电阻炉炉温自动控制系统.doc

电阻炉炉温自动控制系统的设计摘要电阻炉在国民经济中有着广泛的应用，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。然而，大多数电阻炉存在着各种各样的干扰因素，将会给工业生产带来极大的不变。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。本设计要求用单片机设计一个能在多种领域得到广泛应用的电阻炉温度控制系统的硬件部分。以单片机为控制核心，外配置时钟电路、温度检测电路、温度控制电路、报警电路的硬件电路设计。实现了处理，存储，报警等功能。 关键字：电阻炉 单片机 报警ABSTRACTResistance furnace in the national economy has a broad application,and power of the resistance furnace is used in various industrial processes.However,most resistance furnace there are all kinds of disturbances which will be to the great inconvenience of industrial production.Therefore,in the resistance furnace temperature control system design should be considered how to avoid all kinds of interference factors in the adoption of a better control scheme,selecting the appropriate chip and the control method is very neccssary.The design requirements can be used to design a microcontrwller which is widely used in many fields of the resistance furnace temperature control system hardware.With microcontroller as the control center outside the configuration data acquisition circuit,the power control circuit,alarm circuit of the hardware circuit design of data collection,processing,storage,system,fault self-diagnosis, alarm function.Key words:Microcontroller;Temperature control;alarm functions目录第一章 绪论1.1 电阻炉的背景1.2 电阻炉在国外国内的发展.1.3 电阻炉的发展趋势绿色节能环保1.4 本论文的主要内容及任务第二章 炉温自动控制系统的总体设计. 2.1 中厚板厂工作流程. 2.2 炉温控制系统存在的缺点 2.3 炉温控制系统的指标2.4 温度控制系统的目的和功能2.5 系统的总体设计2.5.1 设计方案一2.5.2 设计方案二第三章 控制部分电路的设计3.1 温度检测电路3.2 时钟电路3.3 键盘显示电路3.4 控温电路3.5 单片机的功能第四章 软件设计. 4.1 数学模型的建立 4.2 温度控制算法 4.3 程序编写.第五章 抗干扰措施 5.1 抗干扰渠道 5.2 抗干扰措施.总结致谢参考文献.附录一 电路图.附录二 英文专业文摘及其翻译第一章 绪论11 电阻炉的背景 自从发电电流的热效应（即楞次-焦耳定律）以后，电热法首先用于家用电器，后来又用于实验室小电炉。随着镍铬合金的发明，到20世纪20年代，电阻炉已在工业上得到广泛应用。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。电热元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的电阻温度系数和良好的化学稳定性。常用的材料有金属和非金属两大类。金属电热元件材料有镍铬合金、铬铝合金、钨、钼、钽等，一般制成螺旋线、波形线、波形带和波形板。非金属电热元件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、带等形状。电热元件的分布和线路接法，依炉子功率大小和炉温要求而定。加热功率从不足一千瓦到数千瓦。工作温度在650度以下的为低温炉；650度1000度为中温炉；1000度以上为高温炉。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。