电阻加热炉温度控制系统Word文档格式.docx
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第2章方案论证3
2.1系统设计要求3
2.2系统方案论证3
2.2.1模数转换器的选择论证4
2.2.2温度检测的选择论证5
2.2.3存储器扩展电路的选择论证6
2.2.4键盘的选择论证8
2.2.5输出控制电路的选择论证8
2.2.6显示器的选择论证9
第3章系统硬件设计11
3.1控制单元的设计11
3.2模数转换电路的设计12
3.3温度检测电路的设计14
3.4存储器扩展电路的设计15
3.5显示电路的设计16
3.6键盘电路的设计18
3.7输出控制电路的设计19
3.8电源电路的设计21
第4章系统软件设计23
4.1温度检测流程图23
4.2软件的主程序流程图24
4.3输入输出程序流程图25
4.4调功程序流程图25
4.5温度显示流程图26
第5章控制算法及滤波27
5.1数学建模与控制算法27
5.1.1数学建模27
5.1.2控制算法28
5.2数字滤波30
5.2.1数字滤波的介绍30
5.2.2数字滤波的设计30
总结32
致谢33
参考文献34
附录1：
电阻式锅炉的自动控温系统原理图35
附录2：
电阻式锅炉的自动控温系统程序清单36
第1章概述
1.1电阻加热炉自动控温系统的研究背景及意义
温度是科学实验和生产过程中十分普遍但又非常重要的物理参数。
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，其中温度控制占有相当大的比例。
同时有效且准确地控制温度是优质、低耗、高产和安全生产的重要条件。
如电力工业的锅炉、冶金工业的电阻加热炉、化学工业的反应炉等设备，通过对温度的控制与调节，才能确保产品的质量及产量；
而在日常生活中，电热水器、微波炉、空调等常用电器也同样需要对温度进行控制与调节。
由此可见，温度控制在工业生产和日常生活的各个领域都有着广泛的应用，所以对温度控制进行研究是非常有意义的。
但由于温度控制设备惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等自身特点，并且传统的PID控制由于其参数恒定，不能及时跟踪对象特性变化，造成控制系统性能不佳。
本文根据这一特点，把常规PID控制、模糊控制及自学习功能结合起来，构成了一种PID控制器。
并将此方案运用于对电阻炉温度进行控制，达到调节时间短、响应速度快且稳态误差在
℃的技术要求。
这对日常生活中的设备来说足够了，但对精度要求很高的军事和工业来说就不够了。
1.2目前国内外研究现状
目前我国电阻热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段，近几年随着工业的不断发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因此热处理技术朝着高效、节能的方向发展。
电阻炉是热处理中使用最广的加热设备，这样温度的测量和控制就成为关键性技术，这样便促使人们更加积极地研究热加工的控制方法。
虽然我国也在不断进行电阻炉控制系统的研究，但与国外相比还是比较落后。
系统的控制精度靠试验者来调节，系统设置随着环境的变化而变化，同时仪表控制参数需要由人工选择，这样就会导致费时、费力、且不准确。
因此，导致工作强度大、劳动效率低、产品质量低，这些都影响着企业的发展。
温度控制一直以来都是人们研究的主要方向，但都未取得好的控制效果。
最初电阻炉的发热体为电阻丝，传统方法大多采用仪表测温，并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率。
如今，随着微机技术不断发展，微型计算机已经广泛应用于温度控制。
因此能够确保生产正常进行，减轻工人劳动强度，提高产品的质量和数量以及节约了能源，并且能使温度按照制定规律变化。
这不但对用户有着很大的意义，而且对整个社会都有着重大的意义。
1.3论文研究的主要内容
本设计是以单片机为核心控制温度的控制系统，采用K型热电偶传感器作为温度传感器,在温度相应变化时与设定值相比较，然后矫正，得到我们希望的值。
这次设计主要做的是硬件电路的设计和软件的编程，用计算机对温度进行控制，同时采用PID算法使系统获得较好的性能指标。
总共将系统分为四部分：
A/D转换、PID控制、外部中断和单片机控制。
第2章方案论证
2.1系统设计要求
本次设计以电阻炉为研究对象，针对电阻炉的温度，主要对常规PID控制在电阻炉温度控制中的应用进行了研究。
本文主要进行一下几方面的工作：
1.对电阻炉温度控制系统的研究意义进行了论述，并对其国内外的发展及现状进行了简要说明。
2.详细介绍了系统的硬件设计，包括硬件的组成及各功能子模块电路的设计。
