電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

PAGEPAGE1電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計（5篇）第一篇：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計電阻爐溫控制摘要：文中介紹了以單片機AT89C52作為核心元件構(gòu)成的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的工作原理，詳細說明了采用的新型元件，分析了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，最后給出了系統(tǒng)流程圖。關(guān)鍵詞：單片機；電阻爐；溫度測量；控制系統(tǒng)１引言電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。其控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、控制精度低。采用單片機進行爐溫控制，具有電路設(shè)計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點，對提高生產(chǎn)效率、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義。本文介紹的溫度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標有：溫控范圍：300℃～1000℃；恒溫時間：０～24小時；控制精度：±１℃；超調(diào)量<1%。２整體設(shè)計及系統(tǒng)原理本系統(tǒng)由單片機AT89C52、溫度檢測電路、鍵盤顯示及報警電路、時鐘電路、溫度控制電路等部分組成。系統(tǒng)中采用了新型元件，功能強、精度高、硬件電路簡單。其硬件原理圖如圖１所示。圖1硬件原理圖在系統(tǒng)中，利用熱電偶測得電阻爐實際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經(jīng)過溫度檢測電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對應(yīng)的數(shù)字信號進入單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理后，通過液晶顯示器顯示溫度并判斷是否報警，同時將溫度與設(shè)定溫度比較，根據(jù)設(shè)定的PID算法計算出控制量，根據(jù)控制量通過控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時間，以實現(xiàn)對爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時鐘電路可以根據(jù)要求進行準確計時。３硬件設(shè)計3.1溫度檢測電路本系統(tǒng)采用的Ｋ型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶，其可測量1312℃以內(nèi)的溫度，其線性度較好，而且價格便宜。Ｋ型熱電偶的輸出是毫伏級電壓信號，最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號與CPU通信。傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補償－線性化處理－Ａ/D轉(zhuǎn)換”模式，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復(fù)雜、精度低。在本系統(tǒng)中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675來完成“熱電偶電勢－溫度”的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路、I/O接線簡單、精度高、成本低。MAX6675是MAXIM公司開發(fā)的K型熱電偶轉(zhuǎn)換器，集成了濾波器、放大器等，并帶有熱電偶斷線檢測電路，自帶冷端補償，能將K型熱電偶輸出的電勢直接轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，分辨率0.25℃。溫度數(shù)據(jù)通過SPI端口輸出給單片機,其冷端補償?shù)姆秶?20XX0℃,測量范圍是0～1023.75℃。表１為MAX6675的引腳功能圖。表１MAX6675的引腳功能圖圖２為本系統(tǒng)中溫度檢測電路。圖２溫度檢測電路當P2.5為低電平且P2.４口產(chǎn)生時鐘脈沖時，MAX6675的SO腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個脈沖信號的下降沿輸出一個數(shù)據(jù)，16個脈沖信號完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位D15，最后輸出的是低電位D0，D14-D3為相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當P2.5為高電平時，MAX6675開始進行新的溫度轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用MAX6675時，應(yīng)該注意將其布置在遠離其它I/O芯片的地方，以降低電源噪聲的影響；MAX6675的T-端必須接地，而且和該芯片的電源地都是模擬地，不要和數(shù)字地混淆而影響芯片讀數(shù)的準確性。