517基于单片机的炉的温度控制系统设计.docx

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517基于单片机的炉的温度控制系统设计

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摘要

随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉中温度进行监测和控制。

采用单片机来对他们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。

本设计采用无ROM的8031作为主控制芯片。

8031的接口电路有8155、2764。

8155用于键盘/LED显示器接口，2764可作为8031的外部ROM存储器。

其中温度控制电路是通过可控硅调功器实现的。

双向可控硅管和加热丝串联接在交流220V，50HZ交流试点回路，在给定周期内，8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。

关键字：

温度控制，接口电路，可控硅

ABSTRACT

Alongwithnationaleconomydevelopment,thepeopleneedtoeachheatingfurnacethetemperaturecarryonthemonitorandthecontrol.Notonlyusesthemonolithicintegratedcircuittocometothemtocontrolhasthecontroltobeconvenient,simpleandflexibilitybigandsoonmerits,moreovermayenhancelargescaleisaccusedthetemperaturetechnicalspecification,thuscanbigenhancetheproductthequalityandquantity.

Thisdesignusesnon-ROM8031totakethemastercontrolchip.8031connectionelectriccircuitshave8155、2764.8155usesinthekeyboard/LEDmonitorconnection,2764maytake8031exteriorROMmemories,onetemperature-controlcircuitisadjuststhemeritrealizationthroughthesilicon-controlledrectifier.Thebidirectionalsilicon-controlledrectifiertubeandtheheaterseriesconnectioninexchange220V,50HZexchangecityelectricityreturnroute,inassignsinthecycle,8031solongasthechangesilicon-controlledrectifiertubeputsthroughthetimethentobepossibletochangetheheaterpower,achievestheattemperationthegoal.

KEYWOEDS:

temperaturecontrol,connectionelectriccircuit,silicon-controlledrectifier

前言

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，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。

随着新技术的不断开发与应用，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。

传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。

温度是工业对象中的一个重要的被控参数。

然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。

因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。

传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。

近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：

PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。

这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。

本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在400～1000℃。

静态控制精度为2.43℃。

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。

本系统使用8031单片机，使温度控制大为简便。

第一章单片机对加热炉温度控制的

1.1课题背景及研究意义

近几年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。

由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油电等。

对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。

例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制（ExpertControl），鲁棒控制（RobustControl），推理控制等。

随着工业技术的不断发展，传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。

近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：

PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。

这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。

单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。

在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。

像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高。

1.2单片机炉温控制的国内外动态

自1980年以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。

在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化、性能优异的温度控制仪表，并在各行业广泛应用。

其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂温度测控系统，具有参数自整定功能和自学习功能，即温控器对控制对象、控制参数及特性进行自动整定，并根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。

温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。

目前，国外温度控制仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。

微处理技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，在控制领域出现的一系列新的技术课题之一的被控对象动静态参数、控制系统结构、参数发生较大范围变化的情况下，控制系统仍能满足给定的品质指标，这是自适应控制的最基本特征，自适应PID控制可以在线不断整定参数，克服干扰，跟踪系统的时变特性，使控制对象达到一定的目标［2］。

同时，随着现代控制理论（诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等）研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径，逐步弱化或取消了对受控对象数学模型结构不变的限制。

电阻炉温度控制技术发展日新月异，从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制，展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。

在现有的电加热炉温度控制方案中，PID和模糊控制应用最多，也最具代表性。

目前我国在测控仪表研究与生产应用中，总结了很多经验，但从国内生产的温度控制器及测温仪表来说，总体发展水平仍然不高。

成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，只能适应一般温度系统测控，难以控制复杂的大滞后时变温度系统。

目前，我国在温度测控仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面

（1）行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。

（2）商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。

目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表

（3）仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。

例如:

在仪表控制参数的自整定方面，国外己有较多的成熟产品，但由于我国开发上的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。

这些差距我们必须努力克服。

1.3系统简介

加热炉是将物料或工件加热的设备。

按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。

应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。

加热炉按炉温分布，炉膛沿长度方向可分为预热段、加热段和均热段。

单片机的温度控制是数字控制系统的一个应用。

本系统所使用的加热炉为电加热炉，炉丝功率为3kw，系统要求炉膛恒温，误差为士2℃,超调量可能小，温度上升较快且有良好的稳定性。

单片机温度控制系统是以MS-5l单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。

系统的原理框图如图1.1所示，其基本控制原理为:

：

用键盘将温度的设定值送入单片机，启动运行后，通过信号采集电路将温度信号采集到后，送到A/D转换电路将信号转换成数字量送入单片机系统进行PID控制运算，将控制量输出，控制电阻炉的加热。

图1.1原理框图

第二章单片机内部结构及引脚作用简介

单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）简称单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串型和并行I/O接口等部件。

