1、装订线I加热炉温度控制系统设计摘要 加热炉温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械等各类工业控制中，并且在国民经济中占有举足轻重的地位，本文介绍了一种基于单片机的加热炉温度控制系统。本系统以单片机 AT89C51 为核心，由温度检测、变送及转换电路、控制电路、显示电路、键盘电路、报警电路等组成。本系统通过热电偶温度传感器对温度进行实时检测、变送并通过 A/D 转换电路转换为数字信号送给单片机，单片机对温度数据进行数字处理并进行 PID 运算计算出控制量，来改变固态继电器的导通和关断的时间，从而改变加热功率实现对温度控制。其中键盘电路可以对温度进行预设；显示电路可以显示当前温度，直观易懂，让人一目
2、了然；当炉内温度过高或过低时，将会进行声光报警。该系统硬件成本低，控温精度较高，可靠性好，抗干扰，具有适合企业大规模生产的产品实用性。关键词 加热炉； AT89C51； PID控制； 温度控制装订线IIThe Design of The Heating Furnace Temperature Control SystemAbstract The heating furnace temperature control system is widely used in metallurgy, chemical industry, machinery and other kinds of indus
3、trial control, and has play a decisive role in the national economy status, this paper introduces a kind of furnace temperature control system based on SCM.The AT89C51 microcontroller system as the core, by the temperature detection, transmission and conversion circuit, control circuit, display circ
4、uit, keyboard circuit, alarm circuit. The system through the thermocouple temperature sensor for temperature in real-time detection, transmission and conversion through the A/D is converted to a digital signal to the microcontroller, microcontroller for digital processing of temperature data and PID
5、 operations to calculate the control quantity, to change the solid state relay turn-on and turn-off time, thus changing the heating power of the temperature control. The keyboard circuit may be preset temperature; display circuit can display the current temperature, intuitive and easy to understand,
6、 let people stick out a mile; when the furnace temperature is too high or too low, will alarm.The hardware of this system is low cost, high temperature control accuracy, good reliability,anti-interference, which is suitable for the product is practical for large-scale production enterprises.Keyword
7、Heating furnace； AT89C51； PID control； Temperature controli装订线目 录第 1 章 前言 .11.1 本课题的研究目的和意义 .11.2 本课题的国内外研究现状 .11.3 本课 题 的 主 要 内 容 及 要 求 .2第 2 章 总体方案设计 .32.1 方案论证 .32.2 方案设计 .3第 3 章 系统硬件设计 .53.1 单片机部分 .53.1.1 AT89C51 简介 .53.1.2 晶振电路 .73.1.3 复位电路 .73.2 温度检测及变送电路 .83.3 A/D 模数转换电路 .93.4 控制电路 .123.5 键盘显
8、示电路 .143.5.1 键盘电路 .143.5.2 LED 显示电路 .143.6 报警电路 .16第 4 章 控制算法设计 .18第 5 章 系统软件设计 .215.1 系统流程图 .215.2 程序清单 .23第 6 章 总结 .30致谢 .31参考文献 .32共 32 页 第 1 页装订线第 1 章 前言1.1 本课题的研究目的和意义温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中为了高效地进行生产必须对生产工艺过程中的主要参数如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生
9、产的重要条件。如冶金工业的加热炉、电力工业的锅炉、化学工业的反应炉等设备通过对温度的监控保证产品的质量5。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。随着社会的发展， 加热炉温度控制系在统冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等领域中都有着极为重要的作用。各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等的要求也越来越高。为了生产的安全，高效率与自动化人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制等等 3。因此一个低成本且拥有较高的高精度，高稳定性的温度控制系统对工业生产有着极其重要的意义。加热炉被广泛应用于工业生产和科学
10、研究中。由于这类对象使用方便，可以通过调节输出功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。1.2 本课题的国内外研究现状加热炉温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位 3。加热炉炉温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对加热炉温度控制精度要求的不断提高，加热炉温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于 PLC 的温度控制系统，基于工控机(IPC)的温度
11、控制系统，集散型温度控制系统（DCS） ，现场总线控制系统（FCS）等。随着新技术的不断开发与应用 1，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。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。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛 5，但从国内生产的温共 32 页 第 2 页装订线度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，
12、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。PID 调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。PID 控制结合了人的思维和经验，是一种用机器语言实现的同时有模拟人的思维进行判断推理来控制被控对象的智能方法。它具有高度的非线性，能使目标系统达
13、到非常好的控制效果，同时与其它控制方式进行比较具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID 控制器是一种最优控制。PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，所以本系统采用 PID 控制算法。随着微机控制技术的发展，用微机构成构成计算机控制系统，具有较高的可行性和经济价值 2。但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统，且大多硬件均是国外进口的，投资成本很高。因此，本课题以实验室加热炉为研究对