３.2時鐘電路在系統(tǒng)中需要準確顯示升溫時間、恒溫時間等，因而選用了時鐘芯片DS12887構(gòu)成定時電路來完成對時間的準確計時。DS12887具有時鐘、鬧鐘、12/24小時選擇和閏年自動補償功能；包含有10Ｂ的時鐘控制寄存器、4Ｂ的狀態(tài)寄存器和114Ｂ的通用RAM；具有可編程方波輸出功能；報警中斷、周期性中斷、時鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測試。使用時不需任何外圍電路，并具有良好的外圍接口。在本系統(tǒng)中，DS12887的地址／數(shù)據(jù)復(fù)用總線與單片機的P0口相連。通過定時器中斷，CPU每隔0.4秒讀一次DS12887的內(nèi)部時標寄存器，得到當前的時間，并送到液晶顯示器進行顯示。每當電阻爐從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一個狀態(tài)，CPU通過DS12887把時間清零，重新開始計時。此外，通過DS12887，還可以設(shè)定電阻爐的加熱時間和恒溫時間。電路如圖3中所示。圖3鍵盤、時鐘、報警和控溫電路３.３鍵盤顯示和報警電路本系統(tǒng)采用3*3鍵盤，由單片機I/O口控制，可通過按鍵設(shè)定溫度和時間，有的按鍵在不同情況下可以實現(xiàn)不同功能。顯示器選用點陣字符型液晶顯示器TC1602，系統(tǒng)中將擴展芯片8155的P0口、PC.0～PC.2口與TC1602接口相連，TC1602的顯示形式是16*2行,可顯示爐溫、設(shè)定時間、實際時間等。報警電路是將單片機的I/O口與驅(qū)動芯片MC1413相連，通過MC1413驅(qū)動蜂鳴器。鍵盤電路和時鐘電路如圖3中所示。３.4控溫電路控溫電路包括驅(qū)動芯片MC1413、過零型交流固態(tài)繼電器（Z型SSR）。報警和控溫電路如圖3中所示。Z型SSR內(nèi)部含有過零檢測電路，當加入控制信號，且負載電源電壓過零時，SSR才能導(dǎo)通；而控制信號斷開后，SSR在交流電正負半周交界點處斷開。也就是說，當Z型SSR在1秒內(nèi)為全導(dǎo)通狀態(tài)時，其被觸發(fā)頻率為100HZ；當Z型SSR在1秒內(nèi)導(dǎo)通時間為0.5秒時，其被觸發(fā)頻率為50HZ。在本系統(tǒng)中，采用PID控制算法，通過改變Z型SSR在單位時間內(nèi)的導(dǎo)通時間達到改變電阻爐的加熱功率、調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度的目的。4軟件設(shè)計在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷；爐溫測定、鍵盤輸入、時間確定和顯示、控制算法等都由子程序來完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時測溫和讀取時間。流程圖如圖4所示。圖4控制系統(tǒng)程序流程圖5結(jié)語該系統(tǒng)采用了K型熱電偶信號處理集成芯片MAX6675，改變了傳統(tǒng)測溫電路電路復(fù)雜、程序復(fù)雜、精度低等問題；采用時鐘芯片可以對時間準確計時；采用先進PID控制算法控制、精度高、超調(diào)??；整個設(shè)計電路簡單、設(shè)定功能多、操作簡單。經(jīng)反復(fù)實驗證明：其工作穩(wěn)定性強、精度高、實用性強、控制效果好、應(yīng)用前景廣。本文作者創(chuàng)新點：改變了傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補償－線性化處理－Ａ/D轉(zhuǎn)換”模式，采用的是高精度的集成芯片MAX6675來完成“熱電偶電勢－溫度”的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路，接線簡單，精度高；采用時鐘芯片便于精確計時，減小單片機的負擔；采用先進PID控制算法控制，控制效果好，超調(diào)小。參考文獻：[1]賴壽宏．微型計算機控制技術(shù)．北京：機械工業(yè)出版社，20XX．[2]何立民．MCS—51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20XX．[3]王延平．計算機高精度控溫系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J]．微計算機信息,，20XX，６-1：33-34。[4]劉洪恩．利用熱電偶轉(zhuǎn)換器的單片機溫度測控系統(tǒng)[J]．儀表技術(shù)，20XX，２：29-30。[5]孫凱，李元科．電阻爐溫度控制系統(tǒng)[J]．傳感器技術(shù)，20XX，２：50-52.。第二篇：項目設(shè)計：電阻爐溫度控制系統(tǒng)_...《計算機控制技術(shù)》過程考核材料之一項目設(shè)計：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計以在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的電阻爐為被控對象，采用MCS—51單片機實現(xiàn)電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計，介紹電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的組成，并完成系統(tǒng)總體控制方案和達林算法控制器的設(shè)計，給出系統(tǒng)硬件原理框圖和軟件設(shè)計流程圖等。1.電阻爐組成及其加熱方式電阻爐是工業(yè)爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設(shè)備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同;產(chǎn)品工藝不同，對控溫精度要求不同，因而控制系統(tǒng)的組成也不相同。