可控气氛炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉。电阻炉是利用电流通过电阻体产生的热量来加热或溶化物料的一类电炉，具有结构简单、操作简便、价格低廉等特点，广泛用于淬火、正火、回火、退火等常规热处理生产，是机械制造企业最常用的热处理加热设备之一。工业电阻炉分为二类，周期式作业炉和连续式作业炉。周期式作业炉分为：箱式炉、密封箱式炉、井式炉倾倒式滚筒炉。连续作业炉分为：窑车式炉，推杆式炉，振底炉，步进式炉，牵引式炉，连续式滚筒炉，传送带式炉等。其中传送带式可分为：有网带式炉、冲压链板式炉、铸链板式炉等。与其他电炉相比，电阻炉具有发热部件简单，对炉料种类的限制少，炉温控制精度高，轻易实现在真空或控制，氟中加热等特点。电热炉可使用金属发热体或非金属发热体来产生热源，其构造简单，用途十分广泛是它的主要特色，可广泛应用於退火、正常化、淬火、回火、渗碳及渗碳氮化等电炉在自动化工业中占据了举足轻重的位置。电炉在冶金炉设备中的额度逐年上升。在工业中占的比重愈来愈大，比如：丹阳市嘉恒炉业有限公司就是国内大型工业炉生产基地，集产品研发、制造、销售和服务为一体，是全国热处理行业协会、中国机械工程学会会员单位，产品广泛应用于机械、冶金、模具、铸造、汽车、军工等各种工业领域。目前最受工业炉生产厂家青睐的有大型台车炉，深井炉，箱式电阻炉，退火炉，回火炉，井式氮化炉，井式渗碳炉，罩式退火炉，环件炉等。电阻元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的温度系数和良好的化学稳定性。常用的材料有金属和非金属两大类。金属热点元件材料有镍铬合金、铬铝合金、钨、钼等，一般制成螺旋线、波形线、波形带和波形板。非金属电热元件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、带等形状。电热元件的分布和线路接法，依炉子功率大小和炉温要求而定。 电阻炉以电为热源，通过电热元件将能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达50%-80%，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，炉温均匀，适用于要求较严的工件加热。电阻炉的功率是根据电阻炉的热平衡原则确定的，通过热平衡计算，可以比较精确的计算出电炉的功率。电炉所需的功率应包括炉子蓄热，工件加热需要热量、工件保温需要的热量、气氛裂解所需的热量，热损失等。其中炉子蓄热由电炉的规格、构造和主要尺寸、炉衬厚度，材料导热系数决定。电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过不知在炉内的加热元件将电能转化为热能并记住辐射与对流的传热方式加热工件。使用方面，在铸造车间，有熔炼金属的感应炉，电阻炉，电弧炉，真空炉，加热炉，坩埚炉等；有烘烤砂型的砂型干燥炉，铁合金烘炉，和铸件退火炉等；在焊接车间，有焊件的焊前预热炉和焊后回火炉；在锻压车间，有对钢锭或钢胚进行锻前加热的各种加热炉；在金属热处理车间，有改善工件机械性能的各种退火，正火，淬火和回火的热处理炉等。电炉还广泛应用于其他的工业，比如，石油工业的蒸馏炉和裂化炉，矿石烧结炉和炼焦炉，硅酸盐工业的水泥窑和玻璃熔化，冶金工业的金属熔炼炉，食品工业的烘烤炉，煤气工业的发生炉等。在工业生产中如：用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉、反应炉、锅炉等，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。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。科学技术的进步，特别是信息和网络技术的发展同科研和生产的密切结合，提供了巨大的技术可能性，提高工业电炉热处理的自动化智能化。利用电热效应供热的冶金炉，其电炉设备通常是成套的，包括电炉炉体，开闭器，真空设备，电力设备，自动调节系统，炉用机械设备附属辅助电器。同燃料炉比较，其电炉的特点有，炉内气易控制，甚至可抽成真空，加热温度高，温度易控制，生产过程实现机械化和自动化的可能性高。1.2 电阻炉在国际和国内的发展当前，随着电气信息技术在加热炉系统中的应用，发达国家如美国、德国、日本、澳大利亚等成功开发了一系列用途广泛、功能极强的温度控制器，随着人力资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发具有自主知识产权的炉温控制系统不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。国外在炉温自动控制技术和设备的研究上发展迅速，美国微型电子计算机普及和单片机的应用使自动化系统发生了根本的变化，因而达到了较高的自动化程度。