1、长 春 工 业 大 学毕业设计、毕业论文题 目 电阻加热炉温度控制系统 学 院 人文信息学院 专业班级 电气工程及其自动化 070922 班 指导教师 王 霆 姓 名 刘塞北 2011 年 6 月 3 日长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）I摘 要如今电阻炉被广泛应用于各大工业领域，通过单片机的实时控温来提高劳动生产效率和产品质量，同时对节能环保也有着重大意义。本此设计的核心处理器为 AT89C2051 单片机，用其对电阻炉温度进行检测和控制。选择了 K 型热电偶作为金属传感器，其优点是精度高成本低，并选择串行EPROM 24C01 来存储测量数据和调控参数，这样就确保断电后数据仍能被保存
2、。检测信号经运算放大器放大后进入多路开关，多路开关轮流检测 3 个通道的温度信号后轮流输出给 A/D 转换器，最后将电压信号转变为频率信号传输给单片机进行处理。控制方式则为调功控制，通过使用光耦合双向可控硅对双向导通晶闸管的导通百分比进行控制，进而对电阻丝的功率进行调节。在键盘上输入预设温度后，单片机通过控制双向导通晶闸管的导通百分比对电阻丝的功率进行调节，使温度控制在预设值，同时在 LED 显示屏上显示当前炉内温度。关键词：AT89C2051 频率 转换 调整长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）IIAbstractNow resistance heater is widely used
3、in each industrial fields. Microcontroller is used to control temperature to improve production efficiency and product quality，and it is important to the energy conservation and environmental protectionThe design of the core processor as AT89C2051 microcontroller，with its to there sistance furnace t
4、emperature testing and controlChoose K type thermocouple as metal sensor，its advantage is low cost， high precision and choose 24C01 EPROM serial to storage measurement data and control parameters，thus ensure after power failure data can still be saved. Detection signal amplifier amplification by ent
5、ering multiple switch after, multi-channel switch turns detection three channels temperature signal after take turns output to A/D converter, finally the voltage signal into frequency signal transmission give microcontroller to undertake handling. Control mode is adjustable power control, through th
6、e use of optical coupling bidirectional thyristor of double guide the thyristor controlled conduction percentage, and the power of resistance wire adjusted. On the keyboard input preset temperature, SCM through control double guide the thyristor conduction percentage of power of resistance wire on t
7、he adjustment, make temperature control in default, while in the LED display on display the current inside-heater temperature.长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）IIIKeywords：AT89C2051 frequency convert adjust目 录第 1 章 概 述 .11.1 电阻加热炉自动控温系统的研究背景及意义 .11.2 目前国内外研究现状 .11.3 论文研究的主要内容 .2第 2 章 方案论证 .32.1 系统设计要求 .32.2 系统方案论
8、证 .32.2.1 模数转换器的选择论证 .42.2.2 温度检测的选择论证 .52.2.3 存储器扩展电路的选择论证 .62.2.4 键盘的选择论证 .82.2.5 输出控制电路的选择论证 .82.2.6 显示器的选择论证 .9第 3 章 系统硬件设计 .113.1 控制单元的设计 .113.2 模数转换电路的设计 .123.3 温度检测电路的设计 .143.4 存储器扩展电路的设计 .153.5 显示电路的设计 .163.6 键盘电路的设计 .183.7 输出控制电路的设计 .193.8 电源电路的设计 .21第 4 章 系统软件设计 .23长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）IV4.
