电阻炉温度控制系统设计.docx

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电阻炉温度控制系统设计

摘要

计算机控制系统是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。

这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。

辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。

而本次设计我们的设计主题是设计一个基于计算机控制系统算法的电阻炉温度控制系统，要求能通过单片机控制电阻炉的温度，通过键盘输入LED显示数值进行恒温控制，在超出设置温度时可以发出警报，并且因为采用直接数字控制算法，误差小，平稳性更好。

关键字：

计算机控制系统；单片机；电阻炉；LED显示；直接数字控制法

ABSTRACT

Thecomputercontrolsystemistheapplicationofcomputertoparticipateinthecontrolandwiththehelpofafewauxiliarycomponentsandobjectlinkedsystemtoobtainacertaincontrolgoalconstitutes.Thecomputerhereusuallyreferstothedigitalcomputer,canhaveavarietyofscale,asfromaminiaturegeneralorspecialcomputertolarge.Auxiliarycomponentsmainlyreferstotheinputandoutputinterfaces,thedetectiondeviceandtheexecutiondeviceetc.

Thistimewedesignthemedesignisadesignbasedonthetemperaturecontrolsystemofresistancefurnacecomputercontrolsystemalgorithm,requiredthroughtheMCUcontrolofresistancefurnacetemperature,throughthekeyboardinputLEDdisplaynumericalcontrolthetemperatureexceedsthesettemperature,thetimecansendoutthealarm,andbecausetheuseofdirectdigitalcontrolalgorithm,theerrorissmall,betterstability.

Keywords:

Computercontrolsystem;MCU;resistancefurnace;LEDdisplay;directdigitalcontrolmethod

Alpha

第1章绪论

1.1设计目的

通过本次实训使学生将课本中所学的专业知识应用于设计实践，以巩固课堂学的专业知识，为今后的毕业设计打下良好的基础。

1.掌握计算机控制系统中单片机控制技术。

2.掌握硬件电路和软件电路的设计方法。

3.掌握单片机编程语言。

1.2设计要求

1、要求每个学生独立完成设计任务。

2、要正确运用设计资料。

3、焊接实物。

4、在实验室条件下，通过试验调试初步验证其程序的正确性。

5、完成课程设计任务书。

6、要求提交成果。

1.3设计任务

设计一个基于闭环直接数字控制算法的电阻炉温度控制系统。

具体化技术指标如下：

1.电阻炉温度控制在0-500℃；

2.加热过程中恒温控制，误差为±2℃；

3.LED实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为1℃；

4.采用直接数字控制算法，要求误差小，平稳性好；

5.温度超出预置温度±5℃时发出报警。

第2章设计原理概述

2.1电阻炉简介及前景

电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。

电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等。

自从发现电流的热效应（即楞茨-焦耳定律）以后，电热法首先用于家用电器，后来又用箱式电阻炉于实验室小电炉。

工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。

加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。

工作温度在650℃以下的为低温炉；650～1000℃为中温炉;1000℃以上为高温炉。

在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。

在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热。

电阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马弗式和隧道式等类型。

20世纪70年代末至今。

七十年代末，电阻炉温度控制技术已经基本成熟，逐渐向“智能控制"和“复杂系统控制”的方向发展。

近20年来，模糊控制技术、神经网络控制、遗传算法等智能控制技术发展较快，并且在炉温控制系统中都有所应用。

如日本三菱电机公司在1998年开发了MACTUS 210系列的模糊PID自校正调节器。

这类控制器用模糊控制规则和推理，去优化PID控制器的参数，有较强的适应性，但调节过程复杂。

由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了一些比较先进的控制设备，但是从整体上讲，我们的电阻炉温度控制技术比国外发达国家要落后四、五十年，一些中小型企业的控制技术仍以模拟仪表系统控制为主导地位，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，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。

控制不方便，控制精度不高，从而造成产品质量低、废品率真高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低等，这些都缩减了企业的效益。

