基于单片机的电加热炉温度控制毕业设计论文 精品.docx

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基于单片机的电加热炉温度控制

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字模型，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。

本设计为基于单片机的电加热炉温度控制系统，通过采用硬件与软件的结合实现对电加热炉温度的自动控制。

硬件电路主要包括：

加热及控制电路部分，数据采集和模/数（A/D）转换处理部分，键盘和显示器部分，单片机与各部分的接口处理部分。

软件设计主要由温度控制的算法和温度控制程序组成，其原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，而后对偏差值的处理而获得控制信号去调节加热炉的加热功率，以实现对炉温的控制。

其中控制电路部分利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电该系统具有硬件成本低，控温精度高，可靠性好，抗干扰能力强等特点。

关键词：

电加热炉；单片机；温度控制；双向可控硅。

第1章绪论

1.1课题的提出

近年来随着计算机在社会各领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时也带动了传统控制检测的更新与发展。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

单片机控制系统由微机和工业生产对象两大部分组成。

随着新技术的不断开发与应用，近来单片机发展十分迅速，其应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。

尤其在工业控制、自动化仪器仪表、计算机系统接口、智能化外设等领域发展很快。

它的应用对于产品升级换代、机电一体化都具有重要意义。

在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

其中，温度控制也越来越重要。

在工业生产的很多领域中，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。

采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。

1.2系统设计目的及要求

本设计的目的是通过本课题设计，懂得综合运用单片机及接口技术、微机原理、微电子技术和锻炼动手操作能力，掌握运用能力，学习论文的写作方法和步骤。

掌握电加热炉温度控制系统的组成及原理，掌握各部分的功能及作用，了解单片机的发展前景。

本设计的温度系统有以下要求：

1.测温范围：

0℃-100℃

2．测温分辨力<=0.2℃

3.测温准确度：

<±1℃

4.测温点数：

可以扩展到8点

5.温度显示：

采用4个7段段数码管

6.温限则进行灵活设定

1.3课题的分析与设计思路

分析硬件电路主要包括：

加热及控制电路部分，数据采集和模/数（A/D）转换处理部分，键盘和显示器部分，单片机与各部分的接口处理部分。

软件设计主要由温度控制的算法和温度控制程序组成。

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。

本设计是以AT89C51单片机为系统的控制核心，实现对温度的采集、检测和控制。

被控制对象为一电加热炉，输入为加在电炉两端的电压，输出为电加热炉内的温度。

本系统是对在0～100℃范围内的电炉温度进行精密测量。

整个系统也可划分为控制电路部分、加热电路部分和测量电路三部分。

控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号，发出相应的指令来控制可控硅，是系统的核心。

AT89C51对温度的控制是通过可控硅调功能电路实现的。

在给定的周期T内，AT89C51只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率，从而达到调节温度的目的。

而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上触发脉冲控制。

该触发脉冲由AT89C51用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。

过零同步脉冲是一种50HZ交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。

该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中，另一方面还作为计数脉冲加到AT89C51的T0和T1端。

加热电路用来实现对系统的升温加热达到预定的温度。

当温度没有达到要求，控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。

测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理。

主要由温度检测和变送器组成。

温度检测元件和变送器的类型选择和被控温度及精度等级有关。

除上述电路，AT89C51还要有MC14499﹑74HC4060﹑RS232-RS485﹑和MAX197等芯片接口电路。

其中MC14499用于LED显示器接口，74HC4060用于键盘接口，RS232-RS485作为串行通信口，MAX197为温度测量电路的输入接口，用于把连续变化的信号进行离散化。

最终再通过控制电路中的键盘显示器电路实现人机对话功能。

系统结构框图如图1.1所示：

图1.1系统结构框图

软件设计主要为控制器部分，即温度控制系统，采用PID算法，其原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，而后对偏差值进行处理而获得控制信号去调节加热炉的加热功率，以实现对炉温的控制。

PID基本可满足系统要求。

程序设计是本次设计的核心部分。

整个程序包括管理程序和控制程序两部分。

管理程序是对显示LED进行动态刷新，控制指示灯，处理键盘的扫描和响应，进行掉电保护，执行中断服务程序等。

控制程序是用来对被控进行采样，数据处理，根据控制算法进行计算和输出等。

第2章温度控制系统的概述

2.1微机控制系统简介

微机是微型处理机、微型计算机、微型计算机系统的统称。

微处理机，简称CPU，是一个大规模集成电路（LSI）器件或超大规模集成电路（VLSI）器件，包括数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件等，是完成计算机对信息的处理与控制等功能的中央处理器件。

微型计算机，简称MC,是以微处理机（CPU）为中心，加上只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入/输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。