14、象，以单片机为主要硬件平台，编制基于智能化的温控软件，开发一种适合我国国情的、面向广大中小型企业、低成本、高性能的电阻炉温度控制系统，以提高控制精度，达到控制要求，从而提高企业效益。1.3 本课 题 的 主 要 内 容 及 要 求利 用 微 机 控 制 系 统 完 成 同 时 对 两 路 电 阻 炉 温 度 的 检 测 、 处 理 以 及 数 字 控 制 计算 ， 根 据 数 据 结 果 或 进 行 相 应 的 处 理 或 改 变 加 热 功 率 ， 达 到 控 制 温 度 的 目 的 。 要求 如 下 ：（ 1） 现 场 温 度 值 可 处 理 ， 同 时 处 理 两 个 电 阻 炉 ；（
15、2） 温 度 给 定 值 为 400 1000 ；（ 3） 系 统 有 必 要 的 保 护 和 报 警 ；（ 4） 温 度 值 要 有 显 示 ；（ 5） 误 差 范 围 3 。共 32 页 第 3 页装订线第 2 章 总体方案设计2.1 方案论证（1）单片机与 PLC 控制的比较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。而 PLC 比单片机“大” ，即“体积大” 、 “功能完善” 。但实际上，PLC 内部使用的单片机芯片一般都是工业级的，而且其它构成元件也都经过了标准化处理，所以PLC 的稳
16、定性和抗干扰性要远远优于普通的民用级单片机芯片。正因为 PLC 比单片机“大” ，所以价格昂贵。同样的任务用单片机与 PLC 都能完成，显然采用 PLC 方案会增加控制系统的成本。而体积大有时也会限制 PLC 的应用，所以本次课程设计选择单片机作为核心控制。（2）控制算法的确定PID 调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的 PID 调节，而且可以根据系统的要求采用各种 PID 的变型，如 PI、PD 控制及改进的 PID 控制等。具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型
17、对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，所以该系统采用 PID 控制算法。2.2 方案设计本课题拟采用以 AT89C51 为核心，所设计的温度控制主要由单片机、温度检测及变送模块、温度控制模块、温度显示模块、按键设定模块、报警模块等五部分组成。其中温度检测及变送电路主要有热电偶传感器和运算放大器等组成;温度控制电路采用固态继电器 SSR-40DA;温 度 显 示 电 路 采 用 LED 显 示 器 （ 数 码 管 ） ;报 警 电路 采 用 声 光 报 警 。温度
18、检测电路采用了热电偶温度传感器，对温度进行实时采样并将模拟信号转换成数字信号返回给单片机。系统可通过键盘对电阻炉温度进行预设，单片机根据当前炉内监测和处理后的温度和预设温度进行比较结果，在进行 PID 运算，并由此控制固态继电器的导通和关断来调节电热丝的加热功率，当炉内温度过高与过低的共 32 页 第 4 页装订线时，蜂鸣器将进行报警，从而使炉内温度迅速达到预设值并保持恒定。系统通过显示电路来显示当前温度，直观易懂，让人一目了然。系统结构框图如图 2-1 所示图 2-1 系统结构框图显 示 电 路报 警 电 路键 盘 电 路 单片机A/D转 换 器 1 炉 温 度 检 测及 变 送 电 路2#
19、炉 温 度 控 制 电路 2#加 热 炉AT89C51 2#炉 温 度 检 测 及变 送 电 路1#加 热 炉1#炉 温 度 控 制 电路共 32 页 第 5 页装订线第 3 章 系统硬件设计3.1 单片机部分单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、 只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。3.1.1 AT89C51 简介硬件的设计和实现图 3-1 AT89C51 系列
20、基本组成及特性。AT89C51 是一种带 4K字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C51 是一种带 2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。图 3-1 AT89C51 引脚图管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P0口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在 F
21、IASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须接上拉电阻。 P1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.56P1.67 P1.78RST9T014 T115PSEN29EA31 RXD10TXD11INT012Vss20Vcc 40P0.0 39P0.1 38P0.2 37P0.3 36P0.4 35P0.5 34P0.6 33P0.7 32P2.0 21P2.1 22P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.6 27P2.7 28RD 17WD 16INT1 13ALE 30XTAL119 XTA
22、L218共 32 页 第 6 页装订线P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为低八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于
23、外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。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 AT89C51 的一些特殊功能口，口管脚备选功能：P3.0 RXD（串行输入口） ，
24、P3.1 TXD（串行输出口） ，P3.2 /INT0（外部中断 0） ，P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） ，P3.5 T1（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低位字节。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
25、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指期间，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（0000H-F
26、FFFH） ，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） 。 共 32 页 第 7 页装订线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，
27、但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.1.2 晶振电路晶振电路晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分成有源晶振和无源晶振两个大类，无源晶振需要芯片内部有振荡器，并且晶振的信号电压根据起振电路而定，允许不同的电压，但无源晶振通常信号质量和精度较差，需要精确匹配外围电路（电感、电容、电阻等） ，如需更换晶振时要同时更换外围的电路。有源晶振不需要芯片的内部振荡器，可以提供高精度的频率基准，信号质量也较无源晶振要好。如下图 18 口接单片机的 XTAL2 口，19 口接单片机的 XTAL1 口,在 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器电，并产震荡时钟，为
28、单片机提供稳定的时钟。而且单片机每条指令的运行都是严格按照机器周期来执行的，机器周期就是由晶振电路（如图 3-2）提供的。容器 C2 和 C3 通常取值为 30PF，对振荡频率输出的稳定性、大小及起振速度有少许影响。本电路采用 12M 晶振发生器。图 3-2 晶振电路3.1.3 复位电路单片机复位电路（如图 3-3）就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。C 23 0 p FC 33 0 p FY 11 1 .0 5 9 2 MX T A L 2X T A L 1
