烘干炉温度自动控制系统.docx
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烘干炉温度自动控制系统
目录
第1章概述3
1.1课题研究的目的和意义3
1.2烘干炉温度自动控制系统现状和发展趋势4
1.3本文的主要内容6
第2章系统总体方案设计7
2.1系统的组成7
2.2控制系统结构和功能特点7
2.3系统总体方案设计8
2.3.1系统控制器的选择8
2.3.2检测元件的选择10
2.3.3输入通道方案选择11
2.3.4输出通道方案选择：
12
2.3.5外围接口设备的选择：
12
第3章系统硬件设计14
3.1控制单元电路设计14
3.1.1．引脚特性16
3.1.2．晶振电路设计18
3.2信号检测电路设计19
3.3前向通道电路设计19
3.4控制电路设计22
3.5外围设备接口电路的设计23
3.5.1显示器接口电路设计23
3.5.2.键盘接口电路设计25
3.6报警电路25
第4章系统软件设计27
4.1总体设计思想27
4.2主程序设计28
4.3数据采集及处理子程序设计31
4.3.1.数据采集子程序设计31
4.3.2.数字滤波子程序32
4.4控制算法子程序设计34
4.4.1PID算法程序34
4.4.2输出控制程序设计35
4.4.3采样值调整程序35
4.5键盘显示子程序36
4.5.1显示子程序设计36
4.5.2键盘子程序设计37
总结39
致谢40
参考文献42
附录A硬件原理图43
附录B单片机系统软件源程序清单44
第1章概述
1.1课题研究的目的和意义
在工业生产中，涂装工艺占据着举足轻重的地位。
烘干是涂装工艺的三大主要工序之一，它使液态（湿态或粉状）的涂膜快速转化为固态的漆膜，对生产效率、涂层质量和涂装成本等有直接的影响。
烘干是用加热设备（烘干室或烘干炉）来实现的。
因此烘炉是涂装生产线必不可少的设备之一。
在干燥固化过程中，烘炉内各点的温度是否能保证在规定的工艺要求的范围内，将对被涂装的材料、产品、工件的质量、降低能耗以及提高生产效率和经济效益都会产生重要的影响，而且随着整机度的提高和元器件的微型化、复杂化在各种工业过程中对·温度工艺的要求越来越高。
烘炉温度一时间曲线是根据被烘干涂料的固化特性，由涂料厂家和涂装厂商定的，必须严格遵守。
这就需要一种可移动的温度数据采集仪器，可以连续追踪烘炉温度。
而我国目前采用的传统的定点式烘炉测温方法，己经显得比较落后，无法满足生产工艺对温度测量的要求。
烘炉温度追踪仪（可移动式温度数据采集仪）就是在这种情况下提出的。
近年来，随着计算机技术的飞速发展，给烘炉炉温的检测提供有力的技术支持。
目前，计算机应用控制领域采用三种配置:
（1）可编程序控制器（PLC），
（2）微型计算机，（3）单片机。
〔，〕本烘炉温度追踪系统，作为检测系统的一种，采用单片机作为前段数据采集单元，对炉温及炉内工件温度进行采集和处理，监控烘炉的热加工过程及产品的质量状态。
应用微型计算机实现数据保存、分析统计。
本课题研究开发的目的，就是要通过借鉴国外的先进技术，研究出具有我国自主知识产权的烘炉温度自动检测系统。
研制的烘炉温度自动温度检测系统，可用来连续测量各点的温度变化，准确的绘制出烘炉长度区间上的时间一温度曲线，以及测量出被加工的零件产品木身的温度状态变化，掌握不同温度下的固化时间、最大
温差、变化斜率和参考曲线等技术指标，以此来优化生产过程，提高烘炉热加工的
产品质量和生产效率，降低能耗，同时该装置也为快速查找烘炉故障提供了便利的条件。
该课题研究的意义在于目前国内尚没有生产采用隔热装置的烘炉温度自动检测系统的企业，因此通过本文的研究，希望对我国该类仪器仪表的开发能起到抛砖引玉的作用。
研制烘炉温度自动检测仪，可以把国外的先进的温度测量技术和方法引入我国，一是可以改变我国热加工领域测温技术相对落后的状态，二是填补了我国在该技术领域的空白。
目前，国内代理销售的该项产品是英国“DATAPAQ”（达塔帕克）公司制造的“OvenTracker（炉温追踪仪）”，其每台零售价格卖到约4到5万元人民币），由于其价格l一分昂贵，一般企业以承受，因此限制了它的推广和应用。
如果该课题的研究能获得成功，那么研制出的产品会以优越的性能/价格比占领国内市场（每台在1万元人民币以内），同!
