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加热炉炉温检测和控制系统的设计

摘要

加热炉是生产企业中的主要耗能设备，尽量提高燃料利用率，是节能降耗需解决的主要问题。

在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

其中，温度控制也越来越重要。

在工业生产的很多领域中，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。

采用单片机对温度进行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。

利用单片机控制燃烧过程，就是在各种燃烧工况条件下，找到合理的最佳空燃比，使燃烧处于较佳状态，从而提高炉温控制精度，保证以较快的速度达到需要的温度，节约能源，减少氧化烧损。

本论文侧重介绍“单片机温度控制系统”的硬件软件设计及对加热炉的温度压力控制内容。

论文的主要内容包括：

采样、滤波、键盘、LED显示系统，温度压力控制系统以及单片机MCS-51的开发和对整个控制过程的控制方法等。

结合单片机的学习运用以及各方面的专业知识的运用，对单片机和所学知识的巩固和实际操作的使用。

关键字：

加热炉温度控制单片机PID

绪论

国外从20世纪70年代，我国从80年代开始对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究。

随着检测设备、仪表、计算机水平的提高，90年代我国轧钢企业配置计算机控制的连续加热炉逐渐增多，并进行了不同程度的控制，由于各自的控制内容和使用情况不同，所得到的效果也不尽相同。

目前国内在控制理论和关键技术方面的开发与国外先进国家相比差距不是很大，但在真正的应用上与欧美、日本、前苏联等冶金技术较先进国家相比差距较大。

从20世纪90年代末国内许多老企业，都对加热炉进行了计算机燃烧控制方面的改造，计算机几乎全是选用进口的，检测设备、仪表部分采用国产的，新项目大部分是整套设备进口。

随着我国经济的快速发展，对能源的消耗与日俱增，怎样降低功耗提高经济效益，己成为人们关注的问题。

怎样有效的降低加热炉的能源消耗，提高经济效益，己经摆在人们的面前，加热炉技术己经有几十年的发展历史了，各个时期有不同的产品，它们都代表各个时期的发展水平。

但是，纵观加热炉的发展史，它们都普遍存在的问题是加热炉的控制精度不高，能源损失比较大的缺点，随着计算机控制技术的发展，用计算机来控制加热炉己经成为当前的发展趋势。

尤其是近二十年来，加热炉的硬件设备装备水平有了很大的提高，因此提高加热炉操作水平，实现计算机全自动烧钢，降低加热炉能耗意义很大。

本文就是在没有用数学方法建立精确的模型和参数的情况下，建立以加热炉为研究对象，针对加热炉的特点，设计了用计算机控制系统来控制加热炉的炉温。

1方案设计

1.1设计分析

我设计的题目是加热炉参数检测和温度控制系统，主要是对于加热炉的温度进行控制，使其达到最佳的燃烧效果和最安全的工作状态。

加热炉在我们发展中国家，在工业方面应用得非常广泛的机器，但是如何提高加热炉的应该效率也是我们一直在研究的问题之一。

一直以来，都未曾取得非常好的效果，但我们也一直在探寻摸索，我也仅仅是应用自己学习的专业知识，来提出一点自己的想法。

温度的检测，是一个比较简单的问题，但是要通过控制加热炉的进料来控制温度也是个比较繁琐的问题。

通过长期对于单片机的学习，我觉得单片机是个比较简单容易操作的控制器，所以我选择的是用单片机来控制整个系统，它应该能够达到我们预期所需要的效果。

在控制器方面，从熟练性和操作性方面来看，单片机无疑是非常好的选择。

它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/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

可连接多种不同功能的I/O端口，并进行控制。

单片机的控制系统，是利用单片机作为系统的主控制器，测量电路中的温度反馈信号经A/D变换后，送入单片机中进行处理，经过一定的算法后，单片机的输出用来控制可控硅的通断，控制加热炉的输出功率，从而实现对温度的控制。

1.2方案设计

整个系统可简化为利用温度传感器传感器检测炉内的温度，并分别反馈给单片机，单片机利用软件实现PID算法，得出一个温度差值，在通过执行器来控制开关阀的进料来控制炉内的温度。

整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。

分析硬件电路主要包括：

加热及控制电路部分，数据采集和模/数（A/D）转换处理部分，键盘和显示器部分，单片机与各部分的接口处理部分。

如图1-1所示

图1-1总体方案设计图

从框图可看出，整个系统分为三个部分：

测量电路部分，反馈电路部分和控制电路部分。

测量电路部分，由温度压力传感器来测量个参数，并经过A/D转换来反馈给单片机，单片机再显示器上显示出测量的数字；反馈电路部分，由PID算法来计算出测量信号与给定信号的差值，来看出温度是否有超标；控制电路部分是由单片机上得出的温度偏差，来控制执行器最终控制开关阀，来控制进料，保持给定温度的恒定。

