加热窑炉温度控制系统设计
第 页 共 29 页1加热窑炉温度控制系统加热窑炉温度控制系统设计方案：设计方案：一、一、加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图图 2 加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图二、二、串级控制系统串级控制系统加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求。串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。由加热炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如图 4 所示。主控制器副控制器调节阀炉膛出口主检测、变送仪表副检测、变送仪表炉膛壁温度控制器控制阀炉膛炉膛壁温度检测、变送仪表加热炉出口第 页 共 29 页2图 3 加热炉出口温度串级控制系统结构方框图三、控制系统三、控制系统 方案：采用方案：采用 51 单片机为主控芯片单片机为主控芯片此方案采用单片机为主控芯片。利用热电阻 PT100 作为温度传感器件，然后通过运算放大器 OP-07 构建差分放大器将温度信号转换成 ADC0809 模拟通道的输入的 0-5V 标准信号，再由 ADC0809 将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机 P0 口，单片机将实时温度和设置参数通过数码管显示出来，同时通过键盘输入设定温度，单片机将设定温度同 ADC0809 传送过来的数据进行比较运算，利用 PID 运算，作出相应的判断，从单片机 P1.0 输出一个 PWM 波形来控制固态继电器的导通与关闭，从而控制窑炉的加热丝在一个固定周期中通电加热时间的长短来达到恒温控制的目的。系统原理框图如下图 2 所示：图 2 方案原理框图六、窑炉温度控制系统硬件电路设计六、窑炉温度控制系统硬件电路设计本系统硬件电路主要由以下部分组成：供电电源电路、单片机最小系统电路、温度检测电路、数模转换电路、键盘输入电路、声光报警电路、继电器输出电路、LED 显示电路1.系统供电电源电路设计系统供电电源电路设计主控电路所需的+5V 电源；外围电路（如继电器、运算放大器）所需的+12V 和-12V 电源。如图 3 系统供电电源电路原理图所示：此电路采用“降压整流滤波稳压滤波”的线形电源模式。这里选用了78M12、79M12、78M05 三端稳压器。(原理图见图纸 2)Pt100温度信号处理 A/D 转换加热机构51 单片机PWM 控制 SSR显示和报警电路键盘电路SSR 工作指示第 页 共 29 页3由于 78M 系列三端集成稳压器内部有过热、过流保护电路，外围元件少，性能优良，体积小、价格低，所以在很多电路中广泛应用。它的工作原理与一般的分立件组成的串联调整式稳压电源相似，区别在于增加了启动电路、恒压源以及保护电路。为了使稳压器能在比较大的电压范围内正常工作，在基准电压形成和误差放大部分设置了恒流源电路，启动电路的作用就是为恒流源建立工作点。实际电路是由一个电阻网络构成，在输出不同电压稳压器中，采用不同的串并联接法，形成不同的分压比，通过误差放大之后去控制调整管的工作状态，以形成和稳定一系列的输出电压。虽然三端稳压器有很多优点，但因目前功率集成技术水平的限制，它的最大电流只能达到 1.5A。然而本次设计需要的是电压，可以不考虑电流部分。使用三端集成稳压器时一定要注意：输入电压与输出电压差不能过大，一般选择在 610V 为宜，压差过小，输出电压纹波大，起不到稳压作用，压差过大，稳压器本身消耗的功率就随之增大，容易损害稳压器。78M05 集成稳压器是将功率调整管、取样电阻以及基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在一个芯片上而形成的一种稳压集成电路。电路中两个二极管 IN4007 是：防止系统不稳定时，输出电压高于输入电压，从而导致三端集成稳压器被烧毁，起到保护作用。上述电源中所用的电源变压器功率为 10W。电路中的压敏电阻 VDR 是防雷、抑制过电压作用，保护电路免受过电压的损害。压敏电阻 VDR 在它上面的电压低于它的阀值 UN=471V 时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过 471V 时，流过它的电流激增，相当于短路，这时 FUSE 会因为电流激增而烧毁，使电路断开。2.单片机最小系统单片机最小系统单片机最小系统指的是由最基本的电路元件组成的，外接部分简单的电路就能够独第 页 共 29 页4图 4 单片机最小系统原理图立成一定的工作任务的单片机系统。51 单片机的最小系统由单片机芯片、电源、时钟电路、和复位电路组成。如图 4 单片机最小系统原理图所示，其中的晶振时钟电路用来产生时钟信号，以提供单片机片内各种数字逻辑电路工作的时间基准。按键 S6_1 能实现手动复位，电容 C6_1 能实现上电复位，复位电路用来使片内电路完成初始化的操作，具体功能是使程序计数器 PC=0000H，引导程序从 0000H 地址单元开始执行；SFR 中的 21 个特殊功能寄存器复位后的状态是确定。3.温度测量电路温度测量电路本系统利用热电阻 PT100 作为温度传感器件，然后通过运算放大器 OP-07构建差分放大将温度信号转换成 ADC0809 模拟通道的输入的 0-5V 标准信号，再将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机 P0 口。4.温度信号测量电路温度信号测量电路如图纸 3 温度信号测量处理电路所示，利用热电阻 Pt100 作为温度传感器件，然后通过运算放大器 OP-07 构建差分放大电路将温度信号转换成 ADC0809第 页 共 29 页5模拟通道的输入标准电压信号。