电加热炉温度控制系统讲解.doc
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设计说明书完成日期2013年7月12日专业班级自动化12本设计题目电加热炉温度控制系统指导教师目录前言…………………………………………………………………………………………………1 第一章 设计方案概述……………………………………………………………………………..21.1设计内容 21.2设计方案 2第二章 硬件部分设计……………………………………………………………………………..22.1 温度检测电路…………………………………………………………………………………..22.2单片机连接电路 32.3 LCD显示部分 42.4 按键与报警电路………………………………………………………………………………..52.5 加热控制电路部分……………………………………………………………………………..5 第三章 软件部分设计……………………………………………………………………………..63.1 周期采样程序…………………………………………………………………………………..63.2数字滤波程序 63.3 PID 程序 73.4总程序 9心得与体会………………………………………………………………………………………...10参考文献…………………………………………………………………………………………...11-LX. —1—前言温度是工业对象中一种重要的参数，特别在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热 炉、热处理炉和反应炉等。
由于炉子的种类不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、 天然气、油和电等但是就其控制系统本身的动态特性来说，基本上属于一阶纯滞后环节，因而在 控制算法上亦基本相同本次设计是电加热炉温度自动控制系统该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择 与设定；实现工业过程中PID控制它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换， 送入计算机中，与设定值比较出偏差对偏差按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制固态 续电器、调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制利用单片机实现温度智能控制，能自动完 成数据采集、处理、转换、并进行PID控制在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调 节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能 太长，否则会使干扰无法及时消除，使调节品质下降第一章 设计方案概述1.1 设计内容某工业电炉在对产品进行加工的过程中，炉温从室温上升到1000应为30min,然后温度保持 到1000°C，其时间为1小时最后断电，使电炉自然冷却电炉的加热源是热阻丝，利用大功率可 控硅控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。
炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压 可在0〜140V内变化温度传感器是通过一只热敏电阻及其放大电路组成，温度越高其输出电压越 小外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间，如果炉温低于设定值则可控硅导通， 系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值设计要求为：一个以单片机为核心，包括主要过程输入输出通道及主要接口，外配LED显示、 键盘操作以及包括传感变送器及执行器的小型计算机控制系统1.2 设计方案该控制系统使用单片机作为微处理器，连接温度传感器、 A/D 转换、温度控制电路，并附加显 示部分及键盘部分它可以实时地显示温度，实现对温度的自动控制并设有报警电路还可以通过 键盘对PID参数进行设置该控制系统使用热电偶测出电阻炉实际温度并转换成电压信号此电压信号经过温度检测电路 转换成与炉温相对应的数字信号送入单片机，而单片机经过数据处理后，控制显示部分显示温度 此外，将温度与设定值比较，根据设定计算出控制量，通过控制电阻丝两端交流电压的通断时间比 例来实现电阻丝发热量的控制第二章 硬件部分设计2.1 温度检测电路该部分采用热电偶传感器，该传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽（通常从-50C〜 1600C ）及反应快速的优点。
