1、 1 毕业设计开题报告 电子信息工程 电加热炉温度单片机控制系统设计 1 选题的背景、意义 传统 电加热炉以污染 小 、 便于操作 、 集成性高 、 调幅范围广 、 成本低廉 等各种好处慢慢 受到 使用者 的 青睐 。但 是 其对温度的控制上不 甚 理想， 温度差别大 、温度 难以控制 。 为了针对这种 情况 ， 应用单片机对电热加热炉进行智能控制的温度系统 出现了 。 电加热炉温控系统 是以数字化控制为基础， 以单片机为核心，采用温度变送器桥路和固态继电器控温电路，实现对电炉温度的自动控制。并采用零点迁移技术和固态继电器控温电路，降低硬件成本，提高温控系统的性能价格比 。炉温 信号通过温度检
2、测及变送，变成电信号，与温度设定值进行比较，计算温度偏差和温度的变化率，再由智能控制算法进行推理，并得控制量，可控硅输出部分根据调节电加热炉的输出功率，即改变可控硅管的接通时间，使电加热炉输出温度达到理想的设定值。 电加热炉使用单片机控制炉 温有 以 下 几样 优点： （ 1） 可以有效 地降低控制器硬件成本。 拥有更快的 速度、更新功能的新一代微处理机不断 上市 ，硬件 价格 会变得 更 便宜。体积 更 小、重量 更 轻、耗能更 少是它们的共同优点。 （ 2） 可 拥有更高的稳定性，内部集成 电路的 故障率更低 。 （ 3） 数字电路温度 漂移 更 小， 受其他参数影响更小 ， 更加稳定 。
3、 （ 4） 硬件 设计趋于标准化 。在电路集成过程中采 取 了一些 更好的 屏蔽 设备 ， 能有效 避免电路中 比较大 的瞬态电流、电压引起的电磁干扰 麻烦 ， 所以 可2 靠性 更 高。 （ 5） 采用微处理机的数字控制，使信息的双向 传输 能力 得到很大提高 ，可随时改变控制参数。 （ 6） 提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力 ,使伺服系统更趋于智能化。 1-7 2 相关研究的最新成果及动态 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
4、、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。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点 ,在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制 ,可以提高控制质量和自动化水平。 最新的 电加热炉如恩能公司 新研制的设备，具有安全、省电、方便、智能控制等优点。设备采用独创的钛合金水电分离热能转换器作为发热体，其热效率高达 95%；智能 化控制管理，具有多时段设置、多居室温度独立控制、漏电保护等特点 。 新型的钛合金水电分离热能转换器以多层迂回的形式快速加热热媒，增加了热交换时间和换
5、热截面，并使水流受到充分、均匀的加热。由于特殊内置的发热源不与水接触，而采用高效热传导技术，把热量传递给水，真正实现 了水电分离，消除了漏电隐患。 平时所见 的 单片机 电加热炉是一 类非常平常 的 使用 设备。在 它的 控制系统中，温控是 它 的 最 关键 的 部分， 现在国内使用的 电加热炉普遍 使用 PID 模拟 温度 控制法， 然而这 类 算法一般温 度偏差较 大， 难以确保 温度 是否能 控制在 5 之内 。温度是工业控制 类别 中 最 主要 的 被控 对象之一 ， 诸如 在 钢铁炼金 、化工 提炼 、机械 锻造 、 设备测量 等 各个 领域 内 ，广泛使用着 各类单片机电 加热炉、
6、热处理 措施 等， 其 采用的加热方法及燃料 各不一样 ，但 是 就温度控制系统本身 来说 ，均属于一阶纯滞后环节 。现在最3 新的 温度控制 子 系统， 它 是对 单片机 电加热炉的 优化 ，它能与 家用机 及数据 搜集 器一并 构成对 锅 炉温 度 的 全面 控制 以及 热电偶 本事的 自检测 ，其 主要 的 技术指标有： 单片机 电加热炉温度加热范围： 小于等于 1000 ， 外加 加电压范围： 0-220V 相 AC 或 DC，其 加热方式：电阻丝直接 升温。 10-15 3 课题的研 究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 3.1 研究内容 主要任务为设计一套
