工艺夹具毕业设计107吉林市造纸厂机加分厂热处理工段热处理炉温度控制系统设计
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工艺夹具毕业设计107吉林市造纸厂机加分厂热处理工段热处理炉温度控制系统设计,机械毕业设计全论文
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1 题目来源 本题目来源于 吉林市造纸厂机加分厂热处理工段热处理炉温度控制系统。 2 选 题的目 的和 意义 2.1 选择热处 理 炉温 度控制系 统 作 为毕业设计题 目 的目的 由于老式的热处理炉自动化程度低，生产过程中存在着种种缺陷，因此 厂家委托我们设计并制作一套智能温度控制系统以解决 在加热过程中所遇到的 种种缺陷和便于集中统一管理提高产品质量。 2.2 设计 热处理炉温度控制 的意义 金属材料热处理是改善材料性能的重要手段 ,处理的结果主要取决于热处理过程的工艺条件 . 体现为热处理过程的温度 -时间曲线 ,其关键就是热处理过程温度的控制精度 . 热处理效果直接影响 到材料的 各种机械性能。 金属材料的性能不但与 金属材料的化学成分 有关，也与金属材料的内部组织结构有关。 对于同一种成分的金属材料，通过不同的 热处理 加工工艺 处理后， 材料 的 内部的组织结构 是完全不一样的，所获得的材料的性能也就完全不一样。 例如，把 45#钢加热到（ 850 10），保温一定时间后，有的在 10%NaCl 水溶液冷却，有的在空气中冷却，有的随炉缓冷，则得到硬度就不同，水冷的硬度最高，空气其次，缓冷硬度最低。这是由于不同的冷却方式，所以得到的内部组织不一样的缘故。 由此可以看出，除化学成 分外，金属的内部结构和组织状态也是 决定金属材料性能的重要因素 ，同时也 可以看出热处理的重要性 。 温度是一个重要的物理量，它是国际单位制（ SI） 7 个 基本物理量之一，也是工业生产过程中的主要工艺参数之一。物体的许多性质和现象都与温度有关，很多重要的过程 只有在一定的温度范围内才能有效地进行。因此，对温度进行准确的测量和可靠的控制，在工业生产和科学研究中均具有重要意义。 以前国内所生产的热处理设备基本上都是由工人进行操作和控制，包括不断的到现场进行采集温度，对炉内温度进行监控，监视炉子工作各段时间是否到时等许多烦琐的 工作，这不仅提高了工人的劳动量，同时工人在操作过程中的人为误差会使产品的质量很难达到规定的要求，由于热处理炉的控制柜往往是分散的安装在现场，这不仅不便于管理还失去了技术数据的保密性。 nts吉林化工学院自动化系毕业设计（论文）开题报告 1 对于老旧的加热炉设备采用一体化加热炉控制系统后，温度控制精度高且操作方便。从而使产品质量稳定，提高经济效益。因此，一体化加热炉控制系统有广大的应用空间，对提高老加热炉设备的科学含量和提高生产力水平都有重要意义。 3 热处理炉温度控制 发展现状 国内的热处理炉的温度 控制较 多还使用的是基地式仪表， 它是由操作人员按照工艺要求人为的设定 控制信号。例如：在一个处理过程中，首先设定一个控制温度和保温时间，等到这一工序完成 后 再 设定下一个 控制温度和保温时间。 这样的控制不利于生产 自动化， 如果出现了误操作直接 影响热处理效果，同时它也 加大 了 现场操作人员的工作量。 随着自动化发展进程的加快，电子产品价格的降低，在许多设备和工业领域都采用了自 动控制系统来提高产品生产率和产品质量同时降低工人劳动强度。国内 部分设备也都安装了自动控制装置，实现了自动、半自动化控制但国外在这方面发展更为迅速。如德国、日本等国家的汽车制造领域，正是由于采用了自动化的热处理设备和技术 ，使得热处理过程达到了控温精确、精度高等优点，产品的质量得到了极大的保障，使得它们在同行业中生产的产品居于世界领先的地位。 随着计算机技术的发展，加之有了先进通讯技术，推动了自动化生产。计算机控制已经有了长足的发展。现在一些工厂已经开始使用计算机控制，同样计算机控制也应用在热处理温度控制上。使控制精度提高，得到了良好的控制品质。 要得到良好的控制品质，光有计算机控制是不能达到的，这就要有一个很好的控制算法和设备，而本系统采用的正是一种比较成熟的控制算法 PID 控制算法。 4 设计方案 4.1 概述 本设计 采 才用集成度非常高的 W77E58 单片机， 77E58 与标准 8051 相兼容的全新核心的微处理器。由于去掉了多余的存储器周期和运算周期，它在相同周期里执行8051 的指令比最初的 8051 快得多。 本设 计中 采用了 ICL7135 转换芯片 ， ICL7135 是一种四位半的双积分 A/D 转换器，具有精度高（即 0 19999；相当于 14 位）、价格低廉、抗干扰能力强等优点。 本系统最大的特点是模块化一对一的设计，即每一个加热炉对应一个系统，然后PC 机通过多机通信来对各个系统下达控制方案和命令，这样进一步提高了系统的抗干扰能力。 nts吉林化工学院自动化系毕业设计（论文）开题报告 2 4.2 本课题要达到的 目标 及环境参数 1温度测量精度：绝对误差 1（温度测量范围 0 1200） 2控制精度：超调量 2 稳态误差 1 3 供电电源： 220VAC 10% 4 环境温度： 0 70 5 环境湿度： 85% 4.3 拟用的控制方案 由于处理的金属材料多种多样，工艺各不相同，热处理炉本身参数也有很大差异，所以加热的参数需要事先设定如：加热温度、加热时间、保温时间 ，也就是热处理的温度（纵轴） 时间曲线 (横轴 )，如图 1 所示。 