2.2直接数字控制简介及特点

直接数字控制，简称为DDC系统，是用一台计算机对被控参数进行检测，再根据设定值和控制算法进行运算，然后输出到执行机构对生产进行控制，使被控参数稳定在给定值上。

利用计算机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的多功能数字控制系统。

在这类系统中，计算机的输出直接作用于控制对象，故称直接数字控制，英文缩写DDC。

直接数字控制系统是一种闭环控制系统。

在系统中,由一台计算机通过多点巡回检测装置对过程参数进行采样，并将采样值与存于存储器中的设定值进行比较，再根据两者的差值和相应于指定控制规律的控制算法进行分析和计算，以形成所要求的控制信息,然后将其传送给执行机构,用分时处理方式完成对多个单回路的各种控制（如比例积分微分、前馈、非线性、适应等控制）。

直接数字控制系统具有在线实时控制、分时方式控制和灵活性、多功能性三个特点。

DDC系统中的计算机完成闭环控制，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的PID（比例—积分—微分）调节，而且不需改变硬件，只通过改变程序就能实现各种较复杂的控制，如前馈控制、非线性控制、自适应控制、最忧控制、模糊控制等。

DDC系统是计算机用于工业生产过程控制的最典型的一种系统。

第3章系统硬件设计

3.1设计总体思路以及设计方案

系统采用89C51作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘显示功能。

8051片内除了128KB的RAM外，片内又集成了4KB的ROM作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。

系统程序较多时，只需要外扩一个容量较小的程序存储器，占用的I/O口减少，同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源，简化了设计，降低了成本。

因此89C51可以完成设计要求。

由数据采集、信号放大、模数转换等模块构成。

设计是通过温度传感器将温度信号转变为电流（电压）信号，我们知道经温度变化引起电流（电压）信号的改变是非常小的，此时如果被模数转换器采集的话效果不是很明显的，因此我们将其通过一个信号放大模块进行放大。

再通过模数转换器后送入单片机AT89C51，而单片机通过PID算法控制电炉加热，使数码管显示实时温度，实现温度的精度控制。

在系统中，利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。

该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过显示器进行温度显示并进行判断是否报警，同时将当前温度与设定温度比较，根据设定的算法计算出控制量，根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。

电阻炉温控制系统设计框图如图3-1所示：

图3-1系统设计总框图

3.2单片机

在本次设计中该部分电路主要包括AT89C51主程序的工作情况，单片机主程序完成系统的初始化，进行温度预置及检测。

预置温度的显示及定时器初始化设置等。

T0中断服务程序是设计中温度控制体系的主体部分，用于温度检测、控制和报警。

主程序和中断服务子程序的流程如下图3-2。

主程序如下：

TEMP1EQU50H；当前检测温度（高位）

TEMP2EQUTEMQ1+1；当前检测温度（低位）

ST1EQU52H；预置温度（高位）

ST2EQU53H；预置温度（低位）

T100EQU54H；温度BCD码显示缓冲区（百位）

T10EQUT100+1；温度BCD码显示缓冲区（十位）

TEQUT100+2；温度BCD码显示缓冲区（个位）

BT1EQU57H；温度二进制码显示缓冲区（高位）

BT2EQUBT1+1；温度二进制码显示缓冲区（低位）

ADIN0EQU7FF8H；ADC0809通道IN0的端口地址

F0BITPSW.5；报警允许标志

TEMP1DB00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H；50H~58H单元初始化（清零）

ORG0000H

AJMPMAIN；转主程序

ORG00BH

AJMPPT0；转T0中断服务子程序

ORG0030H

MAIN：

MOVSP，#59H；设堆栈标志

CLRF0；报警标志清零

MOVTMOD，#01H；定时器0初始化（方式1）

MOVTL0，#0B0H；定时器100ms定时常数

MOVTH0，#3CH

MOVR7，#150；置15s软计数器初值

SETBET0；允许定时器0中断

SETBEA；开中断

SETBTRO；启动定时器0

MAIN1：

ACALLKIN；调键盘管理子程序

ACALLDISP；调用显示子程序

SJMPMAIN1

定时器0中断服务子程序PT0：

PT0：

MOVTL0，#0BOH

MOVTH0，#3CH；重置定时器0初值

DJNZR7，BACK；15s到否，不到返回

MOVR7，#150；重置软计数器初值

ACALLTIN；温度检测

MOVBT1，TEMP1；当前温度送到显示缓冲区

MOVBT0，TEMP0

ACALLDISP；显示当前温度

ACALLCONT；温度控制

ACALLALARM；温度越限报警

BACK：

RETI

图3-2主程序和中断服务子程序的流程图

3.3温度检测控制电路

3.3.1温度检测电路

设计中温度检测电路包括了温度传感器、变送器和A/D转换三部分。

传感器选用型号我们选择了WZB-003的铂热电阻，可满足本设计系统0~500℃测量范围的要求。

变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，当温度在0~500℃时变送器输出0~4.9v左右的电压。