7、以单片机为核心的智能温度控制系统。以单片机为核心，采用温度变送器桥路和固态继电器控温电路，实现对电炉温度的自动控制。 采用零点迁移技术和固态继电器控温电路，降低硬件成本，提高温控系统的性能价格比。并自行设计运行效率较高的程序以控制炉温。 3.2研究方法 单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。原理为：炉温信号通过温度检测及变送，变成电信号，与温度设定值 进行比较，计算温度偏差和温度的变化率，再由智能控制算法进行推理，并得控制量，可控硅输出部分根据调节电加热炉的输出功率，即改变可控硅管的接通时间，使电加热炉输出温度达到理想的设定值。设计
8、可行方案完成上述各个环节功能，包括整个硬件电路和软件编程。达到良好的控制效果。 本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶 感应器 、温度变 送 器以及被控对象组成。如图 1 所示。 图 1 单片机炉温控制系统结构 de/dt 控制器 可控硅输出部分 电加热炉 温度变送器 温 度检测部件 4 炉 内 温 度 信号 T 通过温度 测试 及变 化 ， 成为数字 电信号， 能 与温度 原来的 设定值进行比较， 从而可以 计算 出 温度 的 偏差 值 e 以及 温度变化率 de/dt， 然后经优化 控制算法进行 计算 ， 然后 得控制量 u，可控硅输出部 可以 根据 所
9、调节 单片机 电加热炉输出功率 来 改变可控硅管的 连 通时间，使 单片机 电加热炉 的 输出 指标 达到 预先的设定值 。 该系统硬件结构 以 51 单片机为控制系统的核心，实现对温度的 搜集 、 检测 和 温控 。 这个 系统的 流程图 如图 2 所示。 该 系统 经 变送器经 数模转换器 转换器构成输入 俩 ，用来 采集 锅炉 的温度 数字 信号。变送器 应该使用 DBW 型，它 可以 将热电偶信号 或 温度信号变为 0 5 V 电压信号，以供 A/D 转换用。转换后 数值 与炉 所测 温数字 量 后给定值进行 对比 ， 就 可 出 实际炉温 与原先 给定炉温的偏差 以及 温度的变化率。
10、炉温的 给定值由 BCD 拨码 键 盘输入。 然后经 51 芯片 构成的核心 数码 控制器按智能控制算法进行计算，就可得到所需 的控制量。 然后经 单片机的输出 来 调节可控硅管的接通时间， 可以 改变电炉的 最大 输出功率，起到 改变炉温的 作用。 图 2 系统硬件结构 本系软件统 程序主要由主程序、中断程序 以及 子程序 构成 。主程序的任务是对系统进行初始化，实现参数 的 输入 以及 控制 单片机 电加热炉的正常运行。主程序主要由系统初始化、数据 搜集 及 处理 、智能推 算几 部分 构成 。系统初始化包括设置 堆 栈底、所用 工作寄存器组、控制量初始值、采样 T、中断 标志 和 中断
11、状态、定时器工作方式5 等。数据 收集 及 计算 主要包括 现场 采集 单片机 电加热炉的炉温 情况 ， 处理当时 炉温与标准值 的差 额和温度 的变化率， 然后可以 对炉温信号进行 必要 滤波和限 制幅度 处理。主程序如图 3 所示。 图 3 主程序结构框图 它的中 断服务程序 所 实现 的 定时 采集 和输出 部分 控制。 51 芯片具 有 六 个中断源：两 个外部中断、 两 个定时器溢出中断及 两 个串行中断。子程序 部分 主要 分采集 子程序、数字滤波 处理 子程序、控制 运算 子程序、数字 信号 转换子程序、 数据显示 子程序等 等 。当然 在采样程序中包括对 A/D 部分 启动、读
12、 写 结果及把 A/D 结果转 换成为 当时 温度 标准值 。 但是因为 热电偶本身的非线性及模拟 部分 输人通道存在非线性， 所以 需要将 A/D 值与温度值之间 的 对应关系 用 表格形式存于 EPROM 之 中 ，便于以后运算 。数字滤波处理 子程序是将 A/D 转换成 需要的 数字量 并 提取 出 有用的量，一方 可以 面通过 TC1602ALCD 这个 模块显示 所测值 ；另 外可以 将该温度 的 值与被控 部分 温度值 来 进行 对比 ，开始 系统初始化 温度数据采集及处理 温度值显示 计算温差 e(k)和温差变化率 |e(k)|0? 智能控制算法程序 求出输出控制量 控制输出 开