1T 1t)(CT3T2t3t)(ht2T图 1 温度曲线 Fig 1 temperature curve nts吉林化工学院自动化系毕业设计（论文）开题报告 3 基于单片机的加热炉温度控制系统的总体设计框图如图 2： 电源系统报警单片机继电器光电隔离 工 业 P C A / D 转换多路模拟开关A D 5 9 0放大电路热电偶加热炉热处理炉本身自带了温度传感器（热电偶），它可将温度转换成电信号输出，但电信号比较小，所以需要将其进行放大处理。本控制系统要实现对多路信号进行监控，所以需要一个多路模拟开关来实现对各个热处理设备的温度信号轮流采集。 A/D 转换芯片是将模拟信号转换成单片机能识别的数字信号的器件。各设备的温度信息采集回来后单片机就会根据上位机制订的控制方案进 行控制了，此时单片机能做出三个动作： 1、根据控制方案控制继电器的开关时间来精确控制热处理设备的加热过程。 2、通过串口通信将设备各项信息输出到工业 PC 机，同时将工业 PC 机的控制信息接收回来。 3、当温度达到要求时发出一个报警信号来控制一个报警系统来提醒工作人员。 至于系统供电电源，购买市场上的有多路电压输出的电源模块即可。 图 2 温度控制系统 Fig 2 temperature control system nts吉林化工学院自动化系毕业设计（论文）开题报告 4 5 课题实施进程 时间 进 程 安 排 第 1 周 收集查阅相关文献 第 2 周 查阅芯片 资料 第 3 周 翻译外文资料 第 4 周 实地了解热处理炉及其工作原理 第 5 周 拿出设计的总体方案 第 6 周 设计控制电路 第 7 周 设计 A/D 转换电路 第 8 周 总体设计、画原理图、购买元器件 第 9 周 画 PCB 板图并订做板子 第 10 周 对上、下位机进行初步编程 第 11 周 电路板到货后焊接电路板 第 12 周 编写程序及调试 第 13 周 编写程序及调试 第 14 周 编写程序及调试 第 15 周 去工厂进行实地调试 第 16 周 去工厂进行实地调试 第 17 周 整理论文准备答辩 第 18 周 整理论文准备答辩 nts吉林化工学院自动化系毕业设计（论文）开题报告 5 参考文献 中文部分： 1 张宝芬 ,张毅 ,曹丽 .自动检测技术及仪表控制系统 M.北京：化学工业出版社。 2003.8 2 翟玉文 ,梁伟 ,艾学忠 ,施云贵 .电子设计与实践 M.北京：中国电力出版社 .2005.5 3 艾学忠 ,翟玉文 ,杨潇 .基于单片机控制的热处理炉温度控制系统 J. 吉林化工学院学报 .2005.3 4 阎石 .数字电子技术基础 .高等教育出版社 M.北京： 2003.2 5 童师白 ,华成英 .模拟电子技术基础 M.北京： 高等教育出 版社 .2003.4 6 李治岷，魏玉文 .热处理炉炉温均匀性的黑体调空技术 M.成都西华工业炉节能技术公司 2005.2 7 张宏建 ，蒙建波 .自动检测技术与装置 M. 北京：化学工业出版社 .2004.7 8 崔忠，刘兆兴 .金属学与热处理原理 M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 .2004.2 9 许天已 .钢铁热处理实用技术 M.北京：化学工业出版社 .2005.2 10 王延龙，蒋良芳等热处理电阻炉温度现场检测与控制研究 J.北京北方车辆集团有限公司热处理电镀公司 .2006.1 英 文部分 : 11 Implementation of a New Self-Tuning Fuzzy PID Controller on PLCJ. 作者： Onur KARASAKAL1， Mujde GU ZELKAYA. Turk J Elec Engin, 12 A Systematic Study of Fuzzy PID Controllers Function-Based Evaluation ApproachJ 作者 : Bao-Gang Hu, Senior Member,George K. I. Mann, and Raymond G. Gosine IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEMS. 13 Tuning Of Fuzzy PID ControllersJ. 作者： Jan Jantzen nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - I - 毕业设计（论文） 斜刃焊接式厚冰雪碾压滚机构设计 Beveled-edge design welded thick snow rolling greens 学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 起止日期： nts吉林化工学院毕业设计（论文） - II - 摘 要 本课题是针对北京春辉新吉造纸机械厂热处理炉控温精度不高、热处理炉之间分布较散、产品技术参数保密性不高、工人劳动强度大等问题而提出的。主要研究了国内外热处理设备的控制现状、热电偶的工作原理、 A/D 转换器的工作原理、单片机 的参数及性能，多路模拟开关的使用方法及 PID控制算法，并简要介绍了单片机软件开发工具软件（ WAVE）和电路设计软件（ Protel DXP）。 上位机采用 Delphi 语言进行界面编程，编程直观快捷，界面简洁美观。在界面中实现了对热处理温度的监督控制，实现了对阶梯温度的设定，实现了数据的记录和查询及系统安全等功能，使控制快捷方便，提高了操作的准确性和工作效率。 本设计产品通过热处理炉上现场调试结果表明：本系统能够使温度测量精度的绝对误差 1（温度测量范围 0 1200）；控制精度：超调量 2；稳态误差 1 ；上位机集中管理，解决了 热处理炉分散不易管理、产品技术参数保密性不高、工人劳动强度大等问题。 