长春大学课设电阻炉说明书内页

1、长春大学长春大学 课题设计纸 装订线电阻炉温度控制系统设计电阻炉温度控制系统设计 摘要摘要 电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备,广泛应用于冶金、机械、建材等行业，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干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。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。温度传感器采用了数字式温度传感器 DS18B20，对温度进行实时采样并将模拟信号转换成数字信号返回给单片机。系统可通过键盘对电阻炉温度进行预设，单片机根据当前炉内温度和预设温度进行比较

2、结果，在进行 PID 运算，控制输出宽度可调的 PWM 方波，并由此控制固态继电器的导通和关断来调节电热丝的加热功率，当炉内温度过高与过低的时蜂鸣器将进行报警，从而使炉内温度迅速达到预设值并保持恒定。 关键词关键词 温度检测，单片机，温度控制长春大学长春大学 课题设计纸 装订线Design of Resistance Furnace Temperature Control System Abstract Resistance furnace is commonly used in industrial and agricultural production electric heating e

3、quipment, widely used in metallurgy, machinery, building materials industry, and high power electric resistance furnace is applied in all kinds of industrial process. However, there are all kinds of interference factors, most of the resistance furnace will bring great inconvenience to the production

4、 of industry. Therefore, in the design of resistance furnace temperature control system, should consider how to effectively avoid as far as possible all kinds of interference factors and use one of the better control scheme, select the appropriate chips and control algorithm are necessary. Temperatu

5、re sensor using the digital temperature sensor DS18B20, the temperature of the real-time sampling and converting analog signals into digital signals back to the single chip microcomputer. System of resistance furnace temperature through keyboard Keyword temperature measurement，single chip microcompu

6、ter，temperature contro长春大学长春大学 课题设计纸 装订线目 录第 1 章 前言 .1第 2 章 确定系统方案 .2 2.1 系统设计要求.2 2.2 系统设计方案.2第 3 章 系统硬件设计 .3 3.1 单片机系统.3 3.1.1 STC89C52 简介 .3 3.1.2 晶振电路.5 3.1.3 复位电路.5 3.2 温度检测电路 .6 3.3 温度控制电路 .6 3.4 键盘显示电路 .7 3.5 报警电路.8 第 4 章 PID 控制设计.9 4.1 PID 算法设计.9 4.2 PID 程序设计.10第 5 章 系统软件设计 .12 5.1 系统程序流程图 .

7、12 5.2 系统程序 .12第 6 章 总结 .19参 考 文 献.20长春大学长春大学 课题设计纸 第 1 页 共 20 页 装订线第第 1 章章 前言前言1.11.1 设计目的设计目的本次课设设计一个电阻炉温度控制系统，利用微机控制系统完成电阻炉的检测、处理及数字控制计算，根据数据结果进行相应的处理，从而改变电阻炉的加热功率，达到控制温度的目的。1.21.2 研究现状研究现状温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确

8、地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。如冶金工业的加热炉、电力工业的锅炉、化学工业的反应炉等设备，通过对温度的监控，保证产品的质量；即使日常生活中的微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器也同样需要温度监控。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。但由于温控设备自身的一些特点，如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等，传统的 PID 控制由于其参数恒定，不能及时跟踪对象特性变化，造成控制系统性能不佳。本课题的设计方案具有可行性和一定的推广性，若能应用与实际生产中，将对提高企业自动化水平、降低生产成本、减轻工人劳动强

9、度等方面起到积极的促进作用。电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械、冶金等行业的生产中占有十分重要的地位对电阻炉温度控制的好坏直接影响工艺要求的温度水平和加热质量，以致直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标，所以国内外关于电阻炉自动控制的研究一直备受重视，发展也比较快。长春大学长春大学 课题设计纸 第 2 页 共 20 页 装订线第第 2 章章 确定系统方案确定系统方案2.1 系统设计要求系统设计要求1、现场温度值可处理2、温度范围为 201003、系统有必要的保护和报警4、温度值要有显示5、误差范围12.2 系统设计方案系统设计方案 方案一采用 PLC 实现温度控制。由于 PLC

10、 成本高且外围系统配置复杂，不利于我们的设计。方案二采用单片机实现电阻炉温度控制。该方案成本低，可靠性高，但对于系统的动态性能与稳态性能要求较高的场合是不适用的。因此我们基于 PID 控制原理给出了积分分离 PID 控制器的方法。将积分分离和 PID 控制相结合，可以确定此方案可行。本系统以 STC89C52 为核心，以 KEIL 为程序开发平台，以 C 语言进行程序设计。所设计的温度控制主要由单片机、温度检测模块、温度控制模块、温度显示模块、按键设定模块、报警模块等组成。设计方案见图 2.1图温度传感器DS18B20STC89C52单片机基本控制系统数码管显示键盘双向可控硅电炉加热器采集报警

11、保护电路长春大学长春大学 课题设计纸 第 3 页 共 20 页 装订线图 2.1 总体设计方案框图第第 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计3.1 单片机系统单片机系统单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 3 .1.1 STC89C52 简介简介STC89C52 是一种低功耗，高性能 CMOS 微控制器（如图 3.1）提供以下标