3.详细介绍了电阻炉温度控制系统软件整体设计方案，以及各个子模块的软件实现。
4.研究了适合该控温系统的几种PID控制算法。
5.完成了系统的软硬件调试及运行工作。
2.2系统方案论证
整个电阻炉温度控制系统由单片机控制系统、温度变送器、可控硅输出部分、A\D模数转换和被控对象组成。
系统工作时，由温度传感器检测温度后转换成电流信号，经过集成运算放大器放大至0-5V的电压信号，再通过A\D模数转换装置转变成供单片机接受的数字信号，将此信号与温度设定值相比较，计算温度偏差e和温度的变化率，然后通过PID运算得到控制量u，最后控制可控硅输出部分来调节电阻炉的输出功率，即控制电阻炉电压的通断时间，最终达到控温目的。
系统原理图如图2-1所示。
图2-1电阻炉温度控制系统原理框图
2.2.1模数转换器的选择论证
1.高性能模数转换器ADS8412
ADS8412是德州仪器公司推出的一款2Msps采样速率的16位逐次逼近（SAR）模数转换器。
采用P8/P16并行输出，带有内部时钟和基准电压源，无丢失码，2MHz采样频率时的功率为175mW，SNR为90dB。
ADS8412是单极单端输入范围，有16位和8位可选择接口，零等待时间，高速并行接口，8位、16位总线传输，48引脚TQFP封装，所有输入端ESD保护电压达1000V，可用在DWDM、仪表、告诉分辨率零等待数据采集系统、传感器接口、医疗器械及通信领域。
ADS8412的主要工作性能如下：
（1）2MHz采样频率；
（2）高温下16位无失真输出特性；
（3）零等待时间；
（4）内置基准源，提供4.09V参考电压；
（5）高速并行接口；
（6）输入端ESD保护电压达1000V。
2.MAX1032模数转换器
MAX1032是Maxim公司最新推出的一种多通道、多量程、低功耗、分辨率为14位的串行输出模数转换器。
该器件具有转换效率高、功耗低、接口方便等优点，特
别适合在航空电子、数据采集、工业控制、多媒体、机器人等领域应用。
MAX1032的工作特性如下：
（1）输入通道：
八个单端或四个差分模拟输入；
（2）输入范围：
由软件编程确定（每通道独立），单端输入范围为0V到+6V、-6V到0V、0V到+12V、-12V到0V、±
3V、±
6V及±
12V，差分输入范围为±
6V、±
12V及±
24V；
（3）接口特性：
数据和信号接口电平与SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容，可以和供电电压为2.7V的据算计系统直接连接；
（4）采样速率：
115ksps；
（5）基准电压：
可采用内部基准，也可采用外部基准，基准电压范围为3.800V～4.136V。
3.LM331V/F转换器
V/F转换器能够把电压信号转换为频率信号，通过计算机处理再把频率信号转变为数字信号，由此完成了A/D模数转换。
因为其接线简单，价格低廉，转换精度高等特点，所以经常用其代替A/D模数转换器。
LM331就是其中一款由美国NS公司生产的性价比比较高的集成芯片。
它是当前最简单的一种高精度V/F转换器。
LM331的工作特性如下：
（1）单电源或双电源供电，单电源供电电压为+15V时，可保证转换精度；
（2）线性低；
（3）15mW低功耗；
（4）频率范围为1KHz～100KHz。
综上所述，本次设计采用V/F转换器进行模拟信号与数字信号之间的转换。
2.2.2温度检测的选择论证
1.半导体热敏电阻温度传感器
半导体热敏电阻的灵敏度特别高，广泛应用在一些对精度要求很高的控制和测量系统中。
其特点是电阻温度系数的范围甚广，材料加工容易、性能好，阻值在1Ω～100Ω之间可供自由选择，稳定性好，抗干扰能力强。
但由于半导体热敏电阻的温
度特性曲线很不一致，互换性差，在连续测量中的应用受到了极大的限制，与本次
设计要求不符，故不予采用。
2.热电阻温度传感器
热电阻温度传感器的工作原理是利用在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度增加而增加这一特性来进行温度测量的，大多数都是由纯金属制成，目前应用最多的是铂和铜。
它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点，多用于检测精度要求比较高的场合，测量温度在-200～+500℃之间。
但本次设计要求测量温度在600～1000℃之间，故不予采用。
3.热电偶温度传感器
温差热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。
它除具有结构简单、测量温度宽、准确度高、热惯性小、输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用于测量流体、固体及固体壁面“点”的温度。
热电偶温度传感器工作原理是建立在导体的热效应上。