关键词 ： 热电偶、单片机、 A/D 转换器、 PID 控制算法、控温精度 nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - III - Abstract This question for discussion is brought forward for aiming at such problems as a low accuracy of controlling temperature in heat treating furnace and their comparative dispersive distribution, a relatively low secrecy quality of the parameter of production s technology and high labour intension in the factory and so on. It mainly studys the current controlling condition of heat treating devices at home overseas, the work theory of thermalcouple and A/D switch, the parameter and performance of SCM, the usage of analog multiplexer and the controlling calculation method of PID. It also briefly introduces a software developing tool of SCM software (WAVE) and the designing software of circuit (Protel DXP). The superior machine is programmed in the interface in Delphi. This programme is direct and swift and the interface is succinct and appropriate. In this interface, It realize the supervise and control to the themperature of heat treating in the interface, carry out the designing of ladder temperatures, achieve the record and inquirement of data and keep the system safe and so on. So that these functions could help an operator control the machine swiftly and expiediently and advance the veracity of operation and the effect of work. After the debugging of the design in the heat treating furnace on the spot, its result shows that the system can make the absolute error of the accuracy of temperature measuring1 (the range of temperature measuring is 0 1200 ); the accuracy of control: the maximum of overtake 2 , the error in a stable condition 1 ; By the central management of a superior machine, the factory resolves the following problems as the difficult management in heat treating furnaces for disperse， a low secrecy of the parameter of production s technology and high labor intension and so on. Key words: thermocouple、 monolithic machine/SCM、 Analog to Digital、 PID、 the accuracy of temperature controlling nts吉林化工学院毕业设计（论文） - IV - 目 录 摘 要 II Abstract III 第 1 章 绪论 1 1.1 热处理炉温度控制的意义 1 1.2 热处理炉温度控制发展现状 2 1.3 主要技术及条件参数 2 1.4 单片机温度控制的意义 3 1.5 电加热炉的发展情况 3 第 2 章 输入信号处理 5 2.1 基于单片机的控制系统的总体设计方 案 5 2.2 热电偶测温 6 2.2.1 热电偶测温原理及应用 6 2.2.2 热电偶测温电路 8 2.3 冷端温度补偿 9 2.4 信号切换 10 2.4.1 CD4051 11 2.4.2 CD4051 工作电路 11 第 3 章 A/D 转换 12 3.1 ICL7135 的介绍 13 3.1.1 ICL7135 管脚 13 3.1.2 ICL7135 的工作原理 14 