基于单片机的电阻炉温度控制系统设副本.docx
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基于单片机的电阻炉温度控制系统设副本
湖南科技大学
潇湘学院毕业设计(论文)
题目
作者
学院
专业
学号
指导教师
二〇〇年月日
基于单片机的电阻炉温度控制系统设计
摘要
电阻炉是利用电流通过电阻体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。
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。
电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。
炉体由炉壳、加热器、炉衬(包括隔热屏)等部件组成。
电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。
辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等,随炉种的不同而已。
本设计采用单片机作为数据处理与控制单元,用热电偶作为测量元件,用固态继电器作为输出控制元件来实现对电阻炉温度自动控制。
单片机控制K型热电偶温度传感器,把温度信号通过A/D转换器采集到单片机里。
单片机经数据处理、PID运算,发出控制信息改变执行模块的状态,同时用LED显示显示值PV、设定值SV。
本设计通过4个按键来进行人机交互和LED显示,进而使电阻炉的温度始终保持在要求范围内。
关键词:
单片机;温度;电阻炉;PID控制
ResistanceFurnaceTemperatureControlSystem
BasedonSinglechipComputer
Abstract
Theresistancefurnaceisusingtheelectriccurrentthroughtheresistancebodyheatgenerationtoheatingormeltingofaclassofmaterialselectricstove.Theresistancefurnaceinchemicalindustry,metallurgyindustry,etc,sothetemperaturecontroliswidelyusedinindustrialproductionandscientificresearchoftohavetheimportantmeaning.
Resistancefurnace,thefurnace,theelectriccontrolsystemandauxiliarysystems.Furnaceshell,heater,byfurnacelining(includinginsulationscreen)andetc.Electricalcontrolsystemincludingelectroniccircuits,microcomputercontrol,theinstrumentshowsandelectricalparts,etc.Auxiliarysystemusuallyreferstothetransmissionsystem,vacuumsystem,coolingsystem,etc,withthedifferenceoftheboiler.
ThisdesignUSESthesinglechipmicrocomputerasthedataprocessingandthecontrolunit,thethermocouplesusedasmeasuringelement,withsolidstaterelayastheoutputcontrolelementstoachieveresistancefurnacetemperatureautomaticcontrol.Single-chipmicrocomputercontrolofthetemperaturesensor,KthermocoupletemperaturesignalthroughtheA/Dconvertercollectiontothechip.Thesingle-chipmicrocomputerdataprocessing,PIDoperation,acontrolinformationchangeexecutivemoduleform,andthedisplayvalue,inLEDdisplayPV,setdataSV.Thisdesignthroughthe4buttonsforhuman-computerinteractionandLEDdisplay,andtheresistancefurnacetemperatureremainsintherequirementsrange.
Keywords:
Theresistancefurnace;Temperature;SCM;PIDcontrol
第一章绪论
1.1温度控制系统设计的背景、发展历史及意义
温度控制系统已应用到人们生活的各个方面,是与人们息息相关的一个实际问题。
针对这种实际情况,设计一个温度控制系统,具有广泛的应用前景与实际意义。
单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛,在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。
随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样,各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。
电阻炉是利用电流通过电阻体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。
它的特点:
①电路简单;②对炉料种类的限制少;(小型电阻炉可以加热食品、干燥木材等);③炉温控制精度高;④容易实现在真空或控制气氛中加热等特点。
它适用于:
①机械零件的淬火、回火、退火、渗碳、氮化等热处理;②各种材料的加热、干燥、烧结、钎焊、熔化等。
电阻炉的主要参数有额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。
