电炉温度控制系统的设计

电炉温度控制系统的设计摘要：自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。关键词：电炉温度控制系统设计一、前言自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。本设计要求用单片机设计一个电炉温度控制系统。二、电炉温度控制系统的特性温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图1所示。被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器，其具体的电路图如图2所示。执行器的特性：电炉的温度调节是通过调节剂(供电能源)的断续作用，改变电炉丝闭合时间Tb与断开时间Tk的比值α,α=Tb/Tk。调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期Tc内导通的电压周波。如图3所示，设周期Tc内导通的周期的波数为n，每个周波的周期为T，则调功器的输出功率为P=n×T×Pn/Tc，Pn为设定周期Tc内电压全通过时装置的输出功率。三、电炉的电加热原理当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：Q＝0．2412RtQ—热能，卡；I一电流，安9R一电阻，欧姆，t一时间，秒。按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。在电热技术上按l千瓦小时＝860千卡计算。电炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地用来加热指定的工件，并保持高的效率。四、电炉加热方式的分类电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。五、电炉控制系统的硬件部分温度调节仪是控温系统的核心部分，采用单片机控制，实现智能化，它主要由输入通道、输出通道、人机对话通道以及一些外围电路组成，原理框图如图4所示。具体是由8031单片机、16K电擦写程序存贮器、键盘及显示器接口电路以及并形I/O芯片8255等组成。它把传感器送来的温度信号进行放大、比较、运算后，输出控制信号，触发执行装置，实现温度的自动控制，同时还实现多种温度传感器的转换、调零、调幅的软调整等功能。为了提高系统的抗干扰能力，温度传感器信号应采用屏蔽线单独接地，此外，对主机亦采用电磁屏蔽措施，以防止其它的电磁干扰。（1）8031芯片：MCS-51系列单片机是美国Intel公司开发的8位单片机，又可以分为多个子系列。MCS-51系列单片机共有40条引脚，包括32条I/O接口引脚、4条控制引脚、2条电源引脚、2条时钟引脚。引脚说明：P0.0～P0.7：P0口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为存储器扩展时的地址/数据复用口P1.0～P1.7：P1口8位口线，通用I/O接口无第二功能。P2.0～P2.7：P2口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为存储器扩展时传送高8位地址。P3.0～P3.7：P3口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为为单片机的控制信号。ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲输入信号线（输出信号）PSEN：片外程序存储器开发信号引脚（输出信号）。EA/Vpp：片外程序存储器使用信号引脚/编程电源输入引脚。RST/VPD：复位/备用电源引脚。（2）8255A芯片是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片,它具有3个8位的并行I/O口,具有三种工作方式,可通过程序改变其功能,因而使用灵活,通用性强,可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255有三种基本工作方式，三种工作方式由工作方式控制字决定,方式控制字由CPU通过输入/输出指令来提供.三个端口中PC口被分为两个部分,上半部分随PA口称为A组,下半部分随PB口称为B组.其中PA口可工作与方式0、1和2，而PB口只能工作在方式0和1。8255共有40个引脚,采用双列直插式封装,各引脚功能如下：D0--D7：三态双向数据线,与单片机数据总线连接,用来传送数据信息。CS：片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。RD：读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。WR：写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。Vcc：+5V电源。A0--PA7：A口输入/输出线。PB0--PB7：B口输入/输出线。PC0--PC7：C口输入/输出线。RESET：复位信号线。A1、A0：地址线，用来选择8255内部端口。GND：地线。（3）74LS373芯片74LS373是带有三态门的八D锁存器，当使能信号线OE为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q-8Q输出到OUT1-OUT8，当OE端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT1-OUT8处于浮空状态。G称为数据打入线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号OE为低电平，这时，当G端输入端为高电平时，锁存器输出（1Q-8Q）状态和输入端（1D-8D）状态相同；当G端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（1D-8D）的数据锁入1Q-8Q的八位锁存器中。