基于单片机的工业电阻炉智能温度控制系统设计毕业设计说明书.docx
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基于单片机的工业电阻炉智能温度控制系统设计毕业设计说明书
摘要
电阻炉是通过电流流过电阻体产生热量来加热或熔化物料的一种电炉。
电阻炉广泛地应用在化工、冶金等行业。
它对温度控制的要求较高，温度控制的好坏直接影响着产品质量及生产效率，因此电阻炉的温度控制在科学研究、工业生产中具有重要的意义。
本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，以电阻炉作为控制对象，用热电偶作为测量元件，用晶闸管作为输出控制元件来实现对电阻炉温度自动控制。
该系统利用K型热电偶温度传感器，把检测到的电阻炉温度的信号送入MAX6675芯片，经过信号放大等一系列转换后，再将信号送到单片机STC89C52内进行PID运算，同时可以通过键盘调节PID参数。
经PID运算后，将控制信号输出，同时通过LED显示器显示温度值，进而使电阻炉的炉温始终保持在设定范围内。
本设计根据系统的需要，设计了硬件电路并详尽的介绍了组成硬件电路各个部分；根据各部分软件流程图编写了软件程序。
关键词：
电阻炉；MAX6675；单片机；PID控制
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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第一章绪论
1.1课题研究的背景及意义
20世纪20年代以来，电阻炉就在工业生产中得到了广泛地应用。
随着社会的发展，科学技术的进步，电阻炉被大量的应用在电力、冶金、机械、石油化工等工业生产中。
在这些工业生产中，温度的测量及控制影响着生产安全、产品质量、生产效率等重要的技术经济指标，电阻炉温度控制的稳定性、精度、可靠性等要求也逐步提高。
而在各个领域测温仪器的实际应用表明，智能化仪器已经是现代电阻炉温度控制系统发展的主要方向[1]。
基于此，设计一种智能化的电阻炉温度控制系统有广泛的应用前景及实际意义。
电阻炉是利用电流流过电阻体，使其产生热量来加热或熔化物料的一类电炉。
它的特点是：
①电路简单；
②对炉料种类的限制较少；（小型电阻炉可用来加热食品、干燥木材）；
③炉温控制精度高；
④容易在真空中加热等特点。
它主要作用于：
①机械零件的淬火、退火、渗碳等热处理；
②各种材料的干燥、加热、烧结、熔化等。
电阻炉的参数有工作空间尺寸、额定温度、额定电压、额定功率。
电阻炉按炉温不同可分为低温电阻炉（600～700℃以下）、中温电阻炉（700℃～1200℃）、高温电阻炉（1200℃以上）[2]。
电阻炉的温度控制主要有：
1、传统PID控制；2、智能控制。
PID控制温度系统的效果，主要取决于P、I、D三个参数。
PID控制对于确定了的温度系统控制效果较好，但是对控制大惯性、大滞后、时变性温度系统则难以保证其控制品质。
电阻炉大多是经电阻丝加热升温，自然冷却降温的，当电阻炉的温度超调时，无法靠控制手段降温，所以电阻炉温度的控制具有滞后性、非线性、惯性、不确定性等特点。
目前国内较成熟的电阻炉温度控制系统中，以PID控制器为主。
PID控制器对小型实验用的电阻炉控制效果良好，但对于大型工业用电阻炉，就难以保证电阻炉温度控制系统的稳定性及精度等问题。
智能控制是一种不需要人操作就能驱动智能机械来实现其目标的自动控制。
随着科学技术、控制理论的发展，国外的温度控制系统发展很迅速，基本实现对温度的智能控制。
被广泛应用的温度智能控制方法有：
模糊控制、神经网络控制、专家系统等。
具有自适应、自协调、自学习等能力，使控制系统的控制精度、稳定性、抗干扰能力等性能得到保证[4]。
本文以电阻炉为控制对象，以单片机STC89C52为硬件核心元件，采用PID控制，该系统硬件电路设计简单、控制算法成熟稳定、系统性能优良。
1.2电阻炉的应用与发展
整体上，我国的电阻炉控制系统比国外发达国家要落后四、五十年，占主导地位的是模拟仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。
控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置，操作不方便，控制数据无法保存。
