基于单片机的电阻炉炉温控制系统设计简介

基于单片机的电阻炉炉温控制系统设计简介1题目来源及意义热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证，直接关系到热处理技术水平的高低和工件质量的好坏。对热处理技术的基本要求是：先进、可靠、经济、安全，能满足热处理工艺的要求，并保证工艺的稳定和再现性，节省能源，保护环境，改善劳动环境，降低生产成本，提高机械化和自动化水平。在工业领域，如冶金、机械、建材及化工等部门，都有大量使用各种炉窑，如用于热处理的加热炉，用于熔化的坩埚炉等。炉窑运行时，温度是需要测控的最基本参数。不同的炉窑，加热方法与所用燃料有所差异，但被控对象都可归于有纯滞后的一阶惯性环节。温度以往多采用归仪表加接触器的断续控制，存在不少固有的缺点。为了提高产品质量与数量，节约能源，改善劳动环境，并且随着科学技术的发展，上述对设备对温度控制要求越来越高，除要求有较高的控制精度外，还要求能对温度的上升速度及下降速度进行控制，显然应用常规仪表方法难以满足这些要求。然而，随着电子技术的发展，特别是单片机计算机的出现，对上述被控制对象采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置进行控制成为现实。本文介绍的温度控制系统的主要技术指标有：温控范围：0℃～100℃；恒温时间：０～24小时；控制精度：±0.5℃；超调量1%。2国内外研究现状自1980年以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化、性能优异的温度控制仪表，并在各行业广泛应用。其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂温度测控系统，具有参数自整定功能和自学习功能，即温控器对控制对象、控制参数及特性进行自动整定，并根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。目前，国外温度控制仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。微处理技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，在控制领域出现的一系列新的技术课题之一的被控对象动静态参数、控制系统结构、参数发生较大范围变化的情况下，控制系统仍能满足给定的品质指标，这是自适应控制的最基本特征，自适应PID控制可以在线不断整定参数，克服干扰，跟踪系统的时变特性，使控制对象达到一定的目标［2］。同时，随着现代控制理论（诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等）研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径，逐步弱化或取消了对受控对象数学模型结构不变的限制。电阻炉温度控制技术发展日新月异，从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制，展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中，PID和模糊控制应用最多，也最具代表性。目前我国在测控仪表研究与生产应用中，总结了很多经验，但从国内生产的温度控制器及测温仪表来说，总体发展水平仍然不高。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，只能适应一般温度系统测控，难以控制复杂的大滞后时变温度系统。目前，我国在温度测控仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面（1）行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。（2）商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表（3）仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例如:在仪表控制参数的自整定方面，国外己有较多的成熟产品，但由于我国开发上的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。这些差距我们必须努力克服。随着我国经济的发展及加入WTO带来的契机，政府及企业对于高新技术的发展都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度等测试仪表行业得到迅速的发展。3.设计目标1）运转平稳，工作可靠；2）布局合理，安装操作维护方便；3）满足加热和温度控制精度要求；4）设置定时起停、时钟、报警等人性化功能。5）要从节能、省材、高效率、自动化、安全的角度出发，对电阻炉的工作效率增加，减少技术人员，操作和维修更方便安全，大大减小劳动强度，节约成本，提高劳动生产率。4.课题研究方法及手段单片机应用系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分以MCU芯片为核心，包括了扩展存储器、输入/输出接口电路及设备；软件部分包括了监控程序和各种应用程序（可统称为控制程序）。硬件电路和控制程序只有密切配合、协调一致，才能组成一个高性能的单片机应用系统。在系统的开发过程中，软/硬件的功能总是在不断的调整，以相互适应。硬件设计和软件设计不能分开，硬件设计时应考虑系统资源及软件实现方法，而软件设计时又必须了解硬件的工作原理。单片机应用系统开发过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试、可靠性实验和产品化等几个阶段，但各阶段不是绝对独立的，有时是交叉进行的。单片机总体设计包含一下内容：（1）理解系统功能和技术指标（2）选择单片机类型：货源充足、稳定；性价比高；研发周期短；（3）关键器件的选择（4）软/硬件功能划分5硬件设计系统构成方式的选择：专用系统；模块化系统；单片单板机系统系统硬件电路设计的一般原则（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规算法。为硬件系统的标准化，模块化打下良好基础。（2）系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响。考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU时间。因此，选者软件方案时，要考虑到这些时间因素。（4）整个系统中相关的器件要尽可能做到性能相匹配，例如，选用晶振频率高时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片；选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。（5）可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片，器件选择，去耦滤波，印刷电路板布线，通道隔离等。（6）单片机外接较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足，系统工作不可靠，解决的办法是增强驱动能力，增设驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。6系统的硬件构成经上分析，整个单片机电阻炉控制系统方案确定为：（1）AT89C51单片机作为系统主控。（2）采用热电偶和MAX6675为温度采集和A/D转换电路。（3）温度控制采用固态继电器电路PWM控制。（4）采用DS1302为时钟。（5）键盘采用传统的矩阵键盘。（6）采用LCD1602液晶为输出显示。（7）系统运行指示采用LED灯。（8）报警电路采用蜂鸣器。（9）采用DS18B20作为单片机板卡温度检测。7软件系统的设计本系统软件采用模块设计，这种方式便于调试和编程以及产品后期的维护，经过验证，本系统的设计达到的设计目标。