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哈尔滨理工大学课程设计报告项目名称：工业管式电炉的炉温控制系统设计所属课程：计算机控制设计日期：2012.9.7班级测控09-1班学号09号姓名刘继红指导教师成绩电气与信息工程学院工业管式电炉的炉温控制系统设计摘要电阻炉作为工业炉窑中的一种常用加热设备被广泛应用于工业生产中。对电阻炉温度控制精确与否将直接影响到产品的质量和生产效率。电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。本文将PID控制算法引入到传统的电阻炉控制系统中，借此提高其控制效果。设计一个控制精度高、运行稳定的电阻炉温度控制系统是很有必要的。本设计是以电阻炉为被控对象，单片机为核心设计的一种控制系统。其中以K型热电偶作为温度传感器，AT89S52单片机为控制核心，PID运算规律作为控制算法。文中详细介绍了该控制系统的硬件电路设计、软件设计及PID控制算法。在对电阻炉温度控制系统的研究之后，本设计主要完成温度控制系统的总体方案设计、硬件原理图的绘制、信号调理电路的设计、固态继电器的应用及温度控制电路的设计同时也完成了系统程序设计，并通过软件完成了对温度的控制功能。关键词：电阻炉、温度控制、PID算法、单片机AbstractResistancefurnacewaswidelyusedinindustrialproduction,theeffectofthetemperaturecontrolofResistancefurnacehasadirectimpactonproductqualityandproductivity.Therefore,thedesignofahigh-precisioncontrolandstableoperationoftheresistancefurnacetemperaturecontrolsystemhasahighapplicationvalue.Inthisdesign,theresistancefurnaceasacontrolledobject,microcontrollerasthedesignofacontrolunit.WhichtypeofthermocoupletemperaturesensorasK,AT89S52microcontrollerascontrolcoreandPIDcontrolalgorithmforoperationrule.Thispaperintroducesthecontrolsystemofthehardwarecircuitdesign,softwaredesignandthePIDcontrolalgorithm.Ontheresistancefurnacetemperaturecontrolsystem,thedesignofthemaincompletedtheoverallschemeofthetemperaturecontrolsystemdesign,hardwarecircuitprinciplediagram,thesignalofcircuit,theapplicationofsolidstaterelaysandtemperaturecontrolcircuitdesignoftheamdesign,throughthesoftwarecontroltocompletethefunctionoftemperaturecontrol.Keywords:resistancefurnace;temperaturecontrol;PIDcontrol;microcomputer一、任务要求1、有按键输入，输入各种参数：开始工作；停止工作；打印温度曲线；PID参数；报警参数；设定温度；2、有显示功能，显示相关数据：设定温度；当前温度；温度曲线；PID参数；打印周期；报警参数；3、报警功能：温度超过或低于设定值的一定范围时，要有灯光报警和继电器结点输出，报警的上下限用户可以修改。4、具有打印功能：能够打印某个时间段（最多24小时）的温度曲线。5、实时时钟功能：具有一个实时时钟，在系统断电后仍然可以保持时钟的运行。二、总体方案设计电阻炉温度控制系统是以单片机为核心实现的电阻炉温度控制器，因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。电阻炉温度控制器以PID温度控制器为主要控制算法。但是，常规PID温度控制器必须由工程人员根据经验，手动进行PID参数的调节。这对于需要经常对PID参数进行调整的用户十分不方便，限制了控制器的应用。基于单片机电阻炉温度控制仪器硬件部分主要由单片机主控模块、前向通道模块、后向通道模块、人机接口模块和接口扩展模块等组成。本温度控制系统以AT89S52单片机为核心，键盘输入、显示、打印、实时时钟和超温报警装置等外围电路实现的。电炉的温度由K型热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压-电流变换后以4~20mA的标准信号形式传送出去，接收端的I/V变换及放大电路将4~20mA的标准信号变换放大至0-5V电压，再经有源低通滤波器滤波后，由A/D转换器转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度变换后，一方面将电炉温度经人机面板上的LCD显示出来，另一方面将该温度值与被控制值(由键盘输入的设定温度值)进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制算法进行运算，最后用PWM调功方式，控制固态继电器在控制周期内的通断占空比，(即控制电阻炉平均功率的大小),进而达到对电炉温度进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围，单片机就会向报警装置发出指令，从而进行超温报警。