电阻炉按炉温不同可以分为低温电阻炉(600~700℃以下)、中温电阻炉(700℃~1200℃)、高温电阻炉(1200℃以上)。
电阻炉被广泛应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中,在很多生产过程中,温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。
因此各个领域对电阻炉温度控制的稳定性、可靠性、精度等要求也越来越高,温度测量控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。
温度控制技术的发展经历了三个阶段:
1、定值开关控制;2、PID控制;3、智能控制。
PID控制温度的效果主要取决于P、I、D三个参数。
PID控制大滞后、大惯性、时变温度系统时,其控制品质难以保证。
电阻炉是由电阻丝加热升温,靠自然冷却降温,PID控制对小型电阻炉的温度控制效果良好。
本文以电阻炉为控制对象,以单片机为硬件核心,利用单片机使电阻炉的温度维持在一个稳定的范围。
第二章系统总体方案设计与论证
2.1温度控制系统的目的和功能
温度是一个非常重要的物理量,因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。
因此对温度的检测的意义就越来越大。
温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中,得到了广泛应用。
在工业生产过程中,很多时候都需要对温度进行严格的监控,以使得生产能够顺利的进行,产品的质量才能够得到充分的保证。
使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制,保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行,从而提高企业的生产效率。
温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。
嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代,但是微型计算机的体积、价位、可靠性,都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求,因此,嵌入式系统必须走独立发展道路。
这条道路就是芯片化道路。
将计算机做在一个芯片上,从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。
单片机诞生于二十世纪七十年代末,经历了SCM、MCU和SOC三大阶段。
2.2设计内容
本设计的内容是电阻炉温度控制系统,控制对象是温度。
温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛。
而以往温度控制是采用模拟信号,这种控制精度低,维护工作量大,易出故障,现在采用数字化仪表,精度高。
本设计是对电阻炉温度进行实时监测与控制,设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能:
当电阻炉温度低于设定下限温度时,系统对电阻炉发出加热信号,使电阻炉温度上升,当电阻炉温度高于设定上限温度时,系统使电阻炉停止加热,使温度下降,当电子流温度下降到下限温度以下时,系统发出信号使电阻炉继续加热。
不断重复该过程,使温度始终保持在上下限温度之间。
LED灯即时显示温度。
系统设计总体框图如下图2-1所示:
图2-1控制器设计总体框图
在本系统的电路由四部分组成:
(1)控制部分主芯片采用单片机AT89C52;
(2)显示部分采用4位LED数码管实现温度显示;
(3)温度采集部分采用K型热电偶传感器;
(4)温度控制部分采用固态继电器。
根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设计了以AT89C52单片机为检测控制中心,将温度控制在设定的范围之内。
其主要的控制原理为:
对被控对象的温度进行实时采集,其主要是通过热电偶传感器将温度转变成模拟电信号,并由A/D转换器ADC0832将所得的模拟量转变成数字量送入单片机中。
单片机将传感器所采集到的温度和事先设定的温度进行对比,当小于设定值时将发出信号启动加热装置;当大于设定值时将关闭加热装置,从而使得被控温度控制在一定的范围之内,达到实时控制的功能。
整个控制器主要有以下功能:
(1)被控温度可以根据实际的需要设定;
(2)实时显示当前温度值;
(3)按键控制:
a、设置复位键、加一键、减一键、确定键;b、修改P、I、D系数;
(4)越限报警。
第三章电阻炉温度控制系统硬件设计
3.1最小系统结构框图
本系统以STC89C52单片机为核心,本系统选用12MHZ的晶振,使得单片机有合理的运行速度,复位电路为按键高电平复位。
STC89C52单片机最小系统电路设计如图3-1所示:
图3-1STC89C52单片机最小系统
3.1.1单片机
在多数电子设计当中,基于性价比的考虑,8位单片机仍是首选。
AT89C52是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。
片内带有一个8KB的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)。
它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容、片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。
因此,AT89C52是一种功能强、灵活性高,且价格合理的单片机,可方便地应用在各种控制领域。
基于上述这些特点,这里选择AT89C52单片机作为控制核心。
因为单片机的工作电源为+5V,AT89C52电源输入支持的电压范围为5v~3.4v,且底层电路功耗很小。
Vcc,电源端;GND,接地端。
其电源供电电路如图3-2所示:
图3-2电源供电电路
3.1.2单片机的主控单元
本部分主要介绍单片机最小系统的设计。
单片机系统的扩展,一般是以基本最小系统为基础的。