A/D转换可采用ADC0809，。

电路设计好后可以通过调整变送器的输出，使0~500℃的温度变化对应于0~4.9v的输出，则A/D转换对应的数字量位00H~FAH,即0~250，转换结果乘以2正好是温度值。

用这种方法一方面可以减少工作中标度变换的工作量，另一方面还可以避免标度变换可能带来的计算误差。

本设计A/D转换采用查询方式。

为提高采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波。

数字滤波的方法很多，这里采用4次采样取平均值的方法。

因此，4次采样的数字量之和除以2就是检测的当前温度。

温度检测流程图如图3-3。

图3-3温度检测流程图

3.3.2温度控制设计

本次设计的控制电路我们采用可控硅来实现，用双向可控硅SCR和电路电阻丝串接在交流220V市电回路中，而单片机的信号通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端，再由端口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻炉中电阻丝的通电加热时间。

通过将当前的温度与预置的温度进行比较，当前温度小于预置温度时，继电器自动闭合，接通电阻丝加热；而当前温度大于预置温度时，继电器自动断开，电阻炉停止加热；当二者相等时电路保持原来状态；当温度降低到比预置温度低2℃时，会再重新启动加热；当前温度超出报警上下限时将启动报警，并自动停止加热。

由于电炉加热时，当前温度有可能低于报警下限，为防止误报，在未达到预置温度时，不允许报警，为此设置了报警允许标志位F0。

温度控制模块流程图见图3-4。

图3-4温度控制流程图

3.4显示器与键盘电路设计

3.4.1LED显示器

本系统设有3位LED数码显示器，用于显示电阻炉的设定温度和实际温度。

采用了串行口扩展的静态显示电路作为本次的显示接口电路。

显示子程序DISP如下：

DISP：

ACALLHTB；调用将显示数据转换成BCD码的子程序HTB

MOVSCON,#00H；置串行口为方式0

MOVR2,#03H；显示位数送R2

MOVR0,#T100；显示缓冲区首地址送R0

LD：

MOVDPTR,#TAB；指向字符码表首地址

MOVA,@R0；取出显示数据

MOVCA,@A+DPTR；查表

MOVSBUF,A；字符码送串行口

WAIT：

JBCTI,NEXT；发送结束转下一个数据并清除中断标志

SJMPWAIT；发送未完等待

NEXT：

INCR0；修改显示缓冲区指针

DJNZR2,LD；判断3位显示完否，未完继续

RET

TAB：

…；字符码表

LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件。

它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。

控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。

常用的LED显示器有7段和米字段之分。

这种显示器有共阳极和共阴极两种。

共阴极LED显示器的发光二极管的阴极相连接在一起，通常公共阴极接地。

当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应得段被显示。

显示接口电路见图3-5。

图3-5显示接口

3.4.2键盘输入

键盘在本系统中是一个关键的部件，能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要功能。

按键设置在行和列交点初，行和列线分别连接到按键开关的两端。

当行线通过上拉电阻接+5V时，被钳位在高电平状态。

键盘中无按键按下是由列线送入全扫描字。

行线读入行线状态来判断的。

其方法是：

给列线的所有I/O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A中，如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为1。

键盘中哪一个键按下是由列线逐列置低电平后，检查行输入状态，其方法是：

依次给列线送低电平，然后检查所有行线状态，如果不全为1，则所按下的键一定在此列。

而且是与0电平行线相交的交点上的那个键。

行列式键盘又叫矩阵式键盘。

用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。

用矩阵式键盘可以直接往控制器里输入数据，所以根据该设计的需要，键盘选择矩阵式键盘。

本系统具有参数输入功能，因此采用矩阵式键盘；利用8031的串行口P1.1、P1.2作为键入线，P1.4作为同步脉冲输出控制线。

键盘设定（0～9）数字键，Enter为确定键，Delete为取消键，Home为运行键，End为停止键。

键盘接口电路如图3-6示：

图3-6盘接口电路

3.5报警接口电路

报警功能由蜂鸣器实现，当由于意外因素导致电阻炉温度高于设置温度时，单片机驱动蜂鸣器鸣叫报警。

报警上限温度值为预置温度+5℃，即当前温度上升到高于预置温度+5℃时报警，并停止加热；报警下限温度值设为预置温度-5℃，即当前温度下降到低于预置温度-5℃，且报警允许时报警，这是为了防止开始从较低温度加温时误报警。