微机控制系统是将采集到的各工作设备的工作状况显示要素转换成计算机能接受的数据信息，通过预置的程序处理对其状态的性质与变化程度作出分析与判断，并对相关工作设备发出指令，维持或调整工作状态。

在这一系统中，微机是工作核心，是大脑，对工作设备的有效控制起着至关重要的作用。

就微机控制系统而言，一般可按如下步骤进行设计：

确定系统整体控制方案、确定控制算法、选用微型计算机、系统总体设计和软件设计等。

2.2电加热炉温度控制系统的特性

单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成，如图1所示。

被控制对象具有典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器。

其特性为，电加热炉的温度调节是通过调节剂（供电能源）的断续作用，改变电炉丝闭合时间Tb与断开时间Tk的比值α,α=Tb/Tk。

调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期Tc内导通的电压周波。

假设周期Tc内导通的周期的波数为n，每个周波的周期为T，则调功器的输出功率为P=n×T×Pn/Tc，Pn为设定周期Tc内电压全通过时装置的输出功率。

炉温信号则通过温度检测及变送，变成电信号，与温度设定值进行比较，计算温度偏差和温度的变化率△e，再由智能控制算法进行推理，最终得控制量u，可控硅输出部分根据调节电加热炉的输出功率，即改变可控硅管的接通时间，使电加热炉输出温度达到理想的设定值。

2.3电加热自动控制原理

以AT89C51单片机为系统的控制核心，实现对温度的采集、检测和控制。

被控制对象为一电加热炉，输入为加在电炉两端的电压，输出为电加热炉内的温度。

本系统是对在0～100℃范围内的电炉温度进行精密测量。

AT89C51通过可控硅调功能电路实现对温度的控制。

在给定的周期T内，AT89C51只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率，从而达到调节温度的目的。

而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上触发脉冲控制。

该触发脉冲由AT89C51用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。

过零同步脉冲是一种50HZ交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。

该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中，另一方面还作为计数脉冲加到AT89C51的T0和T1端。

加热电路用来实现对系统的升温加热达到预定的温度。

当温度没有达到要求，控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。

系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。

首先使T0计数器产生定时中断，作为本系统的采样周期。

在中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波、上下限报警处理，PID计算，然后输出控制脉冲信号。

脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定。

在等待T1中断时，将本次采样值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。

从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序并且、继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。

1）二位式调节--它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开；当炉温高于给定值时执行器全闭。

（执行器一般选用接触器）。

2）三位式调节--它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时招待器全开；当炉温在上、下限给定值之间时执行器部分开启；当炉温超过上限给定值时执行器全闭。

（如管状加热器为加热元件时，可采用三位式调节实现加热与保温功率的不同）。

3）比例调节（P调节）--调节器的输出信号（M）和偏差输入（e）成比例。

即：

M=ke式中：

K-----比例系数。

比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在--对应的比例关系，因此炉温变化经比例调节达到平衡时，炉温不能加复到给定值时的偏差--称“静差”。

4）比例积分（PI）调节--为了“静差”，在比例调节中添加积分（I）调节积分，调节是指调节器的输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，直到偏差消除才无输出信号，故能消除“静差”比例调节和积分调节的组合称为比例积分调节。

5）比例积分微分（PID）调节--比例积分调节会使调节过程增长，温度的波动幅值增大，为此再引入微分（D）调节。

微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在温度有变化“苗头”时就有调节信号输出，变化速度越快、输出信号越强，故能加快调节速度，降低温度波动幅度，比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。

（一般采用晶闸管调节器为执行器）。

根据生产现场的运行情况，这种控温方法，精度比较高，系统性能稳定，满足生产的实际需要。

主要设备:

热电偶或热电阻，智能PID温控仪，可控硅触发调功器等。

第3章系统电路分析硬件

3.1温度检测电路

本设计采用铂电阻作为温度测量元件。

这类材料具有性能稳定、抗氧化能力强和测量精度高等特点。

有测温元件Rt和电阻元件组成桥式电路，将有温度变化所引起的铂电阻变化转换成电压信号送入放大器，由于铂电阻安装在测量现场，通过长线接入控制台，为了减小引线电阻的影响，采用三线式法。

显然，外界温度变化对连接导线电阻的影响在桥路中相互抵消了。

电路刚开始运行时，可以通过调节电位器进行调零，使电路从零开始工作，即在检测温度为零度时，检测电路输出零。

温度检测元件Pt100的电阻值与温度的关系为Rt=R0+（1+at+bt2），式中a=3.9685x10-3/℃，b=-5.847x10-7/℃2。

式中二次项系数为负，当温度升高时，Rt电阻值随着增加稍而有下垂，呈现出非线性关系，必须进行非线性补偿，如图3.1温度检测电路以及Pt100的非线性校正。

图3.1非线性校正电路

其中非线性校正由运放和两个100K、两个500K电阻组成，这是温度检测变换电路的第一级，经过3号通道的100K.，500K两个电阻构成负反馈回路，2号通道的100K，500K两个电阻构成正反馈回路，为了维持电路的平衡，运放的正负反馈回路皆会产生电流，负反馈回路产生对地的电流。

