1、电阻炉的温度控制系统设计课程设计论文电阻炉的温度控制系统设计 摘要电阻炉在冶金工业中的运用相当广泛,其温度参数在生产过程中的自动控制系统也随着微机单片机可控硅技术在工业控制领域的推广、应用,正朝着高精度、高稳定性、高智能化的方向发展。电阻加热炉是典型的工业过程控制对象。其温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后、时变性等特点，且其升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。温度是工业对象中主要的被控参数之一。尤其是在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类不同，所采用的加热方法及燃料也不相同，如煤气、天然气等。但就控制系统本身的动态特性而言，均
2、属于一阶纯滞后环节，在控制算法上基本相同，可采用PID控制或其他纯滞后补偿算法。但对于电阻加热炉来说，当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确模型和确定参数。而传统PID控制是一种建立在经典控制理论基础上的控制策略，其设计依赖于被控对象的数学模型，因此对于加热炉这类控制对象采用传统PID的控制方案很难达到理想的控制效果。为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。 因此，在
3、工农业生产或科学实验中常常对温度不仅要不断地测量，而且要进行控制。在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适芯片及控制算法是非常有必要的本设计要用单片机设计一个电阻炉温度控制系统。关键词：恒温；热处理；控温系统 Design for Temperature Control System of Resistance FurnaceAbstractThe resistance furnace in metallurgical industry is widely application, its temperature parameter
4、s in the production process of automatic control system with single-chip microcomputer control technology in the field of industrial silicon, the popularization and application in high precision, high stability, high intelligent direction. Resistance furnace is typical of industrial process control
5、object. The temperature control with temperature mono-direction and large inertia, the lag and time-varying characteristics, such as temperature, heat preservation and heat resistance wire depend on environment, cooling is natural cooling.Temperature is the main objects of accused of parameters. Esp
6、ecially in metallurgy, chemical, machinery, widely used in various industries of heating furnace, heat treatment furnace, reactors. Because of the different kinds of heating method is adopted, and the fuel is not identical also, such as coal gas, natural gas etc. But control system dynamic character
7、istics of itself, all belong to a first-order lagging pure, in the same basic control algorithm, PID control or other pure lag compensation algorithm. But for resistance furnace, when the temperature once overshoot cannot use control means that the cooling, so it is difficult to use mathematical met
8、hod to establish precise model and parameters. While the traditional PID control is an established in classical control theory, the control strategy based on its design depend on mathematical model of the controlled objects, so this kind of control for furnace adopts the traditional PID control obje
9、ct to achieve the ideal control scheme.In order to guarantee the normal production process, improve product safely quantity and quality and to reduce the labor intensity, energy saving, with all kinds of electric heating requirements under certain conditions, not with remains constant voltage fluctu