l寸还可以参与国际市场竞争，为国家外汇创收做出贡献。
并且该项技术不仅局限于烘炉热加工过程的温度测量，只要略加改进，就可以应用于其它领域的热加工过程的温度测量。
因此说，该项目的研究对改变我国目前在热加工技术领域的落后状态具有极其深远的意义。
1.2烘干炉温度自动控制系统现状和发展趋势
生产管理一体化、网络化是当今工业自动化控制领域的大趋势，要实现这些功能，必须借助于工业计算机、现场网络及开放的工业数据库。
利用先进技术手段监测各种复杂生产环境的被控参数（如温度、流量及压力等），使生产和管理一体化，可以有效地提高生产和管理的自动化水平。
温度追踪测量（也可以称作是温度分布测定技术）是一种利用微机来实现数据采集、数据通讯传输和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中一记录和说明热加工产品与空气温度关系的技术，追踪测量得到的数据被显示为图表或数字。
这个过程最简单的形式就是它可以告诉生产者所生产的产品的温度、保持这个温度有多长时间以及在什么时间达到了什么温度。
通过分析数据，生产人员可以保证产品达到最好的质量、解决产品存在问题、优化生产工艺路线及节约能耗。
无论是在电子产品的生产、食品加工、其它工业生产，还是在医疗器械生产方面，只要在生产
过程中温度是重要的控制指标，温度检测（也称追踪）技术就具有非常广阔的应用前
景。
国外的温度检测技术起于80年代，其先进的技术可以以1984年成立的英国达塔帕克公司为代表。
该公司是世界上最先进的温度追踪技术的代表，于1985年首次生产出温度追踪的产品，是温度追踪技术的开拓者。
目前它的产品已遍布世界各地，主要生产精加工工业用烘炉温度追踪器、电子工业用回焊追踪仪、热处理工业用高温炉温追踪仪、陶瓷工业用炉窑温度追踪器、食品加工业用的多功能温度追踪器等，可见该项技术在工业领域的应用十分广泛。
国外的温度追踪技术除了在理论上进行先进的研究外，在实践中更是日益成熟。
国际上，另一个在该领域的先进技术的代表就是波兰，早在1992年就利用连续温度监测法预报煤井的瓦斯状态。
国外的温度追踪技术从普通的室温监测到高温监测技术，从遥感监测到各种炉膛的内部监测技术，正随着新技术的出现在不断的更新及完善。
随着科技进步，计算机检测技术的发展，我国从90年代开始对温度监测进行理论上的研究，在生产实践中也进行了一系列的应用。
比如在2001年杭州商学院计算机与信息工程系用VB6.0开发出粮库温度监测系统的监控软件，利用微机来实现串行通信、数据处理的温度监测系统。
而我国采用的烘炉温度测量方法一般是定点测量，既在炉内留出测量孔，把传感器通过测量孔伸到炉膛内，对温度进行测量。
这种测量方法的缺点一是测量孔多了将影响烘炉的保温性能，二是它测量的温度，在烘炉长度区间分布上，不是连续的量和存在测量死区，另外它无法测量烘炉内产品自身的温度。
由于在工业现场的外部环境很不好，抗干扰问题就成为计算机检测技术中必须要解决的问题，而我国在此方而的技术与国外相比有很大的差距。
虽然我国在理论方面紧跟国外的步伐，但研究的方向是针对专门的行业，技术的应用没有普遍性。
而且目前我国尚无烘炉温度追踪仪方面的研究报道，更无生产该类型温度追踪仪的产品的厂家，而国内代理销售的进口温度追踪仪，最便宜一台也要4至5万元人民币左右。
进口产品的昂贵价格，使国内企业难以承受，其销路难以推广，以致使我国烘炉热加领域的检测技术和工艺水平长期处于落后状态使热加工的产品质量难以提高。
因此，可以说烘炉温度检测系统的研究与开发的前景广阔，同时也可带来巨大的经济效
益和社会效益。
它不仅可以大大降低我国烘炉热加_〔产品的成本和提高产品的质量，还将生产出第一台国产的温度追踪仪，它可以广泛的应用于使用烘炉以及其它热加工的行业，满足国内市场的需求，推动我国烘炉温度测量技术的发展，使其早日跨入世界先进行列。
1.3本文的主要内容
设计一个适用的烘干炉，主要参数如下：
1.机体尺寸：
3500*540*1250（L*W*H）
2.额定功率：
30KW
3.工作电压：
220V
4.温度可调可控，4点测温
5.温度范围：
80～150℃
6.恒温精度：
±0.5%
7.具有四位数字显示功能，分别显示路数、预置值、实测值
第2章系统总体方案设计
2.1系统的组成
根据系统基本要求，将本系统划分为：
温度测量电路，A/D转换电路，键盘输入部，控制处理电路，显示电路，微处理器。
2.2控制系统结构和功能特点
烘干炉温度控制系统主要由温度检测、温度控制和调节、图文显示、语音报警以及数据通信等部分组成.其结构框图如图1所示.系统以89C51单片机作为控制CPU,对炉温进行检测,依据相应的控制算法,通过分析计算,得到合适的控制量以控制加热元件,从而实现对温度的控制.控制系统的主要功能特点如下:
1）采用高速单片机作为系统的控制核心,确保系统的运行速度;启用看门狗以及上电延时复位和掉电检测功能,增强了系统的可靠性,简化了电路设计.
2）采用更适于现场安装的平板式结构液晶显示器,以文本和图形两种方式实现了温度的实时显示.
3）采用12位高速A/D转换器以及新型的模拟信号隔离放大器,保证了模拟信号的完整性,具有放大器体积小、隔离电压高、非线性失真小等突出优点.
4）实现了和车间级监控计算机之间的通讯.在数据通讯设计中,采用了独特的高速光电隔离耦合技术,以及数据正确性鉴别等软件技术,通讯可以在现场电路干扰严重、传输距离长的条件下高速、可靠进行.
