兰州理工大学计控设计(温度炉控制系统设计)董伟安

1兰州理工大学计控设计基于51单片机温度炉控制系统设计姓名：董伟安学院：电信学院专业：自动化班级：自动化6班指导老师：2015/12/123摘要本文介绍了以单片机AT89C51作为核心元件构成的电阻炉温度控制系统的工作原理，详细说明了采用的新型元件，分析了系统硬件结构，最后给出了系统流程图。采用单片机进行炉温控制,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。在对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制中，采用单片机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，从而能够大大提高产品的质量和数量。该控制系统以AT89C51单片机为控制核心，采用增量式PID控制算法，实现对温度的智能控制。同时，具有超调量小、温度上升快、稳定性好等特点。关键字:电阻炉；单片机；温度控制系统；通信4第一章绪论1.1电阻加热炉温度控制系统的目的和意义1.2温度炉控制系统的基本原理1.3温度炉控制系统的技术要求及主要问题第二章温度炉控制系统的总体方案2.1温度炉控制系统的设计及技术指标2.2温度炉控制系统的总体方案设计2.3显示电路的方案选择2.4总体方案总结第三章主要器件的使用及说明3.1单片机AT89C513.2DAC08323.3ADC08043.4LM741运算放大器3.5LED显示器接口第四章硬件电路设计4.1输入电路硬件设计4.2输出控制电路设计第五章软件电路设计5.1系统总体流程图5.2PID调节的各个环节及其调节过程5第六章电路的调试第七章结束语第八章参考文献附录一元器件明细表附录二最小系统图附录三温度控制电路原理图附录四主程序6第一章绪论第一章绪论1.1电阻加热炉温度控制系统的目的和意义温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的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较少。随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资7源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。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。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，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。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；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。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他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，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，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，降低了产品的成本，提高了生产效率。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为一千瓦，加热温度在400～1000℃。静态控制精度为2.43℃。测量温度范围为0℃-1000℃，测量误差为1℃。1.2温度炉控制系统的基本原理温度炉控制系统但大体上可归纳为以下几个过程：(1)自由升温段，即根据电阻炉自身的条件，不对升温速度进行控制的升温过程。(2)恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率Δ１进行。(3)保温段，即要求在某一过程中炉温基本保持不变。(4)恒速降温段，即要求炉温下降的速度按某一斜率Δ２进行。(5)自由降温段，即根据电阻炉自身的条件，不对降温速度进行控制的升温过程。而每一段都有时间的要求，如下图所示：8炉温变化过程随着单片机技术的发展，其运行功能不断增强，运行速度不断提高，不但可用它来构成顺序控制系统，也可以用它来完成工业过程的闭环控制。电阻炉温度控制系统的组成如下图所示：温度控制系统框图图中的控制器即是单片机，它按比例控制规律来设计控制程序。比例调节器的输出量经过D/A变成晶闸管控制量，来改变晶闸管的导通角，从而控制电阻炉的加热强度。温度测量元件采用线性度好且时间常数小的AD590，采集后经过A/D转换把温度转换成与其成正比的数字量。送入单片机与给定的温度比较如果高于给定温度上限则以上限值给D/A来控制晶闸管导通角,如果低于给定温度下限则以下限值给D/A来控制晶闸管的导通角,从而控制电炉的温度在正常范围里.下面各章将分别介绍温度控制系统的各部分组成及功能。1.3温度炉控制系统的技术要求及主要问题控制器（mcu）（控制算法）晶闸管控制电阻炉D/A温度采集A/D实际温度设定温度+9电阻加热炉控制的核心是温度，而温度在工业控制中是个很重要的参数,特别在冶金、机械、食品、化工等工业中,对工件的处理温度都要求严格控制，对于温度的精确度和稳定性均有较高的要求。电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛,因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节,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。电阻加热炉温度控制系统的目的是控制炉内温度的变化，它的出现简化了许多繁杂操作，具有重大意义。例如：人们可以在洗澡时任意设定加热炉内水的温度并使之保持在固定的温度内。在人工孵化厂孵化炉内,温度也不需要人的干预，它会按照预先设定好的温度工作，当某种特殊的环境要求温度稳定并保持不变的情况下，温度控制系统都可以发挥它的作用。就系统控制方式来说，模糊控制虽然能够得到较好的动态响应特性,但模糊控制也存在固有的缺点,容易受模糊规则有限等级的限制而引起误差。而数字PID控制则能够较好地解决控制精度的问题,并且计算机能够用程序既简单又方便地实现数字PID控制规律,对精度调整很方便。