本科毕业设计-电炉温度过程控制系统的研究

新疆工业高等专科学校毕业设计电炉温度过程控制系统的研究系别：电气与信息工程系专业班级：自动化08-37（1）班指导教师：庞晓虹完成日期：2011年6月10日新疆工业高等专科学校毕业设计（论文）任务书题目：电炉温度过程控制系统指导思想和目的：通过毕业设计，培养学生综合运用所学的知识和技能解决问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解；培养学生调查研究的习惯和工作能力；培养学生建立正确的设计和科学研究的思想，树立实事求是、严肃认真的科学工作态度。设计任务或主要技术指标：1)额定电压:380V±10%2)电源频率:50HZ±1HZ3)电源相数：三相4)最大控制功率：12KW5)最高输出电流：50A6)最高输出电压：不小于370V7)最高控制温度：16008)控制精度：不大于设定值的±3设计进度与要求：1）：布置设计任务，深入了解设计内容，阅读参考资料，学习有关内容。2）：调研该学校的实际情况，确定信息点数目及分布。3）：设计网络拓扑结构。4）：根据网络拓扑结构选择设备，估算工程造价。5）：根据网络拓扑结构选择设备，估算工程造价。6）：修改完善设计方案并绘制必须的图纸草图，编写设计说明书。7）：修改、打印设计说明书，画正式图纸。总结，准备毕业答辩，完成答辩。主要参考书及参考资料：［1］刘复华.8098单片机及其应用系统设计[M].清华大学出版社,1991.［2］赵文忠,程启明.微机控制技术[M].北京:机械工业出版社,1993.专业班级：学生：指导教师：年月日教研室主任（签名）：系（部）主任（签名）：年月新疆工业高等专科学校毕业设计（论文）评定意见书设计（论文）题目：电炉温度控制系统的研究专题：电炉温度控制系统设计者：姓名杨震佳专业电气自动化班级08-37（1）班设计时间：2010年3月5日—2010年6指导教师：姓名职称单位评阅人：姓名职称单位评定意见：评定成绩：指导教师（签名）：年月日评阅人（签名）：年月日答辩委员会主任（签名）：年月日毕业设计评定意见参考提纲1.学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。2.设计或论文（说明书）的优缺点，包括：学生理论水平、独立实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力、勤勉态度等。3.设计或论文（说明书）中较成功的部分。4.作毕业设计或论文（说明书）时遇到的困难和问题。摘要自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。

关键词：电炉；温度过程控制系统；设计目录1过程控制系统的简介 11.1过程控制的基本概念 11.1.1自动控制 11.1.2过程控制 11.1.3过程控制系统 11.2过程控制的发展与趋势 11.2.1基地式控制阶段（初级阶段） 11.2.2单元组合仪表自动化阶段 21.2.3计算机控制的初级阶段 21．3综合自动化阶段 21.4简单控制系统的结构组成 21.5被控变量的选择 41.5.1选择直接参数作为被控变量 41.5.2选择间接参数作为被控变量 41.6控制阀的选择 51.7控制器正、反作用方式的选择 52电炉温度过程控制系统 62.1KSY-12-16(A)电炉温度控制系统 62.1.1用途和适用范围: 62.1.2型号的组成及代表意义： 62.1.3使用环境条件: 62.1.4结构特征: 62.2工作原理简介 62.2.1系统控制原理 72.2.2控制参数与被控制参数的选择 82.2.3主要技术特性 82.2.4产品特点 92.2.5电炉加热方式的分类 102.3电炉控制系统的硬件部分 112.3.18031芯片 122.3.28255A芯片 122.3.3ADC0809转换器 132.3.4ADC0809与MCS-51系列单片机的接口方法 162.3.5温度检测元件及变送器、ADC的选择 162.3.6IC集成温度传感器 182.3.7接口芯片的扩展 182.3.8温度控制电路 182.2.9控制与显示方法分析 192.4电炉控制系统的软件部分 192.5电阻加热炉基本结构及型式 192.6设备的安装 212.7使用方法 222.8面板示意图 23总结 24谢辞 25参考文献 26电炉温度控制系统的研究PAGE11过程控制系统的简介1.1过程控制的基本概念1.1.1自动控制在没有人的直接参与下，利用控制装置操纵生产机器、设备或生产过程，使表征其工作状态的物理参数（状态变量）尽可能接近人们的期望值（即设定值）的过程，称为自动控制。1.1.2过程控制对生产过程所进行的自动控制，称为过程控制。也可采用前面的表述方法：凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。1.1.3过程控制系统随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是：分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用模拟仪表、数字仪表或微型计算机等构成的控制总体，称为过程控制系统。