。
MAX7219的位选方式独具特色，它允许用户选择多种译码方式译码选位，而且，每个显示位都能个别寻址和刷新，而不需要重写其他的显示位，这使得软件编程十分简单且灵活。
另外，它具有数字和模拟亮度控制以及与MOTOROLASPI，QSPI及MATIONALMICROWIRE串行口相兼容等特点。
该芯片采用24脚DIP和SO封装，工作电压4.0～5.5V，最大功耗1.1W。
本温度控制系统采用两片MAX7219级联的方式驱动控制13个7段数码管，其中DIN引脚接P2.7，LOAD引脚接P2.6，CLCOK引脚接P2.5，显示控制电路如图3-4所示。
图3-4显示与接口电路设计
系统的工作状态由三个发光二极管以不同的颜色与状态显示，如有报警信号
蜂鸣器启动，三个发光二极管与蜂鸣器用P2.0~P2.3控制，具体电路连接如图
3-5所示：
图3-5工作状态指示灯及报警电路设计
对于参数的输入通过按键实现，所设计的控制面板总计有5个按键，按键数量少，按键采用独立按键的连接方式，其电路如图3-6所示。
图3-6按键输入电路
3.4保温定时电路设计
电炉在某些时候需要某个温度值保持一定的时间，系统必须有定时的功能单
元。
单片机有很多途径实现定时与计时的功能，如软件延时、采用内部定时器定
时。
其中软件定时要占用CPU资源，特别当定时时间比较长的时候，其定时的精度也无法保证；采用定时器定时，虽然能够实现精确定时，但长久定时也不能有效保证定时精度。
为了提高定时精度、降低系统程序设计的复杂度，在本次设计采用专用时钟芯片DS1302来完成系统计时功能。
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
3.4.1DS1302与单片机的连接
如图3-7所示：
图3-7DS1302与单片机的连接
3.5温度控制电路设计
温控系统的精度不仅受制于输入检测量的精度，同时也受制于输出控制量的
精度，要提高整个系统的精度，必须使两者匹配。
工艺要求加热时在升温阶段快
速，采用较大的恒定功率，但随着温度偏差减少，逐渐减少定周期内的导通周波。
降低加热功率，防止热惯性的作用而产生较大的温度超调。
控制器能够及时控
制加热器件在电源半波内的输入有效值。
可控硅调功控制温度具有不冲击电网，对用电设备不产生干扰等优点，是一
种应用广泛的控温方式。
所谓调功控温就是在给定周期内控制可控硅的导通时间，
从而改变加热功率，来实现温度调节。
设采样（控制）周期为T，在T周期内工频交流电的半周波数为N，如全导通时额定加热功率为PH，则实际的平均加热功率P与T周期内实际导通的半周波数n成正比，即
目前，采用可控硅进行功率调节的触发方式有两种：
过零触发和移相触发。
移相触发方式调功实际上是控制可控硅的导通角，达到调节功率的目的，此方式
易造成电磁干扰且电路复杂。
采用移相触发的可控硅交流调功装置，往往在可控硅导通的瞬间使电网电压出现畸变，当控制角为90时，产生的三次谐波电流为基波电流的50％，五次谐波也可达到基波的1/6。
这些谐波分量引起电网电压波形畸变，功率因数下降，给其它用电设备和通讯系统的工作带来不良影响。
为此，人们研究了各种避免电压瞬间大幅度下降和抑制高次谐波的方法，过零触发方式很好地解决了此类问题，它可把可控硅导通的起始点限制在电源电压过零点，从而大大降低了谐波分量，然而，传统的可控硅过零触发调功器由同步脉冲产生电路、检零电路、隔离电路组成，结构复杂，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件的离散性和温漂严重影响调功器控制精度及使用寿命。
MOTOROLA公司生产的MOC3021-3081器件可以很好地解决这些问题。
该器件用于触发晶闸管，具有价格低廉、触发电路简单可靠的特点。
本系统采用MOC3061作为可控硅的驱动器，控制可控硅的导通与关断，改变平均电压的大小值，形成最佳加热方式，从而控制温度的超调。
MOC3061系列光电双向可控硅驱动器是一种光电耦合器件，它可用直流低电
压、小电流来控制交流高电压、大电流。
用该器件触发晶闸管，具有结构简单、
成本低、触发可靠等优点。
采用MOC3061触发晶闸管，强、弱的电之间在电气上完全隔离，且可以直接可靠地触发50A或更大的功率的晶闸管。
经软件分析所得的控制脉冲送至MOC3061，直接形成驱动信号，控制可控硅的导通与关断，改变平均电压的大小值，形成最佳加热方式，从而控制温度的超调，控制电路如图3-8所示:
图3-8输出电路设计
电路中C3、R15为阻容吸收电路，MOC3061在输出关断下，有500uA的漏电流，串入R16这个限流电阻，可以控制触发电流，消除漏电流对双向可控硅的影响，防止双向晶闸管的误触发。
R13为限流电阻，R14为门极电阻，提高控制级的抗干扰性，电路中Q2集电极发出正弦过零出发脉冲。
系统硬件电路图
图3-9系统硬件电路图
控制系统采用热电偶作为温度传感器，热电偶把温度转换为毫伏级的电压信
号，这个信号必须进行放大处理、冷端补偿、非线性化处理和数字处理后才能送