在模拟控制系统中，其过程控制是将被测参数，如温度、压力、流量、成分、液位等由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较出的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，已达到自动调节的目的。在数字控制系统中则是用数字调节器来代替模拟调节器，按偏差的比例、积分和微分进行控制和调节，是连续系统中应用最广泛的一种调节器。在工业过程控制中，由于控制对象的精确数字模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模拟辨识，建立系统的数学模型十分困难，应用直接数字控制方法比较困难，甚至跟本不可能，所以人们经常用PID调节器，并根据经验进行在线整定，即用实验和分析的方法来确定数字PID调节器的参数。但是，常规PID调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，步骤繁琐复杂，即耗时又耗力。而且当对象特性变化时，又要重新整定，并且在现代工业控制过程中，许多被控对象机理复杂，具有多输入多输出的强耦合性、参数时变性、严重的非线性特性、滞后性等特点。在这种情况下，采用常规PID调节器，三个参数的整定比较困难，为此本文提出了采用归一参数整定法，即只整定一个参数，这样减少了许多工作量，提高了工作效率，为实现简易的自整定控制带来方便。随着计算机运算速度的大幅度提高和存储信息的大量增加，PID调节在工业过程控制、航空航天领域中将得到广泛应用，因此研究PID控制具有较高的工程意义，具有广泛的应用前景。第二章总体方案10根据课题功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用单片机AT89C51为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对电阻炉炉温的测量和控制。2.1温度炉控制系统的设计及技术指标2.1.1基本任务1.了解，掌握温度检测及闭环控制的原理与一般方法2.合理构建温度采集及控制系统硬件结构3.利用单片机，ADC0809，DAC0832及相关外围电路完成模拟温度炉的设计2.1.2进阶任务1.利用串行AD，DA芯片及单片机相关电路完成温度控制2.扰动情况下（风扇冷却），基于某个温度点的控制2.2温度炉控制系统的总体方案设计2.2.1单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路，结构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为工控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。另外，有相当的新型集成电路如MAX6675、MC1413等，可以和单片机组成较简单且精密的输入输出通道。综上考虑，本设计选择基于常用51单片机的电阻炉温度控制方式。2.2.2温度传感器的选择（1）热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。但其只适用于-200~500℃范围内的温度测量，对于系统设计要求中的温控范围:0℃～1000℃的要求难以达到。（2）热电偶热电偶也是一种感温元件，属于一次仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,在通过电气仪表转换成被测介质的温度，或由A/D转换电路变为数字信号交由数字控制器做后续处理。其中的Ｋ型（镍铬－镍硅）热电偶，其可测量1312℃以内的温度，且其线性度较好，而且价格也便宜。综上考虑，本系统采用了Ｋ型（镍铬－镍硅）热电偶，Ｋ型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU通信。2.2.3温度检测、放大和模数转换电路的选择11根据系统框图的设计思想，输入电路包括温度检测电路、检测放大电路、数据采集电路和模数转换电路。（1）传统温度检测电路传统的温度检测电路采用“传感器－滤波器－放大器－冷端补偿－线性化处理－Ａ/D转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。（2）新型温度检测电路若采用高精度集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势－温度”的转换，不需外围电路、I/O接线简单、精度高、成本低。综上考虑，本系统采用集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势－温度”的转换工作。2.3显示电路的方案选择2.3.1LED数码管显示LED是LightEmitingDiode（发光二极管）的缩写，发光二极管是能将电信号转换成光信号的电致发光器件。由条形发光二极管组成“8”字形的LED显示器，也称数码管。通过数码管中发光二极管的亮暗组合，可以显示多种数字、字母记忆其他符号。数码管有7段数码管和8段和数码管之分。8段数码管是在7段数码管的基础上再加上一个圆点型发光二极管，用于显示小数点。优点一是占用I／O口少，便于做到显示电路与控制电路分离，亮度高。缺点是在背景光较强时，显示不清晰，功耗大，显示图形需要软件扫描编制，程序设计复杂。2.3.2液晶显示屏显示液晶显示器，或称LCD(LiquidCrystalDisplay)，为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白画素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐。液晶显示器的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电厂的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源投射或遮蔽功能。在电源开关之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤波片则可以显示彩色影像，在两片玻璃基本上装有配向模，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向模沟槽偏离90°，所以液晶分子成为扭曲型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90°扭曲，通过下方偏光板，液晶面板显示白色；当玻璃基板加入电压时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下