因而，对生产工艺的研究很困难，造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低、这些都缩减了企业的效益[3]。
目前在控制领域，电阻炉控制系统的水平在很大程度上取决于测控水平的高低。
由于现代工业生产规模的不断扩大和生产工艺的日益复杂，对生产过程的自动控制提出了越来越高的要求，不但要求自动控制系统有优越的控制性能、良好的性能价格比、良好的可维护性等，还要求高可靠性、灵活的构成方式和简易的操作方法。
这也使得生产过程自动控制技术得到了不断的发展。
近年来，随着计算机技术、超大规模集成电路技术、网络通信技术的进步，工业控制已逐步从单机监控、直接数字控制发展到以新型工业控制网络、智能化仪表和控制器为主要支撑技术的过程自动化与信息管理自动化相结合的计算机综合型控制系统，其本质是利用计算机技术对生产过程进行监视、操作和管理。
从控制系统的角度讲，计算机控制系统经历了直接数字控制系统（DDC）、分散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）三个阶段。
而在过程控制系统中采用分散控制系统己经成为主流。
分散控制系统中有以可编程序控制器为中心或以微型计算机为中心的两种主要形式，二者的设计思想及方法均有较大差别。
国外先进电阻炉的控制系统普遍采用了以PC、PLC、PCC等为核心的可编程系统，并在一些高精度生产装备上采用了模糊控制、统计过程控制（SPC），以及基于网络的远程监控、故障诊断和控制系统。
而我国在先进测量系统方面，基本上依赖进口。
因此利用现有技术改造原有生产系统势在必行。
而单片机以其功能强、性价比高、小巧灵活、可靠性好、适应温度范围宽而成为工业控制系统的首选。
目前国内大多数电阻炉的温度控制系统正逐步由传统分离式仪表控制转变为PID控制和简单的模糊控制。
由生产实践可知电阻炉温度控制系统的时间常数大、纯滞后长。
温度控制过程所具有的高度非线性、动态突变性、多时间尺度性、信息复杂性、传感元件与执行元件的分散性以及决策机构的分层分散性等，决定了其难以用精确的数学模型（微分方程或差分方程）来表征。
PID控制器简单、稳定性好、可靠性高，普通PID控制器常用于一些线性定常系统的控制，但对于非线性、时变系统难以取得预期的效果[3]。
目前电阻炉温度控制主要问题是：
由于电阻炉是一个特性参数随炉温变化而变化的被控对象，常规PID控制方法难以满足工艺温度在大范围变化时的控制要求。
另外采用常规PID控制，使得系统的动态品质差，超调量大、调节时间长，系统的跟踪性差。
随着现代工业技术的发展，对热处理温度控制提出了越来越高的要求。
为了适应工业要求，己有不少公司研究了一些先进控制策略，实现了许多相对复杂的高级控制算法。
第二章系统总体设计方案
2.1设计总体思路
本设计是对工业电阻炉温度进行实时监测与控制，主要的温度控制系统能实现基本的温度控制功能：
当电阻炉炉内温度低于设定的下限温度时，系统就会对电阻炉发出加热信号，使其温度上升；当电阻炉炉内温度高于设定的上限温度时，系统将停止加热电阻炉，使炉内温度下降。
通过PID调节不断重复该过程，使温度值始终保持在上下限温度之间，并且使LED显示器即时显示温度。
2.2系统技术指标
本系统的技术指标要求如下：
1.测量温度和控制温度均可以数字显示；
2.被测温度范围为0～1000℃，精度为±0.5℃；
3.控制温度可连续可调，精度为±1℃；
4.温度超过限时，产生声、光报警信号。
2.3设计方案选择
在选择控制器的时候，有下面几种方案。
方案一：
控制核心采用8031。
使用最为常用的器件ADC0809作模数转换，使用对电阻丝加电使炉升温。
此方案理论上是可行的，所选元件的价格便宜，但8031内部没有设置存储器,需要内存扩展，加大了电路的复杂性，且ADC0809是8位模数转换器，转换的精度较低，所以不能满足控制的要求。
方案二：
采用比较流行的STC89C52为电路的控制核心，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机。
数据的采集部分使用K型热电偶传感器，数据转换部分采用MAX6675，改变了传统温度测试方法，在现场采集温度数据，并直接将温度模拟量变换为数字信号，送到单片机进行数据处理，检测温度范围为-270℃～+1300℃。
可应用于多种领域、各种环境的智能化测试和控制系统，精度高，使用方便灵活，优于大多传统的温度测控设备。
方案三：