到单片机中，这个过程环节多，容易受到干扰，为简化设计，在设计中采用集成
芯片MAX6675来完成整个过程的温度数据处理。
单片机对温度数据进行数据处理后，首先进行超限报警处理，如果超限就调用超限处理子程序，若未超限就对温度数据进行数字滤波后进行PID算法控制，得到输出控制量。
具体控制过程是：
当温度偏差大于50℃时，让双向晶闸管全导通或全关闭实现快速缩小温差，减小调节时间，当温度偏差小于50℃时调用PID控制算法，由算法得到双向晶闸管导通率实现对双向晶闸管正弦半波的个数控制以达到调温的目的。
系统中的时钟电路的功能是根据热处理工艺要求设置保温时间，温度控制系统所有的参数通过13位高亮7段数码管显示，状态信息通过3个发光二极管指示。
四、系统软件设计
硬件电路确定之后，系统的主要功能将依赖于软件来实现。
对同一个硬件电
路，配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，而且有些硬件电路的功能可用
软件来替代。
因此，系统的设计很大程度上是软件设计。
4.1软件总体设计
整个温度控制系统不仅要处理按键、显示外，而且要实时处理对温度的采集信息并处理。
整个系统包括主模块、初始化模块、温度检测模块、键盘处理模块、显示控制模块、计时控制模块、中断服务模块、控制算法模块、输出通断率控制模块等几个部分，其软件总体结构图如图4-1所示。
图4-1软件总体结构
4.2主程序设计
上电或复位后系统，首先进行系统自检，诊断正常后各功能模块进行初始化，
包括初始化各寄存器、标志位、端口、PID等；接着进行数据采集，经过数字滤波、标度变换后，计算温度偏差及偏差变化率的大小，再由控制算法模块得到输出控制量。
系统开放定时器及外部中断，一旦发生中断或其他外部响应，首先判断是哪个响应源，然后调用相应的功能模块完成执行程序。
监控程序流程如图4-2：
图4-2主程序流程图
4.3温度检测及处理程序设计
温度检测采用K型热电偶转换器MAX6675完成，由MAX6675构成的温度检测电路具有控制程序易于编写，读数精确度高等优点。
MAX6675的转换结果与温度的数量关系满足：
实际温度值=1023.75×热电偶转换后的数字量／4095
MAX6675芯片实现了对热电偶输出的电压信号的放大、冷端补偿和线性化的自动处理，所以其转换程序比较简单，程序流程如图4-3所示。
图4-3温度检测控制程序流程图
下面是MAX6675温度转换的控制子程序：
SbitSCK=P3^7;
sbitSO=P3^5;
sbitCS=P3^6；
/************MAX6675温度转换程序**************************/
unsignedintRe_Convert（void）
{
unsignedchari；
unsignedintP_Temp2=0；
SCK=0；
CS=0；
for（i=0；i<16；i++）
{
SCK=1；
if（SO==1）
{
P_Temp2=P_Temp2|0x01；
}
Delay_50us
（1）；
SCK=0；
Delay_50us
（1）；
P_Temp2<<=1；
}
CS=1；
P_Temp2=（P_Temp2&0x7fff）>>3；
return（P_Temp2）；
}
调用后要进行温度数据的格式转换，具体按如下方式进行：
。
P_Temp=Re_Convert（）；
P_Temp1=0.25*P_Temp；
控制程序对P_Temp1进行超限判断，如果不超限，连续采样3次温度数据分
别送到数组middle_value[]，为数字滤波程序做准备。
4.4按键检测程序设计
操作者要进行参数（P、I、D和保温时间等）的设定或状态切换，必需通过按键（键盘）来实现，按键（键盘）是人机联系的重要通道。
根据操作规划，输入按键总计有5个，其中增减按键各一个，左右移位按键各一个，功能设置/状态切换按键一个。
键盘处理程序的主要任务是进行有无按键按下的判断并获取键值，根据键值转入相应的按键控制程序，实现对应的控制操作。
图4-4按键检测程序流程图
按键扫描及键值判断处理程序如下：
unsignedcharKey_Left_Move=4;
unsignedcharKey_Right_Move=3;
unsignedcharKey_Inc_1=2;
unsignedcharKey_Dec_1=1;
unsignedcharKey_Set=0;
unsignedcharkey_value;
/**********************************************************************
*名称：
Read_Key（）
*说明：
*功能：
判断是否有键按下，去抖动，判断键值
*调用：
delay1ms（）
*输入：
*返回值：
key_value
*******************
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