基于单片机的炉温控制系统.doc

毕业设计（论文）第1页共33页摘要随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。采用单片机来对他们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。本文以单片机AT89C51为控制核心，温度信号经放大后输入模数转换器ADC0809，转换后的数字量输入到单片机。单片机中采用PID控制算法对测量数椐和设定数据进行处理，若测量数据与设定数据相差正负10，则进行声光报警，否则处理后的数据用于控制双向可控硅管的接通时便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。本系统的控制参数可进行在线调整。关键字：单片机；温度控制系统；PID控制；可控硅毕业设计（论文）第2页共33页AbstractAlongwithnationaleconomydevelopment,thepeopleneedtoeachheatingfurnace、theheat-treatmentfurnace、inthereactorandtheboilerthetemperaturecarryonthemonitorandthecontrol.Notonlyusesthemonolithicintegratedcircuittocometothemtocontrolhasthecontroltobeconvenient,simpleandflexibilitybigandsoonmerits,moreovermayenhancelargescaleisaccusedthetemperaturetechnicalspecification,thuscanbigenhancetheproductthequalityandquantity.Thispapertakesthesinglechipmicrocomputerof8051asthecentralcontroller,andthetemperaturesignalisinputtedintotheA/DConverterADC0809，thentheconverteddigitalsignalisimportedintotheSingleChipMicrocomputer.Single-chipMicrocomputerusePIDcontrolalgorithmtoprocessthedatameasurementanddatasettings,iftismorethanagivenvalueof±10,thesoundandlightalarmwillbeacted,otherwisetheprocesseddatawillbeusedtocontrolsilicon-controlledrectifiertubeputsthroughthetimethentobepossibletochangetheheaterpower,achievestheattemperationthegoal.Thesystemscontrolparameterscanbeadjustedonline.Keywords:Singlechipmicrocomputer；temperaturecontrolsystem；pidcontrol；silicon-controlledrectifier.毕业设计（论文）第3页共33页目录第一章绪论.41.1引言.41.2温度控制技术的应用与发展.41.3系统功能要求和指标.41.4总体方案的确定.4第二章系统的硬件设计.62.1硬件系统结构框图.62.2温度检测电路.62.2.1常用的测温方法.62.2.2热电阻式温度传感器.72.2.3PT100铂电阻测试传感器的使用.72.3信号放大电路.82.3.1主要特性.82.3.2电压特性.92.3.3放大电路的设计与计算.92.4A/D转换电路.102.4.1A/D转换器的主要技术指标.102.4.2主要特性.102.4.3外部特性（引脚功能）.112.4.4ADC0809工作过程.112.5单片机.112.5.1主要特性.122.5.2管脚说明.122.6.18255由4部分组成.142.6.28255引脚功能.142.7温度控制部分.152.8炉温控制系统的总原理图.15第三章系统的软件设计.173.1系统控制算法的设计.173.1.1控制方法的选择.173.1.3PID算法的微机实现.183.3系统软件设计.183.3.1系统的软件结构框图.193.3.2内存分配.193.3.3程序设计.20第四章总结.24参考文献.25致谢.26毕业设计（论文）第4页共33页第一章绪论1.1引言温度参数是工业生产中常用的主要被控对象之一，例如。在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等许多领域中，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、显示和控制。采用单片机来实现上述各种功能不仅具有使用方便、简单和灵活等优点，而且可以提高被控参数的技术指标，达到提高产品质量和经济效益的目的。为此，研究开发了一种基于MC-51单片机的温度控制器，采用MC-51单片机及相关单元电路构成温度控制器的硬件部分，应用带死区PID控制算法实现对温度控制，且控制参数在线可以修改。1.2温度控制技术的应用与发展温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。随着科学技术的发展对温度的控制大致经历了三个阶段：a.以分立元件为基础的传统控制方法；b.以模拟集成电路为基础的综合控制方法；c.以控制芯片为基础的智能温度控制方法。目前，国际上新型温度控制系统正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。1.3系统功能要求和指标(1)温度给定值在3700C左右且现场可调；(2)测试控制误差±20C；(3)实时显示测试值，保留1位小数；(4)测试超过给定值±100C时声光报警；(5)控制参数可在线修改。1.4总体方案的确定根据功能和指标要求，本系统选用AT89S51单片机为主控机。通过扩展必要的外围毕业设计（论文）第5页共33页接口电路，实现对炉温的测量和控制。