电加热炉温度微机控制系统设计.docx

天津工业大学毕业设计（论文）电加热炉温度微机控制系统姓 名 学 院 继续教育学院专 业电气工程及其自动化指导教师 贾文民职 称 2014年4月20日电加热炉温度微机控制系统摘 要温度是工业对象中的很重要参数的之一广泛应用在冶金、化工、机械各类 加热炉热、处理炉和反应炉等工业中电加热炉随着科学技术的发展和工业生产 水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且 在国民经济中占有举足轻重的地位对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、 时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型， 因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果关键词：加热炉；PID；单片机ABSTRACTTemperature is one of the important parameters in the industrial object. Widely used in metallurgy, chemical industry, machinery and all kinds of heating furnace, heat treatment furnace and furnace industry etc.. Electric heating furnace with the development of science and technology and industrial production level, has been widely used in metallurgy, chemical, machinery and other kinds of industrial control, and has play a decisive role in the national economy status. For such a nonlinear, large delay, large inertia, time-varying, unidirectional rising, control object, it is difficult to establish accurate mathematical model, so the traditional control theories and methods are difficult to achieve good control effect.Key words： Heating furnace; PID; MCU第一章 绪论 1第二章 系统工作原理 2第三章 硬件的设计与实现 33.1系统硬件设计 33.2单片机最小系统 33.3 A/D转换器 43.4 LED数码管 53.5键盘电路 63.6晶闸管及其控制电路 63.7炉温检测电路 7第四章 系统控制流程及软件设计 94.1总体流程图 94.2程序块流程图 9第五章 心得体会 17参考文献 18谢辞 19第一章 绪论温度是工业对象中主要的被控参数之一。

为了保证生产过程正常安全地进行，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，等等工业生产过程中，用模拟控制来控制电加热炉温已经取得了较为成熟的经验，但他 的控制精度较低，显示操作不方便，为此引入了计算机控制系统对温度进行数字算法控 制由于电炉加热的时间常数相对于采样周期来说很大，所以电炉加热控制系统的动态 特性可以看作一阶滞后环节来近似，在控制算法上可采用PID控制或其他纯滞后补偿算 法本课程设计所控制的电加热炉的加热能源是热阻丝，根据控制系统要求，设计控制 方案和主电路及各检测控制模块电路，然后针对温度控制要求计算电路元件所需参数， 应用PID控制算法，实现温箱的闭环控制进而了解温度控制系统的特点及运用计算机 设计控制程序实现计算机自动控制温度的方法第二章 系统工作原理整个加热炉的温度控制系统采用典型的反馈式闭环控制，系统结构框图如图2.1 所示图2.1 电加热炉计算机控制系统框图数字控制器的功能采用单片机AT89c51实现，执行器的作用由可控硅实现，温度有采样 与测量采用热电偶及变送器实现。

数字控制器的设计：在温度调节系统中，由于加热炉温度的时间常数很大（相对于采样周期而言），所以其闭环调节可以用一个一阶滞 后环节来近似可以采用直数字控制，也可以采用模糊控制和PID控制，本设计中采用 PID控制，其控制系统的调节原理如图2.2所示：图2.2 电加热炉计算机控制系统的调节原理可控硅触发信号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 值第三章 硬件的设计与实现3.1系统硬件设计本系统的硬件设计主要包括：单片机最小系统、模数转换器、温度变送器、控制键 盘、LED显示数码管、光电隔离可控硅触发电路硬件系统框图如图3.1所示：图3.1 电加热炉计算机控制系统硬件框<6PD.DPC-JPC.2P]_3?0JP] 4PC 4Pi iPi.fi汕PG.7RESETF2.7曰日HTAL2PAP2.4.P2.JF2.2P2_0KTAL1GNDP3.LTXDM.z-jkTdPSEKpw 岛 urnALEP3.4.T0EAP3.5.T]K &-WRVCC1415 U-A ZD转换器D0-D73.2单片机最小系统本系统采用AT89C51单片机作为该控制系统的核心，实现对温度的采集、检测和控 制。

