电阻炉炉温控制系统的研制毕业论文
摘要
电阻炉作为工业炉窑中的一种常用的加热设备被广泛的应用于工业生产中。对电阻炉温度控制精确与否将直接影像到产品的质量和生产效率。电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门，加热材料，环境温度以及电网电压等都影像控制过程，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热要求。本文将PID控制算法引入到传统的电阻炉控制系统中，借此提高其控制效果。设计一个控制精度高，运行稳定的电阻炉温度控制系统是很有必要的。
本设计是以电阻炉温度为被控对象，单片机为核心的一种控制系统。其中以K型热电偶作为温度传感器。AT89c51单片机为控制核心，PID运算规律作为控制算法。文化中详细介绍了该控制系统的硬件电路设计。软件电路设计及PID控制算法。
在对电阻炉温度控制系统的研究之后，本设计主要完成温度控制系统的总体方案设计，硬件原理图的绘制，信号调理电路的设计，固态继电器的应用及温度控制电路的设计同时也完成了系统程序设计，并通过软件完成了对温度的控制功能。
关键词：电阻炉温度控制PID算法单片机
The Design of Temperature Control System of Resistance
Furnace
Abstract
Resistance furnace was widely used in industrial production,the effect of the temperature control of Resistance furnace has a direct impact on product quality and productivity. Therefore, the design of high-precision control and stable operation of the resistance furnace temperature control system has a high application value.
In this design, the resistance furnace as a controlled object,singlechip as the design of a control unit. Which type of thermocouple temperature sensor as K,AT89c51 microcontroller as control core and PID control algorithm for operation rule, This paper introduces the control system of the hardware circuit, software design and the PID control algorithm.
On the resistance furnace temperature control system, the design of the main completed the overall scheme of the temperature control system design, hardware circuit principle diagram, the signal of the temperature contral circuit design of the system ,meanwhile finish the program design, through the software control to complete the function of temperature control.
Key words：The resistance furnace Temperature control PID control Single-chip microcomp
目录
第一章绪论 (1)
1.1课题研究的背景意义 (1)
1.2课题国内外研究现状及趋势 (2)
1.3本文的主要内容 (3)
第二章总体设计及其方案论证 (5)
2.1设计工艺流及其要求 (5)
2.2 不同方案比较 (5)
2.3 研究内容 (6)
2.3.1 设计原理 (6)
2.3.2 方框图 (6)
2.3.3 系统组成 (7)
2.3.4 控制算法 (7)
第三章硬件设计 (9)
3.1 系统设计原理 (9)
3.2 单片机的选择 (10)
3.2.1 单片机AT89c51的介绍 (10)
3.2.1.1 AT89C51单片机的功能特性 (11)
3.2.1.2 AT89C51单片机的基本组成 (11)
3.2.1.3 AT89C51单片机引脚及其功能 (12)
3.2.1.4 单片机的复位电路 (14)
3.2.1.5 单片机的时钟电路 (14)
3.3 前向通道设计 (15)
3.3.1 温度检测电路设计 (15)
3.3.1.1 K型热电偶的介绍 (15)
3.4 后向通道设计 (22)
3.4.1 温度控制电路 (22)
3.4.2 继电器的工作原理和特性 (23)
3.4.3 继电器主要产品技术参数 (24)
3.4.4 继电器测试 (24)
3.4.5 继电器的电符号和触点形式 (25)
3.4.6 继电器的选用 (25)
3.5 外围接口电路设计 (26)
3.5.1 显示电路设计 (26)
3.5.2 键盘电路设计 (27)
3.5.3 报警电路设计 (29)
3.5.4 通信电路设计 (29)
3.6 电源设计 (31)
3.7 抗干扰设计 (32)
3.7.1 抗干扰渠道 (32)
3.7.2 抗干扰措施 (32)