9、1 温度检测流程图 .234.2 软件的主程序流程图 .244.3 输入输出程序流程图 .254.4 调功程序流程图 .254.5 温度显示流程图 .26第 5 章 控制算法及滤波 .275.1 数学建模与控制算法 .275.1.1 数学建模 .275.1.2 控制算法 .285.2 数字滤波 .305.2.1 数字滤波的介绍 .305.2.2 数字滤波的设计 .30总 结 .32致 谢 .33参考文献 .34附录 1：电阻式锅炉的自动控温系统原理图 .35附录 2：电阻式锅炉的自动控温系统程序清单 .36长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）1第 1 章 概 述1.1 电阻加热炉自动控温系
10、统的研究背景及意义温度是科学实验和生产过程中十分普遍但又非常重要的物理参数。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，其中温度控制占有相当大的比例。同时有效且准确地控制温度是优质、低耗、高产和安全生产的重要条件。如电力工业的锅炉、冶金工业的电阻加热炉、化学工业的反应炉等设备，通过对温度的控制与调节，才能确保产品的质量及产量；而在日常生活中，电热水器、微波炉、空调等常用电器也同样需要对温度进行控制与调节。由此可见，温度控制在工业生产和日常生活的各个领域都有着广泛的应用，所以对温度控制进行研究是非常有意义的。但由于温度控制设备惯
11、性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等自身特点，并且传统的 PID 控制由于其参数恒定，不能及时跟踪对象特性变化，造成控制系统性能不佳。本文根据这一特点，把常规 PID 控制、模糊控制及自学习功能结合起来，构成了一种 PID 控制器。并将此方案运用于对电阻炉温度进行控制，达到调节时间短、响应速度快且稳态误差在 的技术要求。这对日常生活1中的设备来说足够了，但对精度要求很高的军事和工业来说就不够了。1.2 目前国内外研究现状目前我国电阻热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段，近几年随着工业的不断发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因此热处理技术朝着高效、节能的方向发展。电阻炉是
12、热处理中使用最广的加热设备，这样温度的测量和控制就成为关键性技术，这样便促使人们更加积极地研究热加工的控制方长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）2法。虽然我国也在不断进行电阻炉控制系统的研究，但与国外相比还是比较落后。系统的控制精度靠试验者来调节，系统设置随着环境的变化而变化，同时仪表控制参数需要由人工选择，这样就会导致费时、费力、且不准确。因此，导致工作强度大、劳动效率低、产品质量低，这些都影响着企业的发展。温度控制一直以来都是人们研究的主要方向，但都未取得好的控制效果。最初电阻炉的发热体为电阻丝，传统方法大多采用仪表测温，并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率。如今，随着微机
13、技术不断发展，微型计算机已经广泛应用于温度控制。因此能够确保生产正常进行，减轻工人劳动强度，提高产品的质量和数量以及节约了能源，并且能使温度按照制定规律变化。这不但对用户有着很大的意义，而且对整个社会都有着重大的意义。1.3 论文研究的主要内容本设计是以单片机为核心控制温度的控制系统，采用 K 型热电偶传感器作为温度传感器,在温度相应变化时与设定值相比较，然后矫正，得到我们希望的值。这次设计主要做的是硬件电路的设计和软件的编程，用计算机对温度进行控制，同时采用 PID 算法使系统获得较好的性能指标。总共将系统分为四部分：A/D 转换、PID 控制、外部中断和单片机控制。长春工业大学人文信息学院
14、毕业设计（论文）3长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）4第 2 章 方案论证2.1 系统设计要求本次设计以电阻炉为研究对象，针对电阻炉的温度，主要对常规 PID 控制在电阻炉温度控制中的应用进行了研究。本文主要进行一下几方面的工作：1.对电阻炉温度控制系统的研究意义进行了论述，并对其国内外的发展及现状进行了简要说明。2.详细介绍了系统的硬件设计，包括硬件的组成及各功能子模块电路的设计。3.详细介绍了电阻炉温度控制系统软件整体设计方案，以及各个子模块的软件实现。4.研究了适合该控温系统的几种 PID 控制算法。5.完成了系统的软硬件调试及运行工作。2.2 系统方案论证整个电阻炉温度控制系统由
15、单片机控制系统、温度变送器、可控硅输出部分、AD 模数转换和被控对象组成。系统工作时，由温度传感器检测温度后转换成电流信号，经过集成运算放大器放大至 0-5V 的电压信号，再通过 AD 模数转换装置转变成供单片机接受的数字信号，将此信号与温度设定值相比较，计算温度偏差e 和温度的变化率，然后通过 PID 运算得到控制量 u，最后控制可控硅输出部分来调节电阻炉的输出功率，即控制电阻炉电压的通断时间，最终达到控温目的。系统原理图如图 2-1 所示。长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）5存储器键盘显示器单片机可控硅A / D 转换器 温度变送器电阻炉图 2-1 电阻炉温度控制系统原理框图2.2.
16、1 模数转换器的选择论证1.高性能模数转换器 ADS8412ADS8412 是德州仪器公司推出的一款 2Msps 采样速率的 16 位逐次逼近（SAR）模数转换器。采用 P8/P16 并行输出，带有内部时钟和基准电压源，无丢失码，2MHz 采样频率时的功率为 175mW，SNR 为 90dB。ADS8412 是单极单端输入范围，有 16 位和 8 位可选择接口，零等待时间，高速并行接口，8 位、16 位总线传输，48 引脚 TQFP 封装，所有输入端 ESD 保护电压达 1000V，可用在 DWDM、仪表、告诉分辨率零等待数据采集系统、传感器接口、医疗器械及通信领域。ADS8412 的主要工作性能如下：（1）2MHz 采样频率；（2）高温下 16 位无失真输出特性；（3）零等待时间；（4）内置基准源，提供 4.09V 参考电压；（5）高速并行接口；（6）输入端 ESD 保护电压达 1000V。2.MAX1032 模数转换器MAX1032 是 Maxim 公司最新推出的一种多通道、多量程、低功耗、分辨率为