选取合适的电阻值可以将Pt100的非线性误差降到0.5%，（0～500℃），由于电阻炉为定温控制，在控温点进行精心地电路调整和测量校正，可以使温度达到很高的精度。

3.2电源设计电路

本设计所采用的电源如图3.2所示，此电源共有四个电源，两个正电源+12V，+5V和两个负电源-12V，-5V。

分别由W7800正压单片稳压器，W7900负压稳压器，100uH的电感，滤波电桥，整流电解电容，发光二极管（作用是降低集成稳压电路的输入电压和防止总线断电时，电容所储存的电荷向总线释放）及发光二极管的限流电阻组成电源电路。

W7800、W7900系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。

W7800系列三端式稳压器输出正极性电压，一般有5V、6V、9V、12V、5V、18V、24V七个档次，输出电流最大可达1.5A（加散热片）。

而W7900系列则输出负极性电压，其输出电压及电流则与W7800一样。

在整流部分则采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品（又称桥堆）。

其中滤波电容一般选取几百～几千微法。

当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器（数值为0.33μF），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。

输出端电容（0.1μF）用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。

图3.2电源设计

3.3RS232/485转换电路

1.RS232/485的介绍

RS-232目前是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。

其被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。

RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

收、发端的数据信号是相对于信号地。

典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～15V，负电平在-5～-15V电平。

正无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。

接收器典型的工作电压在+3～+12V与-3～-12V。

由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约为15米，最高速率为20Kbps。

RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3KΩ～7KΩ。

因此RS-232很适合于本地设备之间的连接。

而RS485则采用差分信号负逻辑。

它采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。

RS485串行总线通信距离能够达到几千米再加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，因此传输信号即使在千米以外也能够得到恢复。

其采用的是半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。

再次应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器，用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

2.RS232/RS485转换电路

 由于PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路：

（1）通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品。

（2）通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。

目前，大部分PC机的通信端口为9芯D型插头，在实际使用PC机进行串行通信时，通常只使用其中的RTS、RXD、TXD与GND四个端口，以构成简易的四线通信线路。

笔者采用这种方案巧妙地利用光电耦合器的隔离特性和RS232工作时RTS线与TXD线之间的电平关系，给出了简单、可靠的电路设计。

具体转换电路如图3.3所示。

该电路使用了三片光电耦合器TLP521-1进行隔离，这使PC机与SN75LBC184之间完全没有了电的联系，从而提高了工作的可靠性。

当RS232的RTS端为逻辑电平1（-12V）时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出端为TTL逻辑电平1（+5V），此时选中RS485的DE端允许RS485接收，这样，RS232的TXD端就可以发送数据（工作逻辑与RTS端相似）。

当RS232的RTS端为逻辑电平0（+12V）时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出端为TTL逻辑电平0（0V），此时选中RS485的RE端允许RS485发送。

当RS485的R端的输出为逻辑电平1时，光电耦合器发光二极管不发光，光敏三极管不导通，这样，在RS232输出停止时，其TXD电平为-12V，电容被充电到-12V以使其输出也变成-12V，即逻辑电平1；当其输出为逻辑电平0时，光电耦合器发光二极管发光，光敏三极管导通，这时，其输出为+5V，也在RS232逻辑电平0的范围之内，即为逻辑电平0。

将上述转换器应用于分布式温度采集和控制系统中时，可获得较为满意的转换效果（已有应用实例）。

因此，在对下位机的实时性要求较高、通信的数据量不太大的分布式控制场合，这种低成本、高可靠性的RS232/RS485转换器具有较大应用价值。

RS232/RS485转换电路如3.3所示。

3.3RS232/RS485转换电路图

3.4PWM式键盘接口电路

以往电路设计中，为实现单片机系统的键盘、LED显示，常采用两种方法：

一是用8155、8255并行扩展接口构成显示、键盘电路。

这时应采用含有P0、P2总线口的单片机，以便扩展并行口。

这种电路选用的器件大，引脚多，对小型系统资源有些浪费。

二是用串行口配上移位寄存器74HC4060构成硬件译码静态显示、键盘接口电路。

这种电路大大减少I／O口线，但使用芯片较多，一块74HC4060芯片对应一位LED数码管，电路较复杂，耗电较大。

为了充分利用资源，使设计出的系统最小、最优，我们在设计智能化测控仪表时，选用AT89C51单片机与MCl4499译码驱动器构成串行口硬件译码显示、键盘接口，既简化电路又使单片机引脚得到充分利用。