12、准功能：8K 字节闪存器，256 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，3 个 16 位定时/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串性通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个中断或硬件复位为止。长春大学长春大学 课题设计纸 第 4 页 共 20 页 装订线图 3.1 STC89C52 引脚图P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收

13、8TTL 门电流。当P1 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/地址的第八位。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 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 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，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向

14、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，其管脚被内部上拉电阻拉高，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。这是由于内部上拉的缘故。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，它利用内部上拉优势，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内容。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 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。当 P3 口写入“

15、1”后，它们被内部上拉为高电平，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。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 8 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

16、，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，每个机长春大学长春大学 课题设计纸 第 5 页 共 20 页 装订线器周期两次 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） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLAS

17、H 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3 .1.2 晶振电路晶振电路单片机外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产震荡时钟，为单片机提供稳定的时钟。而且单片机每条指令的运行都是严格按照机器周期来执行的，机器周期就是由晶振电路（如图 3.2）提供的。图 3.2 晶振电路图3.1.3 复位电路复位电路单片机复位电路（如图 3.3）就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的

18、程序自动从头开始执行。按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST 也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。长春大学长春大学 课题设计纸 第 6 页 共 20 页 装订线图 3.3 复位电路图3.2 温度检测电路温度检测电路本设计温度检测电路采用数字传感器 DS18B20，DS18B20 是一种可组网的单线数字温度传感器，它采用单线总线结构，集温度测量和 A/D 转换于一体，直接输出数字量，用一根 I/O 线就可以传送数据与命令，其温度测量范围为-55+125，精度为+/-0.5，供电电压范围为 3.35.5V，通过编程，实现 912

19、位分辨率读出温度数据。检测电路如图 3.4 所示图 3.4 温度检测电路图3.3 温度控制电路温度控制电路本文温度检测电路（图 3.5）采用固态继电器 SSR，固态继电器 SSR 是一种无触点通断电子开关，它利用电子元件 (如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。为实现输入与长春大学长春大学 课题设计纸 第 7 页 共 20 页 装订线输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。当施加输入信号后，其主回路呈导通状态，无信号时呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点，可实现

20、相当于常用电磁继电器一样的功能。单片机端口输出的 PWM 方波控制固态继电器 SSR 的开断，从而控制电阻炉的开断频率，控制电热丝功率的变化，以达到加热目的。图 3.5 温度控制电路图3.4 键盘显示电路键盘显示电路键盘显示电路（如图 3.6）设定部分主要是键盘输入，此部分主要由两个按键组成，PLAS 为加，SUBS 为减，当系统启动时，默认设定温度为 20，当按下PLAS 时设置电阻炉温度增加，按下 SUBS 时设置电阻炉温度减小。此部分按键为常开按钮，当不触发时为断开状态，按键按下之后与地连接，故为低电平，单片机读取按键数据为低电平时有效。DS18B20 检测到的温度与设定温度进行比较，单

21、片机根据当前炉内温度和预设温度进行比较结果，进行 PID 控制运算，运算后的温度值用数码管进行实时显示。长春大学长春大学 课题设计纸 第 8 页 共 20 页 装订线图 3.6 键盘显示电路3.5 报警电路报警电路报警电路的结构比较简单，只是一个蜂鸣器模块。我们要求的温度在一定的范围内为安全温度，我们设置为 20100，当测量值在正常范围内时，程序控制 P20 输出低电平，音频信号不发声，当达到一定的上界或者下界时，报警电路开始工作，P2.0 同时为高电平，音频发音告警，操作人员观察音频发生器是否发音，就可知道被测量器件工作是否正常。报警电路如图 3.7 所示。图 3.7 报警电路长春大学长春

22、大学 课题设计纸 第 9 页 共 20 页 装订线第第 4 章章 PID 控制设计控制设计4.1 PID 算法设计算法设计对温度的控制算法，采用技术成熟的PID算法，对于时问常数比较大的系统来说，其近似于连续变化，因此用数字PID完全可以得到比较好的控制效果。简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差，但使系统响应速度变慢。进一步

23、改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在P1调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分(PID)调节器，微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能，其控制规律为：1001pdideuKeedtTuTdt单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直接计算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PID 的调节规律可以通过数值公式为：100()idpijiijiTTuKeeeeuTT如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程

24、十分接近。我们变换上式得：211miiipiiiu uuuKeIeDe 把，带入上式得：1iiieee21iiieee 1112()(2)ipiiiiiiuuKeeIeDeee 试中 ei=W-Yi,W设定值，Yi为第i次实际输出值， Kp为比例系数，积分系数I=T/Ti,微分系数D=T/Td,T为采样周期。用PID控制算法实现锅炉温度控制是这样一个反馈过程：比较实际炉温和设定炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节炉子的加热功率，长春大学长春大学 课题设计纸 第 10 页 共 20 页 装订线从而实现对炉温的控制，由于电阻炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中Kp、