具体设计如下：(1)由于温度测量和控制的范围为370左右控制精度也不高，可选用8路8位ADC0809作A/D转换器，分辨率可达0.5；为了方便现场人员操作系统可不扩展专用键盘，温度给定输入可用2位BCD拨盘开关置数；温度显示可用4位LED；为了实现对炉温的控制，可扩展带光电隔离的过零触发型双向可控硅AC-SSR。整个单片机基本系统应为：AT89S51+8255+AC-SSR+ADC0809+4位LED。(2)温度测量由电阻式温度传感器PT100铂电阻和信号放大电路组成。测量电路由测温元件RT和电阻元件构成桥式电路，它能把温度变化所引起的铂电阻的阻值变化转化成电压信号送给放大器的输入端。OP07集成数据采集放大器可以在环境恶劣的工作条件下进行高精度的数据采集。它线性好，并具有高共模抑制比、低电压漂移和低噪声的优点。(3)执行机构选用带光电隔离AC-SSR控制电阻丝的断开与接通。其接通的时间由PID算法子程序提供，其值送给定时器T1来控制AC-SSR接通的时间。(4)控制算法可采用带死区的比例积分微分（PID）算法实现对温度的控制。当炉温与给定值的偏差较小时，不动作；当偏差较大时，经PID算法运算后，单片机通过AC-SSR接通时间控制加热丝，为了使控制参数可现场可调，可用3个电位器产生3路可调电压经过A/D转换实现对PID算法的3个参数（比例系数Kp、积分系数、微分系数）在线调整。这种方法不仅可使参数调整方便，而且具有掉电保护功能。毕业设计（论文）第6页共33页第二章系统的硬件设计2.1硬件系统结构框图图2.1硬件结构框图2.2温度检测电路2.2.1常用的测温方法常用测温方法有接触式和非接触式两种。接触式是通过温度传感器与被测物体接触进行温度测量，其原理为，物体受热后温度就会升高，但两个不同温度的物体相互接触后会产生热交换，直至两者的温度达到平衡为止。非接触式是利用温度传感器接收被测物体辐射能量来测量温度，其原理为，物体在不同温度下辐射能量不同。接触式测温和非接触式测温特点：接触式测温需将温度传感器与被测物体接触，容易破坏被测温度场，而非接触式测温不存在此问题。接触式测温需使温度传感器与被测物体达到热平衡，测温的滞后时间长。而非接触式测温检测的是被测物体的热辐射，响应速度快。由于多数测温度传感器不能承受2000以上的高温，因此，接触式测温在高温测量时受到限制，一般用于1000一下的温度测量。而非接触式测温时，温度传感器无须达毕业设计（论文）第7页共33页到与被测物体相同的温度，故可以用在高温测量场合。接触式测温可测量低温和超低温。因低温时物体的辐射能量很小，故非接触式不适合测量低温。接触式测温可达到较高的测量精度，通常为最小分度的1%左右。非接触式测温测量误差大，一般为10左右，要达到较高到的测量精度成本很高。2.2.2热电阻式温度传感器铂电阻是常用的测温传感器。在0850，铂电阻的电阻与温度的关系可用下式表示RT=R0(1+AT+BT2)(2-1)式中：RT、R0分别为T和0时的铂电阻值；A、B为常数。对Pt100铂电阻，R0=100，A=3.90802×10-3，B=-5.80195×10-7。其特性曲线为一上凸抛物线。利用微分关系在比较窄的温度变化范围内其电阻值随温度变化的特性可表示为：RT=R01+(T)当温度变化范围增大时铂电阻的非线性度有所增加，因此需对铂电阻的特性进行线性温度补偿。其补偿方法有折线法和表格法。折线法就是将传感器对应的电压温度关系曲线分成若干段，每段用直线代替曲线，再使用插值法根据电压计算出对应的温度；表格法就是通过实验将传感器电压温度对应值制作成相应的表格存放在非易失存储器中，通过查表的方法即可得到相应电压下的温度。2.2.3PT100铂电阻测试传感器的使用测温元件采用PT100型铂电阻测温传感器。金属铂(PT)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，PT100型电阻温度传感器0阻值为100，电阻变化率为0.3851/。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200650）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。由测温元件Rt和电阻元件构成桥式测量电路，把测试变化所引起的铂电阻的阻值变化转换成电压信号送给放大器的输入端。由于铂电阻安装在测量现场，通过长导线接入控制台，为了减小引线电阻的影响，采用三线制接法。可将外界测试变化对连接导线电阻r的影响在桥路抵消掉。采用三线制要求三根导线的面积和长度均相同，测毕业设计（论文）第8页共33页量铂电阻的电路一般不是平衡电路，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线的一根接到电桥的电源端，其余两根分别电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂，当桥路平衡时，通过计算可知，Rt=R1R3/R2+R1r/R2-r，当R1=R2时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线电阻带来的测量误差，但是必须是全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响，据上分析可见，采用三线制会大大减少导线电阻带来的附加误差。由于本系统在中低温区测温且测量范围比较窄，将铂电阻温度传感器等效为一个线性传感器，这样既不会产生较大的测量误差，又便于测量。2.3信号放大电路信号放大电路由单芯片集成精密放大器OP07构成。OP07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。宽的输入电压范围（最少±13V）与高达110dB（OP07A）的共模抑制比和高输入阻抗的结合，在同相电路阻态中提供了很高的精度，即使在很高的闭环增益下，也能保持极好的线性和增益精度。失调和增益对时间或温度变化的稳定性也是极好的。不加外调零措施的OP07的精度和稳定性。2.3.1主要特性(1)超低失调电压（2）超低失调电压漂移（3）有长期的稳定性月（4）宽共模输入范围±（5）宽的电源电压范围±3V±18V（6）不需要外部元件调整毕业设计（论文）第9页共33页2.3.2电压特性注1：OP07A失调电压是加电源后约一分钟测量的，对于所有其它等级的OP07，其失调电压都是在加电源后约0.5秒测量的。注2：取样测试。注3：由设计来保证。2.3.3放大电路的设计与计算图2.3.3放大电路