電氣控制系統(tǒng)包括主機與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，因爐種的不同而各異。電阻爐的類型根據(jù)其熱量產(chǎn)生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導(dǎo)、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)熱從而達到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場分布均勻、環(huán)保等優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛。2.控制要求本系統(tǒng)中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為:（1）采用一臺主機控制8個同樣規(guī)格的電阻爐溫度;（2）電爐額定功率為20XXW;（3）恒溫正常工作溫度為1000℃，控溫精度為±1%;（4）電阻爐溫度按預(yù)定的規(guī)律變化，超調(diào)量應(yīng)盡可能小，且具有良好的穩(wěn)定性;（5）具有溫度、曲線自動顯示和打印功能，顯示精度為±1℃;（6）具有報警、參數(shù)設(shè)定、溫度曲線修改設(shè)置等功能?！队嬎銠C控制技術(shù)》過程考核材料之二課程論文《計算機控制系統(tǒng)實時性的改善措施》要求：1、寫成學(xué)術(shù)論文形式，格式參照學(xué)術(shù)期刊論文；2、字數(shù)在3500字以上；3、參閱教材和其它相關(guān)參考文獻；4、課下進行，時間二周。本次考核重點培養(yǎng)學(xué)生查閱相關(guān)專業(yè)文獻，并對相關(guān)問題進行分析和研究的能力，也考查學(xué)生的科技寫作能力。第三篇：基于PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)基于PID的爐溫控制系統(tǒng)摘要:在科學(xué)實驗中,溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。為了保證科學(xué)實驗正常安全的進行，提高實驗的精確性，介紹了用AT89S51單片機為主要元件組成的控制系統(tǒng)，并給出了部分硬件圖、控制算法和軟件流程圖。關(guān)鍵詞：PID；爐溫控制1引言電阻爐是一種利用電流通過電熱元件產(chǎn)生的熱量加熱工件的熱處理設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單操作簡便價格低廉等特點廣泛用于工業(yè)中，而溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一。在冶金、化工、機械、火工、食品等各類工業(yè)中,廣泛使用各種加熱爐、烘箱、恒溫箱等,它們均需對溫度進行精確的控制。采用單片機進行爐溫控制,具有電路設(shè)計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點,對提高生產(chǎn)效率、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義。本文以加熱爐為具體對象介紹溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)是以AT89S51為核心建立起來的一個溫度測量控制系統(tǒng)，加熱爐的被控溫度為0~500℃，精度：±0.5°C，顯示分辨率0.2°C。通過單片機顯示溫度值。顯示：000.0。本文介紹爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計。隔離、驅(qū)動雙向可控硅加熱裝置單片機A/D轉(zhuǎn)換變送器測溫傳感器試驗裝置測溫傳感器圖1溫控系統(tǒng)組成1硬件系統(tǒng)本系統(tǒng)的硬件電路包括：過零觸發(fā)電路、溫度檢測電路、雙向可控硅觸發(fā)電路。電爐一般采用電阻絲作為加熱元件，系統(tǒng)中溫度傳感器采用PT100。爐體的加熱通過加熱電熱絲的方法來實現(xiàn)。工頻220XX壓被電阻分壓后，經(jīng)過運放輸出得到幅值為10V的正弦電壓，此電壓的頻率與工頻電壓頻率相同，為50HZ。經(jīng)過芯片MC14528，正弦波整形為脈寬為2~3ms、周期為10ms的方波。方波信號觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，從而實現(xiàn)加熱絲加熱回路的導(dǎo)通，使加熱絲正常工作加熱爐體，電路如圖2。由圖2可以看到LM311電壓比較器將50HZ的正弦交流電壓變成方波，得到的電壓為10V。方波的正跳沿和負跳沿作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入信號，從單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出220XX零同步脈沖。MC14528在Q1、Q2腳輸出同步脈沖，脈沖的寬度為2~3ms，Q1、Q2輸出脈沖通過或門后，輸出的方波信號變成可以觸發(fā)雙向可控硅的窄脈沖信號。此信號進過光電隔離器MOC3061/3021，便可以觸發(fā)雙向可控硅。此信號經(jīng)單片機控制信號控制后，可以任意控制可控硅的導(dǎo)通關(guān)斷，從而控制加熱爐的開斷。