温度控制系统

目录

第一章设计背景及设计意义 (2)

第二章系统方案设计 (3)

第三章硬件 (5)

3.1 温度检测和变送器 (5)

3.2 温度控制电路 (6)

3.3 A/D转换电路 (7)

3.4 报警电路 (8)

3.5 看门狗电路 (8)

3.6 显示电路 (10)

3.7 电源电路 (12)

第四章软件设计 (14)

4.1软件实现方法 (14)

4.2总体程序流程图 (15)

4.3程序清单 (19)

第五章设计感想 (29)

第六章参考文献 (30)

第七章附录 (31)

7.1硬件清单 (31)

7.2硬件布线图 (31)

第一章设计背景及研究意义

机械制造行业中，用于金属热处理的加热炉，需要消耗大量的电能，而且温度控制是纯滞后的一阶惯性环节。现有企业多采用常规仪表加接触器的断续控制，随着科技进步和生产的发展，这类设备对温度的控制要求越来越高，除控温精度外，对温度上升速度及下降速度也提出了可控要求，显而易见常规控制难于满足这些工艺要求。随着微电子技术及电力电子技术的发展，采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置控制加热炉已成为现实。

自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。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。在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，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。对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

，

第二章系统方案的设计

这次课程设计题目为热电偶构成的热处理炉的温度控制系统，

技术要求：1.设定温度范围为0～999°

2.温度显示为0～999°

3.到设定温度报警

热处理炉炉温控制系统的控制过程是：单片机定时对炉温进行检测，经A/D 转换芯片得到相应的数字量，经过计算机进行数据转换，得到应有的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。如下图所示：

进行系统设计时应考虑如下问题：

1.炉温变化规律的控制，即炉温按预定的温度——时间关系变化。

2.温度控制范围：如0～1000℃，这就涉及到测温元件、电炉功率的选择等。

3.控制精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律选择等。

温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图1所示。被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器，其具体的电路图如图2所示。

调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调

节的只是设定周期T

c 内导通的电压周波。如图3所示，设周期T

c

内导通的周期

的波数为n，每个周波的周期为T，则调功器的输出功率为P=n×T×P

n /T

c

，P

n

为

设定周期T

c

内电压全通过时装置的输出功率。

第三章硬件的设计

3.1温度检测和变送器

温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关。镍铬/镍铝热电偶适用于0℃-1000℃的温度检测范围，相应输出电压为0mV-41.32mV。

变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的0mV-41.32mV变换成4mA-20mA的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的4mA-20mA电流变换成0-5V的电压。

为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如：若温度测量范围为500℃-1000℃，则热电偶输出为20.6mV-41.32mV，毫伏变送器零点迁移后输出4mA-20mA范围电流。这样，采用8位A/D转换器就可使量化温度达到1.96℃以内。其在控制系统的作用如下图所示：

图1：温度检测电路热处理炉

3.2 温度控制电路

8051对温度的控制是通过双向可控硅实现的。如图一所示，双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路。在给定周期T内，8051只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。

可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8051用软件在P2.1引脚上产生，在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅的控控制系统的制极上。

图1：调温电路

3.3 A/D转换电路

ADC0809是一种比较典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右，采用双排28引脚封装，其主要性能指标如下：

1、分辨率为8位二进制数；

2、电压范围在0～+5V，对应A/D值00H～F FH；

3、每路A/D转换完成时间100m s;

4、可分时进行8路A/D转换；

5、工作频率500KH z（本电路由8051A LE端输出经4分频后得到）。

引脚功能如下：

I N0～I N7：8路0～+5V模拟电压输入（用IN0端）；

D B7～D B0：8位数字输出线，输出8位A/D转换值；

S T AS T：启动A/D转换端；

E O C：A/D转换完成端；

O E：允许数字量输出信号；

C L OC K：时钟500KH z；

A D D A、B、C：I N0～IN7地址选择线；

A L E：地址锁存允许输入信号。

A/D转换器0809与放大电路连接较简单，运放接成比例放大形式，放大倍数可调，总体A/D转换与8051接口电路如下：