热电偶传感器采用MAX6675，其引脚功能图如下：表 1 MAX6675 引脚功能图引脚号名称功能1GND接地端2T-热电偶负极（使用时接地）3T+热电偶正极4VCC电源端5SCK串行时钟输入端6CS片选信号7S0数据串行输入端8NC悬空不用MAX6675的数据输出分为3位串行接口，因此只需要占用微处理器的3个I/O 口图3为温度 检测电路图，图中串行外界时钟由微处理器的P2.6提供，片选信号由P2.5提供，转换数据由P2.7 读取热电偶的模拟信号由T+和T-端输入，其中T-需接地MAX6675的转换结构将在SCK的控制下连续输出P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6m/FTP3.7/RDP14缓冲后，得到热电势Ul = （41|TV/V26272810141213151617R3R2■10k■10k-=：teIr >=：T-B■10k • •>=：TEXT>CS8255jNET二--U6 检测电路 _噪声电压放大U1,在经过S4送至ADC’电压可由如下公式来近似计算：''5如下：热电偶产生的热』k势，F过低温度热电偶工作原理图1苓号（T - T 0）器A1和电压跟随器A2放大、2.2单片机连接电路本设计选用了 ATMEL公司的AT89C52单片机，该型号单片机片内含8k bytes的可反复擦写的 Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、 非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单 元，内部集成了微处理器、储存器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、串行接口等基本部件。
完 全能满足控制要求此外，考虑到该设计中需使用显示输出、 A/D 转换、键盘输入、报警电路、信号输出等外部扩 展功能，固选用经典的8255作为并行输出接口，方便外部数据寻址最小实现系统示意如下>XTAL1PO.D/ADOP0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3PO.4/AE4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/^P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0/T2P3.0/RXDP1.1H2EKP3.1/D 具有多种功能: 光标显示、画面移位、睡眠模式AMPIRE 128X64型LED驱动电路如下所示2.4按键与报警电路按键控制电路如下图所示，分别接在单片机P1.0〜P1.3 口当触发式按键闭合时,单片机P1.0〜 P1.3的管脚由“1”变为“0”当触发式按键断开时，单片机P1.0〜P1.3为高电平“1”报警电路采用黄、红、绿三种颜色的发光二极管进行显示，黄灯亮表示温度偏低，绿灯亮表示 温度正常，红灯亮表示温度过高电路如图4所示图 4 按键、报警电路2.5 加热控制电路部分M0C3021可以即时触发，只要输入引脚1输入15mA的电流，输出端6引脚、4引脚之间就会导 通，内部双向晶闸管导通，触发外部晶闸管导通，当M0C3021输入引脚输入电流为0时，内部双向 晶闸管关断，从而外部晶闸管也关断，从而外部晶闸管也关断，通过单片机来控制导通和关断的时 刻，从而实现智能调压热阻丝两端用 220V 交流进行加热，因此要控制热阻丝功率，可以通过调功实现，即控制交流 电的通断时间比例来实现把交流电经全波整流后通过三极管变成过零脉冲，在反相后加到单片机 的中断控制端作为同步基准脉冲使用定时器T0计时移相时间Ta,然后发出触发脉冲，改变可控硅 的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，实现炉温控制。 电路如图5所示第三章 软件部分设计在该温度控制程序中，温度信号要经过周期采样、数字滤波、PID运算、输出等过程，其过程 如图 6 所示图 6 信号流程图3.1 周期采样程序在计算机内部，执行算法时，需要将外部信号进行离散化处理，因此需要对外部模拟信号进行 周期采样从理论上讲，采样频率越高，失真越小，但从控制器本身而言，大都依靠偏差信号E(k) 进行调节器计算当采样周期T太小时，偏差信号E(k)，也会过小，此时计算机将会失去调节作用， 而采样周期T过长又会引起误差因此采样周期必须综合考虑，一般而言采样周期根据外部信号变 化快慢而定，如在该温度控制系统中，水箱温度变化比较缓慢，因此采样时间T应该适当大一些 其程流程图如图7.图 7 周期采样程流程图3.2 数字滤波程序在工业过程控制系统中，由于被控对象所处的环境比较恶劣，常存在干扰源，如环境温度、电 场和磁场等，使得采样值可能偏离真实值对于各种随机出现的干扰信号，在计算机控制系统中， 应该对采样的数据进行判断，以及平滑加工，以提高信号的可信度，减小乃至消除各种干扰及噪声， 以保证系统的可靠性数字滤波有如下优点:1. 无须增加任何硬件设备，只要在程序进入数据处理和控制算法之前，附加一段数字滤波程序 即可。 2. 由于数字滤波器不需增加硬件设备，所以系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题3. 对于模拟滤波器，通常是各通道专用的，而对于数字滤波器来说，则可多通道共享，从而降 低了成本4•可以对频率很低(如0.01Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的限制，频率 不可能太低5. 使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法或改变滤波器的参数 在该系统中，我选用限幅滤波限幅滤波的基本思路是：求出本次采样值与前一次采样值之差， 该差值与最大允许差值AY比较，若小于或等于AY，则取本次采样值，若大于AY，则取上一次采 样值，即：Y(k) - Y(k -1)|
