1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于单片机的电加热炉温度控制系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而由于炉子的种类不同，所采用的燃料和加热方法也不同，由于工艺不同，所需要 的温度高低不同，所采用的测温方法和测温元件也不相同，产品的工艺不同，控制的温度的精度也不同 。 因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度不够，但单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。传统的控制方式已不能满足高精度，高速度的
2、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，由于它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，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温控方式，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，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低产品的成本，提高了生产效率。 本系统使用 PID 算法进行控制，单片机来实现控制功能，温度控制电路是通过可控硅元件来实现的，双向可控硅管和加热丝串连接在交流 220V， 50HZ 交流回路，在给定周期内，单片机只要改变可控硅管的接通时间便可以改变加热丝功率，达到调节温度的目的。 关键
3、词： PID 算法；可控硅；单片机；温度控制 - 2 - Abstract The temperature is one of the important industrial object accused of parameters. However, due to different kinds of furnace, adoption of fuel and heating method is different, because different, need process temperature is different, the temperature measuring met
4、hod and temperature measuring element is not identical also, product process is different, the accuracy of the temperature control is different also. So the accuracy of data collection and the control methods are also different. The traditional control mode can not meet the precision, and with high
5、speed control requirements, such as temperature control table temperature contactor, its main shortcoming is temperature fluctuations range, because it is mainly through control contact device huge time proportion to achieve the purpose of change heating power, the instrument itself error and ac con
6、tactor life limits, huge frequency is very low. In recent years the rapid development of advanced control approaches, such as: PID control and fuzzy control, neural network and genetic algorithm control etc. These control technology greatly improve the control accuracy, not only make control becomes
7、 is simple, and that the quality of the products and reduce the cost of the product better, improve the production efficiency. This system using PID algorithm to realize control, microcontroller control functions, temperature control circuit is realized by SCR components, bidirectional thirsted tube
8、 and heating silk string connected in communication, 50HZ ac circuit, one 220V in a given cycle, SCM just change SCR tube time connect you could change heating silk power, achieve the purpose of temperature adjustment. Key Words: PID Algorithm； SCR； SCM； Temperature Control； - 3 - 目 录 1 引言 . 1 2 系统总
9、体设计 . 2 3 硬件设计 . 3 3.1 温度传感器的选择 .3 3.2 A/D 转换电路 .3 3.2.1 ADC0809 转换原理 .3 3.2.2 ADC0809 与 8031 接口电路 .4 3.3 声光报警 电路 .5 3.4 功率控制电路 .6 3.5 键盘和显示接口技术 .8 3.5.1 键盘接口技术 4 .8 3.5.2 显示接口技术 .8 4 软件设计 . 10 4.1 系统控制主程序的设计 .10 4.1.1 主程序流程图 .10 4.1.2 主程序清单 .10 4.2 中断服务程序 .12 4.2.1 T0 中断服务程序流程图 .12 4.2.2 T0 中断服务程序清
10、单 .14 4.3 采样子程序 .17 4.3.1 采样子程序流程图 .17 4.3.2 采样子程序 .17 4.4 数字滤波 .18 4.4.1 数字滤波程序流程图 .18 4.4.2 数字滤波子程序 .19 4.5 温度控制的算法 .20 4.6 温度控制程序 .21 4.7 PID 计算程序 .21 5 结论 . 25 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 26 - 1 - 1 引言 温度控制系统在国内各行业的应用虽然已经十分广泛，但是从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平不是很高，同德国、美国、日本等先进国家相比，仍然有着明显差距。较成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的