10、ations or furnace changes, or some objects according to the technical requirement of electric furnace temperature or a designated in accordance with the law and heat changes, etc.Therefore, in industrial and agricultural production and scientific experiments to constantly measuring temperature will
11、not only, and to control System. In the resistance furnace temperature control system design, should try to consider how to effectively avoid distractions and USES a better control scheme, select the appropriate chip and control algorithm is necessary to the design with a single-chip microcomputer t
12、emperature control system of resistance furnace.Keywords: temperature； Heat treatment； Temperature control system毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意
13、。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的
14、个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要 （1）Abstract（2）、总体方案设计（4）1、设计内容及要求 （4）2、工艺要求 （4）3、要求实现的系统
15、基本功能 （5）4、对象分析 （5）5、系统功能设计 （5）、硬件的设计和实现 （5）1、计算机机型 （5）2、设计支持计算机工作的外围电路. （5）3、设计输入输出通道 （8）4、元器件的选择 （10）、数字控制器的设计（7）1、控制算法 （10）2、计算过程 （11）、软件设计（12）1、系统程序流程图 （12）2、程序清单 （15）、完整的系统电路图 （27）、系统调试 （27）、设计总结 （27）、参考文献 （27） 附录 （28）、总体方案设计设计任务：用一台计算机及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，并使系统达到工艺要求的性能指标。1、 设计内容及要求电阻加热炉用于合金钢产品热
16、力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。系统模型：2、工艺要求按照规定的曲线进行升温和降温，温度控制范围为50350，升温和降温阶段的温度控制精度为5，保温阶段温度控制精度为2。3、要求实现的系统基本功能微机自动调节：正常工况下，系统投入自动。模拟手动操作：当系统发生异常，投入手动控制。微机监控功能：显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出值，参数报警时有灯光报警。4、对象分析在此设计中，要求电阻炉炉内的温度，按照上图所示工艺要求的规律变化，首先从室温开始到50
17、为自由升温阶段，当温度到达50，就进入系统调节，当温度上升到达350时进入保温段，要求始终在系统控制下，保证所需的炉内温度的精度。加工完毕，要进行降温控制。保温段的时间为6001800s。过渡过程时间：即从开始控制到进入保温阶段的时间要小于600s。在保温段当温度高于352或低于348时要报警，在升温和降温阶段也要进行控制，使炉内温度按照曲线的斜率升或降。采用MCS51单片机作为控制器，ADC0809模数转换芯片为模拟量输入，DAC0832数模转换芯片为模拟量输出，铂电阻为温度检测元件，运算放大器和可控硅作为功率放大，电阻炉为被控对象，组成电阻炉炉温控制系统，另外，系统还配有数字显示，以便显示
18、和记录生产过程中的温度和输出值。5、系统功能设计计算机定时对炉温进行测量和控制一次，炉内温度是由铂电阻温度计来进行测量，其信号经放大送到模数转换芯片，换算成相应的数字量后，再送入计算机中进行判别和运算，得到应有的电功率数，经过数模转换芯片转换成模拟量信号，供给可控硅功率调节器进行调节，使其达到炉温变化曲线的要求。、硬件的设计和实现1、计算机机型：MCS51 8031（不包含ROM、EPROM）系统总线：PC总线2、设计支持计算机工作的外围电路矩阵键盘技术：图2-1用8255接口的48键盘矩阵 图2-1为48矩阵组成的32键盘与微机接口电路。图中8255端口C为行扫描口，工作于输出方式，端口A工
19、作于输入方式，用来读入列值。图中I/O口地址必须满足=0，才能选中相应的寄存器。在每一行与列的交叉点接一个按键，故48共32个键。温度输出显示技术：LED静态显示接口技术，所谓静态显示,即CPU输出显示值后,由硬件保存输出值,保持显示结果.图2-2用锁存器连接的6位静态显示电路 图2-2为6位BCD码静态显示电路原理图。图中74LS244为总线驱动器，6位数字显示共用同一组总线，每个LED显示器均配有一个锁存器（74LS377），用来锁存待显示的数据。当被显示的数据从数据总线经74LS244传送到各锁存器的输入端后，到底哪一个锁存器选通，取决于地址译码器74LS138各输出位的状态。总线驱动器
20、74LS244由IOW和A9控制，当IOW和A9同时为低电平时，74LS244打开，将数据总线上的数据传送到各个显示器的锁存器74LS377上。特点:占用机时少,显示可靠.但使用元件多,且线路复杂、成本高。报警电路设计：正常运行时绿灯亮，在保温阶段炉内温度超出系统允差范围，就要进行报警。报警时报警红灯亮，电笛响，同时发送中断信号至CPU进行处理。如图2-3图2-3加热炉报警系统图3、设计输入输出通道输入通道：因为所控的实际温度在50 350，即（35050）300所以选用8位A/D转换器，其分辨率约为1.5/字，再加放大器偏置措施实现。（通过调整放大器的零点来实现偏置）这里采用一般中速芯片AD