将 Pt100 接入到电桥中，由 Pt100 的阻值来反映窑炉的温度的变化，电桥输出电压为：Uba=VccR1_4/( R1_2+R1_4)- R1_3/( R1_1+R1_3) （其中下桥臂 R1_3=100，R1_4=1K，上桥臂R1_2=1K，Vcc=5V） ，所以 Uba=5*1K/( 1K+1K)- R1_3/( R1_1+100)=2.5-5* 100/( R1_1+100)其中 AR1 作用是将电桥电位 Vb、Va 作差分比例放大作用，由差分比例运算放大电路的计算方式：Auf = Uo1/(U1_ - U1+)=- R1_8/R1_6（其中R1_8=100K，R1_6=10K，U1_ - U1+=-Uba）从而得到：Uo1=10Uba=25-50* 100/( R1_1+100)。 （电路图见图纸 3）根据 PT100 铂电阻 R/T 曲线可知电阻-温度的关系线性度非常好，电阻-温度的关系可以近似确实测量上限温度，Uo1=25-50* 100/( R1_1+100)，当Uo1=5V 时，可以计算出测量上限温度时对应的电阻为：150 欧姆，查 Pt100 的分度表，可得：测量上限温度为 131，即当 t=0时，可得 Uo1=0V；当t=131时，可得 Uo1=5V。由铂电阻电阻-温度线性关系特性和计算公式可得以下两个结论：(1)、PT100 铂电阻在 0600电阻-温度的关系线性度很好。(2)、当温度在 0131的范围，运放输出的电压分别线性对应是 05V的标准。5.热电阻热电阻pt100介绍介绍pt100 是铂热电阻，它是用很细的铂丝（直径为 0.030.07mm）绕在云母架上制成，是国际公认的高精度测温标准传感器。因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好性能可靠的特点，铂电阻在中温（-200650）范围内得到广泛应用。它的阻值会随着温度的变化而改变。PT 后的 100 即表示它在 0时阻值为 100 欧姆，在100时它的阻值约为 138.5 欧姆。第 页 共 29 页6图 7 PT100 铂电阻 R/T 曲线它的工作原理：当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。以下是 PT100 铂电阻 R/T 曲线和相应的分度表。第 页 共 29 页76.A/D转换单元转换单元经过温度信号测量处理电路后所得到的 05V 电压模拟信号要经过 AD 转换后才能送给单片机，如图 8 温度信号 AD 转换电路所示，电压模拟信号输入给 IN-0 通道，转换完成后，输送给单片机的 P0 口。 （温度信号 AD 转换电路图见图纸 4）其中 ADC0809 的 A、B、C 三个端口作为它 IN0-IN8 八个输入通道的选择信号，由于此处只用到了 IN0 通道，所以将此 A、B、C 三个端口全部接地，电路中 ADC0809 的转换结束信号引脚 EOC 接在单片机 P3.5 上，单片机启动ADC0809 的转换后，延时一段时间，然后程序采取扫描方式检测 ADC0809 是否转换结束，单片机然后去检测 P3.5 电平，当接收到一个高电平时，发出一个READ 信号，使得 ADC0809 输出锁存缓冲器开放，将数据输送到数据线上，从而完成温度数字信号的采集过程。第 页 共 29 页87. ADC0809介绍介绍(1) 主要特性主要特性1）8 路输入通道，8 位 AD 转换器，即分辨率为 8 位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100s(时钟为 640kHz 时)，130s（时钟为 500kHz 时） 4）单个5V 电源供电 5）模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085 摄氏度 7）低功耗，约 15mW。 (2) 内部结构内部结构ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 AD 转换器，内部结构如图 9 所示，它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 A/D 转换器、逐次逼近 图 9 ADC0809 内部结构图(3) 外部引脚功能特性外部引脚功能特性 ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 10 所示。下面说明各引脚功能。 第 页 共 29 页9图 10 ADC0809 引脚配置图IN0IN7：8 路模拟量输入端。 2-12-8：8 位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：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： AD 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： AD 转换结束信号，输出，当 AD 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 AD 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。(4) CLOCK引脚时钟频率引脚时钟频率 由于 ADC0809 的 CLOCK 引脚时钟脉冲输入端时钟频率要求不高于640KHZ，而单片机的 ALE（地址锁存使能端）输出的频率是单片机的振荡频率 12MHZ 的 1/6，即频率是 2MHZ，所以不能直接将单片机的 ALE 脚接在第 页 共 29 页10ADC0809 的 CLOCK 端。如下图所示，可以用两片 CD4013 构成