1.2过程控制的发展与趋势从系统结构来看，过程控制已经经历了四个阶段。1.2.1基地式控制阶段（初级阶段）20世纪50年代，生产过程自动化主要是凭生产实践经验，局限于一般的控制元件及机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表（如自力式温度控制器、就地式液位控制器等），实现生产设备就地分散的局部自动控制。1.2.2单元组合仪表自动化阶段20世纪60年代出现了单元组合仪表组成的控制系统，单元组合仪表有电动和气动两大类。所谓单元组合，就是把自动控制系统仪表按功能分成若干单元，依据实际控制系统结构的需要进行适当的组合。因此单元组合仪表使用方便、灵活。单元组合仪表已延续30多年，目前国内还广泛应用。由单元组合仪表组成的控制系统，其控制策略主要是PID控制和常用的复杂控制系统（如串级、均匀、比值、前馈、分程和选择性控制等）。1.2.3计算机控制的初级阶段20世纪70年代出现了计算机控制系统，最初是直接数字控制（DDC）实现集中控制，代替常规的控制仪表。但由于集中控制的固有缺陷，未能普及与推广就被集散控制系统（DCS）所代替。DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中化，有利于安全平稳生产。就控制策略而言，DCS仍以简单PID控制为主，再加上一些复杂的控制算法，并没有充分发挥计算机的功能和控制水平。1．3综合自动化阶段20世纪80年代以后出现二级优化控制，在DCS的基础上实现先进控制和优化控制。在硬件上采用上位机和DCS（或电动单元组合仪表）相结合，构成二级计算机优化控制。当前自动控制系统发展的一些主要特点是：生产装置实施先进控制成为发展主流；过程优化受到普遍关注；传统的DCS正在走向国际统一标准的开放式系统；综合自动化系统（DIPS）是发展方向综合自动化系统，就是包括生产计划和调度、操作优化、先进控制和基层控制等内容的递阶控制系统，亦称管理控制一体化系统（简称管控一体化系统）。这类自动化及其网络来实现的，因此也称为计算机集成过程系统（CIPS）。这里“计算机集成”指出了它的组成特性，“过程系统”指明了它的工作对象，正好与计算机集成制造系统（CIMS）相对应，有人也称为过程工业的CIMS。可以认为，综合自动化是当代工业自动化为主要潮流。它以整体优化为目标，以计算机为主要技术工具，以生产过程的管理和控制的自动化为主要内容，将各个自动化“孤岛”综合集成为一个整体的系统。1.4简单控制系统的结构组成所谓简单控制系统，通常是指一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象所构成的闭环系统，也称为单回路控制系统。单回路控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，操作维护也比较方便，因此在化工自动化中使用很普遍，这类系统占控制回路的绝大多数。简单、可靠、经济与保证效果是方案设计的基本准则。单回路控制系统是复杂控制系统的基础，学会了单回路控制系统的工程分析、设计的处理方法，认识到系统中各个环节对控制质量的影响，并了解系统设计的一般原则后，就可以联系实际，处理其他更复杂的系统设计问题。单回路过程控制系统的原理结构如图1-1所示温度控制系统是单回路过程控制系统。此图为蒸汽换热器的温度控制系统，T表示被加热物料的出口温度，是该控制系统的被控变量。蒸汽流量是操纵变量。该控制系统由蒸汽转换器、温度检测元件及温度变送器TT、温度控制器TC和蒸汽流量控制阀组成。控制的目标是通过改变进入换热器的载热体（蒸汽）的流量，将换热器出口物料的温度维持在工艺规定的数值上。通过改变蒸汽流量以控制被加热物料的出口温度是工业生产中最为常见的换热器控制方案。换热器换热器TCTT图1-1温度控制系统如图2-2所示简单控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，投资低，操作维护也比较方便，而且在一般情况下，都能满足控制质量的要求。因此，简单控制系统在工业生产过程中得到了广泛的应用，生产过程中70%以上的控制系统是简单控制系统。测量变送装置扰动通道被控对象执行器控制器测量变送装置扰动通道被控对象执行器控制器 图2-2简单控制系统方框图1.5被控变量的选择被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，被控变量选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键。对于任何一个控制系统，总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、提高产品质量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控变量选择不当，配备再好的自动化仪表，使用再复杂、先进的控制规律也是无用的，都不能达到预期的控制效果。