电阻炉设计方案.docx

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电阻炉设计方案

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1.1课题背景和意义

从20世纪20年代开始,电阻炉就在工业上得到使用。

随着科学技术的发展,电阻炉被广泛的应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中,在很多生产过程中,温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。

因此各个领域对电阻炉温度控制的精度、稳定性、可靠性等要求也越来越高,温度测控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。

温度控制技术发展经历了三个阶段：

l、定值开关控制；2、PID控制；3、智能控制。

定值开关控制方法的原理是若所测温度比设定温度低,则开启控制开关加热,反之则关断控制开关。

其控温方法简单,没有考虑温度变化的滞后性、惯性,导致系统控制精度低、超调量大、震荡明显。

PID控制温度的效果主要取决于P、I、D三个参数。

PID控制对于确定的温度系统,控制效果良好,但对于控制大滞后、大惯性、时变性温度系统,控制品质难以保证。

电阻炉是由电阻丝加热升温,靠自然冷却降温,当电阻炉温度超调时无法靠控制手段降温,因而电阻炉温度控制具有非线性、滞后性、惯性、不确定性等特点。

目前国成熟的电阻炉温度测控系统以PID控制器为主,PID控制对于小型实验用电阻炉控制效果良好,但对于大型工业电阻炉就难以保证电阻炉控制系统的精度、稳定性等。

智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动智能机械而实现其目标的自动控制,随着科学技术和控制理论的发展,国外的温度测控系统发展迅速,实现对温度的智能控制。

应用广泛的温度智能控制的方法有模糊控制、神经网络控制、专家系统等,具有自适应、自学习、自协调等能力,保证了控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。

比较而言,国外温度控制系统的性能要明显优于国,其根本原因就是控制算法的不同。

本文的研究,以电阻炉为控制对象,以单片机AT89C51为硬件核心元件,设计一种新型的温度测控系统,使其具有硬件电路简单、系统性能优良等优点。

1.2国外温度控制系统的发展与现状

国外先进国家设计的各种温度控制自动化水平较高,装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。

其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式,大部分配有先进的控制算法,能够获得较好的工艺性能指标。

而国大多数采用仪表控温,由于控制设备精度低,使产品质量受到很大影响。

很多企业由于种种原因,尚无能力购置先进的温度自动控制系统。

随着国外工业的日益发展,温度检测技术也有了不断的进步。

温度测量系统主要由两部分组成,一部分是传感器,它将温度信号转换为电信号。

另一部分是电子装置,它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。

对应于不同的温度段及测量精度要求,测温装置也不尽相同,从传感器方面看,已出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器,也有红外传感器。

仪器本身也趋向小型化,多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。

对于测点较多,并具有报警、巡测、控制等多功能测温装置,一般采用单片机电路。

目前的温度检测技术原理很多,大致包括以下几种:

<1>物体热胀冷缩原理<2>热电效应<3>热阻效应<4>利热辐射原理。

传统的温度传感器<如,热电偶、铂电阻、双金属开关等>虽然有着各自不可替代的优点,但由于自身因自热效应影响了测量精度,从而制约了它们在微型化高端电子产品中的应用。

与之相比较,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流还是频率输出,在相当大的温度围<-55～150℃>都与温度成线性关系,适合在集成电路系统中应用。

目前,半导体温度传感器工作的温度围还限于-50～150℃。

未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用围,以及智能化、网络化等方面。

近年来,在温度检测技术领域中,多种新的检测原理与技术的开发应用己取得了具有实用性的重大进展。

新一代温度检测元件正在不断出现和完善化,主要包括以下几种。

<1>晶体管温度检测元件<2>集成电路温度检测元件<3>核磁共振温度检测器<4>热噪声温度检测器<5>石英晶体温度检测器<6>光纤温度检测器<7>激光温度检测器。

目前国外的温度控制方式越来越趋向于智能化,温度测量首先是由温度传感器来实现的。

测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。

温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。

温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有:

膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。

随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种:

热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。

目前市场上大致有3类温度控制系统分别是：

单片机温度控制系统、嵌入式温度控制系统、基于SOPC的温度控制系统。

它们有各自的优点与缺点,我们可以根据具体要求进行选择。

单片机温度自动控制系统中,材料温度由热电阻测量,信号通过放大器放大,毫伏信号放大后由A/D转换成相应的数字量,再通过光电耦合器,进入主机电路。

由主机进行数据处理,判断分析,再输出数字控制量,去控制加热功率,从而实现对温度的控制。

同时,超过上下限时进行自动报警,控制中自动显示温度值。

基于ARM的测控系统主要由测温器件、ARM微处理器、键盘及显示单元组成。

测温器件是用作温度的采集。

ARM微处理器是系统的核心部分,它用来控制整个系统的工作流程。

整个系统的硬件部分分为五个部分,即电路部分、检测电路部分、控制及显示电路部分以及输出控制。

系统工作原理为ARM微处理器向传感器发出信号,启动温度传感器采集温度数据,温度传感器采集完一次数据后,将模拟量转换为ARM处理器能识别的数值信号。

ARM微处理器实时扫描进行数据的采集,对采集到的信号进行处理。

基于ARM的温度控制系统通过合理地搭建ARM嵌入式平台,采用PID自整定算法,与常规PID控制算法比较,使被控对象的温度波动大幅度减小,具有响应时间短、超调量小、控制精度高、稳定性好、智能化等优点。

在进行软硬件调试的基础上,应用于热电系数测量仪中,经测试,此控制系统工作稳定可靠,满足了系统温度控制精度要求,具有较高的实用价值。

市场上大多数的温度自动控制系统是基于单片机或ARM系列芯片来设计的。

对比这两种设计,基于单片机的温度自动控制系统的使用更方便,价格低廉,易于实现,因此受到广泛使用。

1.3温度控制系统在国外的应用实例

通过网上查询,翻阅图书了解到目前国外市场单片机为核心的温度控制系统很多,而且方便灵活,且应用面比较广,可用于工业上的加热炉、热处理炉,在生活中的应用也比较广泛,如热水器,室温控制,农业中的大棚温度控制。

以上出现的温度控制系统产品,根据其系统组成、使用技术、功能特点、技术指标。

选出其中具有代表性的几种如下：

〔1虚拟仪器温室大棚温度控制系统在农业应用方面

虚拟仪器大棚温度控制系统是一种比较智能,经济的方案,适用于大力推广,该系统能够对大棚的温度进行采集,然后再进行比较,通过比较对大棚的温度是否超过温度限制进行分析,如果超过温度限制,温度报警系统进行报警,来通知管理员。

〔2电烤箱温度控制系统

该方案采用美国TI公司生产的FLASH型超低功耗16位单片机MSP430F123为核心器件,通过热电偶监测系统温度,用集成传感器AD590作为温度测量器件利用该芯片置的比较器完成高精度AD信号采样,根据温度的变化情况,通过单片机编写闭环算法,从而成功地实现了对温度控制的测量和自动控制功能。

其温度围较低,大概在0-250之间,具有精度高,相应速度开等特点。

〔3小型热水炉温度控制系统

该系统解决了北方冬季分散取暖采用人工定时烧水供热耗煤量大,浪费人力温度变化大的问题。

设计方案硬件方面采用MCS-51系列8031单片机为核心,扩展程序存储器2732,AD590温度检测元件测量环境温度和供水温度,AD0809进行模数转换,同向驱动器7407光电耦合器及9103的功放完成对点击的控制。

软件方面建立了供暖系统的控制系统数学模型。

本系统的硬件电路简单,程序易于实现。

它可用于一台或多台小型取暖热水锅炉的温度控制,可是居室温度基本恒定,节煤节电省人力。

〔4单片机控制电阻炉温度系统

该系统由8098单片机,2764/6264存贮器,8279键盘显示,pp40微打、双向晶闸管过零触发控制,掉电检测与保护,故障声光报警、自动与手动转换等电路组成。

