加热炉温度控制系统Word文件下载.docx

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[关键词]加热炉；

AT89C51；

PID控制；

温度控制

TheDesignofTheHeatingFurnaceTemperatureControlSystem

[Abstract]Theheatingfurnacetemperaturecontrolsystemiswidelyusedinmetallurgy,chemicalindustry,machineryandotherkindsofindustrialcontrol,andhasplayadecisiveroleinthenationaleconomystatus,thispaperintroducesakindoffurnacetemperaturecontrolsystembasedonSCM.

TheAT89C51microcontrollersystemasthecore,bythetemperaturedetection,transmissionandconversioncircuit,controlcircuit,displaycircuit,keyboardcircuit,alarmcircuit.Thesystemthroughthethermocoupletemperaturesensorfortemperatureinreal-timedetection,transmissionandconversionthroughtheA/Disconvertedtoadigitalsignaltothemicrocontroller,microcontrollerfordigitalprocessingoftemperaturedataandPIDoperationstocalculatethecontrolquantity,tochangethesolidstaterelayturn-onandturn-offtime,thuschangingtheheatingpowerofthetemperaturecontrol.Thekeyboardcircuitmaybepresettemperature;

displaycircuitcandisplaythecurrenttemperature,intuitiveandeasytounderstand,letpeoplestickoutamile;

whenthefurnacetemperatureistoohighortoolow,willalarm.

Thehardwareofthissystemislowcost,hightemperaturecontrolaccuracy,goodreliability,anti-interference,whichissuitablefortheproductispracticalforlarge-scaleproductionenterprises.

[Keyword]Heatingfurnace；

PIDcontrol；

Temperaturecontrol

第1章前言

1.1本课题的研究目的和意义

温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。

在工业生产过程中为了高效地进行生产必须对生产工艺过程中的主要参数如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。

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。

如冶金工业的加热炉、电力工业的锅炉、化学工业的反应炉等设备通过对温度的监控保证产品的质量[5]。

可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。

随着社会的发展，加热炉温度控制系在统冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等领域中都有着极为重要的作用。

各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等的要求也越来越高。

为了生产的安全，高效率与自动化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等等[3]。

因此一个低成本且拥有较高的高精度，高稳定性的温度控制系统对工业生产有着极其重要的意义。

加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。

由于这类对象使用方便，可以通过调节输出功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。

1.2本课题的国内外研究现状

加热炉温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位[3]。

加热炉炉温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。

期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对加热炉温度控制精度要求的不断提高，加热炉温度控制系统的控制技术得到迅速发展。

当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。

随着新技术的不断开发与应用[1]，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的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。

本设计使用单片机作为核心进行控制。

单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛[5]，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。

PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。

PID控制结合了人的思维和经验，是一种用机器语言实现的同时有模拟人的思维进行判断推理来控制被控对象的智能方法。

它具有高度的非线性，能使目标系统达到非常好的控制效果，同时与其它控制方式进行比较具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；

而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象——“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。

PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，所以本系统采用PID控制算法。

随着微机控制技术的发展，用微机构成构成计算机控制系统，具有较高的可行性和经济价值[2]。

但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统，且大多硬件均是国外进口的，投资成本很高。

因此，本课题以实验室加热炉为研究对象，以单片机为主要硬件平台，编制基于智能化的温控软件，开发一种适合我国国情的、面向广大中小型企业、低成本、高性能的电阻炉温度控制系统，以提高控制精度，达到控制要求，从而提高企业效益。

1.3本课题的主要内容及要求

利用微机控制系统完成同时对两路电阻炉温度的检测、处理以及数字控制计算，根据数据结果或进行相应的处理或改变加热功率，达到控制温度的目的。

要求如下：

（1）现场温度值可处理，同时处理两个电阻炉；

（2）温度给定值为400℃—1000℃；

（3）系统有必要的保护和报警；

（4）温度值要有显示；

（5）误差范围±

3℃。

第2章总体方案设计

2.1方案论证

（1）单片机与PLC控制的比较

而PLC比单片机“大”，即“体积大”、“功能完善”。

但实际上，PLC内部使用的单片机芯片一般都是工业级的，而且其它构成元件也都经过了标准化处理，所以PLC的稳定性和抗干扰性要远远优于普通的民用级单片机芯片。

正因为PLC比单片机“大”，所以价格昂贵。

同样的任务用单片机与PLC都能完成，显然采用PLC方案会增加控制系统的成本。

而体积大有时也会限制PLC的应用，所以本次课程设计选择单片机作为核心控制。

（2）控制算法的确定

它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。

具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；

PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，所以该系统采用PID控制算法。

2.2方案设计

本课题拟采用以AT89C51为核心，所设计的温度控制主要由单片机、温度检测及变送模块、温度控制模块、温度显示模块、按键设定模块、报警模块等五部分组成。

其中温度检测及变送电路主要有热电偶传感器和运算放大器等组成;

温度控制电路采用固态继电器SSR-40DA;

温度显示电路采用LED显示器（数码管）;

报警电路采用声光报警。

温度检测电路采用了热电偶温度传感器，对温度进行实时采样并将模拟信号转换成数字信号返回给单片机。

系统可通过键盘对电阻炉温度进行预设，单片机根据当前炉内监测和处理后的温度和预设温度进行比较结果，在进行PID运算，并由此控制固态继电器的导通和关断来调节电热丝的加热功率，当炉内温度过高与过低的时，蜂鸣器将进行报警，从而使炉内温度迅速达到预设值并保持恒定。

系统通过显示电路来显示当前温度，直观易懂，让人一目了然。

系统结构框图如图2-1所示

图2-1系统结构框图

第3章系统硬件设计

3.1单片机部分

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

3.1.1AT89C51简介

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