8kW电加热炉温度控制系统设计(计算机控制-蔡林志)

辽宁工业大学计算机控制技术课程设计（论文）题目：8kW电加热炉温度控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化091学号：090302020学生姓名：蔡林志指导教师：（签字）起止时间：2012.12.19-2012.12.28本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号090302020学生姓名蔡林志专业班级自动化091课程设计（论文）题目8kW电加热炉温度控制系统设计课程设计（论文）任务实现功能电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定时间内将炉内温度稳定在给定值上。本控制对象电阻加热炉功率为8kW，由220V交流电源供电。本设计以单片机为控制核心，加上相应的输入输出通道，采用达林算法，将温度控制在规定范围内，并要求实时显示当前温度值，用三位LED显示。被控对象为sesTK100，仿真研究时用11.0211ss近似。设计任务及要求1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路；2、建立被控对象的数学模型；3、推导控制算法，设计算法的程序流程图或程序清单；4、仿真研究，验证设计结果；5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数温度控制范围：50～350℃控制精度小于±5%进度计划1、布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）2、被控对象建模（1天）3、算法推导，程序设计（3天）4、仿真研究（2天）5、撰写、打印设计说明书（2天）6、答辩（1天）指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日本科生课程设计（论文）II摘要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、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。电加热炉加热温度的改变是由上、下两组炉丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，本设计以AT89C51单片机为控制核心，输入通道使用AD590传感器检测温度，测量变送传给ADC0809进行A/D转换，输出通道驱动执行结构过零触发器，从而加热电炉丝。本系统采用达林控制算法，将温度控制在50～350℃范围内，并能够实时显示当前温度值。关键词：温度；AT89C51；达林控制算法；AEDK-labACT本科生课程设计（论文）III目录第1章绪论................................................1第2章课程设计的方案......................................22.1概述.........................................................22.2系统组成总体结构.............................................2第3章硬件设计............................................33.1器件选择.....................................................33.2控制器.......................................................33.3电源部分.....................................................33.4输入通道设计.................................................43.4.1温度检测电路............................................43.4.2A/D转换电路.............................................43.5输出通道设计.................................................43.6显示电路及按键电路...........................................53.7电加热炉温度控制系统原理图...................................5第4章软件设计............................................74.1系统的软件设计...............................................74.2达林控制算法设计.............................................84.3温度与电压关系...............................................84.4达林控制算法程序............................................10第5章系统测试与分析/实验数据及分析......................12第6章课程设计总结.......................................13参考文献..................................................15本科生课程设计（论文）1第1章绪论随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了广泛的应用。它不仅在航空、航天、铁路交通、冶金、电力、电讯、石油化工等领域得到了广泛应用，而且在日常生活中诸如电梯、微波炉、电冰箱、电视机等高科技产品中也有广阔的使用前景，为工业生产的自动化、智能控制奠定了坚实的技术基础。加热炉作为一种应用广泛的热工设备之一。尽管它使用的加热方法不同，或工艺要求不同，温度有高低、精度也有差异，但作为被控参数之一的温度总是可用不同的测温元件和方法来获得，并通过微型计算机加以处理和控制，并按一定温度曲线工作，以满足生产需要。电加热炉以其无污染、操作方便、自动化程度高、可调范围大、节省基建投资等诸多优点逐渐受到人们的欢迎。但这其中对温度的控制上不是很理想，温差大、温度控制精度不准确。针对这一情况。本论文将介绍一种应用单片机对电热加热炉进行智能控制的温度系统。一般的电加热炉温度控制系统（如温度控制表控制接触器）的主要缺点是温度波动范围大。传统的以普通双向晶闸管(SCR)控制的高温电加热炉采用过零触发器控制，达到自动控制电炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。本论文的研究意义是怎么用AT89C51单片机作为控制器去实现温度控制，达到需要的工业要求，实现起温度控制的作用，达到工作稳定、性能可靠。利用AD590温度传感器，测量标准，克服了常规方法补偿误差大的缺点，该系统具有键盘输入、LED显示等功能，使温度控制为误差达到±5%，温度变化为50℃至350℃。常见的电加热炉控制算法有达林算法、PID数字控制及最少拍设计，本文采用达林控制算法设计，将一阶惯性加纯滞后环节等效成两个一阶惯性环节。本科生课程设计（论文）2第2章课程设计的方案2.1概述电加热炉加热温度的改变是由上、下两组炉丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，本设计以AT89C51单片机为控制核心，输入通道为AD590检测温度，测量变送传给ADC0809进行A/D转换，输出通道驱动过零触发器，从而加热电炉丝。本系统采用达林控制算法，将温度控制在50～350℃范围内，并能够实时显示当前温度值。2.2系统组成总体结构电加热炉温度控制系统的硬件结构框图如图2.1。图2.1电加热炉温度控制系统硬件结构框图AT89C51A/D转换ADC0809测量变送温度检测AD590驱动执行机构加热电炉丝键盘显示本科生课程设计（论文）3第3章硬件设计3.1器件选择本系统选用AT89C51作为控制器，温度检测部分选用AD590作为传感器，ADC0809作为A/D转换器，过零触发器采用光耦驱动电路及双向可控硅电路。3.2控制器控制器选择AT89C51单片机。3.3电源部分本系统所需电源有220V交流市电、直流5V电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有+-10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用7805，配合电容将电压稳定在5V，供控制电路、测量电路和驱动执行电路中弱电部分使用。除此之外，220V交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的功率。低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，控制每个采样周期内双向可控硅导通正弦波个数的方法来调节加温功率。本科生课程设计（论文）43.4输入通道设计3.4.1温度检测电路温度检测元件选用温度传感器AD590。AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。其主要特性如下：流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：Ir/T=1式中，Ir—流过器件(AD590)的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；(2)AD590的测温范围为-55℃~+150℃；(3)AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；(4)输出电阻为710mΩ；(5)精度高，AD590在-55℃~+150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。3.4.2A/D转换电路ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可以直接与单片机数据总线连接。ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为500KHz时，转换时间约为128us。3.5输出通道设计输出通道采用过零触发器，由光耦驱动电路和双向可控硅电路组成。（1）光耦驱动电路在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因此必须要加入抗干扰措施，将强弱电隔离。光耦合器是靠光传送信号，切断了各部件之间地线的联系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号。此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。因此，能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得到触发脉冲，具有本科生课程设计（论文）5可靠、体积小、等特点。所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器MOC3061，用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。MOC3061是一片把过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。其输出端的额定电压是400V，最大重复浪涌电流为1.2A，最大电压上升率dv/dt为1000v/us，输入输出隔离电压为7500V，输入控制电流为15mA。在驱动执行电路中，当单片机的P2.0、P2.1、P2.2发出逻辑数字量为高电平时，经过三极管放大后驱动光耦合器的放光二极管，MOC3061的输入端导