基于经济上的的考虑，以及本次设计的加热炉的精度要求，选用8031单片机作为中央处理器。

8031是MCS－51系列单片机的一种型号，在MCS－51系列单片机中还有8051、8032、80C31等。

2.1单片机内部模块

2.1.1MCS-51单片机内部结构

MCS-51系列单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O口、串行

图2.1单片机的内部结构框图

口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。

图2.1中SP是堆栈指针寄存器，PC是程序计数器，PSW是程序状态字寄存器，DPTR是数据指针寄存器。

2.1.2主电源引脚

Vcc（40脚）：

接+5V电源正端。

Vss（20脚）：

接+5V电源地端。

2.1.3外接晶体引脚

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）：

接外部晶振的两个引脚。

2.1.4MCS-51输入/输出引脚

MCS-51单片机有4个I/O端口，共32根I/O线，4个端口都是准双向口。

每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器P0-P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。

为方便起见，我们把4个端口和其中的锁存器都统称P0-P3。

在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。

在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O口使用。

P0口：

可作为一般的I/O口用，但应用系统采用外部总线结构时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。

P1口：

每一位均可独立作为I/O口。

P2口：

可作为一般I/O口用，但应用系统采用外部系统采用总线结构时，它分时作为高8位地址线。

P3口：

双功能口。

作为第一功能使用时同P1口，每一位均可独立作为I/O口。

另外，每一位均具有第二功能，每一位的两个功能不能同时使用。

2.1.5MCS-51控制线

RST/Vpd（9脚）：

RST即为RESET，Vpd为备用电源。

该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。

当单片机震荡工作时，该引脚上将出现持续两个机器周期的高电平，这时可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。

当Vcc发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚上可接备用电源Vpd（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。

ALE/PROG（30脚）：

地址锁存有效信号输出端。

ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。

在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出端的低八位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。

PSEN（29脚）：

片外程序存储器选通信号输出端，低电平有效。

在从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期内该信号有效两次，并通过数据总线P0口读回指令或常数。

在访问片外数据存储器期间，该信号将不出现。

EA/VPP（31脚）：

EA为片外程序存储器选通断。

该引脚有效（低电平）时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。

对于片内还有EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作12V编程电源Vpp的输入端。

2.2单片机外总线结构

微型计算机大多数CPU外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而MCS—51单片机由于受到芯片管脚的限制，数据线和地址线（低8位）是复用的，而且是I/O口兼用。

为了将它们分离开来，以便同单片机之外的芯片正确地相连，常常在单片机外部加地址锁存器来构成与一般CPU相类似的三总线，如图2.2所示。

图2.2

2.3MCS-51单片机系统扩展

通常情况下，采用MCS-51系列单片机的最小系统只能用于一些很简单的应用场合，在此情况下直接使用单片机内部存储器、数据存储器、定时功能、中断功能、I/O端口等，组成的应用系统的成本较低。

单片机系统扩展的方法有并行扩展法和串行扩展法两种。

并行扩展法是利用单片机的三种线（AB、DB、CB）进行的系统扩展；串行扩展法是利用SPI三线总线或I2C双总线的串行系统扩展。

但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速应用的场合，还是并行扩展法占主导地位。

第三章硬件系统设计

3.1总体设计

系统控制主电路是由8031及其外围芯片，及一些辅助的部分构成的。

如图3.1所示。

图3.1总体设计原理图

3.2程序存储器的扩展

8031片内不带ROM，采用8031芯片时，须扩展程序存储器。

用作程序存储器的芯片主要有EPROM和EEPROM。

由于EPROM价格低廉、性能可靠，所以本次设计用EPROM.

EPROM是紫外线可擦除电可编程的半导体只读存储器，掉电后信息不会丢失。

EPROM中程序一般通过专门编程器可写入。

常用的EPROM芯片主要有：

2716、2732、2764、27128、27256等。

扩展程序存储器时，一般扩展容量大于256字节，因此，除了由P0口提供低8位地址线外，还需由P2口提供若干地址线，最大的扩展范围位64K字节，即需16位地址线。

具体方法是CPU应向EPROM提供三种信号线。

即

A：

数据总线：

P0口接EPROM的O0-O7。

B：

地址总线：

P0口经锁存器向EPROM提供地址低8位，P2口提供高8位地址以及片选线。

C：

控制总线：

PSEN片外程序存储器取指令控制信号，接EPROM的OE，ALE—接锁存器的G。

EA接地。

结合本次设计，选择扩展的型号为2764。

8031与2764的连接图如图3.2所示。

图3.22764与8031连接图

3.3温控模块的设计

温度检测元件和变送器的选择和被控温度及精度等级有关。

本设计采用镍铬/镍铝热电偶，此电偶用于0℃～1000℃的温度测量范围。

系统功能和系统的工作工程为：

反映炉温的热电偶,用于采集炉内的温度信号，将采集到的信号经冷端补偿后送运算放大器放大,由变送器将热电偶信号（温度信号）变为电流输出，再由高精密电流/电压变换器将电流信号变为标准电压信号，将放大的电压送入采样保持器和转换电路后得到与炉温相应的数字量。

具体设计为，将温度传感器输出的电流信号Iin，输入到电流/电压转换电路，在采样电阻R1上获得对应的电压分量VR=R1*Iin，并将该值经过由R2，C1构成的带有一定延时（时间与温度传感器的响应时间相对应）作用的低通滤波电路后，输入到放大器A1的正相端。