现在已有许多由单片机控制的仪器设备，使电阻丝加热和温度控制完全自动连续的进行。德国是世界上炉温控制最先进的国家之一，加热炉系统实现了高度的自动化，都由单片机或PLC控制。目前先进国家各种温度控制系统水平较高，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，能获得较好的效果。随着生产的发展，对控制的要求也越来越高，随着发展处许多以计算机为基础的新型控制在我国，解约电力资源的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国的4倍左右。由于我国人口基数大，所以人均占有资源量相对很少。在我国一方面电力供应紧张，而另一方面，点的浪费十分严重。特别是用于传统工业电热炉方面对电力资源的利用极为不合理。纵观国际和国内炉温自动控制技术的发展状况，国外在炉温自动控制技术方面的研究比较深入，凭借雄厚的科技实力、先进的生产工艺、严格的质量控制和对产品质量的刻意追求和先进的技术、因地制宜的解决方案、丰富的工业知识，其产品遍布世界几十多个国家和地区。而我国柜内志在的加热设备，成本相对低廉，所控制的量比较少，能实现基本量的控制，但是由于绝大多采用的普通的继电器控制系统，调试、维护困难，灵敏度不够高，不能实现定时精确控制，而且产品先天性不足，使用寿命短，其产品市场占有率很低。单片机自动化控制系统是将自动控制与电加热系统有机的结合起来，使加热系统在无人干预的情况下通过控制器按规定的程序或指令实现对电加热炉的自动控制。以单片机为核心的小型自动控制系统具有造价低廉，可靠性高，适用于各种环境下运行等优点，并且在系统硬件组成不变的情况下通过更改软件设置来适应多种运行方式的需要，是传统继电器控制的替代品。在工业化生产中，需要有大量的加热设备，如用于熔化金属的坩埚炉、用于热处理的加热炉，以及各种不同用途的反映炉，加热炉，温度控制成为制约工业发展的重要环节。随着计算机的技术不断发展，用于工业生产中炉温控制的微机控制系统更加成熟。实践证明，它具有功能强、精度高、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，能源环保，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。 总的来说，随着科技的进步与发展，用微机取代常规控制已成必然，因为它确保了生产过程的正常进行，提高了产品的数量与质量，减轻了工人的劳动强度以及节约了能源，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化，而且微型计算机在智能温度测量和控制电器中的控制作用是一种智能行为，在智能控制中，单片机起了智能控制部件的作用，它的错在提高的电器的品质增加了温度测量与控制功能；并在智能温度测量与控制电器中模拟了人类智能的进程，所以，它在能量消耗上是比较少的，和普通仪表温度测量相比，智能温度测量与控制电器是一种节能电器。这不但对用户来说具有很大的意义，而且对整个社会来说都是有重大意义的。 单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性能高，灵活性好，开发较为容易。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备大灯各个方面。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机，甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此告诉的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常合适的。随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能发面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易的做到对点的温度检测，如果我们对温度进行运城温度监控，将具有很大的实用价值。随着人工智能概念的提出，炉温控制领域出现了另一条理想的途径就是人工智能化直接检测火焰性能控制燃烧的方法，类似人工烧钢通过观察颜色判断燃烧情况。但是由于钢厂的加热炉非常大，长30、40m以上，宽5m以上，是一个非线性、大惯性延迟的控制系统，钢锭、炉汽、墙壁之间的传热过程是非线性的，非常复杂，影响燃烧控制的不确定因素在诸多方面都存在，到目前还没有理想的解决方案。近年来，随着人工智能理论的不断发展和实用化，以及计算机技术的进步和检测设备、仪表性能的提高，模糊控制、专家系统等技术正在这一领域得到越来越多的应用。量子物理浮点思想以及蒙特卡洛随机思想在自控控制方面也吸引了国内外研究者的目光。以前，人们是通过模拟仪表对炉温进行控制，采用人工手动操作，依据个人的工作经验和控制系统返回的数据来调节相应的设备，控制效果不太理想，生产也不稳定。