所谓最小系统,是指一个真正可用的单片机最小配置系统,对于片内带有程序存储器的单片机,只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。
小系统是嵌入式系统开发的基石。
本电路的小系统主要由三部分组成,一块AT89C52芯片、复位电路及时钟电路。
AT89C52单片机:
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8位单片机,器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚。
4K字节可系统编程的Flash程序存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,看门狗(WDT),两个数据指针,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C52停止CPU的工作,但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作,并禁止其它所有部件工作,直到下一个硬件复位。
AT89C52单片机的引脚说明
VCC:
供电电压;
GND:
接地。
P0是一个8位双向I/O端口,端口置1时作高阻抗输入端,作为输出口时能驱动8个TTL电平。
对内部Flash程序存储器编程时,接收指令字节;校验程序时输出指令字节,需要接上拉电阻。
在访问外部程序和外部数据存储器时,P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线,访问期间内部的上拉电阻起作用。
P1是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL电平。
端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时,接收低8位地址信息。
P2是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL电平。
端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时,接收高8位地址和控制信息。
在访问外部程序和16位外部数据存储器时,P2口送出高8位地址。
而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口,如下所示:
P3.0/RXD(串行输入口);
P3.1/TXD(串行输出口);
P3.2/INT0(外部中断0);
P3.3/INT1(外部中断1);
P3.4T0(记时器0外部输入);
P3.5T1(记时器1外部输入);
P3.6/WR(外部数据存储器写选通);
P3.7/RD(外部数据存储器读选通);
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取值期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器,不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
本设计STC89C52单片机的P14、P15、P16、P17口接的是四位按键,P1.0口和P1.1口接LED显示,X1和X2接的是晶振电路,RESET接复位电路。
3.1.3复位电路
计算机在启动运行的时候都需要复位,使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态,并且从这个初始状态开始工作。
单片机的复位是靠外部电路实现的,MCS-51单片机有一个复位引脚RST,高电平有效。
MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。
复位电路的基本功能是系统上电时,RC电路充电,RST引脚出现正脉冲,提供复位信号直至系统电源稳定后,撤销复位信号,为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时,才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。
RC复位电路可以实现上述基本功能。
调整RC常数会令对驱动能力产生影响。
复位电路如下图3-3所示:
图3-3复位电路图
3.1.4时钟电路
时钟电路提供单片机的时钟控制信号,单片机时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式。
最常用的是内部时钟方式是采用外接晶振和电容组成的。
时钟振荡电路如图3-4所示:
图3-4时钟振荡电路
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器,引脚XTAL1和引脚XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端,由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自己振荡器,这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。
系统的时钟电路设计是采用的内部方式,即利用芯片内部的振荡电路。
内部方式时,时钟发生器对振荡脉冲二分频,如晶振为12MHz,时钟频率就为6MHz。
晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。
电容取30PF左右。
因此,此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值为30μF。
在焊接刷电路板时,晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。
XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端,XTAL2则是输出端,使用外部振荡器时,外部振荡信号应直接加到XTAL1,而XTAL2悬空。
3.2温度采集与传感器
图3-5热电偶传感器
温度检测是本次设计前向通道的重要组成部分,它的精确程度将直接影响到控制效果。