.接口电路及工作原理

接口电路如下图所示。

在本接口电路中，只使用三块芯片构成硬件译码锁存的动态显示及键盘电路，动态扫描由硬件管理。

工作原理

AT89C51的数据输入端P1口，然后由传感器、运算放大器、A巾转换器（如5G14433等）组成的前置通道，由P1口采集的数据是4位BCD码。

在单片机中对其进行数字滤波后，从串行口输出。

键盘部分

使用串行输入、并行输出移位寄存器74HC4060经串行口扩展并行I／o口（设定串行口工作在移位寄存器、方式0状态下）。

本接口只扩展了8个键，如不够，还可串接。

显示部分

采用MCl4499译码、驱动。

AT89C51的RXD提供串行输出的BCD码来显示数据，TXD提供串行移位脉冲。

P3．4控制使能端EN。

MCl4499的输出端A、B、C、D、E、F、G、DP8个脚分别接在4位一体LED的断码输入端（a、b、c、d、e、f、g）上。

字位选择端I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ经反向器驱动后，分别接在4个数码管的公共端。

由内部时序分时选通4个数码管，进行动态显示扫描。

如所用LED显示器不止4个，可再用一片MCl4499级联来扩展。

为了使串行口的数据输出速率与MCl4499接收速率相匹配，单片机的工作频率应为3MHz。

3.4键盘接口电路

3.5可控硅调功电路

电路工作原理

电路原理图如图3.5所示。

调节波段开关SA的挡位，可以改变电容C1的充放电速率。

利用C1两端交流电压通过双向触发二极管VD3去触发双向晶闸管VS导通、并改变了VS的导通角，使负载RL两端交流电压随之发生变化。

发光二极管VD2、VD5作为信号指示，由于导通角不同，发光亮度各异。

SA置于“1”挡，VD5显示；SA置于“4”挡，则VD2显示；R5是限流电阻，用来保护VS。

电阻R7、电容C2为吸收回路，用来吸收SA在选挡时所产生的干扰脉冲，否则在SA选挡过程中将对电视机、音响及其他电声器件产生一定的干扰。

元器件选择

电容C1选用0.1uF/160V，C2选0.022uF/400V（涤纶电容器）。

电阻R1为56kΩ、1/2W，R2为39kΩ、1/4W，R3为27kΩ、1/4W，R4为2kΩ、1/4W，R5为47Ω、1/2W，R6为100kΩ、1/2W（可变），R7为300Ω、1/4W，R8为43kΩ、1/2W。

二极管VD1、VD4用1N4004。

发光二极管VD2用BT104（黄色），VD5用BT103（绿色）。

触发二极管VD3为DB3或VR60。

双向晶闸管V5用TLC226B（3A/400V）或TLC336A（3A/600V）。

波段开关SA用KZX-1-2D-11W。

负载RL为交流220V/300W（电炉丝）。

制作方法与使用说明

本电路的核心器件是双向晶闸管，因此一定要对其质量进行检测。

由于电路简单可自行设计印制电路板。

只要按图连接无误，不用调试便可工作

图3.5调功电路图

第4章芯片介绍

4.1单片机AT89C51介绍

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压,高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

其片内4kbytes可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128kbytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I／O口线。

两个16位定时，计数器，一个5向量两级中断机构，一个全双工串行通信121，片内振荡器及时钟电路，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。

空闲方式停止CPU的工作．但允许RAM、定时／计数器、串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

其引脚电路图如图4.1所示：

图4.1AT89C51引脚电路图

4.2MC14499芯片介绍

MCl4499是一个CMOSLED译码驱动器，片内主要包括一个20位移位寄存器、一个锁存器、一个多路输出器，由多路输出器输出的BCD码经译码器译码后，换成点七段码送至片驱动器输出（a、b、、d、e、f、g）和小数点DP。

另外，由片内振荡器经过四分频的信号，经位译码后提供4个位控信号，经位驱动器至四位控制线（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）。

由于MCl4499片内具有BCD译码器和串行接口，所以它几乎可以与任何单片机接口相连。

芯片主要控制信号为D：

串行数据输入端；a、b、、d、e、f、g：

七段显示输出；工、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ：

字位选择端，用来产生LED选通信号；OSC：

振荡器外接电容端，外接电容使片内振荡器产生200～800Hz扫描信号以防LED显示器闪烁；CLK：

时钟输入端，用以提供串行接收的控制时钟，标准时钟频率为50kHz；丽：

使能端，