3.2 ICL7135 与单片机的接口及编程 15 第 4 章 单片机与外围电路接口 18 4.1 W77E58 18 4.2 看门狗与单片机接口电路 20 4.3 485 通讯 21 4.3.1 485 通讯原理 22 4.4 单片机与功率控制电路接口设计 25 第 5 章 算法介 绍 26 nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - V - 5.1 PID 调节器的算法 26 5.2 软件设计流程 28 第 6 章 系统开发环境 30 6.1 硬件电路绘图工具 Protel DXP 30 6.1.1 简介 30 6.1.2 画原理图 30 6.2 E2000L 仿真器 32 6.2.1 简介 32 结 论 33 致 谢 34 参考文献 35 附录：单片机程序及电路原理图 36 nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - 1 - 第 1章 绪论 金属材料热处理是改善材料性能的重要手段 ,处理的结果主要取决于热处理过程的工艺条件 . 体现为热处理过程的温度 -时间曲线 ,其关键就是热处理过程温度的控制精度 .本题是针对北京某厂新进的两套加热炉设备没有自动控温设备而设计的。加热炉没有自动控温设备带来的缺点是：控温不准确、加热时间掌握不准确、工人劳动量大、技术参数保密性不好、不好分散管理。基于这些问题我们利用现代控制技术、传感器技术、单片机等技术设计了一套对加热炉控制实现自动控制的系统 热处理炉自动控制系统 。 1.1 热处理炉温度控制的意义 金属材料热处理是改善材料性能的重要手段 ,处理的结果主要取决于热处理过程的工艺条件 . 体现为热处理过程的 温度 -时间曲线 ,其关键就是热处理过程温度的控制精度 . 热处理效果直接影响到材料的各种机械性能。金属材料的性能不但与 金属材料的化学成分有关，也与金属材料的内部组织结构有关。对于同一种成分的金属材料，通过不同的热处理加工工艺处理后，材料的内部的组织结构是完全不一样的，所获得的材料的性能也就完全不一样。 例如，把 45#钢加热到（ 850 10），保温一定时间后，有的在10%NaCl水溶液冷却，有的在空气中冷却，有的随炉缓冷，则得到硬度就不同，水冷的硬度最高，空气其次，缓冷硬度最低。这是由于不同的冷却方式，所以得到 的内部组织不一样的缘故。由此可以看出，除化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素，同时也可以看出热处理的重要性。 温度是一个重要的物理量，它是国际单位制（ SI） 7个基本物理量之一，也是工业生产过程中的主要工艺参数之一。物体的许多性质和现象都与温度有关，很多重要的过程只有在一定的温度范围内才能有效地进行。因此，对温度进行准确的测量和可靠的控制，在工业生产和科学研究中均具有重要意义。 以前国内所生产的热处理设备基本上都是由工人进行操作和控制，包括不断的到现场进行采集温度，对炉内温度进行 监控，监视炉子工作各段时间是否到时等许多烦琐的工作，这不仅提高了工人的劳动量，同时工人在操作过程中的人为误差会使产品的质量nts吉林化工学院毕业设计（论文） - 2 - 很难达到规定的要求，由于热处理炉的控制柜往往是分散的安装在现场，这不仅不便于管理还失去了技术数据的保密性。 对于老旧的加热炉设备采用一体化加热炉控制系统后，温度控制精度高且操作方便。从而使产品质量稳定，提高经济效益。因此，一体化加热炉控制系统有广大的应用空间，对提高老加热炉设备的科学含量和提高生产力水平都有重要意义。 1.2 热处理炉温度控制发展现状 国内的热处理炉的温度控制较多还使用的 是基地式仪表，它是由操作人员按照工艺要求人为的设定控制信号。例如：在一个处理过程中，首先设定一个控制温度和保温时间，等到这一工序完成后再设定下一个控制温度和保温时间。这样的控制不利于生产自动化，如果出现了误操作直接影响热处理效果，同时它也加大了现场操作人员的工作量。 随着自动化发展进程的加快，电子产品价格的降低，在许多设备和工业领域都采用了自动控制系统来提高产品生产率和产品质量同时降低工人劳动强度。国内部分设备也都安装了自动控制装置，实现了自动、半自动化控制但国外在这方面发展更为迅速。如德国、日本等国家的汽 车制造领域，正是由于采用了自动化的热处理设备和技术，使得热处理过程达到了控温精确、精度高等优点，产品的质量得到了极大的保障，使得它们在同行业中生产的产品居于世界领先的地位。 随着计算机技术的发展，加之有了先进通讯技术，推动了自动化生产。计算机控制已经有了长足的发展。现在一些工厂已经开始使用计算机控制，同样计算机控制也应用在热处理温度控制上。使控制精度提高，得到了良好的控制品质。 要得到良好的控制品质，光有计算机控制是不能达到的，这就要有一个很好的控制算法和设备，而本系统采用的正是一种比较成熟的控制算法 PID控制算法。 1.3 主要技术及条件参数 （ 1）温度测量精度：绝对误差 1（温度测量范围 0 1200）。 （ 2）控制精度：超调量 2；稳态误差 1。 （ 3）供电电源： 220VAC 10%。 （ 4）环境温度： 0 70。 （ 5）环境湿度： 85%。 nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - 3 - 1.4 单片机温度控制的意义 随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件 ，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。 