根据温度控制仪表的工作原理，简单描述电阻炉控制系统的模型，可得本系统的模型图如图1所示。电阻炉炉温控制广泛的应用于工业生产中，在生产过程中起着至关重要的作用，它的精确度和灵敏度直接影响工业生产过程中的产品质量。究其原理基本都基于下述原理。本设计所完成的电阻炉温度控制系统由以下几部分组成AT89S52单片机、被控对象即电图1阻炉、K型热电偶、放大电路、固态继电器、微型打印机、实时时钟、人机接口（键盘和显示部分），为了提高控制精度及显示的精确性本设计还设置了报警部分和冷端补偿硬件。其系统框图如下图2所示图2系统框图本设计主要以AT89S52单片机为核心部件，外加固态继电器电路及其驱动程序等成。由K型热电偶、运算放大电路等构成温度检测通道；由固态继电器电路构成输出控制通道。工作时，利用K型热电偶测得电阻炉的实际温度并经过冷端温度补偿和放大电路，转换成0-5V电压信号，该电压信号直接与ADC0832的CH0引脚相连接，转换成与炉温相对应的数字信号，经单片机进行数据处理后，通过LCD将温度显示，同时该温度与其设定值比较，根据选定的PID算法计算出控制量，根据控制量来控制固态继电器的导通和关闭，从而控制电阻丝的导通时间以及电阻炉的平均输入功率，以实现对电阻炉炉温的控制。单片机以其价格低廉完全可以满足生产要求的优点被广泛的应用于工业生产当中，本设计正是基于单片机的这些优点而设计的一款温度控制器。三、硬件电路设计1、温度检测电路由于本设计所测量的温度是电阻炉温，测量值较大，测温范围大致在100~800度左右，因此本设计选用K型热电偶，（镍铬-镍硅）作为温度检测元件，它可长期使用用于0~1300℃范围内，正好符合本设计要求。它是一种使用面十分广泛的廉价金属热电偶，热电丝直径一般为1.2—2.5mm。它具有线性度好、测温范围适中、输出电动势大、价格便宜等特点。由于热电极材料具有较好的高温抗氧化性，可在氧化性或中性介质中长时间地测量1000℃以下的温度。因为K型热电偶具有复现性好、产生的热电势大、而且线性好、价格便宜等优点声光报警电路AT89S52温度检测与放大电路A/D转换电路复位电路时钟电路下载口电路液晶显示电路实时时钟电路电源电路键盘电路A/D转换电路打印电路虽然测量精度偏低，但完全能满足一般工业测量要求。热电偶的工作原理是热电效应，即两种不同的导体(或半导体)A、B组成闭合回路时(如图3.1所示)，当A、B相连接的两个接点温度不同时，即tt0时，则在回路中产生一个热电势EAB℃(t,t0)。这两种不同导体(或半导体)的组合称为热电偶，每根单独的导体(或半导体)称为热电极，两个接点中一端称为工作端(也叫测量端和热端)，如图3中左端t，另一端称为自由端(冷端)，如图3中的t0端。热电偶产生的热电势只与t，t0有关。只有当冷端温度t0恒定时才能通过测量热电势的大小得到冷端温度。然而在实际测温中，冷端所对应的热电势要随冷端温度，环境温度的变化而变化。如果不进行冷端温度补偿就会使测量值与实际值产生较大的误差。所以对冷端温度补偿是非常有必要的。热电偶冷端温度补偿的方法有硬件补偿法和软件补偿法。硬件补偿法常用的有补偿导线法、热电偶冷端温度恒温法、计算修正法、冷端补偿电桥法。其优点是速度快、外围电路简单、不需要调整、成本低。2、放大电路由于传感器所测量的信号均是微弱的信号不能直接送给ADC0832进行AD转换,必须进行放大后再进行AD转换。当然热电偶的测量信号也是很微弱的信号,它是mv级的信号也不能直接送给ADC0832进行处理,必须经过放大后才可进行处理。为了很好的完成处理就必须加一个放大电路。较典型的测量放大电路有同相放大电路、反相放大电路、差动放大电路、高共模抑制比放大电路、电桥放大电路、低漂移、高输入放大电路、电荷放大电路、增益调整放大电路。高共模抑制比放大电路有可分为双运放高共模抑制比放大电路和三运放高共模抑制比放大电路。在实际中常用到三运放高共模抑制比放大电路,在实际应用中三运放放大电路如图4。该放大电路的优点,当T1和T2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模电压有关而其共模输出、失调即漂移均在W1两端相互抵消，因此具有良好的共模抑制能力，同时不要求外部电阻匹配。各个引脚含义如下：+INP、-INP为输入信号端，可以接热电偶输出信号或其它传感器输出的毫伏信号，经E1、C1滤波以消除高频干扰，W1为放大电路的调零电位器，W2为放大电路的调满电位器，可根据需要将放大电路的输出电压+V、-V调至2V或5V，该电路具有高输入阻抗和高共模抑制比的特点，差动输入，差动输出，调零和调满相互独立，互不干扰。这样既可减少电路调节的工作量，又可提高调节精度。在具体应用时，放大器选用具有低温漂、低失调电压、低偏置电流的，考虑到5V的电压输出，放大器的电源采用±8V，W1、W2选用精密多圈电位器，电阻也精心挑选，特别是R3、R4、R6、R7要一致，以确保高共模抑制比。下图中个参数均为经验值。图312P1热电偶E122uFC10.1uFR110KR210K123W110kR3100KR4100K23647185AR1OP07R6100KR5300K123W2100kR7100K23647185AR2OP0723647185AR3OP07CH0+5+5+5-5-5-5-INP+INP-V+V图4放大电路3、AD转换电路本系统要求控制精度为2%,因此采用8位的AD转换器基本可以满足要求，本系统采用的是ADC0832，由于单片机引脚不够用，ADC0832是接在扩展的I\O口上，如下图5所示。CS1CH02CH13GND4DI5DO6CLK7VCC8U8ADC0832CCNCH0GND+5PC5PC6PC7图5ADC0832引脚图在正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CL