报警的同时也关闭电电炉。

图3-7为报警程序流程图。

图3-7报警程序流程图

鸣音报警接口由两种：

一种是蜂鸣音报警接口，另一种是音乐报警。

本系统选用蜂鸣音报警接口。

压电式蜂鸣器需10mA的驱动电流，因此可以使TTL系列集成电路74LS244低电平驱动，驱动器的输入端接入8031的P2.6。

当P2.6输出高电平“1”时，74LS32输出为低电平为“0”时，使电压蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣音。

当P2.6端输出低电压停止,而不产生蜂鸣音。

单片机报警接口如图3-8。

图3-8报警器电路

3.6电阻炉温度控制执行设计

设计中我们选用反向器74LS06反向驱动，在经功率放大器放大后加到双向晶闸管上。

由于热体电阻丝在冷态时电阻很小，启动电流很大，故本电路比继电器更便于对系统的软启动。

当P1.0检测到有过零跳变时，即由触发电路输出一个触发脉冲，使晶闸管导通，因而通过晶闸管是完整的正弦波，减少了对电网的干扰公害。

本系统采用定周期控制方式，控制周期

秒，即250个电网周波。

由电阻炉平均输出功率

，其中

电阻炉全导通时功率，

为导通周期数，所以

与

成正比，也就改变了

和温度。

图3-9执行电路

结论

在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。

在论文中简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。

通过理论与实践的结合，进一步深入的体会到一种学习的方法，特别是对与电子设计方面。

首先要明确总体的设计方案与方法；其次是对各个部分进行设计与改进；最后将各个部分整合在一起进行比较、观察。

通过这次的学习，使我们在专业的学习上具有了一定运用所学理论知识来分析问题和解决问题的能力。

全面、系统地巩固和提高在校期间所学到的基础知识和专业知识。

通过对多种环节、多种内容的操作和训练，让学生的动手操作技能得到了巩固。

在实践能力上有了一定的提高。

此外在设计期间我学会了如何把所学的知识应用实践中,让实践和理论相结合,真正做到学以致用。

致谢

经过了不长但是非常有意义的时间，本次课程设计划下了完美的句号。

在这些天有老师谆谆的教导，有同学的帮助，有自己的辛苦等等掺杂其中，而在最终结束之后不禁感慨万分。

在此首先要深深的感谢老师在百忙之中对我们不厌其烦的指导和传授，没有您的辛勤劳动便没有我们最终的成果。

其次要感谢互相帮助还有互相鼓励的同学，没有你们便没有这些天美好的回忆。

最后对支持我们进行本次设计并提供场地的学校表示感谢。

这些天的努力对我的感触极大，相信我会把这些收获化为自己可以用到的知识和能力，应用到以后的学习生活中。

参考文献

[1]于海生等编著、微型计算机控制技术、北京;清华大学出版社，19980

[2]高金源等编著、计算机控制系统、北京:

北京航空航天大学出版社，20000

[3]邹伯敏编、自动控制理论、北京:

机械工业出版社，19980

[4]赵晓安主编、MCS-S1单片机原理及应用、天津:

天津大学出版社，20000

[5]曾庆波，孙国霞编著、微型计算机控制技术、四川:

电子科技大学出版社，19990

[6]吴宗宪编著、传感器、清华大学出版社、20010

[7]王亚刚，邵惠鹤、一种基于灵敏度的自整定最优PI控制器、自动化学报、2001a

[8]赵建华，沈永良、一种自适应PID控制算法、自动化学报、20010

[9]周斌，吴刚，张志刚等、基于自适应法的PID自整定仪的开发及应用、仪器仪表与装置20010

[10]吴晓帆、智能PID控制、自动化与仪表，2001a

[12]陶永华著、新型PID控制及其应用、北京:

机械工业出版社，1998a