控制回路采用Dahlin或积分分离增量式PID算法。

系统具有结构先进合理、功能完善、控制精度高、杭干扰能力强、通用性好、价格低,使用方便等特点,具有很好的社会经济效益。

<5单片机在水温控制中的应用

传统的公众浴室采用双回路冷热水分开供给的系统,使用中需经常调节阀门,阀门损坏率较高。

应用单片机技术对浴室水温进行自动控制,水温可人工或自动设定,这对传统的浴室供水系统是一种突破。

电路大量采用新型集成电路,提高了系统的可靠性。

<6>电阻炉温度单片机控制系统

该系统把二端式半导体集成温度传感器AD590置于一个封闭严密的箱的中心位置,通过ADC0804与单片机MCS-51接口,控制电阻。

因此,系统应具有对工业现场数据进行采集、处理的功能。

1.4温度控制系统模型

单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置,即按照系统功能要求配置外围设备,如键盘、显示器、打印机、A/D转换器、设计合适的接口电路等。

系统设计应本着以下原则：

<1>尽可能选择典型电路,并符合单片机常规用法。

本设计采用了典型的显示电路、A/D转化电路,为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

<2>硬件结构应结合应用软件考虑。

软件能实现的功能尽可能由软件实现,以简化硬件结构。

由软件实现的硬件功能,一般响应时间比硬件实现长,且占用CPU时间。

由于本设计的响应时间要求不高,所以有一些功能可以用软件编程实现,如键盘的去抖动问题。

<3>系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

第2章系统总体方案设计

本设计要实现对电阻炉温度的检测与控制,本系统由单片机AT89C51、ADC0808转换器及报警电路、显示电路、温度控制电路等部分组成,本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成传感器信号的采集处理,信息的显示等;软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控制等功能。

系统结构框图如图2-1所示：

图2-1系统结构框图

在系统中,利用ADC0808将测得的电压信号经过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LCD1602液晶显示器显示温度并判断是否报警,同时将温度与设定温度比较,由设定的控制算法计算出控制量,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。

电阻炉温度小于280度电阻丝全速加热,超过300度则进入降温,以使温度控制在280-300度之间。

第3章硬件设计

单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置,即按照系统功能要求配置外围设备,如键盘、显示器、打印机、设计合适的接口电路等。

系统设计应本着以下原则：

<1>尽可能选择典型电路,并符合单片机常规用法。

本设计采用了典型的显示电路,为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

<2>硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。

软件能实现的功能尽可能由软件实现,以简化硬件结构。

由软件实现的硬件功能,一般响应时间比硬件实现长,且占用CPU时间。

由于本设计的响应时间要求不高,所以有一些功能可以用软件编程实现,如键盘的去抖动问题。

<3>系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分,从功能模块上来分有主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。

系统硬件包括：

温度传感器、AT89C51单片机、键盘输入、LCD温度显示器、温度控制电路。

3.1AT89C51单片机简介

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000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AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C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。

外形及引脚排列如图3-1所示:

图3-1AT89C51引脚图

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P0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外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个部提供上拉电阻的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,这是由于部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个部上拉电阻的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低位字节。

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指期间,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〔0000H-FFFFH,不管是否有部程序存储器。

注意加密方式1时,/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时,此间部程序存储器。

在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源〔VPP。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及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振荡器。

石晶振荡和瓷振荡均可采用。

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。

芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中,代码阵列全被写"1"且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。

此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下,CPU停止工作。

但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下,保存RAM的容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。