另一方面，对于一个具体的生产过程，影响其正常操作的因素往往有很多个，但并非所有的影响因素都有加以自动控制。所以，设计人员必须深入实际，调查研究，分析工艺，从生产过程对控制系统的要求出发，找出影响生产的关键变量作为被控变量。根据被控变量与成产过程的关系，可将其分为两种类型的控制型式：直接参数控制与间接参数控制。1.5.1选择直接参数作为被控变量能直接反应生产过称中产品的产量和质量，以及安全运行的参数的称为直接参数。大多数情况下，被控变量的选择往往是显而易见的。对于温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，很明显被控变量就是温度、压力、流量、液位。1.5.2选择间接参数作为被控变量质量指标是产品质量的直接反应，因此，选择质量标准作为被控变量应是首先要进行考虑的。如果工艺上是按质量指标进行操作的，理应以产品质量作为被控变量进行控制，但是，采用质量指标作为被控变量，必然要涉及产品成分或物性参数（如密度、黏度等）的测量问题，这就是需要用到成分分析仪表和物性参数测量仪表。1.6控制阀的选择气动薄膜控制阀选用得正确与否是很重要的。选用控制阀的结构类型时，要根据操纵介质的工艺条件（如温度、压力、流量等）、介质的物理和化学性质（如黏度、腐蚀性、毒性、介质状态型式等）、控制系统的不同要求及安装地点等因素来选取。1.7控制器正、反作用方式的选择控制器正、反作用方式的选择原则是：所选控制器的作用方式，应使控制系统构成闭环负反馈。为保证构成负反馈的闭环控制系统，必须满足:控制器、执行器、被控过程三者的作用符号相乘为负。则控制器正、反作用方式的选择判别式为（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”控制系统投运，就是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态。在系统投运之前必须要进行全面细致的检查和准备工作。熟悉控制系统的投运次序和步骤，掌握控制系统故障原因的分析法，并能采取切实有效的方法排除系统或仪表故障，是仪表维护、维修人员的基本功。2电炉温度过程控制系统自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。KSY型电炉温度控制电流输出为调控型，适用于以硅碳棒(管)加热型电炉。2.1KSY-12-16(A)电炉温度控制系统2.1.1用途和适用范围:KSY-12-16(A)控制器是1300℃电炉的配套设备，它可对电炉内的温度进行测量、显示、控制，可使炉膛内的温度自动保持恒温。KSY-12-16(A)控制器主要与6-13、8-13、10-13等型号产品箱式电阻炉配套使用。2.1.2型号的组成及代表意义：KSY-12-16(A)控制器各符号的代表意义：

K—控制器

S—实验电阻炉

Y—可控硅移相控制

12—最大控制功率12KW

16—最高控制温度1600℃

A—智能温控仪表，PID控制2.1.3使用环境条件:1)环境温度:5~40℃2)相对湿度:不大于80%3)周围无导电尘埃、爆炸性气体及能严重破坏金属和绝缘的腐蚀性气体。4)没有明显的震动和颠簸5)垂直放置、倾斜度不大于5度。2.1.4结构特征:KSY-12-16(A)控制器为柜式结构,外壳由钢板冲压折制焊接成型。外壳表面采用高强度的静电喷涂工艺，漆膜光滑牢固，控制面板采用PVC软面板，造型美观。控制器的前后均设有可打开的门，方便维修。前面板装有电压表、电流表、温控仪表、电源锁式开关、启动、停止按钮开关、功率调节电位器及三相电源相序显示器。2.2工作原理简介KSY-12-16(A)控制器控制系统的主回路采用了可控硅移相集成电路。该电路的移相范围大于170度。它具有锯齿波线性好，控制调节方便，并有失交保护等优点，使用可靠性高。其工作原理为：热电偶将电炉内部的毫伏电压值进行比较，使炉膛内的温度保持恒温。作为PID调节信号输出控制主回路的执行元件，输出功率的调节是经过脉冲触发电路板的移相集成电路的移相输入端输入移相电压，控制可控硅导通角的大小，导通角越大，输出到电阻炉两端的交流就会越高，电炉的输出功率也就增大，炉温上升；反之，导通角减小，电阻炉输入功率减小；炉温偏差为零时，可控硅保持在一定的导通角，电阻炉输入一定的功率，使电炉内的加热元件加热，来控制输出电压和输出电流满足输出功率的要求，从而达到用户所需要的炉膛温度。2.2.1系统控制原理

整个控制系统是由温度、电压和电流3个PID调节器组成的三环系统,控制原理如图2-1所示。加热到所需的温度。

图2-1系统控制原理框图温度自动调节器由温度误差PID调节器、功率与速度的匹配、负载的匹配、功率与电压的换算等4部分组成。温度自动调节器如图2-2所示。图2-2温度自动调节器2.2.2控制参数与被控制参数的选择1.被控制参数的选择根据设计要求，生产工艺对温度控制系统设计的要求是被加热物料经加热器用三相调功器惊醒加热后，要求其出口温度为某一定值，故选择热物料出口温度为被控制参数。2.控制参数的选择影响加热器出口温度的因素有：材料的加入、输送的电阻炉两端的交流电压的波动等，材料的加入变化不大，故可以近似认为不变，输送到电阻炉两端的交流电压变化的波动，若输送达到电阻炉两端的交流电流的波动不大，其电流对出口温度影响不大，因此，选择输送到电阻炉两端的交流电流作为控制参数。2.2.3主要技术特性1)额定电压:380V±10%2)电源频率:50HZ±1HZ3)电源相数：三相4)最大控制功率：12KW5)最高输出电流：50A6)最高输出电压：不小于370V7)最高控制温度：16008)控制精度：不大于设定值的±39)外形尺寸（mm），（宽×深×高）：510×300×1000

