电加热炉温度微机控制系统设计

天津工业大学 毕业设计（论文） 电加热炉温度微机控制系统姓 名 李顺 学 院 继续教育学院 专 业 电气工程及其自动化 指导教师 贾文民 职 称 讲师 2014 年 4 月 20 日电加热炉温度微机控制系统摘 要温度是工业对象中的很重要参数的之一。广泛应用在冶金、化工、机械各类加热炉热、处理炉和反应炉等工业中。电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。关键词：加热炉；PID；单片机ABSTRACTTemperature is one of the important parameters in the industrial object. Widely used in metallurgy, chemical industry, machinery and all kinds of heating furnace, heat treatment furnace and furnace industry etc. Electric heating furnace with the development of science and technology and industrial production level, has been widely used in metallurgy, chemical, machinery and other kinds of industrial control, and has play a decisive role in the national economy status. For such a nonlinear, large delay, large inertia, time-varying, unidirectional rising, control object, it is difficult to establish accurate mathematical model, so the traditional control theories and methods are difficult to achieve good control effect.Key words：Heating furnace; PID; MCU目 录第一章 绪论 .1第二章 系统工作原理 .2第三章 硬件的设计与实现 .33.1 系统硬件设计 .33.2 单片机最小系统 .33.3 A/D 转换器 .43.4 LED 数码管 .53.5 键盘电路 .63.6 晶闸管及其控制电路 .63.7 炉温检测电路 .7第四章 系统控制流程及软件设计 .94.1 总体流程图 .94.2 程序块流程图 .9第五章 心得体会 .17参考文献 .18谢辞 .191第一章 绪论温度是工业对象中主要的被控参数之一。为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。 工业生产过程中，用模拟控制来控制电加热炉温已经取得了较为成熟的经验，但他的控制精度较低，显示操作不方便，为此引入了计算机控制系统对温度进行数字算法控制。由于电炉加热的时间常数相对于采样周期来说很大，所以电炉加热控制系统的动态特性可以看作一阶滞后环节来近似，在控制算法上可采用 PID 控制或其他纯滞后补偿算法。 本课程设计所控制的电加热炉的加热能源是热阻丝，根据控制系统要求，设计控制方案和主电路及各检测控制模块电路，然后针对温度控制要求计算电路元件所需参数，应用 PID 控制算法，实现温箱的闭环控制。进而了解温度控制系统的特点及运用计算机设计控制程序实现计算机自动控制温度的方法。2第二章 系统工作原理整个加热炉的温度控制系统采用典型的反馈式闭环控制，系统结构框图如图 2.1所示。 图 2.1 电加热炉计算机控制系统框图数字控制器的功能采用单片机 AT89c51 实现，执行器的作用由可控硅实现，温度有采样与测量采用热电偶及变送器实现。 数字控制器的设计：在温度调节系统中，由于加热炉温度的时间常数很大（相对于采样周期而言） ，所以其闭环调节可以用一个一阶滞后环节来近似。可以采用直数字控制，也可以采用模糊控制和 PID 控制，本设计中采用 PID 控制，其控制系统的调节原理如图 2.2 所示：图 2.2 电加热炉计算机控制系统的调节原理 可控硅触发信号炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压可在 0140V 内变化。温度传感器是通过一只热敏电阻及其放大电路组成，温度越高其输出电压越小。外部 LED 灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间，如果炉温低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。3第三章 硬件的设计与实现3.1 系统硬件设计本系统的硬件设计主要包括：单片机最小系统、模数转换器、温度变送器、控制键盘、LED 显示数码管、光电隔离可控硅触发电路。硬件系统框图如图 3.1 所示： 图 3.1 电加热炉计算机控制系统硬件框 3.2 单片机最小系统本系统采用 AT89C51 单片机作为该控制系统的核心，实现对温度的采集、检测和控制。单片机控制 A/D 转换器，接收由 A/D 转换器转换得到的二进制温度数据，并对其进行数字滤波、标度变换并与输入的参照温度相比较，得出误差，根椐 PID 算法求出控制温度达到期望值所需要的控制量。通过调节高低电平输出时间，控制可控硅的接通时间，从而改变电炉的输出功率，达到调温的作用。单片机及其接口电路图如图 3.2所示：4图 3.2 单片机最小系统及其外围电路接口图3.3 A/D 转换器A/D 转换器在该系统中的功能是将温度变送器输出的 15V 电压信号转换为单片机能识别的二进制代码，供给单片机做进一步的处理。电热炉的温度变化范围为室温到1000，将控制精度确定限定在 5范围内，则可选择 8 位 A/D 转换器，其最小精度可以达到 1000256=3.9215，则选择 ADC0808 或 ADC0809 均可满足设计要求，这里选择 ADC0809。 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A/D 转换器，它由 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、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成，其内部结构如图 3.3 所示。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。本设计中只需要用到 ADC0809 的一个通道即可，故将 ADC0809的输入通道选通地址 A、B、C 均接地（即只使用输入通道 IN0） 。ADC0809 的工作时钟为 500KHz，由于单片机的 ALE 能自动输出单片机时钟频率的 1/6（即当单片机的时钟晶振选择 12MHz 时，ALE 自动输出 2MHz 时钟信号） ，ADC0809 的时钟信号通过对单片机ALE 的输出时钟进行四分频得到，进行四分频的器件可采用集成有两个二分频器的574LS74。单片机的 PA 口作 ADC0809 的控制口，P0 口作转换结束后转换数据的接收口。 ADC0809 与单片机的接口电路如图 3.4 所示。图 3.3 ADC0809 内部结构图图 3.4 ADC0809 与单片机接口电路3.4 LED 数码管数码管主要用以显示设定温度值与实际测量温度值。数码管根据其连接方式可以分为共阴数码管与共阳数码管，根据其显示的段数可以分为七段数码管和八段数码管，其中八段数码管相比七段数码管要多一个小数位。 由于本设计所需用到的最大温度值为 1000，故需选用 4 位数码，在这里选用 4 位共阴 8 段数码管作为本设计的 LED 显示。四位共阴数码管的引脚图如图 3.5 所示，数码管与单片机的接口电路如图 3.6 所示。6图 3.5 四位共阴数码管引脚图 图 3.6 数码管与单片机接口电路 3.5 键盘电路键盘主要用来完成对系统参数的设置和启动及停止计算机自动控制系统。本系统主要采用四位独立键盘完成上述控制功能。键盘电路