从五十年代开始，随着计算机的出现，人们开始在工厂、实验室或其它测试环境中用计算机惊醒数据采集和处理。单片机凭借其集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价值低廉的优势，在数据采集、机电一体化、过程控制、智能化仪表、网络技术以及家用电器等方面得到广泛应用，本文采用的是单片机在炉温控制中的应用。1.3 电阻炉发展趋势绿色节能环保进入21世纪，人们的关注范围也逐渐发生了转变，在追逐经济发展的同时，也更加注重节能环保，低碳生活已经成为人们的主题了，环保、绿色的话题成为人们讨论的主题和关注的焦点。在“首届全国产学研联合网上成就展暨洽谈会”上就得知了一种即将面向国民经济主战场的新型环保产品绿色工业电炉。 我们从四川工业学院工业炉节能中心的李治岷教授处了解到，这种以强辐射传热的工业节能新技术采用的是由红外物理的黑体理论而制成的集增大炉膛面积、提高炉膛发射率和增加辐照度三项功能于一体的空腔结构元件，能对原炉膛内呈漫射状的热线进行有效的调控。它不仅能有效缩短加热工件的升温时间，提高对能源的利用率，减少对资源的不必要损耗，还对改善炉温的均匀性及保持炉温的稳定性有着显著的节能效果。并且实施方便，无需对原炉体作任何改动，技改投资半年至十个月即可回收。能广泛的应用于电阻炉、燃气炉、燃煤炉和燃油炉等各种工业炉内。 谈到这项技术的社会效益和经济效益，李主任告诉我们：在成都工程技术机械总厂、四川石油局钻采设备制造厂、大连大山结晶器厂、河北冶金科技公司、东方汽轮机厂等多家企业的电阻炉和燃料炉的生产实践证明，在使用了该项技术后其节能率均在20以上，炉膛垂直温差也减少了50左右，提高加热炉生产率一般达到20左右，延长了炉衬寿命一倍以上，减少了工业炉20以上的废气排放量，利于环境的保护。 这项工程已经启动很多年了，现在的技术也日趋成熟。在这个世纪，很多的工业产品都在技术上逐渐创新，向着节能环保的方向发展，同时绿色节能也是未来工业的发展趋势。1.4 本论文的主要内容及其任务（1）根据电阻炉升温、保温及降温的实际要求，初步设计电阻炉炉温自动控制系统整体结构图；（2）提炼数学模型，进行原理分析；（3）控制系统部分展开设计，包括数据采集以及输出回路设计；（4）选择控制系统硬件电路电子元器件型号；（5）输入输出与单片机的接口程序设置；（6） 简单编写软件主要程序。 第二章 炉温自动控制系统的总体设计2.1 中厚板厂工作流程图2.1中厚板厂流程图 中厚板厂的生产流程图如图2.1所示，先进行原料准备，由于原料表面存在缺陷，除了在加热过程中被氧化掉，不会影响钢板的质量不需要清理外，尺寸超过一定限度的缺陷都要采取某种清理方法，将其清除掉。以免影响钢板质量或造成废品，然后用推钢机装入炉内加热，加热是为了将钢板软化，对下一环节对钢板的轧制做准备，然后对出来的钢板进行轧制，轧制过程分为除磷、粗轧和精轧几个阶段，然后对钢板进行冷却，再用矫正机进行钢板形状矫正，最后在根据需对钢板进行裁剪，裁剪出所需要的型号的钢板，本系统主要是对钢板加热的电阻炉炉温的控制。2.2 炉温控制系统存在的缺点温控系统是保证环境控制系统中某部位或空间的介质温度或壁面温度在规定的范围内，以满足座舱或设备舱热力要求的成套调控设备。随着微电子制造技术和现代控制技术的发展，采用以功能强、体积小、价格低的单片机为核心、以先进PID控制为算法构建智能化电阻炉温度控制系统已成为现实。以前炉温控制系统存在的缺点：（1）温度的记录精度较低，并经常需要更换记录纸，造成不必要的纸张浪费和人力消耗。（2）采用模拟调节器，使原设备的控制电路控制精度低，故障率高，炉温波动大，影响产品的常量和质量。（3）系统出现故障时，无法为工作人员及时指示故障准确位置，不能进行故障自诊断。（4）没有友好的人机界面及显示功能，不便于生产中的灵活操作。正是由于存在以上的问题，他直接影响到产品的产量、质量和生产成本。所以，国内的许多工厂提出改造原电阻炉的控制系统，降低生产故障率，并提高炉温的控制精度，使控制系统能更加可靠，稳定的运行，提高生产效率，更好的满足生产技术要求。2.3 炉温控制系统的指标中厚板主要应用于建筑工程、机械制造、容器制造、造船、桥梁建造等，钢材加工时需要电阻炉加热，使钢软化，然后才能对其进行加工生产我们所需要的产品钢。本系统对电阻炉进行控制，要求炉内的温度如图2.2的规律变化。从室温T0开始到a点为自由升温段，温度一旦到达Ta，就进入系统调节；从b点到c点为保温段，要始终在系统的控制之下，以保证所需的炉内温度的精度，保温的时间按工作需求设定；加工结束后由c点到d点为自然降温段。图2.2 炉温控制曲线图本论文介绍的温度控制系统的主要技术指标有：温度控制范围：300-1000摄氏度，保温值为800摄氏度；实时显示温度，越限报警。恒温时间：0-24小时；控制精度：+1摄氏度；超调量1%。