10)重量：Kg2.2.4产品特点由于电炉的加热元件以硅碳棒为主，其加热元件的冷态和热态时的电阻值相差较大，在长期使用中硅碳棒的电阻值将逐渐变大。因此本控制器的输出功率可以调节以满足硅碳棒老化后电阻炉的正常使用。温度的显示为数字式显示。控制温度为自动控温。因此本控制器具有温度控制和功率调节两种功能。炉温自动控制原理温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成。被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器。执行器的特性：电炉的温度调节是通过调节剂(供电能源)的断续作用，改变电炉丝闭合时间Tb与断开时间Tk的比值α,α=Tb/Tk。调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期Tc内导通的电压周波。根据炉温对给定温度的偏差，自动接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定有给定温度范围，以满足热处理工艺的需要。温度自动控制常用调节规律有二位式、三位式、比例、比例积分和比例积分微分等几种。电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。按照偏差的比例、积分和微分产生控制作用（PID控制），是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。首先使T0计数器产生定时中断，作为本系统的采样周期。在中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波、上下限报警处理，PID计算，然后输出控制脉冲信号。脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定。在等待T1中断时，将本次采样值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序并且、继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。1)二位式调节--它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开；当炉温高于给定值时执行器全闭。（执行器一般选用接触器）2）三位式调节--它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时招待器全开；当炉温在上、下限给定值之间时执行器部分开启；当炉温超过上限给定值时执行器全闭。（如管状加热器为加热元件时，可采用三位式调节实现加热与保温功率的不同）3）比例调节（P调节）--调节器的输出信号（M）和偏差输入（e）成比例。即：M=ke式中：K比例系数比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在--对应的比例关系，因此炉温变化经比例调节达到平衡时，炉温不能加复到给定值时的偏差--称“静差”4）比例积分（PI）调节--为了“静差”，在比例调节中添加积分（I）调节积分，调节是指调节器的输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，直到偏差消除才无输出信号，故能消除“静差”比例调节和积分调节的组合称为比例积分调节.5)比例积分微分（PID）调节--比例积分调节会使调节过程增长，温度的波动幅值增大，为此再引入微分（D）调节。微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在温度有变化“苗头”时就有调节信号输出，变化速度越快、输出信号越强，故能加快调节速度，降低温度波动幅度，比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。（一般采用晶闸管调节器为执行器）。根据生产现场的运行情况，这种控温方法，精度比较高，系统性能稳定，满足生产的实际需要。主要设备:热电偶或热电阻,智能PID温控仪,可控硅触发调功器等。2.2.5电炉加热方式的分类

电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。