采用PLC作为控制部分的核心，其他部分的电路，用和方案二同样的设计。
这种方案具有和方案二相同的控制精度，而且整个电路比方案二的稳定性更高，但是单片机的价格远远低于PLC，考虑到价格因素，并不适合大批量的生产，所以此种方案不选择。
综上分析，我们采取方案二。
系统由单片机STC89C52、键盘、温度检测电路、显示电路等部分组成。
在选择显示器部分的时候，有以下几种方案。
采用四位LED数码管显示。
这种方式可以把测量温度的数值及小数点一同显示。
硬件电路的连接也很简单，只需要有相应的四个74ls164芯片作为驱动器件，就能使检测温度值直观的显示出来。
软件编程也比较容易，相对来说使用起来方便，而且价格较便宜，性价比也高。
采用液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）。
它具有：
微功耗，显示信息量大，长寿命，无辐射等诸多优点。
液晶显示器可以显示不同的图形与符号，但显示这些图形符号使得软件编程变的复杂，不太容易实现。
而且液晶显示器的价位相对也比较高。
比较之后，无论从价格方面，还是方便实用的方面，使用LED显示器都较使用LCD好一些，所以本设计的温度显示部分采用LED显示器。
2.4系统总体设计方案
本系统由单片机、温度信号采集与转换、键盘输入、PID控制、温度显示等五部分组成。
其中，测温元件用K型热电偶，用来检测炉内温度，将炉中温度的物理量值转换成毫伏信号输出，经MAX6675进行处理后，炉温给定值的电压信号和所检测到的炉温电压信号都转换为数字量送入单片机内进行比较，得到实际炉温与给定炉温的差值。
由单片机系统构成的数字控制器，对偏差按PID调节规律进行运算，并且在LED显示器上显示温度值，将运算结果送至D/A转换器转换为模拟电压，电压值经过功率放大器放大后，送到晶闸管调压器触发晶闸管，并且改变其导通角的大小，从而调节电阻炉的加温电压，起到控制炉温的作用。
其方案图如图2.1所示：
图2.1系统总体设计方案图
单片机：
该部分的功能包括向读取温度数据、数据处理，并且还要对执行单元进行控制。
单片机是整个系统的数据处理核心及控制核心。
温度信号采集与处理：
本部分的主要是用传感器检测温度信号，温度传感器里的电流会随环境温度值的变化而变化。
然后将电流信号转换成电压信号，使用MAX6675将模拟电压信号，转换成数字电压信号能在单片机中进行数据处理。
人机交互及串口通信：
人机交互主要是为了提高系统的友好性和实用性。
主要包括输出显示、按键输入。
输出显示进行数据的显示输出，通过按键输入完成系统参数设置，而串口通信的主要作用是完成单片机与上位机的通信。
电源系统单元：
主要功能是为单片机提供合适的工作电源，同时也为其他硬件模块提供电源，如LED显示器、按键等。
在本设计中，电源系统输出+5V的电源。
执行单元：
是本系统的输出控制执行部分，本设计中由于技术原因，无法实现，仅作理论阐述。
温度采集和控制系统已广泛应用于工业生产，科研和人民生活的领域。
在工业生产过程中，为使生产过程能顺利进行，充分保证产品的质量，需要对温度进行严格的监控。
使用自动温度控制系统，可以对生产环境的温度，进行自动控制，保证生产顺利、安全的进行，从而提高工厂的生产效率。
第三章系统硬件设计
3.1温度检测部分
3.1.1温度传感器的选择
本部分主要是温度传感器的选型。
传感器的选择受到许多方面的影响，比如各种温度传感器本身有各自优缺点，适应于不同的场合；还有现场的环境因素各有不同，再有就是根据系统要求的不同，所需实现的精度也不同，所以在不同的场合当中，选择温度传感器的类型也将不同。
方案一：
热电偶传感器
热电偶传感的原理，是将温度变化转化为电势变化。
这种感温元件具有热电效应原理，是利用把两种不同的金属材料连在一起构成的。
其优点为构造简单、精确度高、测量范围广、型号种类比较多、使用方便且技术成熟等。
目前在工业与民用产品中应用广泛。
这种传感器的种类较多，应结合考虑其精确度、灵敏度、稳定性、可靠性等条件来选择[4]。
方案二：
热电阻传感器
热电阻传感器把温度的变化转换为电阻值变化为原理。
热电阻传感器是常用在中低温区的一种温度传感器。
其主要特点是：
精度高，性能稳定。
其中测量精度最高的为铂热电阻，被制作成标准的基准仪，广泛应用在工业测温领域。
从热电阻的测温原理可知，被测温度的改变是直接通过热敏电阻阻值的改变来体现的。
因此，热电阻的引出导线电阻的变化会影响到测温，所以一般采用三线制或四线制来消除引线电阻的影响。