2.4 温度控制系统的目的和功能(1)温度控制系统的目的本设计的内容是温度测试控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如室温、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往的温度控制是由人工完成的，而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。尤其是在工业上如果温度检测不当，造成的后果更是不堪设想。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可稳定高精度温度控制系统，能更准确及时的检测电阻炉的温度，以便生产的正常运行。(2)温度控制系统的功能及工作原理本设计是对温度进行实时检测与控制，设计温度控制系统实现了基本的温度控制功能：键盘录入设定温度，系统温度开始上升，上升到一定温度值是系统开始自动调节，直至到达设定的生产的指定温度，停止加热，显示器显示当前温度，系统进入保温状态。如果电阻炉的温度上升超过上限温度，系统自动触发报警装置告警，系统开始调温，调到正常范围内，当生产工作结束后，系统停止工作，电阻炉自动降温到常温。温度在上下限之间时，执行机构不执行。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，通过液晶显示器显示温度并判断是否报警，当测得温度比设定温度高时，单片机通过驱动芯片触发蜂鸣器报警。同时将温度与设定温度比较，根据设定的PID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。该系统中的时钟电路可以根据要求进行准确计时。2.4 系统的总体设计2.4.1 设计方案一图2.3 方案一流程图测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以利用单片机进行数据处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路有必要的时候还得要对单片机进行扩展，还得设计扩展电路，滤波器，放大电路等，相对其来说比较麻烦一些，而且测量的结果误差相对也比较大，其工作流程如图2.3所示。2.4.2 设计方案二图2.4 方案二流程图图2.4为方案二流程图，方案二的方法是热电偶测得电阻炉温度转换成低压信号，低压信号进入高度集成芯片后输出单片机能识别的数字信号，而节省了很多转换环节。考虑到在检测电阻炉炉温的过程中需要使用温度传感器，温度传感器感知温度后转化为数字信号，在结合单片机完成温度控制，但是由于这种检测电路在温度比较高的工业电阻炉炉温控制中可能需要外围电路以及扩展电路，使得电路复杂了很多，转换的过程也非常的多，同时检测温度的精度也大大的降低了，所以增加了很多的不变，而且在变换的过程中也相对比较繁琐，这样降低生产效率，并且出现的故障也会随之增多，间接的增加了维修费用，所以选择一种高精度的集成芯片来代替它，这样是不是就可以方便了很多。在比较了方案一和方案二后，很容易就发现了选用一种集成度高的芯片来代替方案一中那些繁琐的变换过程，不仅提高了检测电路检测温度的精度，维修简单，还节省了很多维修经费，所以本设计选用方案二。系统中采用了新型元件功能强、精度高、硬件电路简单。图2.5 系统设计总图本设计主要是硬件设计以及简单的编写系统的主要程序，用计算机进行温度控制，同时采用一种高精度的集成芯片来完成A/D转换以及一些辅助电路的功能，使系统获得较好的性能指标，系统分为时钟电路、键盘录入、单片机控制、温度检测电路、温度控制电路、显示电路、报警电路等。本设计以单片机为核心控制整体系统。采用单片机进行炉温控制具有电路设简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率刺进科技进步等方面具有重要意义。系统整体控制图如图2.5。时钟电路：单片机时钟电路是用来配合外部晶体实现振荡的电路，这样可以为单片机提供运行时钟，如果运行时钟为0的话，单片机就不工作，当然超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作。所以也可以说是对单片机的一个保护，以免单片机可能在长时间在高频率工作的状态下，造成对单片机的损坏，进而减少单片机的使用寿命。温度传感器：能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。由于热电阻所能感受的物体温度一般都是温度比较低的，而工业生产（如机械制造、冶金）中电阻炉加热的上限温度非常高，所以一般不用于工业生产中。所以选传感器来用热电偶来传达电阻炉的实时温度。温度检测电路：温度检测系统在自动控制系统中的使用是相当广泛的，系统往往需要对控制系统内部或者外部的温度进行检测，并根据条件的变化进行处理，如补偿某些参数，实现某种控制和处理，进行超高温告警等。因此，对所监控的环境温度进行精确检测是非常必要的，尤其是一些对温度检测精度要求很高的控制系统更是如此。