电阻加热炉温度控制系统.docx
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电阻加热炉温度控制系统
电阻加热炉温度控制系统
长春工业大学
毕业设计、毕业论文
题目电阻加热炉温度控制系统
学院
专业班级电气工程及其自动化070922班
指导教师王霆
姓名刘塞北
2011年6月3日
如今电阻炉被广泛应用于各大工业领域，通过单片机的实时控温来提高劳动生产效率和产品质量，同时对节能环保也有着重大意义。
本此设计的核心处理器为AT89C2051单片机，用其对电阻炉温度进行检测和控制。
选择了K型热电偶作为金属传感器，其优点是精度高成本低，并选择串行E2PROM24C01来存储测量数据和调控参数，这样就确保断电后数据仍能被保存。
检测信号经运算放大器放大后进入多路开关，多路开关轮流检测3个通道的温度信号后轮流输出给A/D转换器，最后将电压信号转变为频率信号传输给单片机进行处理。
控制方式则为调功控制,通过使用光耦合双向可控硅对双向导通晶闸管的导通百分比进行控制，进而对电阻丝的功率进行调节。
在键盘上输入预设温度后，单片机通过控制双向导通晶闸管的导通百分比对电阻丝的功率进行调节，使温度控制在预设值,同时在LED显示屏上显示当前炉内温度。
关键词：
AT89C2051频率转换调整
Abstract
Nowresistanceheateriswidelyusedineachindustriedfields-Microcontrollerisusedtocontroltemperaturetoimproveproductionefficiencyandproductqueility,anditisimportanttotheenergyconservationandenvironmentaiprotection.
ThedesignofthecoreprocessorasAT89C2051microcontroller>withitstotheresistancefurnacetemperaturetestingandcontrol・ChooseKtypethermocoupleasmetedsensor,itsadvantageislowcost,highprecisionandchoose24C01E2PROMserialtostoragemeasurementdataandcontrolparameters,thusensureafterpowerfailuredatacanstillbesaved.Detectionsignalamplifieramplificationbyenteringmultipieswitchafter,multi-channelswitchturnsdetectionthreechannelstemperaturesignalaftertaketurnsoutputtoA/Dconverter,finallythevoltagesignalintofrequencysignaltransmissiongivemicrocontrollertoundertakehandling.Controlmodeisadjustablepowercontrol,throughtheuseofopticalcouplingbidirectionalthyristorofdoubleguidethethyristorcontrolledconductionpercentage,andthepowerofresistancewireadjusted.Onthekeyboardinputpresettemperature,SCMthroughcontroldoubleguidethethyristorconductionpercentageofpowerofresistancewireontheadjustment，maketemperaturecontrolindefau比whileintheLEDdisplayondisplaythecurrentinside-heatertemperature.
Keywords：
AT89C2051frequencyconvertadjust
第1章概述1
1.1电阻加热炉自动控温系统的研究背景及意义1
1・2目前国内外研究现状1
1.3论文研究的主要内容2
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
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
28
30
5.1.2控制算法
5.2数字滤波
5.2.1数字滤波的介绍30
5.2.2数字滤波的设计30
32
参考文献
34
附录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±1°C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。
长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）
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釆样频率时的功率为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釆集系统、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lOOOVo
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
长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）
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OV、0
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