1、本科生毕业设计单片机电加热炉的温度控制系统 院系名称姓名学号专业指导教师年4月15日 摘要随着科学技术与经济的发展，热处理在工业生产中占有越来越重要的地位。已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，然而，电加热炉是热处理生产中应用最广的加热设备。针对电加热炉的非线性、时变形和时滞性等影响，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。本文采用AT89S52单片机为核心控制器件，实现对电加热炉的温度控制。关键词：电加热炉；单片机；控温系统；人机界面Abstract With the development of science and technology and economy,
2、 the status of heat treatment plays a more and more important in industrial production. In metallurgy, chemical. In metallurgy, chemical, machinery and other kinds of industrial control has been widely used, however, the electric heater is a heating equipment for heat treatment is most widely used i
3、n the production of. Effect of electric heating furnace based on the nonlinear, time distortion and time delay, so the traditional control theory and method is very difficult to achieve good control effect. This paper uses AT89S52 microcontroller as the core control device, the electric heating furn
4、ace temperature control.Keywords: electric heating furnace; SCM; temperature control system; man-machine interface目录 1引言12电加热炉的温度控制的硬件结构的设计22.1单片机的选取22.2 热电偶的选择32.3A/D转换器42.3.1 ADC的类型42.3.2 ADC内部逻辑结构图52.3.3 ADC工作原理62.4 低漂移毫伏放大器的选取62.5固态继电器的选取72.5.1固态继电器的概念72.5.2 固态继电器的分类72.5.3固态继电器的工作原理73电加热炉的温度控制系统
5、电路93.1声光报警电路93.2键盘和显示接口技术93.2.1键盘接口技术93.2.2 显示接口技术103.3飞升曲线法实测电加热炉参数103.4人机界面113.4.1人机界面（HMI）产品的组成及工作原理113.4.2 人机界面的使用方法124软件程序结构设计135抗干扰措施146结束语15参考文献16致谢17III 1引言 传统的以普通的双向晶闸管控制电加热炉的高温的系统来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度变化的目的。根据实验表明这种传统的控制方式会产生相当大的干扰，给电力系统造成一定的危害。利用单片机、温度传感器、加热丝和A/D转换芯片来实现的控制系统，能够避免一定的危害。其中本系统
6、设计主要的特点就是升温均匀、精确，升温曲线具有线性等。本系统由AT89S52单片机、温度检测电路、功率控制电路、键盘显示电路和声光报警电路等组成。系统电路框图如图1-1。 图1-1 系统电路框图2电加热炉的温度控制的硬件结构的设计在对温度系统进行控制时，传感器是对温度测量的主要载体，利用传感器将温度信息传输到放大电路，将其转换到毫伏级电压信号后，将相应的弱电压信号逐渐放大到单片机可以处理的可控范围之内，再通过 A/D 转换器将电压信号转变成数字信号输出到主机中。在利用单片机对信号进行采集的过程中，为了有效地提高测量精度，在采样时同时要对信号实现过滤。与此同时，经数字滤波的信号就会转变为对应的标
7、度，从而将温度指数显示在LED 屏上。另一方面，将采集的温度信号可以和提前设定好的温度值比较，按照积分分离中的 PID 算法对两者之间的偏差进行分析，从而算出最后的输出控制量。之后利用输出控制量来对导通时间以及加热功率进行确定，最终实现对温度环境调节的目的。在对温度控制系统进行设计的过程中，设计的目的是为了对温度进行实时、准确地控制，以便解决工业生产中对温度无法实现控制的难题。针对这种状况，温度值显示可以采用十进制的数码来实现，从而方便人们对温度进行监测。同时，提前输入人工设定的温度范围，以便当温度超出控制范围时，系统可以自动启动系统调节功能，保持温度稳定，实现自动控温的目的。2.1单片机的选
8、取单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多
9、嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式：（1）空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。（2）掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。因此，采用AT89S52单片机为核心控制部件。AT89S52单片机的引脚图如图2-
10、1 图2-1 单片机的引脚图2.2 热电偶的选择 热电偶是温度传感器，对它的选择将直接影响检测误差的大小。热电偶的种类：（1）S型热电偶单铂铑（铂铑10-铂铑）热电偶为贵金属热电偶。S型电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性，测温范围宽，使用寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。S型热电偶不足之处是热电势，热电势较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。（2）K型热电偶(镍铬-镍热电偶)是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。它具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定
11、性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。它不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。（3）N型热电偶（镍铬硅-镍热电偶）为金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶，它具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶.由此三者对比可知，采集温度信号只需要一路采集炉温，金属热处理的最高要求温度为1000。由于热电偶测温范围广（-1001300）,且测量精度高，结构简单，热惰性小，输出为电信号便于事先远距离传送
12、和集中检测、自动控制，K 型有较好的温度热电势的线性度，但它不适宜于长时间在高温区适用；S 型有高的精度，但温度-热电势的线性度较差，所以N型热电偶是最佳的选择。2.3A/D转换器 A/D 转换器即模数转换器，或简称 ADC，通常是指一个将模拟信号转为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。 模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数
13、的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。2.3.1 ADC的类型a.积分型（如TLC7135）积分型AD工作原理是将输入电压转换成脉冲宽度信号或频率信号(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型。b.逐次比较型（如TLC0831）逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等
14、。其优点是速度较高、功耗低，在低精度（12位）时价格很高。c.逐次逼近式（ICL7107） 逐次逼近式可以和单片机直接接口。ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含数字A/D转换3 1/2位器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零等。其引脚图如图1-2 。因此本系统中A/D 转换芯片采用逐次逼近式ADC0809，其转换精度是1/256。若电加热炉工作温度是 256，则在（0256）范围 A/D 的转换精度为 256 /2561 / bit，即一个数字量表示 1，这显然不能满足控制精度为0.5要求。为了提高控制精度，可以选用更高位的 A/D 转换器，如 10 位、12位、16 位 A/D 转换器，其控制精度均能满足要求。然而根据实际需要温度控制情况，也可以通过具有零点迁移和冷端补偿功能的温度变送桥路，缩小测温的范围，如炉温升到 98后要求温度维持 98基本不变，那就可以将测温范围缩小为（0128）、（128256），从而使理论设计控温精度达到0.5 。 图2-3 ADC0809内部逻辑结构图 图2-2ADC0809引脚图2.3.2 ADC内部逻辑结构图 ADC0809内部逻辑结构图2-3中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/