圖2由于雙向可控硅在驅(qū)動高電抗性負載時，由于電壓電流相差不為零，因此需要在雙向可控硅的過零觸發(fā)電路中加入了保護電路，從圖2中可以看到R3為限流電阻，使輸入的LED電流能達到15mA，的計算公式為：R3(VccVF)IVF：為紅外發(fā)光二極管的正向電壓，可以去1.2~1.4V；I：為紅外發(fā)光二極管觸發(fā)電流；R1是觸發(fā)雙向可控硅的限流電阻，其值由交流電網(wǎng)電壓峰值及觸發(fā)器輸出端允許重復(fù)沖擊電流峰值決定，R1VpITSM。Vp為交流電路中峰值電壓，ITSM為重復(fù)浪涌電流。R5是雙向可控硅的門極電阻，當可控硅靈敏度較高時，門極阻抗也比高，使用R5能提高電路抗干擾能力。在保護電路中將一個電阻和電容串聯(lián)后并在負載兩端形成浪涌吸收電路，防止浪涌電壓損壞雙向可控硅，電阻和電容值可以選取39Ω和0.01uF。2PID算法PID控制算法是計算機控制的一個廣泛應(yīng)用的基本算法，而PID控制的數(shù)字化是屬于控制算法設(shè)計中的模擬設(shè)計法。它是由連續(xù)系統(tǒng)PID發(fā)展起來的。具有原理模型簡單，容易實現(xiàn)，魯棒性強和使用面廣等優(yōu)點。2.1位置式PID控制算法數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID公式是一個歷史性的PID參數(shù)，最明顯的表現(xiàn)在于它有整個歷史過程的積分，而增量式PID是的比例環(huán)節(jié)是2個誤差的差，積分環(huán)節(jié)變成了當前誤差值，而微分環(huán)節(jié)變成了最后2次誤差差值減去最后2,3次誤差的差值的差，也就是說增量式誤差的輸出值最多只和最近3個輸出的誤差值相關(guān)，沒有一個歷史性的相關(guān)。這個也就決定了位置式PID和增量式PID的最主要適用場合：被控機構(gòu)有無自動的積分環(huán)節(jié)，例如步進電機就是自帶積分環(huán)節(jié)，可以使用增量式PID去控制，但是純粹的液位控制、溫度控制使用位置式PID控制效果會更好。位置式PID表達式為：Tu(k)Kpe(k)TIe(j)j0kTDe(k)e(k1)T其中：u(k)為K時刻數(shù)字PID控制器的輸出，由于其輸出值對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的位置，才、因此被稱為位置式算法。e(k)為第K次采樣時刻輸入的偏差值;e(k1)為第K-1次采樣時刻輸入的偏差值。圖3給出了位置式PID控制系統(tǒng)。r（k）e（k）PID位置控u（k）制算法D/Au（t）執(zhí)行機構(gòu)被控對象y（t）-y（k）T圖32.2PID算法實現(xiàn)原理對于PID控制的實現(xiàn)，針對不同系統(tǒng)可以采用不同方式來實現(xiàn)，而本系統(tǒng)采用輸出PWM波控制雙向可控硅的方式來控制電爐。對于加溫的溫度控制可以采用調(diào)節(jié)供電電壓或在一定的時間循環(huán)周期內(nèi)的供電時間比例即PWM波來調(diào)節(jié)加溫控制溫度。調(diào)功法控制的原理是通過PWM脈沖調(diào)寬功率放大器控制雙向可控硅調(diào)節(jié)電阻絲的功率從而達到調(diào)節(jié)溫度的目的。設(shè)一個控制周期Tc中有N個完整的正弦波，則TcNf，f為電網(wǎng)的頻率，因此只要在在周期Tc中控制主回路中周波數(shù)的通斷n就可以改變功率，對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。由于系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)功率的方法來控制電爐的加溫，即改變可控硅的通斷時間比η，使信號整周波導(dǎo)通與整周波關(guān)斷?？刂齐娐钒沿撦d與電源在周期Tc內(nèi)開通t1秒，然后在斷開t2秒，從而來控t1U2nt1U，負載的功率P制加溫。為導(dǎo)通率，負載上的電壓UzUTRNt1t2c對控制周期Tc選擇，最小的周期不應(yīng)小于20XX，因為我們使用電壓220XX工頻周期為20XX。溫控系統(tǒng)的控制信號周期的選取是很關(guān)鍵的，考慮到控制系統(tǒng)的精度，采樣的周期越小是最佳的，但采樣周期小，控制器占用計算機的時間就長，對于具有較大滯后系統(tǒng)，控制周期應(yīng)該盡量選長。本系統(tǒng)采用的控制周期為10s。2.2PID控制量的處理單片機有3個16位定時器T0、T1、T2，在程序設(shè)計中可以使用中斷的方式來控制PWM還可以使用單片機中的中斷。在中斷中可以需要完成對數(shù)據(jù)的采集和處理，以及PID的計算，同時產(chǎn)生PWM波的基本周期信號，以及PWM波的控制信號。設(shè)一個控制周期為20XX，在20XX中15ms來加熱，5ms不加熱。當定時器T1中斷時，立即對系統(tǒng)的溫度采樣，并將采樣值送入算法中計算。設(shè)定T1在5ms中斷溢出后，改變中斷口的電平，并將中斷時間改為15ms，經(jīng)過15ms后進入下一次的中斷，如此往復(fù)實現(xiàn)PWM信號的輸出。用修改定時器中斷初值的方法調(diào)整時間寬度變可以實現(xiàn)脈寬改變。具體實現(xiàn)方式為，設(shè)n為定時器T1的初值，f為單片機的系統(tǒng)時鐘，當系統(tǒng)在16(2n)f=11.059MHz的頻率下可以得到PWM信號的加熱時間寬度為tonf，通過改變定時器T1初值n，既可以改變加熱t(yī)on，從而控制電阻絲件的加熱時間。當n=0時電阻絲就一直加熱，當n=65536時，電阻絲就處于不加熱狀態(tài)。軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件包括主程序和中斷處理程序。按照要實現(xiàn)的功能包括按鍵程序、顯示程序、溫度采集、PID調(diào)節(jié)等。