电阻加热炉温度控制系统毕业论文.doc
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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53长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文)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。检测信号经运算放大器
2、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AbstractNow resistance heater is widely used in each industrial fields. Microcontrol
3、ler 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 temperature testing and controlChoose K
4、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 entering multiple switch after, multi-chan
5、nel 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 the use of optical coupling bidirectional
6、 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 the adjustment, make temperature control
7、 in default, while in the LED display on display the current inside-heater temperature.Keywords: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
8、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234.1 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
9、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)第1章 概 述1.1 电阻加热炉自动控温系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
10、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。这对日常生活中的设备来说足够了,但对精度要
11、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
12、。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
13、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。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
14、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。图2-1 电阻炉温度控制系统原理框图2.2.1 模数转换器的选择论证1.高性能模数转换器ADS84
15、12ADS8412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
16、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14位的串行输出模数转换器。该器件具有转换效率高、功耗低、接口方便等优点,特别适合在航空电子、数据采集、工业控制、多媒体、机器人等领域应用。MAX1032的工作特性如下:(1)输入通道:八个单端或四个差分模拟输入;(2)输入范围:由软件编程确定(每通道独立),单端输入范围为0V到+6V、-6V到0V、0V到+12V、-12V到0V、3V、6V及12V,差分输入范围为6V、12V及24V;(3)接口特性:数据和信号
17、接口电平与SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容,可以和供电电压为2.7V的据算计系统直接连接;(4)采样速率:115ksps;(5)基准电压:可采用内部基准,也可采用外部基准,基准电压范围为3.800V4.136V。3.LM331V/F转换器 V/F转换器能够把电压信号转换为频率信号,通过计算机处理再把频率信号转变为数字信号,由此完成了A/D模数转换。因为其接线简单,价格低廉,转换精度高等特点,所以经常用其代替A/D模数转换器。LM331就是其中一款由美国NS公司生产的性价比比较高的集成芯片。它是当前最简单的一种高精度V/F转换器。 LM331的工作特性如下: (1)单电源或双
18、电源供电,单电源供电电压为+15V时,可保证转换精度;(2)线性低;(3)15mW低功耗;(4)频率范围为1KHz100KHz。综上所述,本次设计采用V/F转换器进行模拟信号与数字信号之间的转换。2.2.2 温度检测的选择论证1.半导体热敏电阻温度传感器半导体热敏电阻的灵敏度特别高,广泛应用在一些对精度要求很高的控制和测量系统中。其特点是电阻温度系数的范围甚广,材料加工容易、性能好,阻值在1100之间可供自由选择,稳定性好,抗干扰能力强。但由于半导体热敏电阻的温度特性曲线很不一致,互换性差,在连续测量中的应用受到了极大的限制,与本次设计要求不符,故不予采用。2.热电阻温度传感器热电阻温度传感器
19、的工作原理是利用在温度变化时,其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度增加而增加这一特性来进行温度测量的,大多数都是由纯金属制成,目前应用最多的是铂和铜。它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点,多用于检测精度要求比较高的场合,测量温度在-200+500之间。但本次设计要求测量温度在6001000之间,故不予采用。3.热电偶温度传感器温差热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单、测量温度宽、准确度高、热惯性小、输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外,还能用于测量流体、固体及固体壁面“点”的温度。热
20、电偶温度传感器工作原理是建立在导体的热效应上。两种不同性质的导体(或半导体)组合成闭合回路,若两种导体的连接点温度不同,则在此闭合回路中就有电流产生,也就是说回路中有电动势存在,这种现象叫热电效应。由热电偶的工作原理可知,热电偶电动势的大小不仅与测量端的温度有关,还与冷端的温度有关,要想保持测温的准确性,必须保持冷端的温度恒定。因此在为了保持测量的精度,在实际的工作环境中需将冷端接地,这样就可以使冷端保持在0。由于本次设计的测温环境在6001000之间,所以选择镍镉-镍硅(K型)热电偶温度传感器。其特点是:(1)测量温度长期可达1000,短期可达1300;(2)价格比较便宜,在工业上广泛适用;
21、(3)高温下抗氧化能力强;(4)复现性好,热电动势大。2.2.3 存储器扩展电路的选择论证1.2864A芯片扩展2864A是一种并行,它每页有16字节,2864A与8051单片机的接口电路方式是:2864A的片选段与高位地址线P2.7连接,只有当P2.7为0时才能选中2864A,这种选线方法决定了2864A对应多组地址空间,即0000H1FFFH,2000H3FFFH,4000H5FFFH,6000H7FFFH,这8K字节的存储器可以作为数据存储器使用,且掉电后数据不丢失。8064A的4种工作方式为:(1)读方式:当和均为低电平且为高电平时,内部数据缓冲器被打开,数据被送上总线,此时可以进行读
22、操作。(2)写方式:2864A提供了字节写入和页写入两种方式。(3)数据查询方式:数据查询方式是指用软件来检测写操作中的页存储周期是否完成。(4)维持方式:当为高电平时,2864A进入低功耗维持状态。此时输出线呈高阻态,芯片电流由140mA降为60mA。由于本次设计使用的是AT90C2051单片机,只有20个引脚,但2864A的扩展方式需要与74LS373配合使用且占用17个引脚,大量占用了单片机的引脚资源,所以不被采用。2.24C01扩展芯片24C01是一种128字节串行芯片,它提供了128字节电可擦只读程序存储器。另外24C01只使用一条数据线和一条时钟线,占用的端口非常少,在一些端口资源
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