21、C0809。ADC0809是带有8位A/D转换器，8路多路开关以及微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。这种器件无需进行零位和满量程调整。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且其三态TTL输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。其具有较高的转换速度和精度，受温度影响较小，能较长时间保证精度，重现性好，功耗较低，故用于过程控制是比较理想的器件。图2-4ADC0809应用接线图输出通道：据其实际情况，D/A转换器的位数可低于A/D转换器的位数，因为一般控制系统对输出通道分辨
22、率的要求比输入通道的低，所以这里采用常用的DAC0832芯片DAC0832是8位D/A转换器，与微处理器完全兼容。期间采用先进的CMOS工艺，因此功耗低，输出漏电流误差较小。它的内部具有两级输入数据缓冲器和一个R-2RT型电阻网络，因DAC0832电流输出型D/A转换芯片，为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器，Rf为为运算放大器的反馈电阻端。图2-5DAC0832双极性电压输出电路双极性电压输出的D/A转换电路通常采用偏移二进制码、补码二进制码和符号一数值编码。只要在单极性电压输出的基础上再加一级电压放大器，并配以相关电阻网络就可以构成双极性电压输出。在上图中，运算放大器A2的作用是把
23、运算放大器A1的单向输出电压转变为双向输出。4、元器件的选择传感器的选择：铂铑10铂热电偶，S型，正极性，量程01300，使用温度小于等于600，允差1.5。执行元件的选择：电阻加热炉采用晶闸管（SCR）来做规律控制，结合电阻炉的具体要求，为了减少炉温的纹波，对输出通道采用较高的分辨率的方案，因此采用移相触发方式，并且由模拟触发器实现移相触发。变送器的选择：因为系统要求有偏置，又需要对热电偶进行冷端补偿，所以采用常规的DDZ系列温度变送器。控制元件：采用双向可控硅进行控制，其功能相当于两个单向可控硅反向连接，具有双向导通功能，其通断状态有控制极G决定。在控制极加上脉冲可使其正向或反向导通。、数
24、字控制器的设计1、控制算法： 电阻加热炉温度控制系统框图：.整个闭环系统可用一个带纯滞后的一阶惯性环节来近似，所以其控制算法采用大林算法。电阻加热炉温度控制系统模型为 其广义的传递函数为：大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即：通常认为对象与一个零阶保持器相串联， 相对应的整个闭环系统的脉冲传递函数是： 2、计算过程：连同零阶保持器在内的系统广义被控对象的传递函数 系统闭环传递函数 数字控制器：消除振铃现象后的数字控制器：将上式离散化：U（Z）U（Z）Z1=1.279E（Z）1.226E（Z）Z1 U（K）U（K1）=1.2
25、79E（K）1.226E（K1）最终得：U（K）=U（K1）+1.279E（K）1.226E（K1）、软件设计1、系统程序流程图a、系统主程序框图b、A/D转换子程序流程图c、LED显示流程图 d、报警程序流程图e、数字控制算法子程序流程图2、程序清单ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP KEYSORG 000BHAJMP PIT0ORG 001BHAJMP PIT1 ；中断入口及优先级MAIN： MOV SP，#00H CLR 5FH ：清上下限越限标志 MOV A，#00HMOV R7，#09HMOV R0，#28HLP1： MOV R0，AINC R0 DJNZ
26、 R7，LP1MOV R7，#06HMOV R0，#39HLP2： MOV R0，AINC R0DJNZ R7，LP2MOV R7，#06HMOV RO，#50HLP3： MOV R0，AINC R0DINZ R7，LP3 ；清显示缓冲区MOV 33H，#00HMOV 34H，#00H ；赋KP高低字节MOV 35H，#00HMOV 36H，#00H ； 赋KI高低字节MOV 37H，#00H MOV 38H，#00H ； 赋KD高低字节MOV 42H，#00HMOV 43H，#00H ；赋K高低字节MOV TMOD，#56H ；T0方式2，T1方式1计数MOV TLO，#06HMOV THO
27、，#06H MOV 25H，#163H ；设定值默认值350SETB TR0 ；键盘高优先级SETB ET0SETB EX0SETB EA ；开键盘T0。T1中断LOOP： MOV R0，#56H MOV R1，#55H LCALL SCACOV ；标度转化 MOV R0，#53H LCALL DIR NOP LCALL DLY10MS NOP LCALL DLY10MS AJMP LOOP ；等中断键盘子程序KEYS： CLR EX0 CLR EA PUSH PSW PUSH ACC ；关中断 LCALL DLY10MS ；消抖CC： JB P3.2 AASETB 5DH ；置“显示设定值温
28、度值标志”MOV A，25H ；取运算位的值MOV B，#10H ；BCD码转化DIV A BMOV 52H，AMOV A, BMOV 51H, AMOV R0,#50HLCALL DIR ;显示设定温度NOPLCALL DLY10MSNOPLCALL DLY10MSJB P1.7 ,BBMOV R1,#25HLCALL DAAD1NOP LCALL DLY10MS AJMP CCBB: JB P1.6 CCMOV R1,#25HLCALL DEEC1NOPLCALL DLY10MSAJMP CCAA: POP ACCPOP PSWSETB EX0SETB EA ;出栈RETI显示子程序DIR
29、: MOV SCON ,#00H ;置串行口移位寄存器状态SETB P1.4 ;开显示JB 5DH,DL1 ;显示设定温度DL2: MOV DPTR,#SEGTDL0: MOV A,R0MOVC A,A+DPTRMOV SBUF ,ALOOP1: JNB TI, LOOP1 CLR TIINC R0MOV A,R0MOVC A,A+DPTRANL A, #7FH ；使数带小数点MOV SBUF ,ALOOP2: JNB TI,LOOP2CLR TIINC R0MOV A,R0MOVC A,A+DPTRMOV SBUF,ALOOP3: JNB TI,LOOP3CLR TICLR P1.4CLR 5DHRETDL1: MOV 50H,#0AH ;小数位黑屏 AJMP DL2SEGT: DB 0C0