按鍵程序設(shè)置需要加熱的目標溫度，啟動加溫后，實時采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度值在數(shù)碼管上顯示，同時將溫度數(shù)據(jù)加入PID算法中計算。PID算出的溫度控制是根據(jù)當前溫度和目標溫度誤差，通過PID算法計算出的u(k)值用于控制電爐的開斷。由于本系統(tǒng)是通過雙向可控硅觸發(fā)來開斷電爐的加熱，所以PID算出的控制量需要通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比方式，來改變雙向可控硅的觸發(fā)時間，從而控制加熱功率，調(diào)節(jié)溫度。開始讀入y(k),r(k)計算e（k）=r(k)-y(k)計算△e（k）=e(k)-e(k-1)△e（k-1）=e(k-1)-e(k-2)計算△u（k）計算u（k）=u(k-1)-△u(k)u(k-1)=u(k)e(k-2)=e(k-1)E(k-1)=e(k)結(jié)束圖5數(shù)字PID算法程序流程圖4結(jié)束語介紹了一種基于單片機的溫度控制系統(tǒng)采用數(shù)字PID控制運用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)對電阻爐溫度進行控制，消除了溫度控制系統(tǒng)的振蕩和超調(diào)現(xiàn)象，實現(xiàn)了對溫度的精確控制。此控制系統(tǒng)有溫度顯示和按鍵控制，使用戶能夠隨時對溫度進行監(jiān)控經(jīng)過實驗驗證，該溫度控制器結(jié)構(gòu)簡單體積較小測溫準確，取得了較為滿意的溫度控制效果。參考文獻[1]謝劍英.微型計算機控制技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社.第2版.1991[2]方秉玲，陸忠化，郝國法編著.微型計算機控制系統(tǒng)分析與設(shè)計.北京：科學(xué)出版社，1992[3]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,20XX.[4]魏英智，丁紅偉，張琳，徐寶玉，李海燕.數(shù)字PID控制算法在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),20XX，(17)[5]王麗華,鄭樹展.基于單片機的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].天津職業(yè)大學(xué)學(xué)報.20XX[6]張艷艷.基于PID算法和89C52單片機的溫度控制系統(tǒng)[J].工控技術(shù),20XX[7]曹曉偉.MOC3061系列關(guān)電雙向可控硅驅(qū)動器[J].國外電子元器件,1996,（12）第四篇：計算機控制課程設(shè)計(電阻爐溫度控制系統(tǒng))計算機控制課程設(shè)計報告設(shè)計題目：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計年級專業(yè)：09級測控技術(shù)與儀器姓名：武帆學(xué)號：P60914001任課教師：謝芳電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計0.前言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，特別是微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，利用單片機來改造落后的設(shè)備具有性價比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動化程度的特點。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機械、食品等領(lǐng)域。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。本設(shè)計就是利用單片機來控制高溫加熱爐的溫度，傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管（SCR）控制的高溫電加熱爐采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，達到自動控制電加熱爐溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當大的中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸，給電力系統(tǒng)造成“公害”。采用固態(tài)繼電器控溫電路，通過單片機控制固態(tài)繼電器，其波形為完整的正弦波，是一種穩(wěn)定、可靠、較先進的控制方法。為了降低成本和保證較高的控溫精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零點遷移、冷端補償功能的溫度變送器橋路，使實際測溫范圍縮小。溫度控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、控制精度低。采用單片機進行溫度控制，具有電路設(shè)計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點，對提高生產(chǎn)效率、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義隨著單片機技術(shù)的迅速興起與蓬勃發(fā)展，其穩(wěn)定、安全、高效、經(jīng)濟等優(yōu)點十分突出，所以其應(yīng)用也十分廣泛。單片機已經(jīng)無處不在、與我們生活息息相關(guān)，并且滲透到生活的方方面面。