电阻炉温度控制课程设计1

1、淮海工学院课程设计1绪论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。电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。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。电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。1.1 控制对象电阻炉在化工、

2、冶金等行业应用广泛，电阻炉中最重要的被控量就是温度。因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。1.2.设计内容及要求 电阻炉加热炉用于合金钢产品热力特性试验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻炉功率为8KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。1.3 功能及技术要求为了保证生产过程正常安全的进行，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。因此，对温度不仅要不断

3、地测量，而且还进行控制。对温度的控制要求是先进、可靠、经济、 安全，能满足热处理工艺的要求，并保证工艺的稳定和再现性，节省能源，保护环境，改善劳动环境，降低生产成本，提高机械化和自动化水平。2系统原理及整体设计在系统中，利用温度传感器测得电阻炉实际温度并转换成电流信号。该信号经过A/D转换器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，同时将温度与设定温度比较，根据设定计算出控制量，根据控制可控硅的导通角大小即改变电热炉加热丝两端的有效电压，以实现对炉温的控制。该系统该系统有按键信号输入、温度信号输入、LED显示、温度控制电路等。根据设计任务的要求，采用

4、80C51单片机系统组成的数字控制器代替常规模拟调节器。整个系统在规定的采样时刻经过A/D转换采集由温度传感器ADC0809反馈回来的温度反馈测量值，并和给定值进行比较，将经过控制运算后的控制量输出给执行元件控制电阻丝的加热过程。这样的系统属于直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）系统。直接数字控制系统中的80C51单片机取代了多个模拟调节器，在不更换硬件的情况下，只要改变程序或调用不同子程序，就可实现各种复杂的控制规律。此外，系统还应实现人机接口功能。单片机电阻炉炉温自动控制的系统结构框图如图2.1所示： 图2.1系统结构框图3系统硬件设计3.1.单片机最小系统

5、设计3.1.1单片机的选择80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘除减比较16位数据指针布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和五个中断源。80C51采用40引脚双列直插式DIP，内有128个RAM单元以及4K的ROM，80C51有两个十六位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。80C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用12MHz 晶振频率。由于80C51的系统性能满系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，因此采用作为

6、控制核心。3.1.2晶振电路 利用80C51内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡。最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器和电容构成稳定的自激振荡器。3.1.3复位电路 复位电路的作用是使单片机执行复位操作。复位操作主要是把PC初始化为0000H,使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。51单片机通常采用上电复位和按钮复位两种方式。本次课题采用按钮复位方式进行复位。如图3.1.3所示：图3.1.单片机最小系统3.2.电源电路 本系统所用到的电源是市电220V，所以不能直接给单片机供电。为此设计了电源电路。先将市电经变压器进行

7、变压，变压后再经桥式电路进行整流，整流后变成脉冲直流，滤波电路的作用是消除脉冲，由于市电的波动或者负载的变化所以得到的电压是不稳定的。所以需要在滤波电路之后需加上稳压电路进行稳压。采用了运用非常广泛的稳压芯片7805进行稳压。7805由三个引脚构成，分；。的稳压和滤波电容的滤波，便可以得到稳定性好而且精度高的5V电压。如图所示：图3.2电源电路3.3.按键电路 本系统的按键用来改变温度设定值，一共使用了三个按键。一键用于重置温度。第一次按下是进行加调整，第二次按下是进行减调整。二键用于加减调整，按一次是在原基础上加或减。三键是确定键。图3.3 按键电路图3.4.温度检测电路 3.4.1温度传感

8、器 对传感器的精度高低，性能好坏直接影响到整个自动测试系统的品质和运行状态。本系统采用集成芯片AD590，它是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。有三个引脚，分别为VCC,地和Vo.它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：Ir/T=1UA/K式中：流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V 。电源电压可在 4V6V 范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反

9、接也不会被损坏。图3.4. 温度测量电路图如图所示，用电流源代替AD590。流过电流源的温度等于273+T(UA). 电流源10k电阻连接，把电流转化为电压，取出电压后经过一个电压跟随器。接稳压管的那一路则是要使50k变阻器的输出电压为2.732v,与跟随器的输出在经过一个差动放大器，求得温度变化值所对应的电压变化值，送到A/D转换器中去。因为0度时，ad590即图中的电流源的输出电流是273.2uA,取出的电压为273.2*10k=2.732v,及后温度变化取出的电压也跟着变化，经过差动放大就可以把电压变化值取出送到A/D转换器中。图中D1为齐纳二极管，此二极管是一种直到临界反向电压前都具有

10、很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这低阻区中电流增加而电压保持恒定，所以可以被当做电压基准元件使用。3.4.2.A/D转换器 由于温度传感送出的是电压信号，而电压信号是模拟信号，不能直接送入单片机进行PID运算，所以在此之前需将模拟信号转换成数字信号。这时我们需要添加A/D转换器。 本系统采用ADC0809芯片。片内有8路模拟开关及地址锁存与译码电路，8位A/D转换和三态输出锁存缓冲器。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插封装，如图所示。下面说明各引脚功能。IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC

11、：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一+5V。GND：地。图3.5.ADC0809与单片