在工业上温度检测电路是非常重要的，他能及时的把温度反馈给单片机，在计算机的控制下把温度反馈给显示电路以便及时的显示当下的温度，在和设定的温度进行比较，如发现温度超过上限温度，则会触发报警电路，告警，便于值班人员进行检修，以保证生产的正常进行。液晶显示：用于显示电阻炉的实时温度，便于人工和自动控制系统对温度的监控，当出现超出上限温度的时候及时反馈给系统或值班人员，也可显示设定时间，实际时间，使工作人员更能清楚和准确的了解电阻炉当前运行的状况。键盘：是人工设定时间、温度等的输入通道，单片机I/O口控制，通过键盘录入设定时间，设定温度，有的按键在不同情况下可以实现不同的功能。温度控制电路：在设定温度与反馈过来的电阻温度出现偏差，单片机触发温度控制电路，调节电阻炉的炉温，直至达到生产想要的温度。第三章 控制部分电路的设计3.1 温度检测电路要想对中厚板厂加热电阻炉的炉温进行控制，首先得先对电阻炉的温度进行检测，这就需要选择一个合适的传感器，本系统采用的K型（镍铬-镍硅）热电偶对电阻炉的温度进行测量，其可测量1312摄氏度以内的温度，其线性度较好，而且价格便宜。K型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU通信。传统的温度检测电路采用“传感器-滤波器-放大器-冷端补偿-线性化处理-A/D转换”模式，转换过程多、电路复杂、精度低。在本系统中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势-温度”的转换，不需要外围电路、I/O接线简单、精度高、成本低。MAX6675封装在SO-8脚的芯片中，推荐工作电压为单一+5V直流电压，连续工作时的功耗仅为47.1mW，电流为50mA，体积不大，不利散热的专职条件下使用。MAX6675工作原理和功能：根据热电偶测温原理，热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，使用硬件电路进行冷端补偿时，虽能部分改善测量进度，但由于热电偶使用的不同及硬件电路本身的局限性，效果不明显；而使用元件补偿，通常是使用微机处理机表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身非线性开来的测量误差，但同时也增加了程序编制及调试电路的难度。MAX6675对其内部元器件参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正。同时芯片内部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路、断藕检测电路都给K型热电偶的使用带来了极大的方便。当MAX6675的引脚从高电平变为低电平时，MAX6675将停止任何信号的转换并在时钟SCK的作用下通过SO引脚向外输出已转化的数据（此数据是经过放大了的A/D转换后的数字量与冷端补偿之和）；相反，当从低电平便会高电平时，MAX6675将进行新的专函，在引脚从高电平变为低电平时，第一个字节D15出现在引脚SO上，一个完整的数据过程需要16个时钟周期，数据的读取通常在SCK的下降沿完成。值得指出的是此芯片的A/D转换速度在0.17-0.22之间，转换的时间稍微长一些。引脚号名称功能1GDN接地端2T-热电偶负极（使用时接地）3T+热电偶正极4VCC电源端5SCK串行时钟输入端6CS片选信号7SO数据串行输出端8NC悬空不用表3.1 MAX6675的引脚功能图MAX6675是MAXIM公司开发的K型热电偶转换器、集成了滤波器、放大器等，并带有热电偶短信检测电路，自带冷端补偿，能将K型热电偶输出的电势转换成12位数字量，分辨率0.25摄氏度。温度数据通过SPI端口输出给单片机，其冷端补偿的范围是-2080摄氏度，测量范围是01023摄氏度。表3.1为MAX6675的引脚功能图图3.2 温度检测电路图图3.2为本系统的温度检测电路图。当P2.5为低电平且P2.4口长生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高点位D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3为相应的温度转换数据。当P2.5为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。在应用MAX6675时，应该注意将其布置在原理其他I/O芯片的地方，以降低电源噪声的影响；T+端接热电偶的测量端，T-端接热电偶的冷端，MAX6675的T-端必须接地，而且和该新品的电源都是模拟地，不要和数字地混淆而影响芯片读书的准确性。电阻炉的温度用热电偶测得，经过热电偶将测得的温度信号转换成毫伏级电压信号，经MAX6675芯片T端进入芯片转换成数字信号经SO（数据串行输出端）进入单片机进行控制处理。3.2 时钟电路图3.4 时钟电路图在系统中需要准确显示升温时间、恒温时间等，因而选用了时钟芯片DS12887构成定时电路来完成对时间的准确计时。