单片机控制A/D转换器，接收由A/D转换器转换得到的二进制温度数据，并对其进 行数字滤波、标度变换并与输入的参照温度相比较，得出误差，根椐PID算法求出控制 温度达到期望值所需要的控制量通过调节高低电平输出时间，控制可控硅的接通时间， 从而改变电炉的输出功率，达到调温的作用单片机及其接口电路图如图3.2所示:・四位数码管段选位JL四位教码管位选1四位键盘接口图3.2 单片机最小系统及其外围电路接口图3.3 A/D转换器A/D转换器在该系统中的功能是将温度变送器输出的1—5V电压信号转换为单片机 能识别的二进制代码，供给单片机做进一步的处理电热炉的温度变化范围为室温到 1000°C，将控制精度确定限定在5°C范围内，则可选择8位A/D转换器，其最小精度可 以达到1000C：256=3.921°CV5C，则选择ADC0808或ADC0809均可满足设计要求，这 里选择ADC0809ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，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、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成， 其内部结构如图3.3所示ADC0809的工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将 地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器START 上升沿 将逐次逼近寄存器复位下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在 进行直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器， 这个信号可用作中断申请当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量 输出到数据总线上本设计中只需要用到ADC0809的一个通道即可，故将ADC0809的输 入通道选通地址A、B、C均接地（即只使用输入通道IN0）°ADC0809的工作时钟为500KHz， 由于单片机的ALE能自动输出单片机时钟频率的1/6（即当单片机的时钟晶振选择12MHz 时，ALE自动输出2MHz时钟信号），ADC0809的时钟信号通过对单片机ALE的输出时钟 进行四分频得到，进行四分频的器件可采用集成有两个二分频器的74LS74单片机的PA 口作ADC0809的控制口，P0 口作转换结束后转换数据的接收口ADC0809与单片机 的接口电路如图3.4所示SOL'11. HL ! I K'h： "I图3.3 ADC0809内部结构图RSv-11、一迁 NT一]N -一 EX一-ViflfA0; 一i 吉l—ALEjHSTART-—AIJIX*：日k』^A：I.K11..-&k JJOE-§riJK'h'inr [Jf'.,. 一11 lb.KLt1 ■-—12 1"一 |!iZIi 一13 |&=r 1112-\ 1 ur !>*： 6■ /河CLR1 g01 CLR2CtKl 山TOJ €LK2QI P3L2QI 皿GND Q2'74LS?4vet1£T]3…7?s-1F3DDINIINDADD AADD巳JLDD CEOCALEQE+ -4CLOCKNFvccJ'MF*)GNDv««-)2UADCOSW21 O~ 旬L>5 TF皿 ~ &4 v" m ~3 g图3.4 ADC0809与单片机接口电路3.4 LED数码管数码管主要用以显示设定温度值与实际测量温度值。

数码管根据其连接方式可以分 为共阴数码管与共阳数码管，根据其显示的段数可以分为七段数码管和八段数码管，其 中八段数码管相比七段数码管要多一个小数位由于本设计所需用到的最大温度值为 1000，故需选用4位数码，在这里选用4位共阴8段数码管作为本设计的LED显示四 位共阴数码管的引脚图如图3.5所示，数码管与单片机的接口电路如图3.6所示图3.5四位共阴数码管引脚图TP4图3.6数码管与单片机接口电路3.5键盘电路GND键盘主要用来完成对系统参数的设置和启动及停止计算机自动控制系统本系统主 要采用四位独立键盘完成上述控制功能键盘电路如图3.7所示，其中，S1、S2对预温 度进行设置，S2为数码管移位选择按扭，被选中的数位小数点被点亮，此时再按S1， 可以使被选中位从0—9依次循环，循环到所需要值的时候，再按S2移到下一位，依次 设置完4位数码管组成的预设温度值S3、S4分别为启动和停止计算机自动控制系统， 当S3有按下信号时，单片机开始对系统进行自动调节控制，当S4有输入信号时，退出 自动控制对应数码加1敬码位向右移位启动自动控制系统停止自动控制系统图3.7键盘电路3.6晶闸管及其控制电路晶闸管属于半控器件，当在基极输入电流触发信号满足其导通电流强度时，晶闸管 即导通，且导通后触发信号将失去作用。

要使晶闸管关断，第一可以不断减小电源电压 或是加大回路电阻，使阳极电流Ia低于维持电流IH之下，晶闸管即可恢复关断；第二 可以给晶闸管施加反电压，使晶闸管自行关断本系统中晶闸管的关断方式采用第二 种，。