当用74LS373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。引脚说明如下：D0～D7：锁存器8位数据输入线Q0～Q7：锁存器8位数据输出线GND：接地引脚Vcc：电源引脚，＋5V有效OE：片选信号引脚G：锁存控制信号输入引脚。（4）6116芯片6116是2K*8位静态随机存储器芯片,采用CMOS工艺制造,单一+5V供电,额定功耗160mW,典型存取时间200ns,24线双列直插式封装，其引脚功能说明如下：A0～A10：地址输入线O0～O7：双向三态数据线，有时用D0～D7表示：片选信号输入端，低电平有效：读选通信号输入线，低电平有效：写选通信号输入线，低电平有效Vcc：工作电源输入引脚，＋5VGND：线路地（5）2746芯片2764是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。各引脚的含义为：A0～A12：13根地址线，可寻址8K字节；：片选线；O0-O7：数据输出线；：为数据输出选通线；PGM：编程脉冲输入端；Vpp：编程电源；Vcc：主电源，一般为＋5V。GND：接地引脚（6）ADC0809转换器ADC0809是一种比较典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右，采用双排28引脚封装，其引脚说明如下：IN0～IN7：8路模拟量输入通；ADDA～ADDC：地址线用于选择模拟量输入通道；ALE：地址锁存允许信号；START：转换启动信号；D0～D7：数据输出线；OE：输出允许信号，低电平允许转换结果输出；CLOCK：时钟信号输入引脚，通常使用500KHz；EOC：转换结束信号，为0代表正在转换，1代表转换结束；Vcc：＋5V电压；VREF（＋）、VREF（－）：参考电压。（7）温度检测元件及变送器、ADC的选择温度检测元件及变送器的选择要考虑温度控制范围及精度要求。对于0~1000℃的测量范围，采用热电偶，如镍铬热电偶，分度号为EU，其输出信号为0~41.32mV，经毫伏变送器，输出0~10mA，然后再经过电流——电压变换电路转换为0~5V电压信号。为了提高测量精度，可将变送器进行零点迁移，例如温度测量范围改为400~1000℃，热电偶给出16.4~41.32mV时，使变送器输出0~10mV，这样使用8位A/D转换器，能使量化误差达到±2.34℃。（8）接口芯片的扩展由于本系统既要显示、报警、键盘输入，又要进行控制，所以系统在8031系统中扩展了一片8155，它有三个8位I/O口，256字节的RAM，可以作为外部数据存储器供系统使用，8031的P2.1接8155的CE，P2.0接8155的IO/M，当P2.1＝0，P2.0＝1时，选中8155片内的三个I/O端口，其口地址如下：0100H〖〗命令状态寄存器0101H〖A〗口0102H〖B〗口0103H〖C〗口或控制口寄存器0104H，计数值低八位0105H，计数值高八位和方式寄存器。当P2.2＝0时，选中ADC0809（允许启动各通道转换与读取相应的转换结果）。转换结束信号EOC经倒相后接至单片机的外部中断INT1（P3.3），当P3.3＝0时，说明转换结束。我们选用0通道作为输入，把0809视为一个地址为03F8H的外部数据存储单元，对其写数据时，8031的WR信号使ALE和START有效，将74LS373锁存的地址低三位存入0809，并启动ADC0809，D9EOC为低电平时，A/D转换正在进行，当EOC为高电平时，表示转换结束，8031可以读如转换好的数据。（9）温度控制电路温度控制电路采用晶闸管调功方式。双向晶闸管串在50Hz交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期里改变晶闸管开关的接通时间的脉冲信号即可。这可以用一条I/O线，通过程序输出控制脉冲。为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路。此电路输出对应于50Hz交流电压过零时刻的脉冲，作为触发双向晶闸管的同步脉冲，使晶闸管，在交流电压过零时刻导通。电压比较器LM311将50HZ正弦交流电压变成方波。方波上升沿和下降沿分别作为单稳态触发器的触发信号，单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合，就得到对应于220V市电过零时刻的同步脉冲。此脉冲一路作为触发同步脉冲加到温控电路，一路作为计数脉冲加到单片机8031的P3.4和P3.5输入端。六、电炉控制系统的软件部分系统软件采用中断方式编程，主要部分是时钟中断程序，主要由输入处理程序、控制算法程序、显示处理、输出处理和自诊断程序等组成，其流程图如图5所示。仪表通电启动后，初始化程序进行时间给定，每隔500ms时钟中断一次，中断后进入时钟中断处理。对于纯滞后，大惯性环节控制对象，一般采用积分分离PID控制算法。在一般的PID控制中，当系统有较大的扰动或设定值较大幅度提降时，由于偏差较大及系统存在惯性和滞后，在积分项的作用下，会产生较大的超调和长时间波动，在温度缓慢变化过程中这一现象尤为严重，为此采用积分分离措施，即在偏差较大时，取消积分作用，偏差较小时，才将积分作用投入。积分分离PID控制算法如下：七、炉温自动控制原理根据炉温对给定温度的偏差，自动接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定有给定温度范围，以满足热处理工艺的需要。温度自动控制常用调节规律有二位式、三位式、比例、比例积分和比例积分微分等几种。电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。按照偏差的比例、积分和微分产生控制作用（PID控制），是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。首先使T0计数器