11、 PID 控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表很少。随着单片机的发展，它的应用已经渗透到电力、冶金、化工、机械、建材、食品、石油等各个行业。 随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十 分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、 冶金、化工、建材、机械、食品、石油 等各个行业。 尤其在工业控制 、 自动化仪器仪表 、计算机系统接口 、 智能化外设等应用领域发展很快。它的应用对于产品升级换代 、机电一体化都具有重要的意义 。 在工业生产中，电流、电压
12、、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，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。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、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，从而能够大大的提高产品的质量和数量 。 本系统是为热处理用电加热炉设计的一套的控制系统，利用单片机、温度传感器、加热丝和 A/D 转换芯片来实现的控制系统，其中主要的热点就是升温均匀、精确，升温曲线具有线性等。本系统具有精度高、功能多、造价低、结构简单和使用方便等优点。 - 2 - 2 系统总体设计 本系统有 803
13、1 单片机、温度检测电路、功率控制电路、键盘、显示电路和声光报警电路等组成，系统总体框图如图 2-1 所示。 下面 是系统的总体框图。 图 2-1 总体框图 由图可知，温度控制系统的构成：温度控制系统检测时，被测炉温经热电偶测量后转换成电压信号，经变送器转换，将检测信号送到 A/D 转换器进行模拟 /数字信号转换，转化后的数字量，经 I/O 接口读入到 CPU，在 CPU 中经数据处理后，一方面送到显示屏上显示，并 判断是否报警；另一方面通过过零触发电路驱动双向可控硅进行控温。 - 3 - 3 硬件设计 3.1 温度传感器的选择 在本系统中采用的是镍铬 -镍硅 K 型热电偶 1。采集温度信号只
14、需要一路采集炉温，金属热处理炉的最高要求温度为 1000。由于热电偶测温范围广（ -100 1300），而且测量精度高，结构简单，热惰性小，输出为电信号便于事先远距离传送和集中检测、自动控制，因此在测量温度信号时选择它。 图 3-1 热电偶引起的 珀尔帖效应和汤姆逊效应 如图 3-1，将两种不同材料导体 A、 B 两端接在一起，一端温度为 T0，另一端为 T（ T T0），这时在这个回路中将产生一个与温度 T0、 T 以及导体料性质有关的电势 EAB（ T、 T0），这样构成的热电变换元件称为热电偶，可用来测量温度，这种热电效应产生的电势 EAB（ T、 T0）是由珀尔帖效应和汤姆逊效应引起的
15、。 3.2 A/D 转换电路 A/D 转换芯片采用 ADC08092，其转换精度是 1/256。若电加热炉工作温度是256，则在（ 0 256）范围 A/D 的转换精度为 256 /256=1 /bit，即一个数字量表示 1，这显然不能满足控制精度为 0.5要求。为了提高控制精度，可以选择更高位的 A/D 转换器，如 10位、 12位、 16位 A/D 转换器，其控制精度均能满足要求。 3.2.1 ADC0809 转换原理 0809 完成 1次转换需 100ms左右，可对 05V 信号进行转换。 图 3-2中多路开关可选通 8个模拟通道， 通道选择见表 3-1， 允许 8路模拟量分时输入，共用
16、- 4 - 一个 A/D 转换器进行转换，是一种经济的多路 数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对 A、 B、 C 3 个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以与系统数据总线连 。 ADC0809 的工作过程是：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
17、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 。 图 3-2 ADC0809 原理框图 3.2.2 ADC0809 与 8031 接口电路 如图 3-3 所示 ADC0809 与 8031 单片机的接口电路，当 P2.2=0 时，选中了ADC0809（允许启动各通道转换与读取相应的转换结果），转换结束信号 EOC 经倒相后接至单片机的外部中断 1INT ， 当 p3.3=0 时，说明转换结束，我们选用 0通道作为输入，因而可以把 0809 视为 一个 地址为 03F8H的外部数据存储单元，对- 5 - 其写数据时， 8031 的 WR 信号使 ALE 和 S
18、TART 有效，将 74LS373 锁存的地址低三位存入 0809 并启动 ADC，当 EOC 为低电平时，说明 A/D 转换正在进行，当 EOC为高电平（即 P3.3=0）时，表示转换结束， 8031 可以读入转好的数据 。 图 3-3 ADC0809 与 8031 单片机的接口电路 3.3 声光报警电路 在单片机控制系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来指示，以供操作员参考。但对于某些紧急状态或反常状态，为了使操作人员不致忽视，以便及时采取措施，往往还需要有某些更能引人注意、提起警觉的报警信号。本系统的报警电路包括闪光报警和鸣音报警两种方式。实现声光报警的接口电路比较简单，图 3
19、-4 所示。发音组件采用压电蜂鸣器，只需在其两条引线上加 3V24V 的直流电压，蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电小，而且适合于单片机系统。本电路的设计中， 要考虑与发光二极管串联的限流电阻大小的确定，阻值选择不当会影响二极管的寿命。 - 6 - 图 3-4 声光报警电路 3.4 功率控制电路 89C523对温度的控制是通过可控硅调功器电路实现的。 双向可控硅管和加热电阻丝串接在交流 220V,50HZ 市电回路。在给定周期 T内， 89C52 只要改变可控硅管 的接通时间便可改变加热丝功率，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89C52用软件在 P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光藕管和驱动器输出送到可控硅的控制极上。下图 3-5示出了可控硅管在给定周期 T 内具有不同接通时间的情况。