DS12887具有时钟、闹钟、12/24小时选择和闰年自动补偿功能，包含有10B的时钟控制寄存器，4B的状态寄存器和114B的通用RAM具有可编程方波输出功能，报警中断、周期性中断、时钟更新中断可由软件屏蔽或测试。使用时不需任何外围电路，并具良好的外围接口。在本系统中，DS12887的地址/数据复用总线与单片机的P0口相连。通过定时器中断，CPU每隔0.4秒读一次DS12887的内部时标寄存器，得到当前的时间，并送到液晶显示器进行显示。每当电阻炉从一个状态转入另一个状态，CPU通过DS12887把时间清零，重新开始计时。此外，通过DS12887，还可以设定电阻炉的加热时间和恒温时间。电路图如图3.4所示3.3 键盘显示电路对于温控系统来说，一个完整的系统不能缺少的就是人机对话，键盘是人机对话的重要窗口，电阻炉的温度需要显示出来供工作人员记录参考，所以需要LED来显示电阻炉的当前温度，通过键盘人工设定温度，显示器显示电阻炉的实时温度。LED数码管由发光二极管组成并封装在一个标准的外壳中，有8字形和米字形两种字形显示，各有共阳极和共阴极两种。发光二极管导通压降为1.2V-1.8V，正向工作电流为2mA-15mA。在显示驱动方式中，采用动态扫描。用键盘输入电阻炉要达到的温度，通过反驱动电路进入单片机，控制温度上升，显示器显示实时温度，以便观察。图3.5所示8155各引脚的功能：地址/数据线AD0-AD7（8条）： 是低8位地址线和数据线的共用输入总线，常和单片机的P0口相连，用于分时传送地址和数据；PA0-PA7、PB0-PB7： 为A、B口线，用于和外设之间传递数据；PC0-PC5： 为C端口线，既可与外设传送数据，也可以作为A、B口的控制联络线；CS： 片选线，低电平有效。RESET： 复位线，通常与单片机的复位端相连。ALE： 地址锁存线，高电平有效。RD和WR： 读/写线，控制8155的读/写操作。VCC： 电源端GND： 接地端图3.5键盘显示电路3.4 控温电路当电阻炉达到所设定的温度时，或者电阻炉的温度在设定温度上下不能达到设定温度时，控温电路开始工作，温度控制电路通过控制固态继电器的通断时间来控制电阻炉的功率。当温度高于所设定的温度是，单片机通过驱动MC1413驱动报警。MC1413是摩托罗拉公司出品的高耐压、大电流达林顿陈列反向驱动器，由七个硅NPN达林顿管组成。MC1413的每一对达林顿管都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。MC1413工作电压高，工作电流大，灌电流可以达到500mA,并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。控温电路包括驱动芯片MC1413、过零型交流固态继电器（Z型SSR）。交流220V的SSR，选用MYH12-430V的压敏电阻保护电路，报警和控温电路如图3.6所示。图3.6 温控电路图控制电阻炉的温度，只需要控制电阻炉电流的大小而不必考虑电流方向。控温采用可控硅电路，他的任务是通过调压来实现交流调功。固态继电器作为主要控温系统，它具有高寿命、高可靠、灵敏度高、控制功率小等特点。且固态继电器没有输入“线圈”，没有出点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。在零电压处导通，零电流处管段，减少了电流波形的突然中断，从而减少开关瞬态效应，提高了系统的稳定性。Z型SSR内部含有过零检测电路，当加入控制信号，且负载电源电压过零时，SSR才能导通，而控制信号断开后，SSR在交流电正负半周交界点出断开。Z型SSR关断条件同P型，但由于负载工作电流近似正弦波,高次谐波干扰小，所以应用广泛。也就是说，当Z型SSR在1秒内为全导通状态时，其被触发频率为100Hz，当Z型SSR在1秒内为0.5秒时，其被触发频率为50Hz，在本系统中，采用PID控制算法，改变Z型SSR在单位时间内的导通时间达到改变电阻炉的加热功率，调节炉内温度的目的。3.5 单片机的功能系统外部中断有时钟中断，还有键盘显示电路的中断，并且使用电压为5V，显示电路的读写接口和时钟芯片的读写接口，在考率成本等其他一些因此，本设计选择单片机AT89C52。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kb的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向出入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器可有效降低开发成本。