1.电炉的电加热原理当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：Q＝0．2412RtQ—热能，卡；I一电流，安9R一电阻，欧姆，t一时间，秒。按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。在电热技术上按l千瓦小时＝860千卡计算。电炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地用来加热指定的工件，并保持高的效率。2.硅碳棒碳棒是选用绿化优质碳化硅材料为主要原料，经轻加工制呸、高温硅化、在结晶而成的棒状的非金属高温电热元件。该元件与金属电热元件相比，具有使用温度高、抗氧化、耐腐蚀、寿命长、变形微、安装维修方便等优点。硅碳棒具有较大的比电阻，在空气中加热，发热部表面温度可以达到1450℃；从室温到800℃为负值，（1）硅碳棒在空气中被加热后，表面形成致密的氧化硅膜，变成抗氧化的保护膜，起到延长寿命的作用。近年来，开发了各种涂层以防止硅碳棒裂化，用于有各种气体的炉内。（2）给硅碳棒加的电流量越大，硅碳棒的表面温度越高。建议使用尽量小的表面负荷密度（功率）。请注意硅碳棒冷端记载的数值为空气中1000℃（3）连续使用硅碳棒时，希望缓速增加电阻以维持长寿命。（4）硅碳棒尽可能并联。如果硅碳棒阻值不同，串联时电阻高的硅碳棒负荷集中，导致某一个硅碳棒电阻快速增加，寿命变短（5）硅碳棒的温度分布特性，新出货时的检查规格为在有效发热长度内为Δ60℃以内才算合格，当然温度分布会随着其老化而变大的，最终可能达到200（6）硅碳棒随着使用温度越高寿命为越短，因此在炉膛温度超1400℃以后，氧化速度加快，寿命缩短，使用中注意尽量不要让硅碳棒表面温度过高2.3电炉控制系统的硬件部分温度调节仪是控温系统的核心部分，采用单片机控制，实现智能化，它主要由输入通道、输出通道、人机对话通道以及一些外围电路组成，具体是由8031单片机、16K电擦写程序存贮器、键盘及显示器接口电路以及并形I/O芯片8255等组成。它把传感器送来的温度信号进行放大、比较、运算后，输出控制信号，触发执行装置，实现温度的自动控制，同时还实现多种温度传感器的转换、调零、调幅的软调整等功能。为了提高系统的抗干扰能力，温度传感器信号应采用屏蔽线单独接地，此外，对主机亦采用电磁屏蔽措施，以防止其它的电磁干扰。2.3.18031芯片MCS-51系列单片机是美国Intel公司开发的8位单片机，又可以分为多个子系列。MCS-51系列单片机共有40条引脚，包括32条I/O接口引脚、4条控制引脚、2条电源引脚、2条时钟引脚。引脚说明：P0.0～P0.7：P0口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为存储器扩展时的地址/数据复用口。P1.0～P1.7：P1口8位口线，通用I/O接口无第二功能。P2.0～P2.7：P2口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为存储器扩展时传送高8位地址。P3.0～P3.7：P3口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为为单片机的控制信号。ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲输入信号线（输出信号）。PSEN：片外程序存储器开发信号引脚（输出信号）。EA/Vpp：片外程序存储器使用信号引脚/编程电源输入引脚。RST/VPD：复位/备用电源引脚。2.3.28255A芯片8255A芯片是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片,它具有3个8位的并行I/O口,具有三种工作方式,可通过程序改变其功能,因而使用灵活,通用性强,可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255有三种基本工作方式，三种工作方式由工作方式控制字决定,方式控制字由CPU通过输入/输出指令来提供.三个端口中PC口被分为两个部分,上半部分随PA口称为A组,下半部分随PB口称为B组.其中PA口可工作与方式0、1和2，而PB口只能工作在方式0和1。8255共有40个引脚,采用双列直插式封装,各引脚功能如下：D0--D7：三态双向数据线,与单片机数据总线连接,用来传送数据信息。CS：片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。RD：读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。WR：写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。Vcc：+5V电源。A0--PA7：A口输入/输出线。PB0--PB7：B口输入/输出线。PC0--PC7：C口输入/输出线。RESET：复位信号线。A1、A0：地址线，用来选择8255内部端口。GND：地线。图2-38255方框图设周期Tc内导通的周期的波数为n，每个周波的周期为T，则调功器的输出功率为P=n×T×Pn/Tc，Pn为设定周期Tc内电压全通过时装置的输出功率。