两种不同性质的导体（或半导体）组合成闭合回路，若两种导体的连接点温度不同，则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫热电效应。
由热电偶的工作原理可知，热电偶电动势的大小不仅与测量端的温度有关，还与冷端的温度有关，要想保持测温的准确性，必须保持冷端的温度恒定。
因此在为了保持测量的精度，在实际的工作环境中需将冷端接地，这样就可以使冷端保持在0℃。
由于本次设计的测温环境在600～1000℃之间，所以选择镍镉-镍硅（K型）热电偶温度传感器。
其特点是：
（1）测量温度长期可达1000℃，短期可达1300℃；
（2）价格比较便宜，在工业上广泛适用；
（3）高温下抗氧化能力强；
（4）复现性好，热电动势大。
2.2.3存储器扩展电路的选择论证
1.2864A芯片扩展
2864A是一种并行
，它每页有16字节，2864A与8051单片机的接口
电路方式是：
2864A的片选段
与高位地址线P2.7连接，只有当P2.7为0时才能选中2864A，这种选线方法决定了2864A对应多组地址空间，即0000H～1FFFH，2000H～3FFFH，4000H～5FFFH，6000H～7FFFH，这8K字节的存储器可以作为数据存储器使用，且掉电后数据不丢失。
8064A的4种工作方式为：
（1）读方式：
当
和
均为低电平且
为高电平时，内部数据缓冲器被打开，数据被送上总线，此时可以进行读操作。
（2）写方式：
2864A提供了字节写入和页写入两种方式。
（3）数据查询方式：
数据查询方式是指用软件来检测写操作中的页存储周期是否完成。
（4）维持方式：
为高电平时，2864A进入低功耗维持状态。
此时输出线呈高阻态，芯片电流由140mA降为60mA。
由于本次设计使用的是AT90C2051单片机，只有20个引脚，但2864A的扩展方式需要与74LS373配合使用且占用17个引脚，大量占用了单片机的引脚资源，所以不被采用。
2.24C01扩展芯片
24C01是一种128字节串行
芯片，它提供了128字节电可擦只读程序存储器。
另外24C01只使用一条数据线和一条时钟线，占用的端口非常少，在一些端口资源不是很充足的情况下经常被使用。
24C01的封装形式为双列直插式8DIP封装，标准工作电压为+5V，但是在4.5V～5.5V之间都可使用，工作环境为-55℃～+125℃之间，最大工作电压为6.25V功耗为25mW。
其特点如下：
（1）存储容量为128字节；
（2）串行接口使用普通两根I/O接口；
（3）具有页写入模式，每页4字节；
（4）同步周期小于10ms。
综上所述，虽然24C01的编程较2864A复杂，但本次设计使用的是89C2051单片机，其只有20个引脚，而24C01占用的口线非常少，所以本次设计选用24C01作为扩展存储器。
2.2.4键盘的选择论证
1.矩阵式键盘
矩阵式键盘适用于按键数目较多的场合，可以节省很多的I/O口线。
其按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。
平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。
列线电平如果为低，则行线电平为低；
列线电平如果为高，则行线电平亦为高。
这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。
由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平。
所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能正确的确定闭合键的位置。
2.独立式键盘
独立式按键顾名思义就是各个按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不影响其它线上的工作状态。
因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。
虽然与矩阵式按键相比电路配置灵活、软件简单，但每个按键需要占用一个输入口线，当按键较多时会占用大量I/O口，因此独立式按键适用于按键较少或操作速度较高的场合。
因为本次设计只涉及四个按键，所以选择独立式按键。
2.2.5输出控制电路的选择论证
1.继电器
通过继电器的导通/闭合来控制电阻丝的通断，从而达到对电阻炉的温度控制，单片机只发送通断命令。
虽然这种方法比较简单，但输出的波形为锯齿波，缺乏对温度的准确控制，此种方法只适用于对温度精度要求不高的场合，故不被本次设计采用。
2.双向导通可控硅
通过控制双向导通可控硅的导通百分比来控制电阻丝两端的电压，来达到连续控制电阻炉温度的目的，这样就确保了控制精度。
双向可控硅串联在50Hz交流电