13、始 6 并 根据其差值 幅度以及 温度的变化率， 然后 通过智能 温度 控制器来 改变 可控硅管 的 接通 部分 时间， 来 达到改变电加热炉的输出功率，即控制算法子程序是控制器中最重要的一部分 。 3.3 技术难点 因为 电加 热炉是一个非线性的、时变的、 不可统测的、 分布参数 比较 复杂 的 被控对象。 如 要实现 对 其 的 最优控制， 首先 必须建立被控对象的 简单 数 字化 模型，然后求出 相应的控制器方程 。最后相应的程序编写要适应参数的变化，所以中间可能会遇到各种麻烦的问题。 例如 其 自适应控制 快慢 、随机最优控制 权 、预测控制 部分 、解耦控制和 改 变结构控制等 等
14、。这类控制法 因为 由于数学 方程比较 深奥，算法 比较 复杂，现场 人员 难以理解和接受，因而这些先进控制算法的推广 普遍 受到 相应的 制约。 3.4 预期目标 本系统 主要 功能 目标是具 有数据采集 能力 、数据处理 能力 、输出 和 控制 能力 。 能对 0 1000C 温度范围 内的各 个 电加热炉温度进行 准确 测量， 并且其 LED 显示 屏能直接跟踪显示被 测 对象的 准确 温度值， 其 准确度 相当 高，显示 也 清晰， 既 稳定 又可靠 ，使用 比较 方便 。当然 在具体设计 编写程序 、调试 程序的 过程中， 为了便于 调试方便，编程把温度 测试 范围设 定 0 100
15、0 。 其 数据采集部分能完成对被测信号的 采集 ， 其显示 最小值有 1C ，测量精度 度 1C ， 温度 控制精度 有 1C ， 并 实现采集信号的放大 转换 及 A/D 的 转换，并 能 自动 对数据 进行零漂校正，同时按 给 定值、 测试 温度值、温度变化速率， 可以 自动进行 FID 参数自 行调整 与计算 ， 然后 输出 0 10mA 控制电流，配 合 主回路实现温度的 测量 控制。 其 数据处理分为预 先 处理、 实用性 处理、抗干扰 能力 等子功能。 它的 输出控制部分主要是数码管显示控制。 4 研究工作详细进度和安排 2010 年 11 月 29 日 2011 年 2 月 6
16、 日 阅读有关参考文献，初步拟定系统采取的研究方法、技术路线，完成开题报告和文献综述的撰写。 2011 年 2 月 7 日 2011 年 3 月 18 日 收集资料，确定系统完成的主要功能，绘7 制系统流程图。 2011 年 3 月 19 日 2011 年 4 月 21 日 进行详细系统分析，完成系统硬件电路设计 。 2011 年 4 月 22 日 2011 年 5 月 01 日 系统开发与代码设计阶段，运行软件测试工具不断调试程序。 2011 年 5 月 01 日 2011 年 5 月 10 日 系统功能基本实现，进入系统修改及优化阶段。开始撰写论文大纲及初稿。 2011 年 5 月 11
17、日 2011 年 5 月 30 日 完成及提交毕业论文初稿。进一步修改，完成二稿、三稿，直到论文定稿。 5 参考文献 1李玉峰 ,倪红霞 MCS 51 系列单片机原理与接 口技术 M. 北京 :人民邮电出版社，2004. 2王幸之，钟爱琴等 .AT89 系列单片机原理与接口技术 M北京 :北京航空航天大学出版社 ,2004. 3易继锴，侯媛彬 . 智能控制技术 M北京：北京工业大学出版社 ,1995. 4王顺晃，舒迪前 . 智能控制系统及应用 M北京 :机械工业出版社 ,1997. 5陈伟人 .MCS-51 系列单片机实用子程序集锦 ,清华大学出版社 , 1993. 6张毅刚，单片机原理及应用
18、 M.北京：高等教育出版社 ,2003. 7王江 .现代计量测试技术 M.北京：中国计量出版社， 1990. 8陶时澍 .电子测量中的工频干扰及屏蔽 M.北京：中国计量出版社， 1991. 9何希才 ,薛永毅 . 传感器及其应用实例 M.机械工业出版社 , 2004. 10薛永毅 ,姜余祥 . 传感器技术及应用 M.北京航空航天大学出版社 , 2005. 8 11何立民 .单片机应用系统设计 M. 北京航空航天大学 ,1993. 12席先觉等 .单片微型计算机及其应用 M.高教出版社， 1987 13沙占友主编 . 智能传感器系统设计与应用 M.电子工业出版社 , 2004 14Kedar Godbole, Converting Analog Controllers to Smart Controllers with the TMS320C2000DSPsM. Application Note (spra995) Texas Instruments, 2004. 15OGATA K Modern control engineeringM Beijing， China： Publishing House of Electronics Industry,2000:196-202.