2.3.3ADC0809转换器ADC0809是一种比较典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右，采用双排28引脚封装，其引脚说明如下：IN0～IN7：8路模拟量输入通；ADDA～ADDC：地址线用于选择模拟量输入通道；ALE：地址锁存允许信号；START：转换启动信号；D0～D7：数据输出线；OE：输出允许信号，低电平允许转换结果输出；CLOCK：时钟信号输入引脚，通常使用500KHz；EOC：转换结束信号，为0代表正在转换，1代表转换结束；Vcc：＋5V电压；VREF（＋）、VREF（－）：参考电压。ADC0809八位逐次逼近式A／D转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。其内部结构如图2-4所示。图2-图2-4ADC0809内部结构1.ADC0809主要性能●逐次比较型●CMOS工艺制造●单电源供电●无需零点和满刻度调整 ●具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容●易与各种微控制器接口●具有锁存控制的8路模拟开关●分辨率：8位●功耗：15mW●最大不可调误差小于±1LSB（最低有效位）●转换时间（）128us●转换精度：●ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为10～1280kHz。典型时钟频率为640kHz2.引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图2-5所示。图2-5引脚图各引脚的功能如下：IN0～IN7：8个通道的模拟量输入端。可输入0～5V待转换的模拟电压。D0～D7：8位转换结果输出端。三态输出，D7是最高位，D0是最低位。A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100～200ns。EOC：转换结束信号输出端。启动A/D转换时它自动变为低电平。OE：输出允许端。CLK：时钟输入端。ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100μs。REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为＋5V。VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用＋5V单一电源供电。当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE为低电平时，D0～D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。2.3.4ADC0809与MCS-51系列单片机的接口方法ADC0809与8051单片机的硬件接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本设计中选用中断接口方式。由于ADC0809无片内时钟，时钟信号可由单片机的ALE信号经D触发器二分频后获得。ALE引脚得脉冲频率是8051时钟频率的1/6。由于ADC0809内部设有地址锁存器，所以通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。通道基本地址为0000H～0007H。其对应关系如表2-1所示。CBA选择的通道000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7如表2-1控制信号：将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和启动转换。由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。2.3.5温度检测元件及变送器、ADC的选择温度检测元件及变送器的选择要考虑温度控制范围及精度要求。对于0~1000℃的测量范围，采用热电偶，如镍铬热电偶，分度号为EU，其输出信号为0~41.32mV，经毫伏变送器，输出0~10mA，然后再经过电流——电压变换电路转换为0~5V电压信号。为了提高测量精度，可将变送器进行零点迁移，例如温度测量范围改为400~1000℃，热电偶给出16.4~41.32mV时，使变送器输出0~10mV，这样使用8位A/D转换器，能使量化误差达到±转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。通常，8位逐次比较式ADC的转换时间为100us左右。由于本系统的控制时间允许，可选8位逐次比较式A/D转换器。ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。1.热电偶利用不同金属的热效应，产生电势差，其温度范围很宽，一般用来测量几百度的温度。