第四章系统软件设计 (34)
4.1设计思路 (34)
4.2程序设计 (40)
4.1.1 程序设计 (40)
4.1.2 显示字程序设 (46)
4.1.3 按键字程序 (51)
4.1.4 PID算法子程序 (56)
总结 (60)
致谢 (61)
参考文献 (62)
第一章绪论
电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备,广泛应用于冶金、化工、电力工程、造纸、机械制造、建材和食品加工等诸多生产过程中，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。在生产过程中要对各类加热炉、热处理、反应炉和锅炉的温度进行检测和控制，所以温度是工业控制的对象中比较重要的参数之一。电阻炉是工业炉的其中之一，是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加温或熔化工件或者物料的加工设备。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。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。本设计要求采用单片机设计一个电阻炉温度控制系统。
1.1课题研究的背景意义
近几年来，我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金，化工，机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉，热处理炉，反应炉等。由于炉子的种类及原理不同，因所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气，天然气，油电等。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金，机械，食品，化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉，热处理炉，反应炉等；燃料有煤气，天然气，油，电等；控制方案有直接数字控制（DDC）,推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制（Exper Control），鲁棒控制（Robust Control），推理控制等。
随着工业技术的不断发展，传统的控制方式已不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身的误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简单，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。
单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。单片机以其功能强，体积小，可靠性高，造价低和开
发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可代替的核心作用。像用于热处理的加热炉，用于融化金属的坩埚电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高，而本文则以单片机为核心，PID算法为控制方式而设计的电阻炉温度控制系统。
1.2课题国内外研究现状及趋势
当前，随着电气信息技术在加热炉系统中的应用，发达国家如美国，德国，日本，澳大利亚等成功开发了一些列用途广泛，功能极强的温度控制器，随着电力资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发具有自主知识产权的炉温控制系统不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。国外在炉温自动控制技术和设备的研究上发展迅速，美国微型电子计算机的普及和单片机的应用使自动化系统发生了根本的变化，因而达到了较高的自动化程度。现在已有许多由单片机控制的仪器设备，使电阻丝加热和温度控制完全自动连续的进行。德国是世界上炉温控制技术最先进的国家之一，加热炉系统实现了高度的自动化，都由单片机或PLC控制。
在我国，节约电力资源的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国的4倍左右。由于我国人口基数大，所以人均占有资源相对很少。在我国一方面电力供应紧张，而另一方面，电的浪费十分严重。特别是用于传统工业电热炉加热方面对电力资源的利用极为不合理。在对目前几种传统电加热方式做比较后我们发现，它们各有优缺点：
1,电磁继电器控制，即操作人员用过电磁继电器来控制加热炉电源开关的闭合来控制加热炉的加热过程它要求操作人员对加热炉和工作状态实行实时检测。这种方式开关速度慢，温度变化惯性大，控制效果不理想。不仅效率低浪费大量的人力资源和电力资源，而且不能实现对温度的精确控制。这种方式的优点是系统可靠性高。
2,常规智能控制系统，目前应用比较广泛的是在以单片机或PLC为核心的控制系统中采用常规算法（如PID算法）来实现对炉温的智能控制。这种系统自动化程度较高。然而由于加热炉具有大惯性纯滞后等非线性以及时变的特点，炉门的开关及电网等都影响控制过程。而基于精确数学模型的常规控制难以满足加热工艺曲线的要求。
纵观国际和国内炉温自动控制技术的发展状况，国外在炉温自动控制技术方面的研究比较深入，凭借雄厚的科技实力，先进的生产工艺，严格的质量控制和