热电阻测温系统大多以热电阻、连接导线以及显示仪表组成。
方案三：
半导体集成模拟温度传感器
半导体集成电路模拟温度传感器是一种利用半导体PN结的电压、电流与其温度的变换关系来测温的感温元件。
这种传感器精度较高，输出线性化好，可以将信号处理电路及传感器驱动电路等与温度传感器部分集成为同一硅片。
其体积小，使用方便，应用较广泛的有AD590等。
半导体集成模拟温度传感器通常用于室温或周围环境温度的检测，以便单片机系统对温度测量值进行补偿。
方案四：
半导体集成数字温度传感器
随着社会的不断进步和科学技术的发展，许多新的温度传感器，应用日益广泛，并开始从模拟式向数字式，单总线型，双总线类型，多总线类型发展。
这种数字温度传感器，能与各种单片机的I/O接口连接，组成智能控制系统，这种系统改善了模拟传感器与单片机接口之时，需要信号转换电路和A/D变换器的弊端，广泛应用于工业控制、医疗仪器、电子测温等温度控制系统中，数字温度传感器中有代表性的有DS18B20等。
AD590与PT100都不能直接与单片机的I/O口相连，需要设计信号转换电路，A/D转换电路。
DS18B20是数字温度传感器，采用单总线技术，可以直接与单片机I/O口相连。
使用DS18B20可以节约单片机I/O口，还能使系统成本降低。
但它的测温范围仅限-55℃～+125℃，而电阻炉的温度在一千度上下，所以结合精度要求、测温范围的大小以及价格等各方面因素考虑，选择K型热电偶传感器。
K型（镍铬－镍硅）热电偶能测量1300℃以内的温度，其线性度极好，且价格便宜。
但测温部分用K型热电偶需经过A/D转换、放大电路等一系列措施，使得硬件电路部分显得冗余，本设计使用能处理K型热电偶输出信号的芯片MAX6675，该芯片可实现A/D转换、放大电路等功能，且可以和单片机直接通讯，节约了硬件部分，降低了成本。
3.1.2热电偶的工作原理
两种由不同材料的导体或半导体组成一个闭和的回路（如图3.1所示），当两接触点温度T和T0不同时，就会在该回路中产生电动势，这种物理现象称为热电效应。
这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体A、B称为热电极。
热电效应中的电动势由温差电势和接触电势组成，接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。
图3.1热电偶原理图
热电偶的冷端温度补偿
热电偶的分度表是以冷端温度0℃为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为0℃，所以需要对热电偶的冷端温度进行温度补偿。
常用的冷端温度补偿方法有：
冷端温度修正法、冷端0℃恒温法、冷端温度自动补偿法等。
3.1.3温度信号处理芯片MAX6675
该器件采用8位引脚的SO封装，引脚图如图3.2所示。
图3.2MAX6675引脚图
引脚功能如表3.1所示。
表3.1MAX6675引脚功能表
引脚
名称
功能
1
GND
接地端
2
T-
K型热电偶负极
3
T+
K型热电偶正极
4
VCC
正电源端
5
SCK
串行时钟输入
6
CS
片选信号端
7
SO
串行数据输出
8
NC
悬空不用
MAX6675的内部由精密运算放大器A1、A2、基准电压源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC等组成，完成了热电偶微弱信号的放大、冷端补偿及模/数转换功能[12]。
将K型热电偶的热电势输出端与MAX6675的引脚T+、T-相连，热电偶输出的热电势经放大器A1、A2进行放大和滤波处理后送至ADC的输入端，在转换之前，先需要对热电偶的冷端温度进行补偿，MAX6675通过内置的冷端补偿的电路来实现冷端补偿。
它将冷端温度通过冷端补偿二极管转换为相应的电压信号，MAX6675内部电路将二极管电压和放大后的热电偶电势同时送到ADC中进行转换，即能得到测量端的绝对温度值。
MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口，其与单片机通信时工作过程如下：
当单片机使MAX6675的CS引脚从低电平变为高电平时，MAX6675将进行新的转换；当单片机使MAX6675的CS引脚从高电平变为低电平并给SCK时钟信号时，MAX6675停止信号转换并从SO端输出串行转换数据。