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+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两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40mV／℃热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。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2.3.6IC集成温度传感器全数字化读取，必须配合单片机使用，可以连接成网络使用，三线即可读取温度，电源、地、数据。2.3.7接口芯片的扩展由于本系统既要显示、报警、键盘输入，又要进行控制，所以系统在8031系统中扩展了一片8155，它有三个8位I/O口，256字节的RAM，可以作为外部数据存储器供系统使用，8031的P2.1接8155的CE，P2.0接8155的IO/M，当P2.1＝0，P2.0＝1时，选中8155片内的三个I/O端口，其口地址如下：0100H〖〗命令状态寄存器0101H〖A〗口0102H〖B〗口0103H〖C〗口或控制口寄存器0104H，计数值低八位0105H，计数值高八位和方式寄存器。当P2.2＝0时，选中ADC0809（允许启动各通道转换与读取相应的转换结果）。转换结束信号EOC经倒相后接至单片机的外部中断INT1（P3.3），当P3.3＝0时，说明转换结束。我们选用0通道作为输入，把0809视为一个地址为03F8H的外部数据存储单元，对其写数据时，8031的WR信号使ALE和START有效，将74LS373锁存的地址低三位存入0809，并启动ADC0809，D9EOC为低电平时，A/D转换正在进行，当EOC为高电平时，表示转换结束，8031可以读如转换好的数据。（1）74LS373芯片74LS373是带有三态门的八D锁存器，当使能信号线OE为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q-8Q输出到OUT1-OUT8，当OE端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT1-OUT8处于浮空状态。G称为数据打入线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号OE为低电平，这时，当G端输入端为高电平时，锁存器输出（1Q-8Q）状态和输入端（1D-8D）状态相同；当G端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（1D-8D）的数据锁入1Q-8Q的八位锁存器中。当用74LS373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。引脚说明如下：D0～D7：锁存器8位数据输入线Q0～Q7：锁存器8位数据输出线GND：接地引脚Vcc：电源引脚，＋5V有效OE：片选信号引脚G：锁存控制信号输入引脚。2.3.8温度控制电路温度控制电路采用晶闸管调功方式。双向晶闸管串在50Hz交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期里改变晶闸管开关的接通时间的脉冲信号即可。这可以用一条I/O线，通过程序输出控制脉冲。为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路。此电路输出对应于50Hz交流电压过零时刻的脉冲，作为触发双向晶闸管的同步脉冲，使晶闸管，在交流电压过零时刻导通。电压比较器LM311将50HZ正弦交流电压变成方波。方波上升沿和下降沿分别作为单稳态触发器的触发信号，单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合，就得到对应于220V市电过零时刻的同步脉冲。此脉冲一路作为触发同步脉冲加到温控电路，一路作为计数脉冲加到单片机8031的P3.4和P3.5输入端。2.2.9控制与显示方法分析用单片机作为这一控制系统的核心，接受来自ADC0809的数据，经处理后通过串口传送，由于系统功能简单，键盘仅由两个开关和一个外部中断端组成，完成采样通道的选择，单片机通过接口芯片与LED数码显示器相连，驱动显示器显示相应通道采集到的数据。2.4电炉控制系统的软件部分系统软件采用中断方式编程，主要部分是时钟中断程序，主要由输入处理程序、控制算法程序、显示处理、输出处理和自诊断程序等组成，仪表通电启动后，初始化程序进行时间给定，每隔500ms时钟中断一次，中断后进入时钟中断处理。对于纯滞后，大惯性环节控制对象，一般采用积分分离PID控制算法。在一般的PID控制中，当系统有较大的扰动或设定值较大幅度提降时，由于偏差较大及系统存在惯性和滞后，在积分项的作用下，会产生较大的超调和长时间波动，在温度缓慢变化过程中这一现象尤为严重，为此采用积分分离措施，即在偏差较大时，取消积分作用，偏差较小时，才将积分作用投入。