从而可以得到整体设计的原理是：

被控参数温度传感器测量后转换为电信号，经变送器转换为0-5V电压信号，再把温度测量信号送到采样/保持器和A/D转换器进行模拟数字转换，转换后的数字量经过I/O接口读入到CPU，在CPU中经数字处理后，温度信号一方面送到显示器，并根据设定的温度和测量的温度来判断是否需要报警，另一方面与给定值进行比较，然后根据偏差值进行控制计算，控制器输出经D/A转换区转换为电流信号，以带动执行机构工作。

当采样值大于给定值时，把阀门关小，减小燃料的进料，反之将阀门开大，这样通过改变进入加热炉的燃料流量，来达到控制温度的目的。

软件设计主要由温度控制的算法和温度控制程序组成。

软件设计主要为控制器部分，即温度控制系统，采用PID算法，其原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，而后对偏差值处理而获得控制信号去调节加热炉的加热功率，以实现对炉温的控制。

PID基本可满足系统要求。

程序设计是本次设计的核心部分。

整个程序包括管理程序和控制程序两部分。

管理程序是对显示LED进行动态刷新，控制蜂鸣器报警，键盘的扫描和响应，进行掉电保护，执行中断服务程序等。

控制程序是用来对被控进行采样，数据处理，根据控制算法进行计算和输出等。

2元器件选择

2.1单片机

单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。

它是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。

单片机是一种在学习研究上应用得非常广泛的控制器，不仅控制简单，而且易于学习与满足应用得需要，但是在工业控制方面，单片机就不如PLC的应用了。

由于本身对于单片机的学习和了解，特别是在熟练程度上，再加上它能够满足我设计的需要，所以我选择的是比较常见的51单片机来完成设计。

　通过MCS-51单片机内部的逻辑结构图掌握单片机内部的逻辑结构及各个部件的功能与特点，即：

中央处理器（CPU）、内部数据存储器、内部程序存储器、定时器/计数器、并行I/O口、串行口、中断控制系统、时钟电路、位处理器、总线。

CPU：

由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：

用以存放可以读写的数据；ROM：

用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O口：

四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；T/C：

两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式。

如图1-2是单片机的管脚图，除外还有单片机本身接口的电路图

图1-2单片机管脚图

MCS-51单片机的内部存储器：

MCS-51单片机芯片内部有数据存储器和程序存储器两类存储器，即所谓的内部RAM和内部ROM。

同学重点要掌握内部数据存储器的结构、用途、地址分配和使用特点。

一是内部数据存储器的低128单元，它包括了寄存器区、位寻址区、用户RAM区，要掌握这些单元的地址分配、作用等。

二是内部数据存储器高128单元，这是为专用寄存器提供的，地址范围为80H～FFH。

所谓专用寄存器是区别于通用寄存器而言的，即这些寄存器的功能或用途已作了专门的规定，用于存放单片机相应部件的控制命令、状态或数据等。

在这些专用寄存器中，重点要掌握以下寄存器的使用：

程序计数器、累加器A、B寄存器、程序状态字（PSW）、数据指针（DPTR）。

其主要功能

·8位CPU,4kbytes程序存储器（ROM）

　　·256bytes的数据存储器（RAM）

　　·32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令

　　·21个专用寄存器

　　·2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级

　　·一个全双工串行通信口

　　·外部数据存储器寻址空间为64kB

　　·外部程序存储器寻址空间为64kB

　　·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装

　　·单一+5V电源供电

　在单片机中，口是一个集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能于一体的I/O电路。

MCS-51的四个口在电路结构上是基本相同的，但它们又各具特点，因此在功能和使用上各口之间有一定的差异。

在学习中必须要掌握各个口的用途。

2.28255A简介

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。

具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。

其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。

8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。

同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。

由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：

与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。

如图2-1所示

图2-18255管脚图

　　其引脚功能

RESET：

复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

　　CS：

芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输。

　　RD：

读信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/RD=0且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。

　　WR：

写入信号，当这个输入引脚为低电平时,即/WR=0且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。

　　D0～D7：

三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。

　　PA0～PA7：

端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。

　　PB0～PB7：

端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。

　　PC0～PC7：

端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。

端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。

如图2-2

　　A1,A0：

地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器。

　　当A1=0,A0=0时,PA口被选择；

　　当A1=0,A0=1时,PB口被选择；

　　当A1=1,A0=0时,PC口被选择；

当A1=1.A0=1时,控制寄存器被选择。

8255主要是用来与单片机连接扩展单片机的接口，如下图。

在单片机需要控制很多部分的时候，由于单片机只有P0、P1、P2、P3四个口，不能够满足电路的需求，所以必须对接口进行扩展来增加接口来连接更多的外部设备进行控制。

图2-2就是对单片机接口扩展的典型连接图：

图2-28255与单片机连接图

2.3温度传感器

K型热电偶：

K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。

K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成，它是工业上最常用的温度检测元件之一,必须配二次仪表，其优点是：