对产品质量的刻意追求和先进的技术，因地制宜的解决方案，丰富的工业知识，其产品遍布世界十多个国家和地区。国外一些温控系统设备结构复杂，控制的量比较多，成本较高，安装，维护过程都很复杂很不适合阿紫我国乡镇企业使用。而我国国内制造的加热设备，成本相对低廉，所控制的量比较少，能实现基本量的控制，但是由于绝大多采用的是普通的继电器控制系统，调试，维护困难，灵敏度不够高，不能实现定时的精确控制，而且产品产品先天性不足，使用寿命短，其产品市场占有率很低。本文采用的基于单片机的自动化控制加热系统是将自动控制与电加热系统有机的结合起来，使加热系统在无人干预的情况下通过控制器按规定的程序或指令实现对电加热的自动控制。以单片机为核心的小型自控系统具有造价低廉，可靠性高适用于各种环境下运行等优点，并且在系统硬件组成不变的情况下通过更改软件设置来适应多种运行方式的需要，是传统继电器控制的理想替代品。尤其是在中小规模工业生产中实现无人值守或半无人值守具有广阔的应用前景和使用价值。
总的来说，在智能温度测量与控制电器中，单片机起了智能控制部件作用。它的存在，提高了电气的品质，增加了智能温度测量与控制电器的功能；并在智能温度测量与控制电器中执行模拟人类智能的进程。随着智能控制理论和人工智能研究的深入，各种更加逼真地模拟人类智能的智能温度测量与控制电器会更多的出现，而单片机和智能理论的结合，将来不但更多的改进现行智能温度测量与控制电器，而且将会产生全新的智能温度测量与控制电器。
1.3本文的主要内容
本研究内容以电阻炉为研究对象，针对电阻炉的温度控制系统进行设计。论文将阐述电阻炉温度控制的几种不同算法及区别，从而得出一种最优算法。
设计并开发以单片机为控制核心，外置数据采集电路、功率控制电路、键盘与显示电路和报警电路等电路的硬件设计。从而实现数据采集、处理、存储、显示，系统的故障自诊断，超限报警等功能。本设计完成后实现一种硬件电路简单、控制算法先进、系统优良的新型温度控制系统。使系统具有较高的控制精度以及较高的灵活性和可靠性。
①设计要求：
可根据独立键盘按键设定目标温度，实现温度的调试，能够通过LCD显示器显示控温时的实际炉温和恒温时间等信息。
②设计内容：应用计算机的实时监控和温度测量技术，采用单片机、温度检测电路、温度控制电路等，实现电阻炉炉温的实时监控。采用单片机及相应的组成部件完成电阻炉温度控制系统设计，本设计包括硬件电路设计和软件程序设计。
硬件电路包括AT89C51单片机介绍，温度检测电路，LCD显示电路，键盘输入电路，时钟电路，辅助电路。软件设计包括键盘按键电路软件设计及LCD显示电路的软件设计。
第二章总体设计及其方案论证
2.1设计工艺流及其要求
本设计是单片机定时对电阻炉温度进行检测，经过放大和A/D转换得到相应的数字量，再送到单片机进行判断和运算，得到相应的控制量来控制执行部件，从而实现对温度的控制，同时又具有键盘输入和显示温度等功能。
主要技术指标：
（1）电阻炉炉温控制范围：400℃～1000℃
（2）系统的控温精度为±2℃
（3）越上下限报警处理
2.2不同方案比较
现有三种可行方案对电阻炉进行炉温控制：
方案一：
采用8031单片机，16K电擦写程序存储器、键盘及显示器接口电路以及并行I/O芯片8255等组成。系统把传感器送来的温度信号进行放大、比较、运算等后再输出控制信号，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。8031内部包括1个8位CPU、128B RAM,21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器、计数器，但片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。
方案二：
采用PLC作为控制电路的核心，其他部分采用和方案二同样的设计。这种方案不仅具有和方案二同样的控制精度，而且整个电路的稳定性比方案二更高，但是PLC的价格远远高于单片机，其不适合大批量的生产，所以考虑价格因素，此种方案不宜选择。
方案三：
采用AT89C51单片机,它是一个低功耗、高性能的含有4KB闪存储器的8位CMOS单片机，时钟频率高达20MHz,与MCS-51的指令系统和引脚完全兼容。系统是由AT89C51单片机，温度检测放大电路、A/D转换环节、键盘及显示电路、固态继电器控温电路等组成的控制器和被控对象——电阻炉构成的一个闭环控制系统。系统的工作过程：温度检测及变换电路把温度转换成电压信号，经 A/D转
换器转换为数字信号送到单片机中，并与给定值(对应着所要控制的温度值)进行比较，其偏差被 PID程序计算出输出控制量，PWM调制出相应的波形从而改变电阻炉单位时间内电压导通的百分比——即改变电阻炉的平均输入功率，以此来达到控温目的
综合以上分析，我采用方案三。系统控制核心采用单片机AT89c51、此外还包括温度检测电路、键盘、显示电路、温度控制电路等部分组成。
2.3 研究内容
2.3.1设计原理
系统的控制核心由单片机AT89C51来实现；温度信号的采集采用K型热电偶传感器，数据转换部分采用MAX6675，MAX6675是K型热电偶串行模数转换器，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串行口数字化输出功能，大大简化了热电偶测量智能装置的软/硬件设计。转换后的数字量与炉温的给定值数字化后进行比较，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差；炉温的设定值由键盘输入。由单片机构成的数字控制器按最小拍进行计算，计算出所需要的控制量。控制器的输出经标度变换后送给由P1.5通过T0送至固态继电器，从而改变电阻炉单位时间内电压导通的百分比,从而控制电阻炉加热功率，起到调温的作用。此外，该智能控制器还包括与上位机的通讯接口，数据显示电路等。
2.3.2 方框图
系统整体结构框图如下：