5）语音报警单元采用ISD4004作为控制核心,为工作人员提供告警提示.
6）结构化程序设计增强了系统软件的可移植性,也易于调试和检验.
图2-1烘干炉温度控制系统结构图
2.3系统总体方案设计
传感器部分将模拟输入量——温度转换成电量值。
由于R-V转换后的输出电压很微弱，所以采用运算放大电路使输出电压扩大到0～5V。
A/D转换电路主要是将模拟信号转化为与温度相对应的数字量，每当采样周期到达，即可将炉温值与键盘设定值比较，然后通过比较结果去改变可控硅在固定控制周期内的导通时间，从而达到控制炉温的目的。
2.3.1系统控制器的选择
单片机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（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操
作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编
成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。
存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。
程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行
PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。
也是公共有限公司、电源线车等的名称缩写。
PLC=ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器
PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1966
年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大部分。
工控机（IndustrialPersonalComputer—IPC）是一种加固的增强型个人计
算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。
早在80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532。
由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛
。
工控机的内部结构图
图2-2
现在国内品牌主要有研祥EVOC，公司产品丰富。
综上所述的种种特点，所以系统控制器我们选择单片机。
2.3.2检测元件的选择
由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们
可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在
温漂和非线性等影响因素。
传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。
根据设计总要求：
我们要用到A/D转换的部分所以我们要选择模拟的温度传感器，温度控制范围为25℃～150℃、最小区分温度为0.5℃，温度传感
器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广，发展最快。
众所周知，日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化，最常用的热电阻和热电偶两类产品。
热电偶具有构造简单、适用温度范围广、使用方便、承受热、机械冲击能力强以及响应速度快快特点，常用于高温区域、振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小结构测温场合；采用热敏电阻，这种电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成，其阻值随温度变化有明显的改变。
负温度系数热敏电阻器通常是由锰，钴的氧化物烧制成半导体陶瓷制成。
其特点是在工作温度范围内电阻阻值随温度的上升而降低。
可满足40℃～90℃测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，不适用于检测小于1℃的信号；而且线性度很差，不能直接用于A/D转换，应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。
综上所述的种种特点，所以测温传感器我们选择热电偶。
2.3.3输入通道方案选择
在本设计中，A/D转换是要把一路模拟信输入转换为八路数字信号输出。
MC14433是美国Motorola公司推出的单片31/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：
1.精度：
读数的±0.05%±1字
2.模拟电压输入量程：
1.999V和199.9mV两档
3.转换速率：
2-25次/s
4.输入阻抗：
大于1000MΩ
5.功耗：
8mW（±5V电源电压时，典型值）
MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。
2.3.4输出通道方案选择：
固体继电器（SSR）是一种全部由电子元器件组成的新型无触点开关器件,具有高可靠性、长寿命、低噪音、开关速度快、抗干扰能力强、耐振动、耐冲击、防湿、防潮、防腐蚀、能与TTL、CMOS等逻辑电路兼容的优点,逐渐被越来越多的应用领域所接受。
在电力无功补偿的控制领域中,对于免维护设备的操作要求,传统的交流接触器控制容性负载受到了巨大的挑战。
虽然通用交流SSR以其独特的过零导通的特点被广大用户所青睐,但是对于高电压高冲击电流的容性负载,通用交流SSR难以满足控制要求,制约着SSR在这一领域的推广应用。
SSR的优点：
（1）高寿命，高可靠：
固态继电器没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。
（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好:
固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。
（3）快速转换:
固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。
（4）电磁干扰小:
固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。
大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。
2.3.5外围接口设备的选择：
由于89C51是一种高性能低价位单片机，但因其引脚少，只有15根I/0口线，去掉信号输入、信号输出和按键输入以及复位电路等常规接口线外，一般所剩只有
三至五根I/0口线，给系统设计尤其是LED显示接口电路的设计带来一定难度。
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余下的并行I/0口线不足8根，数据并行输出已不可能，但可以考虑串行输出的方
法，所以这里我们选用采用串入并出移位寄存器74LS123圆满地解决了这一问题。
由于显示的位数只有四位，所以在这里我们采用静态显示来实现。
第3章系统硬件设计
3.1控制单元电路设计
本系统由89C51单片机、74HC373、74HC138、EPROM27C512构成最小应用系统,外扩一片8255A（RAM,32KB）用以存储工作参数及检测数据.硬件电路主要包括温度检测电路、输出控制电路、液晶显示和语音输出电路、串行通信电路等.温度检测电路采用K型热电偶作为温度检测元件,变送器将热电偶输出的毫伏级信号转换为0~10mA的电流信号,再将电流信号转换为0~5V的电压信号,以满足A/D转换器MC14433的输入要求.图3-1所示为89C51最小系统图
图3-1单片机最小系统图
输出控制电路设置隔离电路部分,采用光电耦合隔离放大器保证单片机输出的信号与外界隔离.温度控制则采用SSR固体继电器.
由于系统不仅要以文本形式显示温度及烘干炉工作状态信息,还需显示时间!
温度曲线,所以采用点阵式液晶显示屏,通过液晶显示控制器SED13305控制和驱动显示.报警信息以语音方式输出,用以提示操作人员.
串行通信电路通过485总线将采集记录的温度数据送到车间级监控机,以建立烘干炉的检修数据库,既为保证检修质量提供了可靠依据,也使人机交互更为便捷.由于PC机的RS232电平与单片机的TTL电平不兼容,系统中配置MAX485
和RS485/232转换器,进行TTL电平和RS485电平、RS485电平和RS232电平间的转换。
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。
89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
89C51的特性与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：
1000写/擦循环数据保留时间：
10年全静态工作：
0Hz-24MHz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路。
3.1.1．引脚特性
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，
输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储
器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上
拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个
TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
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。
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
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