　　①测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

　　②测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

表2-1K型热电偶分度表

温度单位：

℃电压单位：

mV）参考温度点：

0℃（冰点）

温度　

-10

-20

-30

-40

-50

-60

-70

-200

-5.8914

-6.0346

-6.1584

-6.2618

-6.3438

-6.4036

-6.4411

-6.4577

-100

-3.5536

-3.8523

-4.1382

-4.4106

-4.669

-4.9127

-5.1412

-5.354

-0.3919

-0.7775

-1.1561

-1.5269

-1.8894

-2.2428

-2.5866

温度　

0.3969

0.7981

1.2033

1.6118

2.0231

2.4365

2.8512

100

4.0962

4.5091

4.9199

5.3284

5.7345

6.1383

6.5402

6.9406

200

8.1385

8.5386

8.9399

9.3427

9.7472

10.1534

10.5613

10.9709

300

12.2086

12.6236

13.0396

13.4566

13.8745

14.2931

14.7126

15.1327

400

16.3971

16.8198

17.2431

17.6669

18.0911

18.5158

18.9409

19.3663

500

20.6443

21.0706

21.4971

21.9236

22.35

22.7764

23.2027

23.6288

600

24.9055

25.3303

25.7547

26.1786

26.602

27.0249

27.4471

27.8686

700

29.129

29.5476

29.9653

30.3822

30.7983

31.2135

31.6277

32.041

800

33.2754

33.6849

34.0934

34.501

34.9075

35.3131

35.7177

36.1212

900

37.3259

37.7255

38.124

38.5215

38.918

39.3135

39.708

40.1015

1000

41.2756

41.6649

42.0531

42.4403

42.8263

43.2112

43.5951

43.9777

1100

45.1187

45.4966

45.8733

46.2487

46.6227

46.9955

47.3668

47.7368

1200

48.8382

49.2024

49.5651

49.9263

50.2858

50.6439

51.0003

51.3552

1300

52.4103

52.7588

53.1058

53.4512

53.7952

54.1377

54.4788

54.8186

它的检测原理是：

在热电偶回路中产生的电势由温差电势和相接触电势两部分组成接触电势：

它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。

当两种不同的导体A和B相接触时，假设导体A和B的电子密度分别为Na和Nb并且Na＞Nb，则在两导体的接触面上，电子在两个方向的扩散率就不相同，由导体A扩散利导体B的电子数比从B扩散到A的电子数要多。

导体A失去电子而显正电，导体B获很电子而显负电。

因此，在A、B两导体的接触面上便形成一个由A到B的静电场，这个电场将阻碍扩散运动的继续进行，同时加速电子向相反方向运动，使从B到A的电子数增多，最后达到动态平衡状态。

此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。

此电势只与两种导体的性质相接触点的温度有关，当两种导体的材料一定，接触电势仅与其接点温度有关。

温度越高，导体中的电子就越活跃，由A导体扩散到B导体的电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度越高，因而接触电势也就越大。

2.4A/D转换器

传感器采集的模拟信号，经过ADC0809芯片以后转换为数字信号，将数字信号输入单片机芯片中，单片机采用PID算法对输入信号进行处理，将处理后的信号一方面可以通过数字接口进行传输并在显示器上显示出数据，另一方面可以经AD变换以模拟量的形式输出，通过前后输出和输入信号的对比。

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

如图2-3所示

图2-3ADC0809芯片

A/D转换器集对信号的采样、量化、编码于一体，使之由模拟信号转换为数字信号，来使单片机进行识别，从何可以进行控制。

其主要特性

　　1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。

　　2）具有转换起停控制端。

　　3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）　

　　4）单个+5V电源供电

　　5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。

　　6）工作温度范围为-40～+85摄氏度

7）低功耗，约15mW。

ADC0809的工作过程：

　　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。

　　转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

不管使用哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

2.5D/A转换器

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片,与微处理器完全兼容。

这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

如图2-5所示

图2-4DAC0832芯片

　　其主要参数

分辨率为8位；

　　电流稳定时间1us；

　　可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；

　　只需在满量程下调整其线性度；

　　单一电源供电（+5V～+15V）；

低功耗，20mW。

DAC0832的结构

　　D0～D7：

8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；

　　ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；

　　CS：

片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；

　　WR1：

数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；

　　XFER：

数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；

　　WR2：

DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换；

　IOUT1：

电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；

　　IOUT2：

电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；

　Rfb：

反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；

　　Vcc：

电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；

　　VREF：

基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V。

3硬件设计

3.1显示器电路

经过自己的学习和了解的知识，加上应用得合理性，我选择的是1602显示器，它是两行显示的。

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3-1所示:

表3-11602引脚接口说明

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

VSS

电源地

数据

VDD

电源正极

数据

液晶显示偏压

数据

数据/命令选择

数据

R/W

读/写选择

数据

使能信号

数据

BLA

背光源正极

数据

BLK

背光源负极

DM-162液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口，电路如图3-1所示。

图3-1DM-162液晶显示模块

DM-162采用标准的14脚接口，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

D0~D7为8位双向数据线。

DM-162液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如表3-1所示，这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

1602显示器是两行同时显示的显示器，它的工作原理是在键盘设定的温

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