因此,我们首先要选择合适的测温元件,对温度进行准确的测量。
热电偶的冷锻温度补偿有四种方法:
补偿导线法;冷端补偿法;计算修正法;电桥补偿法。
补偿导线法:
图3-6补偿导线法的连接图
冷端补偿法:
(1)将热电偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中,使冷端温度保持0℃不变的方法称为冰浴法。
采用这种方法可以消除冷端温度t0不等于0℃而引起的误差。
由于冰融化比较快,因而一般只适合在实验室中使用。
(2)将热电偶的冷端置于电热恒温器中,恒温器的温度要略高于环境温度的上限。
(3)将热电偶的冷端置于恒温的空调房间中,使冷端温度保持恒定。
计算修正法:
当热电偶的冷端温度t00C时,由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化,所以测得的热电势EAB(t,t0)与冷端为0C时所测得的热电势EAB(t,0C)不等。
若冷端温度高于0C,则EAB(t,t0) 可以利用下式计算并修正测量误差: EAB(t,0C)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0C) 电桥补偿法: 图3-7电桥补偿法的接线图 本次设计采用计算修正法。 3.2.1放大电路 运算放大器使所有的线性电路中最重要的基本构件。 他在如饮品功率放大器、定时器、稳压器、传感测试电路等领域具有广泛的应用。 运算放大器这一术语最早应用于在模拟计算机中执行默写数学运算的下限频率为零赫兹的高增益放大器。 这种高增益放大器现在已广泛用于各个方面,即使不再涉及数学运算,但通常仍成为运算放大器或op-amp。 早期的运算放大器使用分立元件,但现在使用集成电路就更为方便了。 电路设计者对集成电路内部元件不感兴趣,而只关心作为一个整体的单元性能。 因此,图3-8所示的符号用来表示运算放大器。 由图可以看出,运算放大器有2个输入端,一个输出和连接正、负电源线端子。 图3-8运算放大器的符号图3-9运算放大器的封装 3.2.2温度传感器的选择 传感器是检测系统的第一个环节,其主要作用是将感知的被测非电量按照一定的规律转化为某一量值输出,通常是电信号。 也就是说,传感器是借检测元件(敏感元件)将被测对象的一种信息按一定的规律转换成另一种信息的器件或装置。 传感器所获取的信息通常有物理量、化学量和生物量等,而经传感器转换后的信息多数为电量,如电阻、电容、电感、电压、电流及频率与相位的变化等,它是实现自动化检测和自动控制的首要环节。 传感器将被测信息如温度、压力、流量等转换成电信号输出,一般称为一次变换。 一般情况下经过一次变换后的信息具有以下特点: (1)输出电信号通常为模拟量; (2)输出电信号一般较微弱; (3)输出电信号的信号噪声比较小,甚至有用信号淹没在噪声之中; (4)传感器的输入输出特性通常存在一定的非线性,并易受环境温度及周围电磁干扰的影响; (5)传感器的输出特性与电源的定性等有关,通常要求恒压或恒流供电。 本部分主要是论证温度传感器的选型。 传感器的选择受到很多因素的影响,首先是各种温度传感器自身的优缺点,其次是各种不同的环境因素,还有就是系统所要求实现的精度等,所以在不同的设计当中温度传感器的选择也将不同。 方案一: 热电偶传感器 热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。 它是利用两种不同材料的金属连接在一起,构成的具有热电效应原理的一种感温元件。 其优点为精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便,型号种类比较多且技术成熟等。 目前广泛应用于工业与民用产品中。 热电偶传感器的种类很多,在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。 方案二: 热电阻传感器 热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电阻值的变化。 热电阻传感器是中低温区最常用的一种温度传感器。 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度是最高的,不仅广泛应用于工业测温,而且被制作成标准的基准仪。 从热电阻的测温原理可以知道,被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。 因此,热电阻的引出线的电阻的变化会给测温带来影响。 为消除引线电阻的影响,一般采用三线制或四线制。 热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。 方案三: 半导体集成模拟温度传感器 半导体IC温度传感器是利用半导体PN结的电流、电压与温度变换关系来测温的一种感温元件。 这种传感器输出线性好、精度高,而且可以把传感器驱动电路、信号处理电路等,与温度传感器部分集成在同一硅片上,体积小,使用方便,应用比较广泛的有AD590等。 IC温度传感器在微型计算机控制系统中,通常用于室温或环境温度的检测,以便微型计算机对温度测量值进行补偿。 方案四: 半导体集成数字温度传感器 随着科学技术的不断进步和发展,新型温度传感器的种类繁多,应用逐渐广泛,并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式、多总线式发展。 数字温度传感器,更因适合与各种微处理器的I/O接口相连接,组成自动温度控制系统,这种系统克服了模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端,被广泛应用于工业控制、电子测温、医疗仪器等各种温度控制系统中,数字温度传感器中比较有代表性的有DS18B20等。 PT100与AD590都不能与单片机的I/O口直接相连,需要设计信号调理电路,A/D转换电路。 而DS18B20是数字温度传感器,并且采用单总线技术,使该传感器不但可以直接与单片机I/O口相连,并且只需要一个I/O就可以连接多个温度传感器,实现多点温度测量与控制。 所以使用数字温度传感器DS18B20不但可以节约
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