复位电路的设计

复位使单片机处于起始状态,并从该起始状态开始运行。

AT89S51的RST引脚为复位端,该引脚连续保持2个机器周期〔24个时钟振动周期以上高电平,则可使单片机复位。

部复位电路在每一个机器周期的S5P2期间采样斯密特触发器的输出端,该触发器可抑制RST引脚的噪声干扰,并在复位期间不产生ALE信号,部RAM处于不断电状态。

其中的数据信息不会丢失,也即复位后,只影响SFR中的容,部RAM中的数据不受影响。

外部复位有上电复位和按键电平复位。

由于单片机运行过程中,其本身的干扰或外界干扰会导致出错,此时我们可按复位键重新开始运行。

为了便于本设计运行调试,复位电路采用按键复位方式。

按键复位电路如图3.1所示。

图3-2 AT89C51复位电路

3.2模数转换器和ADC0808结构

模数转换器的转换原理及主要技术指标

随着数字电子技术的迅速发展,各种数字设备,特别是数字电子计算机的应用日益广泛,几乎渗透到国民经济的所有领域之中。

数字计算机只能够对数字信号进行处理,处理的结果还是数字量,它在用于生产过程自动控制的时候,所要处理的变量往往是连续变化的物理量,如温度、压力、速度等都是模拟量,这些非电子信号的模拟量先要经过传感器变成电压或者电流信号,然后再转换成数字量,才能够送往计算机进行处理。

模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换,简称A/D转换；完成模数转换的电路被称为A/D转换器,简称ADC。

数字量转换成模拟量的过程称为数模转换,简称D/A转换；完成数模转换的电路称为D/A转换器,简称DAC。

模拟信号由传感器转换为电信号,经放大送入AD转换器转换为数字量,由数字电路进行处理,再由DA转换器还原为模拟量,去驱动执行部件。

为了保证数据处理结果的准确性,AD转换器和DA转换器必须有足够的转换精度。

同时,为了适应快速过程的控制和检测的需要,AD转换器和DA转换器还必须有足够快的转换速度。

因此,转换精度和转换速度乃是衡量AD转换器和DA转换器性能优劣的主要标志。

分辨率

指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,定义为满刻度与2n的比值。

分辨率又称精度,通常以数字信号的位数来表示。

转换速率

指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。

积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达到纳秒级。

采样时间则是另外一个概念,是指两次转换的间隔。

为了保证转换的正确完成,采样速率必须小于或等于转换速率。

因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。

常用单位是kips和Maps,表示每秒采样千/百万次〔kilo/MillionSamplesperSecond。

量化误差

由于AD的有限分辨率而引起的误差,即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD〔理想AD的转移特性曲线〔直线之间的最大偏差。

通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为1LSB、1/2LSB。

偏移误差

输入信号为零时输出信号不为零的值,可外接电位器调至最小。

满刻度误差

满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

线性度

实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移,不包括以上三种误差。

其他指标还有：

绝对精度,相对精度,微分非线性,单调性和无错码,总谐波失真〔TotalHarmonicDistortion缩写THD和积分非线性。

3.2.2ADC0808结构

ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。

其部有一个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。

ADC0808是ADC0809的简化版本,功能基本相同。

一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换,实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。

图3-3ADC0808管脚图

<1>部结构

ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。

<2>引脚功能〔外部特性

ADC0808芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,如右图所示。

各引脚功能如下：

1～5和26～28〔IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

8、14、15和17～21：

8位数字量输出端。

22〔ALE：

地址锁存允许信号,输入,高电平有效。

6〔START：

A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲〔至少100ns宽使其启动〔脉冲上升沿使0809复位,下降沿启动A/D转换。

7〔EOC：

A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平〔转换期间一直为低电平。

9〔OE：

数据输出允许信号,输入,高电平有效。

当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。

10〔CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

12〔VREF〔+和16〔VREF〔-：

参考电压输入端

11〔Vcc：

主电源输入端。

13〔GND：

地。

23～25〔ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路

单片机与ADC0808接口设计

单片机与ADC0808接口设计如图3-4所示

图3-4单片机与ADC0808接口图

3.3温度传感器

传感器的基本概念

传感器的定义是：

"能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成"。

传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器的分类

<1>传感器按照其用途分类

　　压力敏和力敏传感器；位置传感器；液位传感器；能耗传感器；速度传感器；加速度传感器；射线辐射传感器；热敏传感器。

4GHz雷达传感器

<2>传感器按照其原理分类

振动传感器湿敏传感器磁敏传感器气敏传感器真空度