25、Kd和Ki的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。本程序先将用户设定温度和电阻炉实际温度T比较，计算出偏差ei，然后分两种情况进行计算控制变量：(1) 大于等于设定的偏差e时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采ie用积分控制器调节，直接使用PD调节，获得比较快的动态响应，计算Pd和Pp，最终得到控制量获得比较快的动态响应。(2) 小于设定的设定的偏差 e 时，正常的分别计算 Pi、Pd 和 Pp,然后根据ie算法公式计算出控制变量。控制流程图如图4.1所示。图 4.1 PID 控制流程图4.2 PID 程序设计程序设计PID 算法函数 void PID(void)，根据误差的大小算出固态继

26、电器的导通时间。程序如下：void PID()长春大学长春大学 课题设计纸 第 11 页 共 20 页 装订线uchar Ctrhab20=8，15，2O，4O，5O，6O，7O，80，100，120，140，160，180，200； 控制时间参数表kp=200；kd=3；ki=10； 初始化PID参数 tempsv=controlnum；temppv=T；读入实际、设定温度e2=temsvtemppv；计算误差e0 =el；el=e2；u0=u； 误差及输出量的转赋P=e2一el； 计算P值D=kd*(e22el+e0)； 计算D值if(e2=50) I=kp+e2；判断采用PD还是PID控

27、制else I=0；u=kp(P+I+D)+uO；controltime=ctrhabu；查表赋控制时间长春大学长春大学 课题设计纸 第 12 页 共 20 页 装订线第第 5 章章 系统软件设计系统软件设计5.1 系统程序流程图系统程序流程图系统流程图如图 5.1 所示。开始系统初始化初始化 DS18B20读取温度数据等待定时中断控制算法控制输出脉冲温度设定YN显示温度键盘按下？图 5.1 程序流程图5.2 系统程序系统程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int长春大学长春大学 课题设计纸 第

28、13 页 共 20 页 装订线sbit ds=P22; /温度传感器信号线sbit dula=P26; /数码管段选线sbit wela=P27; /数码管位选线sbit beep=P23; /蜂鸣器uint temp; /定义整型的温度数据float f_temp; uint warn_11=200; /定义温度的下限值uint warn_12=1000; /定义温度的上限值 0sbit s1=P10; /键盘sbit s2=P12;sbit pwm=P16;unsigned char code table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,

29、0 x07,0 x7f,0 x6f, /0-9 带小数点0 xbf,0 x86,0 xdb,0 xcf,0 xe6,0 xed,0 xfd,0 x87,0 xff,0 xef; /不带小数点void delay(uint z) / 延时函数uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);viod dsreset(void) /DS18B20 复位，初始化函数uint i;ds=0;i=103;while(i0)i-;ds=1;i=4;while(i0)i-;bit tempreadbit(void) /读一位数据函数uint i;bit dat;ds=0;i+;

30、ds=1;i+;i+;dat=ds;i=8;while(i0)i-;return(dat);uchar tempread(void) /读一个字节数据函数uchar i,j,dat;长春大学长春大学 课题设计纸 第 14 页 共 20 页 装订线dat=0;for(i=1;i=8;i+)j=tempreadbit();dat=(j1); return(dat);Void keyscan() /键盘if(s1=0)warn_11+;If(s2=0)warn_12+;void tempwritebyte(uchar dat) uint i;uchar j;bit testb;for(j=1;j1;

31、if(testb)ds=0;i+;i+;ds=1;i=8;while(i0)i-;elseds=0;i=8;while(i0)i-;长春大学长春大学 课题设计纸 第 15 页 共 20 页 装订线ds=1;i+;i+;void tempchange(void) /DS18B20 开始获取温度并转换dsreset();delay(1);tempwritebyte(0 xcc);tempwritebyte(0 x44);uint get_temp() /读取寄存器中存储的温度数据uchar a,b;dsreset();delay(1);tempwritebyte(0 xcc);tempwriteb

32、yte(0 xbe);a=tempread();b=tempread();temp=b;temp=8;temp=templa;f_temp=temp*0.0625;temp=f_temp*10+0.5;f_temp=f_temp+0.05;return temp;void display(uchar num,uchar dat) /数据显示程序uchar i; dula=0;P0=tabledat;dula=1;dula=0;wela=0;i=0XFF;i=i&(0X01)warn_12) /大于 100 度，蜂鸣器响warn(40);dis_temp(get_temp();pwm=1

33、;delay(10000);else if(t=50) I=kp+e2；判断采用 PD 还是 PID 控制else I=0；u=kp(P+I+D)+uO；controltime=ctrhabu；查表赋控制时间void init_com(void) /串口初始化TMOD=0 x20;PCON=0 x00;SCON=0 x50;TH1=0 xFd;TL1=0 xFd;TR1=1;void comm(char*parr) do长春大学长春大学 课题设计纸 第 18 页 共 20 页 装订线SBUF=*parr+;while(!TI);TI=0;while(*parr);void main() /主函数uchar buff4,i;dula=0;wela=0;init_com();while(1)tempchange(); /温度转换函数for(i=10;i0;i-)dis_temp(get_te