单片机AT89C52主要功能特性：1、兼容MCS51指令系统 2、8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM； 3、32个双向I/O口； 4、256x8bit内部RAM； 5、3个16位可编程定时/计数器中断； 6、时钟频率0-24MHz； 7、2个串行中断，可编程UART串行通道； 8、2个外部中断源，共8个中断源 9、2个读写中断口线，3级加密位； 10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； 11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需要。 中断系统是计算机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、计算机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断是处理器处理外部突发事件的一个重要技术。它能使处理器在运行过程中对外部事件发出的中断请求及时地进行处理，处理完成后又立即返回断点，继续进行处理器原来的工作。中断源可分为硬件中断和软件中断，硬件中断又分为外部中断和内部中断两个部分，外部中断相对比较简单，电阻炉通过时钟电路来控制温度的恒温时间，升温时间等，时钟电路能准确的计时，到达设定时间时钟电路中断准备下一次计时，外部中断还有就是与外部接通设备的中断，电阻炉的键盘显示电路就是一种外接设备，通过单片机的中断来控制，以便显示实时温度。外部中断是可以屏蔽的中断，可以利用中断控制器来屏蔽外部设备的中断请求，而单片机的内部中断是无法屏蔽的。内部中断是指系统硬件部分出错（如突然掉电、奇偶校验错等）或运算出错所引起的中断。图3.6 为系统硬件总图图3.6为系统硬件设计总图，先通过键盘设定炉温的温度，热电偶传感器测量电阻炉的温度，并将电阻炉的温度转化成低压信号，经过集成芯片MAX6675转换成数字信号，输入单片机，单片机进行数据处理，控制温控电路，电阻炉的温度通过数码管显示器显示实时温度，如果温度超过设定的上限温度，则单片机触发驱动芯片，时蜂鸣器报警，系统还可以通过时钟芯片DS12887设定时间，控制显示时间，芯片的中断导通时间，使对电阻炉的温度控制更有效。第四章 软件设计4.1 数学模型的建立为了使系统或得较好的性能指标，首先要了解被控对象的特性，并用以作为设计自动控制系统的依据。电阻炉温度控制采用数字PID调节规律，为了确定PID上的参数，采用飞升曲线法来确定电阻炉温度控制的传递参数。电阻炉 出口温度的飞升曲线如图4.1所示： 图4.1 电阻炉出口温度飞升曲线由图可知，系统是带纯之后的一阶对象，其传递函数为，式中K为放大倍数；T为对象时间常熟；为对象滞后时间。一阶对象参数的求取：对于一阶对象的放大倍数K，可由输出稳态值和输入阶跃信号幅值求的，输出从起始值达到0.632倍稳态值的时间为对象时间常熟T，而滞后时间可直接从图中测量。根据温度变化曲线的要求，可将其分为三段来进行控制：自由升温段，保温段和自然降温段。而真正需要电气控制的是前面两个阶段，即自由升温段和保温段。为避免过冲，从温室到T80%T0时，已较接近需要保温的值T0，为此采用保温段控制方程。保温控制方法很多，由于电热元件所加功率的变化和油温变化之间存在一段时间延迟，因此当以温差来控制输出时，系统只有在温度与给定值相等时才停止输出。这时由于电阻炉变化延迟性质，炉温并不因出入停止而马上停止上升，从而超过给定值。滞后时间越大，超过给定值也越大。炉温上升到一定程度后，才开始下降，并下降到小于给定值时系统才重新输出。同样，由于炉温变化滞后于输出，它将继续下降，从而造成温度的上下波动，即所谓的振荡。考虑到滞后的影响，调节规律必须加入微分因数，即PD调节。有了PD调节，系统输出不仅取决于温差的大小，还取决于温差变化速率。当炉温从自由升温段进入保温段时，炉温还小于给定值，但温度变化较大，因而系统可以提前减少或停止输出，使炉温不至于出现过大超调。同样，在降温过程中也是如此。这样就改善了炉温调节的控台品质。积分作用可以提高温度控制的静态精度，适当选择积分作用，则可以在不影响动态性能的情况下提高往温度控制的精度。所以保温段控制最好采用PID控制方法。4.2 温度控制算法温度控制系统要求较高时，常常采样有源校正环节。有源校正环节一般是有运算放大器和电阻、电容组成的反馈网络连节而成，被广泛地用于工程控制系统中，常常被称为调节器。其中，按偏差的比例（proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）进行控制的PID调节器是应用最为广泛的一种调节器。PID调节器已经形成了典型结构，其参数整定方便，结构改变灵活（P、PI、PD、PID等），在许多工业过程控制中获得良好的效果。对于那些数学模型不易精确求得、参数变化较大的被控对象，采样PID调节器也往往能得到满意的控制效果。PID控制在经典控制理论中技术成熟，自20世纪30年代末出现模拟式PID调节器，自今仍在非常广泛的应用。今天，随着计算机技术的迅速发展，用计算机算法代替模拟式PID调节器，实现数字PID控制，使其控制作用更灵活、更易于改进和完善。通常，电阻炉炉温控制采用偏差控制法。偏差