在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。在工业生产如：用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，在日常生活中如：热水器、电热毯等等，都用到了电阻加热的原理。随着生产的发展，在工业中，上述设备对温度的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到自动控制品质的目的。 本温度控制系统的对象是一热 处理 炉，针对 工业生产 ，要求所设计的系统具有软硬件结构简单、成本低廉、可 靠性高（即不易出错）等特点。 设计了本系统。 1.5 电加热炉的发展情况 对于现在讲品种、讲效益的时代，一个加热炉的自动化水平的高低和加热形式的多样性，决定了该加热炉适应的生产行业。 但是随着计算机控制技术和电子技术的发展，用计算机来控制加热炉的智能控制系统进行加热已成为一个新的发展方向。 目前，国外已研究出多种加热炉控制模式，实际应用各有所长。我国加热炉微机自动控制起步较晚，但也取得了很大的进展，但迄今为止，国内加热炉的控制（常规仪表控制或计算机控制）大多还处于人工经验、单值设定值控制阶段。为此，鞍山市戴维 冶金科技开发有限公司经过长期的现场实践，通过对加热炉加热过程分析，组成了一支由热工、计算机、自动控制工程师和专家为主体的攻关队伍，并与清华大学、哈尔滨工业大学计算机与自动控制方面的教授、专家合作，开发出了“轧钢加热炉加热过程优化与智能控制系统”，该系统在鞍钢新轧线材厂、天钢高速线材厂和唐钢棒线材厂的生产实践中得到了应用，经过长期现场生产实践的检验与考核，通过企业的验收与鉴定，给企业带来了巨大的经济效益，受到有关企业领导，冶金炉热工、冶金自动化、计算机、轧钢专业专家及加热工人的好评。 nts吉林化工学院毕业设计（论文） - 4 - 国内各种形式的加热炉发展 到现在，还不能讲那一种形式是最先进、最成熟的，都多多少少存在一些问题，还有待我们去探索，如各热工参数之间和设计结构之间的定量关系，控制系统和调节系统的最优化，但计算机控制加热炉系统是一种发展方向。 nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - 5 - 第 2章 输入信号处理 2.1基于单片机的控制系统的总体设计方案 热处理炉温度控制系统的总体设计框图如图 2-0： 电源系统报警单片机继电器光电隔离 工 业 P C A / D 转换多路模拟开关A D 5 9 0放大电路热电偶加热炉图 2-0 总体设计框图 Fig.2-0 general designing outline 若处理炉本身自带了温度传感器（热电偶），它可将温度转换成电信号输出，但电信号比较小，所以需要将其进行放大处理。本控制系统要实现对多路信号进行监控，所以需要一个多路模拟开关来实现对各个热处理设备的温度信号轮流采集。 A/D 转换芯片是将模拟信号转换成单片机能识别的数字信号的器件。各设备的温度信息采集回来后单片机就会根据上位机制订的控制方案进行控制了，此时单片机能做出三个动作： 1、根据控制方案控制继电器的开关时间来精确控制热处理设备的加热过程。 2、通过串口通信将设备各项信息输出到工业 PC 机， 同时将工业 PC 机的控制信息接收回来。 3、当温度达到要求时发出一个报警信号来控制一个报警系统来提醒工作人员。至于系统供电电源，购买市场上的有多路电压隔离输出的电源模块即可。 nts吉林化工学院毕业设计（论文） - 6 - 2.2 热电偶测温 热电偶是温度测量中应用最普遍的测温元件，它稳定性好，测温精度高，能满足工业过程温度测量的需要。它的输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。 2.2.1 热电偶测温原理及应用 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是： （ 1） 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 （ 2） 测量范围 广。常用的热电偶从 -50+1600 均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到 -269 （如金铁镍铬），最高可达 +2800 （如钨 -铼）。 （ 3） 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 1、 热电 偶 测温基本原理 将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来，构成一个闭合回路，如图 2-1 所示。当导体 A和 B的两个执着点 1和 2之间存在温差时，两者之间便产生电动势 ,因而在回路中形成一个大小的电流 ,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应 来工作的。 图 2-1 热电偶原理 Fig. 2-1 thermo-element principle 2、 热电偶的种类及结构形成 （ 1）热电偶的种类 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - 7 - 与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶 我国从1988年 1月 1日起，热电偶和热电阻全部按 IEC国 际标准生产，并指定 S、 B、 E、 K、 R、J、 T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。 （ 2） 热电偶的结构形式 为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： a 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； b 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； c 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； d 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。 3、 热电偶冷端的温度补偿 由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵 金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热 电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热 电偶的冷 端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度0t0 时对测温的影响。 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过 100 。 4、 温度测量仪表的分类 温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说 接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交金刚，帮需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。 nts吉林化工学院毕业设计（论文） - 8 - 2.2.2 热电偶测温电路 热电偶两端的信号是毫伏信号，大约在 -2mv-60mv 之间 ，这样的信号 A/D 是精确采得的，所以我们必须将这个信号放大，本次设计选用的 A/D是 ICL7135,它接受的信号范围是 -2V - +2V，所以设计了如下的放大电路，如图 2-2。 图 2-2 热电偶信号放大 Fig. 2-2 thermo-element signal enlargement 图中标号 E(T,T0)为热电偶毫伏级电压输入端。 R22 和 C18 构成低通滤波电路，目的是消除噪声保证热电偶毫伏级电压信号的质量。 D4、 D5 为钳位二极管是为了保护系统而设计的，它使输入电压在 +0.5V -0.5V 之间。 OP07 具有输入失调电压低（最大 25uV）、输入阻抗高、开环放大倍数高等特点，所以我们选用 OP07(U5)为对信号放大的核心部件，它组成同向比率放大电路如图计算我们可知： ii VVV 33.34)31 0 01(0 （ 2-1） 式中 Vi 为热电偶输入电压 V0为输出电压0V的范围在 -2V - +2V 之间。满足了 A/D的要求。另外电容 C18、 R22 起到滤波作用，其截止频率计算公式如下 ： nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - 9 - HzRCf 92.15101.010114.32 12 1 65 （ 2-2） 因为温度的变化频率是非常小的，这样的频率温度信号完全可以通过，而工频的频率是 50Hz，此电路可以滤出工频的干扰。 2.3 冷端温度补偿 由 2.1 节我们知道热电偶测温时需要冷端补偿，在实际测温过程中，热电偶参比端温度一般不能保持在 0，也不容易恒定，这会给测量带来误差，因此测量时必须对参比端的温度进行处理。 有很多方法可以处理这个问题，这里选用了参比端温度测量计算法，采用补偿导线将热电偶参比端移到0T处，但是0T通常为环境温度而不是 0，此时需要测量参比端温度，再根据如下关系式进行计算修正： )0,(),(),( 000 TETTETTE （ 2-3） 式中 ),(0TTE为测出的回路电势；0T为已知温度，可查分度表求得 )0,(0TE。可以由上式求出总电势 )0,(TE ，在查分度表求出被测温度 T。 从以上我们可以看出，要想求出被测温度 T，我们必须测出0T。在本设计中选用了AD590测量参比端温度。 集成温度传感器 AD590 是电流输出型温度传感器，以电流输出量作为温度指示，其电流温度灵敏度为 1uA/K。由于它的输出电流精确地正比于绝对温度，故可以作为精确测温元件，也可以作为其他温度元件的校正和补偿器件。 AD590 只需要一个电源（ 4V 30V），即可实现温度到电 流源的转换，使用方便，应用中不需要电源滤波器、导线温度补偿和线性化电路。由于内部采用激光微调，器件的一致性、均匀性非常好，容易互换。 AD590 的校准精度可达 0.1 C 。作为一种正比于温度的高阻电流源，它克服nts吉林化工学院毕业设计（论文） - 10 - 拉电压输出型温度传感器在长距离温度遥测和遥控应用中电压信号损失和噪声干扰问题，不容易受到接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，因此，除适用于多点温度测量外，特别适用于远距离温度测量和控制。另外， AD590 可以承耐 44V 及反向 20V 电压，外加电源紊乱或管脚接反不会损坏器件。