12、机连接图3.4.5.温度控制电路 温度测量信号转换为数字信号送入单片机，与其设定值进行比较,进行PID运算, PID调节在电阻炉控制系统技术中应用的非常多，且是广泛被推广的求采用各种PID的变种，如PI、PD控制，不完全微分控制，积分分离式PID控制，带死区的PID控制，变换积分PID控制，比例PID控制等等。在PID控制系统中，系统参数整定方便，而且在大多数工业生产过程中效果比较好，不需要求出数学模型。用数字PID完全可以代替模拟调节器，而且可以得到比较满意的效果。所以用数字模型PID是目前应用比较广泛的方法之一。 通过分析控制器和执行器的关系，选用位置式PID控制作为电阻炉控制系统的控制策

13、略。首先，计算出给定值温度与实际温度之间的差，反馈给PID控制器，PID控制器根据其大小，来控制晶闸管的导通角的大小，这样使得触发时间t改变，从而改变电阻炉的通电时间。其次，由于本系统是单向控温系统，所以在晶闸管没有导通时其导通角度是。最后，根据公式： PID控制=-来间接控制电阻炉的电压加热情况，使得电阻炉的温度得以控制。4.输出控制电路。 4.1.执行电路本系统采用晶闸管触发电路。80C51的输出端口P2.7信号，在经功率放大器放大后加到双向晶闸管上。由于热体电阻丝在冷态时电阻很小，启动电流很大，故本电路比继电器更便于对系统的软启动，比继电器价格便宜很多。当P2.7检测到有过零跳变时，即由

14、触发电路输出一个触发脉冲，使晶闸管导通，因而通过晶闸管是完整的正弦波，减少了对电网的干扰公害。一个周期的正弦波等于360度，那么半个正弦波就是180度。在这个180度里面，某个时候打开可控硅，相当于对应了一个角度打开可控硅。所以，叫导通角。这个角度的大小决定了输出电流的大小。如果从0度开始打开，那么所有的电能将全部接到负载上面去。同理，如果从90度开始导通的话，相当于只有一半的电能接到负载。相当于只有110V接到负载（电源为220V）。所以，通过调整这个导通角，可以改变负载的做功能量。 实现这个功能，必须知道什么时候是0度。所以，必须有一个交流零点检测电路。一个交流周期会有两个零点信号。采用双

15、向可控硅，则可以实现双向电流控制。 单片机实现时，首先得到交流零点信号，然后采用延时的方式（定时器中断输出或PWM输出）控制可控硅的输出。根据传感器的反馈值来修改导通角度。实现恒定的输出要求。图4.1 执行电路图4.2显示电路显示器的种类很多，从液晶显示、发光二极显示到CRT显示器，都可以与微机配接。在单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显示器简称LED显示器以及液晶显示器LCD等。LED、LCD显示器具有耗电省、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动寿命长的优点。本系统要求显示数字所以选择LED显示器。显示电路采用3位共阳LED动态显示方式，共阳极数码管的八个发光二极管的阳极连

16、接在一起。通常公共阳极接高电平，其他管脚接驱动电路的输出端。当驱动电路的输出端为低电平时，则对应的字段导通。而所谓动态显示就是首先从段选线上送出字段码，再控制位选线，字符就显示在指定的位置上。持续一段时间，再送出新的字段码。本次选用7段显示7SEG-COM-ANODE.显示内容有温度值的百位，十位及各个位。用74LS245作驱动。模块电路图如下：图4.2 显示电路图5单片机电阻炉炉温控制系统总体设计软件设计图5.1 系统总流程图系统上电后，按下按钮，开始工作。首先输入目标温度，通过温度检测电路将温度测量出，转换成数字信号送入单片机。并通过显示电路的LED显示出。测出的温度与设定值进行比较。若等

17、于设定值，则不进行任何操作，只是显示。如果小于设定值，则进行加热，一直到与设定值相同。5.2 A/D转换器程序流程图 图5.2 A/D转换器流程图A/D转换器的工作流程为（1）取样。将时间连续变化的模拟量变成时间离散的模拟量。（2）保持。（3）量化。将将采样保持后的信号转化为最小量化单位的整数倍。（4）编码。将量化后的数字量用其相对应的二进制数表示出来。5.3 显示器流程图指向缓冲区首址取显示位指针取要显示的数将数变成段码将段码送入段控制器位码送入位控制器延时是最后一位修改该缓冲区指针和位码退出图5.3 LED显示流程图 动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,

18、g,Dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。首先驱动段电路，将要显示的数字显示出来，因为是动态显示，所以需要位驱动，移位显示。当扫描速度足够快时，不会有闪烁感。4.PID控制器流程图如果PID调节器输入信号为，输送信号，则离散的递推算法如下：U(k)=Kpe(k)+Kie(k)+Kd(e(k)-e(k-1),其中e(k2)是误差累积和。数字控制计算程序输入滤波后的采样值及给定值采样偏差值E(K)计算Kc*E(K)计算Ki*E(K)2计算Kd*E(k)-E(k-1)Uk=Kc*E(k)+Ki*E(K)2+Kd*E(k)-E(k-1)+u0传递数据为下一次采样作准备子程序返回图5.4 PID控制器流程图课程设计心得经过为期两周的课程设计，最真实的感受就是充实。一是为自己完成任务而充实，更主要的是自己在此过程中不仅巩固