当从SO端输出串行转换数据时，一个完整的数据输出过程需要16个时钟周期，数据的输出通常在SCK的下降沿完成，其中D15位是伪标志位，始终为0；D14～D3是由高位到低位顺序排列的温度转换值；D2用于检测热电偶是否断线，当D2为1时表明热电偶断开；D1为MAX6675的标识符，始终为0；D0位为三态。
MAX6675的串行接口时序图如图3.2所示。
图3.2MAX6675的时序图
图3.3为本系统中温度检测电路，当STC89C52的P3.3为低电平且P3.1口产生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出转换数据。
在每一个脉冲信号的下降沿SO输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3为相应的温度转换数据，共12位，其最小值为0，对应的温度值为0℃；最大值为4095，对应的温度值为1023.75℃，分辨率为0.25℃。
由于MAX6675内部经过了激光修正，因此，其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系。
温度值与数字量的对应关系为：
温度值=1023.75×转换后的数字量/4095。
当P3.3为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。
图3.3温度检测电路
3.2单片机
在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。
STC89C52是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。
片内带有一个8KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。
它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容、片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。
因此，STC89C52是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域[12]。
基于上述这些特点，这里选择STC89C52单片机作为控制核心。
因为单片机的工作电源为+5V，STC89C52电源输入支持的电压范围为5v~3.4v，且底层电路功耗很小。
Vcc，电源端；GND，接地端[6]。
其电源供电电路如图3.4所示：
图3.4供电电路
本部分主要介绍单片机最小系统的设计。
单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统为基础的。
所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于片内带有程序存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。
小系统是嵌入式系统开发的基石。
本电路的小系统主要由三部分组成，一块STC89C52芯片、复位电路及时钟电路[16]。
STC89C52单片机的引脚说明[13]
VCC：
供电电压；
GND：
接地。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
P0是一个8位双向I/O端口，端口置1时作高阻抗输入端，作为输出口时能驱动8个TTL电平。
对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节；校验程序时输出指令字节，需要接上拉电阻。
在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址（低8位）/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。
P1是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL电平。
端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。
对内部Flash程序存储器
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