其接线图如下图： 图 2-3 AD590工作电路 Fig. 2-3 AD590 active channel AD590 不能直接转换成数字信号所以它所产生的电信号也要送到 A/D 中进行处理，所以它的输出信号也要满足 A/D 所能接受的信号的电压范围，因为控制室的温度范围大约在 0 -100之间，所以对 RS进行如下的计算： 假设控制室的温度为 100时，由 AdTdI 1，所以 AD590输出的电流为 373.13 A ARsV 13.3 7 32 （ 2-4） KKRs 1.5359.513.373 102 6 求得 RS 的值为 5.1K。 2.4 信号切换 在实时控制和实时数据处理系统中，要求既能采集热电偶的 A/D 值同时又要求能采集 AD590 的 A/D 值（冷端补偿），而用两片 ICL7135 不但不经济而且编程也很麻烦nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - 11 - 所以决定用一个独立的多路转换模拟开关来轮流切换各回路和 A/D 之间的通 路。对于A/D 转换来说，要用到多路输入，一路输出的模拟开关电路。 2.4.1 CD4051 CD4051 是可以进行双向切换的多路开关，既可以作为多路输入，一路输出的模拟开关，也可以作为一路输入，多路输出的模拟开关。 CMOS 模拟开关的工作电源电压范围较广：提高工作电压，有利于开关速度的提高和导通电阻的降低。但提高了电源电压，控制输入的逻辑电平也要相应提高，这种情况控制输入电平就不能与 TTL 电平兼容。这时可考虑采用光耦作为电平偏移和隔离电路。 可自动切换延时：当用不同数码加到多路模拟开关的控 制位上时，内部通道译码器从前一通道断开过渡下一通道接通之间有一个小的时间间隔，以保证两个相邻通道不会同时接通造成短路。 2.4.2 CD4051工作电路 在此设计中只有两路信号，所以我们只需要两个输入一个输出，一个选择位。电路图如图 2-5 所示，图中 13 脚 E 为热电偶信号输入， 14 脚 AD590 为 AD590 输入信号，其他的输入接地。 11脚为信号选择控制，由单片机控制。 3脚为信号输出，输入到 ICL7135进行数摸转换。图中 R2和 C3、 C4组成了一个 型滤波电路。 图 2-5 CD4051工作电路 Fig. 2-5 CD4051 work circuit nts吉林化工学院毕业设计（论文） - 12 - 第 3章 A/D 转换 从上面的介绍我们知道，本设计使用的是计算机控制，计算机只能接受数字信号，而无论是热电偶还是 AD590 他们都是模拟信号，所以必须把模拟信号转换成数字信号，这就需要 A/D转换。 模数转换技术是现实各种模拟信号通向数字世界的桥梁，作为将模拟信号转换成数字信号的模数转换技术主要有以下几种。 1、 积分型转换 积分型模数转换技术在低速、高精度测量领域有着广泛的应用，特别是在数字仪表领域。积分型模数转换技术有单积 分和双积分两种转换方式，单积分模数转换的工作原理是将被转换的电信号先变成一段时间间隔，然后再对时间间隔记数，从而间接把模拟量转换成数字量的一种模数转换方法，它的主要缺陷是转换精度不高，主要受到斜坡电压发生器、比较器精度以及时钟脉冲稳定型的影响。为了提高积分型转换器在同样条件下的转换精度，可采用双积分型转换方式，双积分型转换器通过对模拟输入信号的两次积分，部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差，提高了转换精度。双积分型转换方式的特点表现在：精度较高，可以达到 22位；抗干扰能力强，由于积分电容的作用，能够大幅抑止 高频噪声。但是，它的转换速度太慢，转换精度随转换速率的增加而降低，每秒 100 300次（ SPS）对应的转换精度为 12 位。所以这种转换方式主要应用在低速高精度的转换领域。 2、 逐次逼近型转换 逐次逼近型转换方式在当今的模数转换领域有着广泛的应用，它是按照二分搜索法的原理，类似于天平称物的一种模数转换过程。也就是将需要进行转换的模拟信号与已知的不同的参考电压进行多次比较，使转换后的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。逐次逼近型转换方式的特点是：转换速度较高，可以达到 100万次 /秒（ MPSP）；在低于 12位分辨率的情况下，电路实现上较其他转换方式成本低；转换时间确定。但这种转换方式需要数模转换电路，由于高精度的数模转换电路需要较高的电阻或电容匹配网络，故精度不会很高。 nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - 13 - 3、 并行转换 并行转换方式在所有的模数转换中，转换速度最快，并行转换是一种直接的模数转换方式。它大大减少了转换过程的中间步骤，每一位数字代码几乎在同一时刻得到，因此，并行转换又称为闪烁型转换方式 2。这种转换器的结构如图 1 所示。并行转换的主要特点是它的转换速度特别快，可达 50MPSP，特别适合高速转换领域。缺点是分辨率不高，一般都在 10位以下；精度较高时，功耗较大。这主要是受到了电路实现的影响，因为一个 N位的并行转换器，需要 2N 1个比较器和分压电阻，当 N 10时，比较器的数目就会超过 1000个，精度越高，比较器的数目越多，制造越困难。 在本设计中我们测量的是温度信号，温度信号的特点是变化速度慢，所以不需要高频器件，但是要求测量精度高，由以上这些要求，我选用了 ICL7135。 3.1 ICL7135的介绍 3.1.1 ICL7135管脚 本设计中我采用了 ICL7135转换芯片 ， ICL7135是一种四位半的双积分 A/D转换器， 具有精度高（即 0 19999；相当于 14 位）、价格低廉、抗干扰能力强等优点。在小型智能仪表的设计中得到广泛应用 ， ICL7135的 引脚排列如图 3-1所示。 1脚 V ： -5V电源端 。 