积分分离PID控制算法2.5电阻加热炉基本结构及型式电阻炉是随着机械工业的发展而发展起来的，由于各种加热工艺及冶炼工艺上的需要，电阻炉是一个品种很多的产品。电阻炉炉体结构，分周期式及连续式二个型式来分别介绍。周期式作业炉。如箱式电炉，台车式电炉、井式电炉等箱式电炉，外壳一般是用型钢、钢板焊接而成的，小型电炉由于需保持工作面的一定高度，一般均做成带支架的，在箱型壳体下边，有支持炉体的腿或支架。中型电炉因本身重量大及加入炉内的工件重量也大，所以一般均直接在底盘上焊接炉体及砌砖。大型电炉可以在特定的专用的地基上设计成无钢性底盘的结构，而就地焊接砌砖，但这种电炉在安装后不能吊运及移动。中小型电炉的炉门可用配重及手动装置来开闭，下部一般均有砂封槽，有些炉门上边也设有砂封槽，以保证良好的密封性，炉门关闭时，用压紧装置使炉门紧密的与门框接触，减少漏气。大型电炉可以用电动或气动、液压开闭炉门，电加热元件一般可以在炉膛内左右侧墙上及底面上布置，为了得到良好的热场，最好在护顶上也布置电加热元件，因为炉内工件一般堆放高度不会超过宽度，所以以上下两个方面加热比左右两个方面加更为有效。大型及中型电炉可以在护门上及后墙上适当的布置一些电加热元件，以减少炉内的温差，为了保证炉门口的热损失能得到更好的平衡，可以在较大的箱型电炉上靠炉门口的炉膛长度1/3处作为一个控制区。通保护气体的炉子应设有保证安全运行的必要装置及良好曲密封性。井式电炉一般均为园筒形炉膛，内径一般最小为600毫米，大小了，安装维修时不方便；炉壳用型钢作为骨架再焊上钢板，小型炉盖可用手动机构开闭，大型及中型的可用电动或液压等机构开闭，高度与直径好比在1一1.5的电炉工件一般放管在炉膛底部，高度与直径比在2以上时。工件大部用吊挂方式，吊于炉口内或炉上外部的专用吊架上，控制区的设置一般以直径的1—1．5倍为一个。在温度控制要求不高时．有时一个控制区长度达到直径的2倍。可控气氛箱形多用炉。一般在结构上是分为前室及炉膛、冷却槽，前室由型钢及钢板焊成的密封空间下边与冷知槽相连，上边为设有水冷壁的空气冷却室。中间有通过工件的轨道及上下升降的料架，由顶上的气缸来操作(可电气动或液动)下降时工件进入冷却槽，进行快速冷却或等温淬火、上升时工件在上边气氛中缓冷。炉膛在前室后边，中间有一个炉门隔开，进料出料时。炉门由上部气缸打开。炉膛由抗渗碳砌成。电加热器两种形式，一种是由高电阻合金板材制成；为了消除表面积炭形成短路，加热器面涂上专用的高温绝缘釉；另一种为辐射管式的，水平或垂直的插入炉赌中，管中用大切面园形电阻线组成金属发热器。炉内具有强通的风扇，炉子前面为一个推料装置，用以向炉内进出料，电炉附有气体发生器或直接向护内滴注有机液及碳势控制设备。电阻炉消耗电能转换来的热能．一部分由电炉构筑材料及传热的各种因素而散失到空间去了，另一部分则用于对炉内工件的加热，前面的一部分形成了电炉损失功率，后一部分形成了电炉有效功率。当电炉开始升温时，炉内砌砖体大量地吸收热量，以提高本身温度，在停炉冷下来时又把这一部分热量散失到空间去；这一部分形成炉体蓄热损失。一台先进的电炉应具有低的空炉损失及高的有效功率。较少蓄热相失。空炉损失的大小是衡量电炉效率好坏的重要指标，空炉损失小的电炉，可以得到高的技术生产率及低的单位电能消耗比。一般工业电阻炉的效率。小型电炉较低一些．大型电炉较高一些，从10—100千瓦的箱式电炉效率约为65-85%，空炉损失约占总功率的35--15％。电炉从室温升到工作温度的时间对电炉的经济指标是有明显影响的，升温时间短则炉子投入正常使用的时间就较长每天的生产率就较高，每公斤工件的电耗量就降低，所以要尽量采用热惯性小的炉衬材料并降低炉体蓄热量来加快电炉的升温速度：炉体的蓄热量对周期作业炉影响很大，尤其是每天一班或二班生产的电炉。对连续作业炉其影响就不明显。加热能力是一台电炉的主要技术指标，加热能力是指电炉的有效功率，从理论计算上在一个小时内能把指定的材料加热到额定温度的最大重量数，以公斤／小时计算。2.6设备的安装1.KSY-12-16(A)控制器不需要特殊的设置，可将控制器平放在室内平整地面上或实验台上。2.控制器应避免震动，其安放位置与电炉不宜太近，一般与电炉的距离大于50cm。这样可防止电炉表面温升影响控制器内电子元件的正常工作。3.设备的连接：1)在控制器的后门下端电气板上有接线端子排，并有接线的标记铭牌，其排列顺序为（从左至右）三相电源输入端A、B、C相，中线N，电炉的三组加热元件A、B、C保护接地线，行程开关、热电偶“－”，“＋”，共十二个接线端子。前七个接线端子的最大承受电流为50A，后五个接线端子的最大承受电流为10A。图2-6温度控制与电阻炉接线图4.设备连接时注意事项：1)电源的输入功率大于10KVA。2)三相电源输入应连接在大于60A的刀闸上。3)三相电源输入线及控制器输出与电炉的连接应用导线截面积不小于6mm²的铜芯绝缘线。4)电源中性线N用4mm²的铜芯绝缘线，行程开关连接线应用导线截面积不小于1.0mm²的铜芯绝缘线。5)设备应可靠地接地，防止设备漏电，确保使用安全。6)热电偶的接线：电炉在出厂时配有黑色温度补偿导线。补偿导线内红色导线一端接在热电偶“＋”端上，另一端接在控制器端子板热电