源和加热丝电路中，只需在给定周期里改变可控硅开关的接通时间，就能改变电阻炉的加热功率，进而实现温度的控制。
为达到零触发的目的，需要交流电过零检测电路，此电路输出对应50Hz交流
电压过零时刻的脉冲，作为双向触发可控硅的同步脉冲，这样就能实现可控硅在交流电压过零时刻出发导通。
对于对双向导通可控硅的控制，单片机只要输出控制可控硅断电时间的脉冲信号就可以。
因此尽用一条I/O线与可控硅相连，同时通过程序实现输出导通脉冲的宽度和导通时间。
综上所述，本次设计系统采用双向导通晶闸管对温度进行控制。
2.2.6显示器的选择论证
本次设计采用LED显示器。
LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件，它由若干个发光二极管组成，当二极管导通时，相应的部分发亮。
其优点为：
（1）主动发光，一般产品亮度大于1cd/
高的可达10cd/
。
（2）工作电压低，约为2V。
（3）由于是正向偏置工作，因此性能稳定，工作温度范围广，寿命长。
（4）响应速度快。
（5）尺寸小。
1.LED动态显示扫描方式
LED动态显示扫描方式是将所有位的LED段选线相应段并联在一起，由1个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用，这样可以将电路简化，各位的共阴极或共阳极分别由相应的I/O口控制，从而实现各位的分时选通。
动态显示的实质是以牺牲CPU的时间来换取元件的减少，而且显示位数越多，占用CPU的时间越长。
2.LED静态显示扫描方式
LED静态扫描方式是在显示器工作时，各位的共阴极（共阳极）连接在一起并接地（+5V），每位的段选线分别与一个8位的锁存器相连接，每个LED的显示字符一经确定，相应的锁存器输出将维持不变，直至显示下一个字符。
因此，静态显示器的输出亮度较高。
LED静态扫描方式的接口编程容易，但缺点是占用较多的口线。
如果使用锁存器接口，则有几位LED显示器就需要几个锁存器。
正因为如此在显示位数较多的情况下，不易使用静态扫描方式。
本次设计只使用4个LED显示器，显示位数不多，因此采用4片8位移位寄存
器串级使用的LED静态显示方式
第3章系统硬件设计
3.1控制单元的设计
本次设计从价格和性能入手对微处理器进行选择，性能主要包括指令系统功能和寻址方式、存储器配置及可寻址空间、对电源的要求、环境情况及抗干扰性、I/O接口的配置情况等。
根据以上两个方面考虑，本设计选用MCS-51系列的单片机AT89C2051，其优点在于：
（1）片内含有2K字节的Flash程序存储器，128字节的片内RAM；
（2）允许工作时钟为0～25MHz；
（3）集成度高；
（4）处理功能强大；
（5）在市场上较为流行且性价比高。
图3-1AT89C2051管脚图
1.复位电路
复位电路选用了按键式复位电路，如图3-2所示。
在振荡器工作时，保持RST在连续两个机器周期内为高电平就实现了复位操作，当复位结束时，I/O引脚都复位为“1”。
单片机检测到复位信号后在第二个机器周期执行一系列片内复位操作，并且在RST变低前的每一个周期内重复执行。
电阻R1和R2为10KΩ，电容C为22μF。
图3-2复位电路
2.时钟电路
时钟电路XTAL1和XTAL2为内部放大器的输入端和输出端，这个放大器可以配置一个内部振荡器，如图3-3所示：
图3-3时钟电路
选用12MH的晶振作为8031的时钟电路，电容C1=C2=30pF±
10pF.
3.2模数转换电路的设计
目前A/D转换电路得到了广泛的应用。
但在某些数据要求长距离传输，资金有
限，精确度和精密度要求高的场合，A/D转换器在使用时就多有不便，因此常使用V/F转换器代替A/D转换器。
V/F转换器具有接线简单，价格便宜，转换精度高等特点，本次设计使用的就是现在使用较为广泛的LM331V/F转换器。
其转换电路如图3-4所示：
图3-4模数转换电路
LM331各个引脚同能说明如下：
脚1为脉冲电流输入端，内部相当于脉冲恒流源，脉冲宽度与内部单稳态电路相通；
脚2为输出端脉冲电流幅度调节，RS越小，输出电流越大；
脚3为脉冲电压输出端，OC门结构，不用时可悬空或接地；
脚4为接地；
脚5为单稳态外接定时时间常数RC；
脚6为单稳态触发脉冲输入端，低于脚7电压触发有效，要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw；
脚7为
比较器基准电压，用于设置输入脉冲的有效触发电平高低；
脚8为电源Vss，正常工作电压范围为4～40V。
由于LM331的转换线性度直接影响转换结果的准确性，而通常引起V/F转换产生非线性误差的原因是引脚1的输出阻抗，它使输出电流随输入电压的变化而变化，因而影响转换精度，为了克服此缺点，高精度V/F转换器在脚1和脚7间加入了一个
升级会员 