1.課程設(shè)計任務(wù)項目設(shè)計：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計以在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的電阻爐為被控對象，采用MCS—52單片機實現(xiàn)電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計，介紹電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的組成，并完成系統(tǒng)總體控制方案和達林算法控制器的設(shè)計，給出系統(tǒng)硬件原理框圖和軟件設(shè)計流程圖等。1.1電阻爐組成及其加熱方式電阻爐是工業(yè)爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設(shè)備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同;產(chǎn)品工藝不同，對控溫精度要求不同，因而控制系統(tǒng)的組成也不相同。電氣控制系統(tǒng)包括主機與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，因爐種的不同而各異。電阻爐的類型根據(jù)其熱量產(chǎn)生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導(dǎo)、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)熱從而達到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場分布均勻、環(huán)保等優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛。1.2控制要求本系統(tǒng)中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為:（1）采用一臺主機控制8個同樣規(guī)格的電阻爐溫度;（2）電爐額定功率為20XXW;（3）恒溫正常工作溫度為1000℃，控溫精度為±1%;（4）電阻爐溫度按預(yù)定的規(guī)律變化，超調(diào)量應(yīng)盡可能小，且具有良好的穩(wěn)定性;（5）具有溫度、曲線自動顯示和打印功能，顯示精度為±1℃;（6）具有報警、參數(shù)設(shè)定、溫度曲線修改設(shè)置等功能。二、系統(tǒng)總體設(shè)計根據(jù)題目要求,電熱鍋爐溫度控制系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等組成。采用比較流行的AT89S52作為電路的控制核心,使用8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD0808進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,控制電路部分采用PWM通過AC-SSR實現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制,此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度。系統(tǒng)總體框圖如下。顯示電路熱電偶電阻爐變送器數(shù)據(jù)采集單片機越限報警2.1核心處理模塊——單片機該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，同時還要對執(zhí)行單元進行控制。單片機是整個系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心。選擇單片機的理由：單片機的特點是體積較小，也就是其集成特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是普通計算機系統(tǒng)的簡化，增加一些外圍電路，就能夠組成一個完整的小系統(tǒng)，單片機具有很強的可擴展性。它具有和普通計算機類似的、強大的數(shù)據(jù)處理功能，通過使用一些科學(xué)的算法，可以獲得很強的數(shù)據(jù)處理能力。所以單片機在工業(yè)應(yīng)用中，可以極大地提高工業(yè)設(shè)備的智能化、數(shù)據(jù)處理能力和處理效率，而且單片機無需占用很大的空間。2.2溫度信號采集與傳感器本部分的主要作用是用傳感器檢測模擬環(huán)境中的溫度信號，溫度傳感器上電流將隨環(huán)境溫度值線性變化。再把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，使用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能夠進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號，本設(shè)計采用的是數(shù)字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內(nèi)部完成。2.3人機交互及串口通信人機交換的目的是為了提高系統(tǒng)的可用性和實用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機與上位機的通信，便于進行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎(chǔ)工作。