毕业设计论文综述

专业毕业实习报告

——文献综述

题目：基于单片机的工业电阻炉智能温度

控制系统设计

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一、研究背景及意义

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、保护环境的要求，作为工业自动化重要分支的过程控制系统的任务也越来越繁重。

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。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，过程控制是朝着综合化、智能化方向发展的，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。

过程控制的研究内容：

（1）设计控制系统的控制目标（即设计指标参数）；

（2）认识生产过程的动态特性（一般为广义对象的动态性）；

（3）设计控制器的控制规律及控制结构，使控制系统达到控制系统的控制指标要求。

电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，随炉种的不同而不同。电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等。

温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制；在农业生产、粮食储备、计算机机房等都需要对温度进行测量和控制。因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

二、设计方案

在温控系统中采用的测温元件和测量方法不相同，产品的工艺不同，控制温度的

精度也不相同，因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。通常由时间比例式温度调节仪控制的工业加热炉温度控制系统，其主回路由接触器控制时因为不能快速反应，所以控温精度都比较低，大多在几度甚至十几度以上。随着电力电子技术及元器件的发展，出现了以下几种解决的方案：

（1）主回路用无触点的可控硅和固态继电器代替接触器，配以PID或模糊逻辑控制的调节仪构成的温度控制系统，其控温精度大大提高，常在±2℃以内，优势是采用模糊控制与PID 控制相结合，对控制范围宽、响应快且连续可调系统有巨大的优越性。

（2）采用单片机温度控制系统。用单线数字温度传感器采集温度数据，打破了传统的热电阻、热电偶再通过A/D转换采集温度的思路。用单片机对数字进行处理和控制,通过RS - 232 串口传到PC机对温度进行监视与报警,设置温度的上限和下限。其优势是结构简单，编程不需要用专用的编程器,只需点击电脑鼠标就可以把编好的程序写到单片机中,很方便且调试、修改和升级很容易。

（3）ARM(Advanced RISC Machine)嵌入式系统模糊温度控制。利用ARM 处理器的强大功能，通过读取温度传感器数据，并与设定值进行比较，然后对温度进行控制。其优势不只是温度控制精度高，而且能够通过现场跟远程两种方式来设定控制温度。结合加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉等以温度控制为主的工业控制系统对产品工艺、温度的精度要求，再考虑不同的加热系统温控方法，考虑各种热炉温控方法的优缺点，选择最佳的方案，用单片机对电阻炉度进行控制，不仅精度高，反映速度快，对环境要求不高，价格便宜并且易于实现等优点，能够大规模的运用和生产，能很好的完成对温度的监测和控制。最终确定电阻炉的温控方式选用“点位”控制及常规的PID控制器来执行。

三、系统构成

基于单片机的电阻炉温度控制系统的总体设计，本系统由单片机、温度信号采集与A/D转换、人机交互、控制执行单元、电源系统单元、通信单元六部分组成。功能模块具体实现的器件的不同，将直接影响整个系统的性能及成本，为了达到高效、实用的目的，系统原理图如图3.1所示：

控制器变送器对象

执行器SP e

图3.1 系统原理图

其中，变送器的测温元件用热电偶，用来检测炉温，将炉中的温度转变成毫伏信号输出，经温度变送器放大并转换成电流信号。由于A/D 转换器接受的是电压量，所以变送器的输入端接入电阻网络，把得到的电流信号转换成电压信号。通过采样和A/D 转换，所检测到的电压信号和炉温给定值的电压信号都转换成数字量送入单片机中进行比较，其差值为实际炉温与给定炉温的差值。单片机系统构成的数字控制器对偏差按PID 调节规律运算，运算结果送D/A 转换器转换成模拟电压，经功率放大器放大后送至晶闸管调压器，触发晶闸管并改变其导通角的大小，从而控制电阻炉的加温电压，起到调节炉温的作用。其原理图如图3.2所示：

键盘

电阻炉

液晶显示

传感器单片机报警电路时钟电路

温度检测电路温度控制

图3.2 系统设计原理图

单片机：该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。

温度信号采集与传感器：本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号，使用A/D 转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，以上过程都在温度传感器内部完成。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，热电偶的一个重要特点是非线性。也就是说，热电偶的输出电压与温度是非线性的。

人机交互及串口通信：人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出。串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。

电源系统单元：本单元的主要功能是为单片机提供适当的工作电源，同时也为其他模块提供电源。如液晶显示屏、按键等。在本设计当中，电源系统输出+5 V 的电源。

执行单元：是单片机的输出控制执行部分，根据单片机数据处理的结果，驱动继电器控制外部设备，可以达到超温报警及升温或者降温目的，使环境温度始终保持在一个范围之内。

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。而单片机系统是为实现某一个控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点。

温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利进行，产品的质量能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。温度控制系统属于一阶滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行温度控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统。所以单片机在工业应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。随着检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种

类也越来越多。在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。

总结

设计叙述了基于单片机的电阻炉温度的控制与设计，包括硬件组成和软件的设计，介绍了一种基于AT89C51单片机的温度采集控制系统设计。该系统在硬件设计上主要是通过热电偶对温度进行采集，把温度转换成变化的电压，然后由放大器将信号放大，通过A/D转换器，将模拟温度电压信号转化为对应的数字温度信号电压，用LED对当前温度信号值进行显示，并且根据数据处理的结果，使用单片机控制继电器，实现对电机的控制，最终达到温度调节的目的。其硬件设计中最为核心的器件是单片机AT89C51，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字温度电压值经计算机处理得到相应的温度值，送到LED显示器，以数字形式显示测量的温度。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机AT89C51实现其控制功能。整个系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活，功能强大，性能价格比高，较好的满足了现代生产和科研的需要。

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