2脚 VREF： 基准电压输入端 ，通常取 1V，它的精度和稳定性将直接影响转换精度。 3脚 ANGD： 模拟地 。 图 3-1 ICL7135 引脚图 4脚 INT： 积分器输入端，接积分电容 。 Fig.3-1 ICL7135 pin Configurations 5脚 AZ： 积分器和比较器反相输入端，接自零电容 。 6脚 BUF： 缓冲器输出端，接积分电阻 。 7 脚 CREF ： 基准电容正端 。 nts吉林化工学院毕业设计（论文） - 14 - 8脚 CREF ： 基准电容负端 。 9脚 IN ： 被测信号负输入端 。 10脚 IN ： 被测信号正输入端 。 11脚 V ： 5V电源端 。 17 20脚 D1 D5： 位扫描输出端 。 13 16脚 B1 B4： BCD码输出端 。 21脚 BUSY： 忙状态输出端 。 22脚 CLK： 时 钟信号输入端 。工作于双 极性情况下，时钟最高频率为 125KHZ时转换速度为 3次 /秒左右。 23脚 POL: 负极性信号输出端 。当输入信号为正时， POL极性输出高电平输入信号为负时， POL极性输出为低电平。 24脚 DGND： 数字地端 。 25脚 R/H： 运行 /读数控制端 。 26脚 STR： 数据选通输出端 。 27脚 OR： 超量程状态输出端 。 28脚 UR： 欠量程状态输出端。 3.1.2 ICL7135的工作原理 ICL7135的测量周期 ， ICL7135的测量周期包括 以 下四相（节拍） （ 1） AUTO-ZERO（自 动调零）相 在该相时，内部 IN+和 IN-输入与引脚断开，且在内部连接到 ANLG-COMMON，基准电容被充电至基准电压，系统接成闭环并为自动调零（ AUTOZERO）电容充电以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。此时，自动调零精度受系统噪声的限制，以输入为基准的总失调小于 10V。 （ 2） SINGAL-INTEGRATE（信号积分）相 nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - 15 - 在该相，自动调零环路被打开，内部的 IN+和 IN-输入被连接至外部引脚。在固定的时间周期内，这些输入端之间的差分电压被积分。当输入信号相对于转换器电源不反相（ NO-RETURN）时， IN-可直接连接至 ANJG-COMMON 以便输出正确的共模电压。同时，在这一相完成的基础上，输入信号的极性将被系统所记录。 （ 3） DEINTEGRATE（去积分）相 该相的基准用于完成去积分（ DEINTEGRATE）任务，此时内部 IN-在内部连接ANLG-COMMON， IN+跨接至先前已充电的基准电容，所记录的输入信号的极性可确保以正确的极性连接至电容以使积分器输出极性回零。输出返回至零所需的时间正比于输入信号的幅度。返回时间显示为数字读数，并由 1000（ Vid/Vref）确定。满度或最大转换值发 生在 Vid等于 Vref的两倍时。 （ 4） ZERO-INTEGRATE（积分器返回零）相 内部的 IN-连接到 ANLG-COMMON，系统接成闭环以使积分器输出返回到零。通常这相需要 100 200个时钟脉冲，但是在超范围（ OVERRANGE）转换后，则需要 6200个脉冲。 3.2 ICL7135与单片机的接口及编程 图 3-2 AD 基准电路输出 1V Fig. 3-2 REF of ICL7135 ICL7135要正常工作就需要外加一个电压基准。 LM385 是一款极地功耗、稳压性能好且接线简单的 1.2V 稳压芯片， A/D 芯片的基准的精度和稳定性直接影响转换精度，所以我们采用 LM385 作为 ICL7135 的基准电压输入电路。其接线图如图 3-2,图中 C16、nts吉林化工学院毕业设计（论文） - 16 - C17 的作用是消除电源噪声，电源经过 LM385 稳压后输出稳定的 1.2V 电压，由于我们需要的是 1V 电压我们使用 R19、 R20 来分压分出电压为，如公式 3-1： VVKK KVRR RV 12.151 52.12019 19 ( 3-1 ) ICL7135 的工作频率可分别为 125kHz、 250kHz、 500kHz；对应转换速度分别约为 3次 /秒 、 6次 /秒 、 12次 /秒。其中 以工作频率为 250kHz时的转化速度及稳定性较为适中。 在 ICL7135 与单片机系统进行连接时，如果使用 ICL7135 的并行采集方式，则不但要连接 BCD 码数据输出线，又要连接 BCD 码数据的位驱动信号输出端，这样至少需要 9根 I/O 口线。因此，系统的连接比较麻烦，且编程也非常复杂。而 ICL7135 的串行接法是通过计脉冲数的方法来获得测量转换结果的。由其时序分析可知，在 Deintegrate（去积分）相，其脉冲数与转换结果具有一一对应关系。 实际上，可以通过单片机的定时器 T0（也可以使用定时器 T1，但需将 BUSY与 INT1连接）来计脉冲数。这里采用 4060接入 4MHz晶振并进行 16分频， 如图 3-3， 可产生 250KHz的时钟信号作为 ICL7135的工作频率输入 ， 同时作为定时器 0的 外部计数源送入 W77E58的 T0端。 图 3-3 CD4060分频电路 Fig. 3-3 cleft frequency circuit nts吉林化工学院 毕业设计（论文） - 17 - 为了使定时器 T0 的计数脉冲与 ICL7135 工作所需的脉冲同步， 这里 将 ICL7135 的BUSY信号
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