AC-SSR過零檢測光耦隔離鍵盤控制2.4控制執(zhí)行單元是單片機的輸出控制執(zhí)行部分，根據(jù)單片機數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，驅(qū)動繼電器控制外部設(shè)備，可以達到超溫報警及升溫或者降溫目的，使環(huán)境溫度始終保持在一個范圍之內(nèi)。根據(jù)溫度變化慢,并且控制精度不易掌握的特點,我們設(shè)計了以AT89S52單片機為檢測控制中心的電熱鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進的PID數(shù)字控制算法,顯示采用8位LED動態(tài)顯示。三、硬件電路設(shè)計硬件電路如圖所示：硬件系統(tǒng)主要由AT89S52單片機、溫度采集、A／D轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示電路、報警等功能電路組成。3.1、核心部分單片機AT89S52單片機為主控制單元。AT89S52單片機首先根據(jù)爐溫的給定值和測量值計算出溫度偏差，然后進行PID控制并計算出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)由P1．0口輸出。最后將P1．0口輸出的控制數(shù)據(jù)送往光電耦合隔離器的輸入端，利用PWM脈沖調(diào)制技術(shù)調(diào)整占空比，達到使爐溫控制在某一設(shè)定溫度。AT89S52單片機還負責按鍵處理、溫度顯示以及與上位機進行通信等工作。4位高亮度LED用于顯示設(shè)定溫度或?qū)崪y溫度。3.2、溫度采集轉(zhuǎn)換模塊溫度采集電路主要由鉑銠-鉑熱電偶LB-3。LB-3熱電偶可以在1300℃高溫下長時間工作，滿足常規(guī)處理工藝要求。測溫時，熱電阻輸出mV熱電勢，必須經(jīng)過變送器變換成0-5V的標準信號。本系統(tǒng)選用DWB型溫度變送器，并將其直接安裝在熱電偶的接線盒內(nèi)，構(gòu)成一體化的溫度變送器，不僅可以節(jié)省補償導(dǎo)線，而且可以減少溫度信號在傳遞過程中產(chǎn)生的失真和干擾。電阻爐爐溫信號是一種變換緩慢的信號。這種信號在進行A/D轉(zhuǎn)換時，對轉(zhuǎn)換速度要求不高。因此為了減低成本以及方便選材，可以選用廉價的、常用的A/D芯片ADC0809，ADC0809是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8為數(shù)字輸出地A/D轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換時間為100us，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換所得到的實測爐溫數(shù)據(jù)直接送入AT89S52單片機中進行數(shù)據(jù)處理。此外，為了防止斷偶或者爐溫越限，產(chǎn)生熱處理質(zhì)量事故；同時為了提高溫控系統(tǒng)的智能化控制性能，降低熱處理操作人員的勞動強度，本系統(tǒng)特別設(shè)置了斷偶或爐溫越限自動報警電路。在熱處理生產(chǎn)過程中，當發(fā)生斷偶或爐溫越限等異常現(xiàn)象時，主控單元AT89S52單片機自動啟動報警電路進行聲、光報警，以便操作人員快速處理，防止爐內(nèi)工件過熱，破壞金屬組織結(jié)構(gòu)。3.3、AC—SSR交流功率調(diào)節(jié)電路由輸出來控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：其中時間常數(shù)T=350秒，放大系數(shù)K=50，滯后時間t=10秒。為了避免交流接觸器等機械觸電因頻繁通斷產(chǎn)生電弧，燒壞觸電或者干擾其他設(shè)備正常工作，本系統(tǒng)選用AC-SSR交流功率調(diào)節(jié)器作為PID控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。AT89S52單片機P1.0口輸出的溫度控制信號經(jīng)過光電耦合器件隔離，送至過零檢測電路。過零檢測電路產(chǎn)生脈沖控制AC-SSR調(diào)功電路。當實測溫度偏低時，單片機輸出的控制信號使得雙向可控硅的導(dǎo)通角減小，導(dǎo)通時間變短，加熱器功率降低爐溫適當降低。通過控制輸入到加熱器平均功率的大小達到控制電阻爐爐溫的目的?？刂茍?zhí)行部分的硬件電路如下圖3.4鍵盤模塊電路采用4×4矩陣鍵盤接單片機的P1口，然后實現(xiàn)對設(shè)定溫度的修改，將它與實際溫度進行對比，實現(xiàn)要求的功能。矩陣鍵盤如下圖3所示：3.5A/D轉(zhuǎn)換電路如圖所示：3.6變送電路3.6.1、4~20XX變送器XTR101XTR101為4~20XX線性化變送器，它可與鎳絡(luò)-鎳硅測溫傳感器構(gòu)成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測溫范圍，在-40℃~+85℃的工作溫度內(nèi)，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調(diào)電壓<20XX。XTR101外形采用標準的14腳DIP封裝。XTR101有如下兩種應(yīng)用于轉(zhuǎn)換溫度信號的典型電路：3.6.2、I/V轉(zhuǎn)換器RCV420XXCV420XX種精密電流/電壓變換器，它能將4~20XX的環(huán)路電流變?yōu)?~5V的電壓輸出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10V基準電源。對環(huán)路電流由很好的變換能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作溫度范圍，輸入失調(diào)電壓<1mA，總的變