因为传感器输出4mA时，在取样电阻上的电压不等于零，直接经模拟/数字转换电路转换后的数字量也不等于零，所以单片机不能直接利用，这样利用稳压管产生一个精确基准电压Vref与R3。

RW1构成的可调分压电路，通过调节RW1可以获得精确的Vx=（Rx/RW1）Vref，该值可用于抵消4mA电流在取样电阻上产生的压降，所以当温度传感器为最小值4mA时，A1的2脚与3脚之间的电压差基本为0V。

与A1相连的C2、R3、R4、R5构成带有积分校正的放大电路，积分校正会增加系统的惯性，对变化较快的信号起阻尼作用。

通过适当调整电阻就可以获得理想的比例增益，再将经过处理的温度传感器感测到的电信号VT放大后，送入下一级的差值放大电路的负相端。

系统的炉温工艺曲线经分段换算后转换为对应的电压数据，再经过进制转换后存入E2PROM中。

当系统投入运行后，为了实现误差测量，单片机依据时钟定时器，按一定的时间间隔将数据通过总线传至DAC0832的数据寄存器，经D/A转换后的模拟电压VTS，从运放A2送入由A3、R6、R7、R8和R9构成的差值检测放大电路的正相端，与经过转换的采样电压值VT作差，得到的差值△VT放大后送入A/D转换器0809。

另外，变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：

毫伏变送器用于把热电偶输出的0-41.32mV变换成0-10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0-10mA电流变换成0-5V范围的电压。

为了提高精度，变送器可以进行零点迁移。

例如：

若温度测量范围为400℃～1000℃，则热电偶输出为16.4mV-41.32mV,毫伏变送器零点迁移后输出0-10mV范围电流。

这样，采用8位A/D转换器就可以使量化误差达到正负2.34度以内。

3.48155接口电路

3.4.18155简介

8155是Intel公司研制的通用I/O接口芯片。

MCS-51和8155相连不仅可为外部设备提供两个8位I/O端口（A口和B口）和一个6位（C口），而且也可为CPU提供一个256字节RAM存储器和一个14位的定时器/计数器，所以8155广泛用于MCS-51系统中。

MCS-51单片机可以和8155直接连接而不需要任何外加逻辑器件，就可为系统增加256个字节片外RAM、22位I/O口线以及一个14位定时器。

3.4.28155的RAM和I/O口地址编码

8155在单片机应用系统中是16位地址数据，其高8位由片选线提供，而低8位地址为片内地址。

当IOM/=0时，单片机对8155内RAM读/写，RAM低8位编址为00~FFH；当IO/M=1时，单片机对8155中的I/O口进行读/写。

8031与8155的连接如图和键盘显示连接图如图3.3所示

图3.3

3.5A/D转换电路

ADC0809是一个典型的A/D转换芯片，为逐次逼近式8位CMOS型A/D转换器，片内有8路模拟选通开关、三态输出锁存器以及相应的通道地址锁存与译码电路。

ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容。

8路8位A／D转换器，即分辨率8位。

具有转换起停控制端。

转换时间为100μs，单个＋5V电源供电，模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

首先输入3位地址，并使ALE＝1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

A/D转换是把从热电偶接收到的温度模拟量转换成温度数字量输送到单片机里，以便

可以用单片机进行控制。

3.5.1引脚结构

（1）IN7~IN0：

8条模拟量输入通道

（2）地址输入和控制线：

4条

（3）数字量输出及控制线：

11条

（4）电源线及其他：

5条

输入为8个可选通的模拟量IN0-IN7。

至于ADC转换器接收哪一路输入信号由地址A、B、C控制的8路模拟开关实现。

同一时刻，ADC0809只接收一路模拟量输入，不同时刻对8路模拟量进行模数转换。

3.5.20809与8031的连接

图3.40809与8031的连接

3.6可控硅控制电路

图3.5可控硅功输出与通断时间关系

8031对温度的控制是通过可控硅调控器实现的。

可控硅功输出与通断时间关系草图如图3.5所示。

双向可控硅管和加热丝串联接在交流220V，50Hz交流试点回路。

在给定的周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。

图3.5示出了可控硅管在给定周期T内具有不同接通时间的情况。

显然，可控硅在给定周期T的100%时间内接通的功率最大。

可控硅接通时间可以通过可控硅控制板上控制脉冲控制。

该触发脉冲由8031用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲后经光偶管和驱动器输送到可控硅的控制极上。

偏差控制的原理是先求出史册炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理而获得控制信号去调节电阻炉的功率，以实现对电阻炉的炉温控制。

在工业上，偏差控制又称为PID控制，这是工业控制中常用的控制形式，一般能收到令人满意的效果。

控制论告诉人们，PID控制的理想方程是：

（3.1）

式中e—测量值与给定值之间的偏差;

TD—微分时间:

T-积分时间;

（3.2）

KP—调节器的放大系数.

将上式离散化得到数字PID位置式算法