【正文】 統(tǒng)周?chē)沫h(huán)境溫度 Ts 以及加熱方式 和調(diào)節(jié)方法。目前已有的實(shí)現(xiàn)溫控的方法有很多種，如 :恒溫法、比例式、積分式及其組合的調(diào)節(jié)方法等等，其中有的方法達(dá)到熱平衡需要的時(shí)間很長(zhǎng)，但是其控溫精度很高，而有的是達(dá)到熱平衡的時(shí)間短，但其控溫精度卻不夠高。本文介紹如何用單片機(jī)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的自動(dòng)控制。用這種方法控溫，使整個(gè)系統(tǒng)靈活、可靠性高，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡較快，而且精度也比較高，融合了前面列舉方法的優(yōu)點(diǎn)，而且更加簡(jiǎn)單方便。 本文主要介紹單片機(jī)在溫度控制中的應(yīng)用， 該控制系統(tǒng)具有硬件成本低、控溫精度較高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 而采用單片機(jī)對(duì)加熱爐進(jìn)行 自動(dòng)控制，不但可以克服上述缺點(diǎn)，而且減輕工作人員的負(fù)擔(dān)。提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 電加熱爐以其無(wú)污染、操作方便、自動(dòng)化程度高、出力穩(wěn)定切出力可調(diào)范圍大、節(jié)省基建投資等諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸受到人們的歡迎。但這其中對(duì)溫度的控制上不是很理想，溫差大、溫度控制精度不準(zhǔn)確。針對(duì)這一情況。近年來(lái)，不少人對(duì)微機(jī)溫度控制這一課題進(jìn)行研究。 一般的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)（如溫度控制表控制接觸器）的主要缺點(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大。 傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管 (SCR) 控制的高溫電加熱爐采用觸發(fā)電路改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率 , 達(dá)到自動(dòng)控制電爐 溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波 , 實(shí)踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當(dāng)大的中頻干擾 , 并通過(guò)電網(wǎng)傳輸 , 給電力系統(tǒng)造成“公害”。他們的工作多數(shù)是采用 時(shí)間比例控制 及改善 比例溫度控制 規(guī)律進(jìn)行的。這種 控制溫度系統(tǒng)能使溫度穩(wěn)定在某一具體值上 (熱平衡狀態(tài) ),但當(dāng)某作用量發(fā)生變化時(shí) (如電源電壓變化時(shí) )被控溫度雖然能達(dá)到新的平衡狀態(tài) ,但是永遠(yuǎn)也回不到原來(lái)的給定值上 ,這是 P 控制的致命弱點(diǎn) ,即有靜差 (或稱(chēng)穩(wěn)態(tài)偏差 ),如果在 P控制基礎(chǔ)上增加 I控制 ,則可消除其靜差 ,再增加 D控制 ,則能夠提高控制系統(tǒng)抗外界干擾的能力 .這即 本論文所 要研究的 PID控制方法。 電阻爐爐溫控制系統(tǒng)的 研究方向 是： 熱電偶 對(duì)爐溫進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換芯片得到相應(yīng)的數(shù)字量，經(jīng)過(guò) 單片微機(jī) AT89C52 進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到應(yīng)有的控制量，去控制加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制 。 電加熱爐是一個(gè)非線(xiàn)性的、時(shí)變的、分布參數(shù)的復(fù)雜被控對(duì)象。要實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)控制，必須建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后求取相應(yīng)的控制器方程。 普通的電加熱爐是一種常見(jiàn)的設(shè)備。在其控制系統(tǒng)中，溫度控制是其中的關(guān)鍵東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 緒論 2 部分，目前國(guó)內(nèi)電加熱爐普遍采用 PID 模擬控制算法，而這種算法一般溫差大，很難保證溫度控制在≤177。 1℃， 溫度是工業(yè)控制對(duì)象中的主要被控參數(shù)，特別是在冶金、化工、機(jī)械、檢定計(jì)量等領(lǐng)域，廣泛的使用著各種加熱爐、熱處理等，所采用的加熱方法及燃料也不相同，如油、電、天燃?xì)獾取５蜏囟瓤刂葡到y(tǒng)本身而言，均屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，本論文介紹的溫度控制系統(tǒng)的內(nèi)容是如何得用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱爐的精確控制：首先，位于電熱爐中的 S 型高溫?zé)犭娕紝?duì)爐內(nèi)溫度進(jìn)得感測(cè)并將電壓信號(hào)送到溫度變送器及其附屬轉(zhuǎn)換電路，后者將熱電偶的信號(hào)進(jìn)得轉(zhuǎn)換處理后直接送給 A/D轉(zhuǎn)換器 AD574A，到這時(shí)，原始的溫度信號(hào)才最終有規(guī)律地變換成了單片微機(jī)可以讀取的信 號(hào)，然后借助于 AT89C52 單片機(jī)內(nèi)部強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力將信號(hào)進(jìn)行比較分析計(jì)算后產(chǎn)生最終的控制信號(hào)用來(lái)控制雙向可控硅的通斷占空比來(lái)達(dá)到調(diào)溫的目的。本系統(tǒng)的外圍接口布置了鍵盤(pán)（一共 16 鍵，含數(shù)字鍵10個(gè)和 6 個(gè)主功能鍵）、 7段 LED 數(shù)碼顯示屏（一共 8 位，分別為四位的當(dāng)前實(shí)時(shí)溫度顯示和四位的設(shè)定參考溫度顯示）、微型打印機(jī)用來(lái)對(duì)歷史溫度數(shù)據(jù)的打印，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)兩種的打印方式。 主要技術(shù)指標(biāo)有： 電加熱爐溫度加熱范圍：≤ 1500℃ 調(diào)節(jié)溫度的超調(diào)量小于 30% 能實(shí)時(shí)顯示爐內(nèi)溫度，記錄溫度變化的過(guò)程 施加電壓范圍： 0220V 相 AC 或 DC 加熱方式：電阻絲直接加熱 爐內(nèi)容積： 179。 179。 最大功率： 4KW。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 3 1．系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)步驟，工程設(shè)計(jì)等方面。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 一般系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則包含安全性（穩(wěn)定抗干擾性），操作的便利性（人性化），實(shí)時(shí)性，通用性和經(jīng)濟(jì)性。 （ 1）安全可靠 首先要選用高性能的 AT89C52單片機(jī)，保證在惡劣的 工業(yè)環(huán)境下能正常運(yùn)行。其次是設(shè)計(jì)可靠的控制方案，并具有各種安全保護(hù)措施，如報(bào)警、事故預(yù)測(cè)、事故處理和不間斷電源等。 （ 2）操作維護(hù)方便 操作方便表現(xiàn)在操作簡(jiǎn)單、直觀形象和便于掌握且不強(qiáng)求操作工要掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)才能操作。 （ 3）實(shí)時(shí)性強(qiáng) 選用高性能的 AT89C52單片機(jī)的實(shí)時(shí)性，表現(xiàn)在內(nèi)部和外部事件能及時(shí)地響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理。 （ 4）通用性好 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮能適應(yīng)不同的設(shè)備和各種不同設(shè)備和各種不同控制對(duì)象，并采用積木式結(jié)構(gòu)，按照控制要求靈活構(gòu)成系統(tǒng)。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是硬件板設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)（如 PC總線(xiàn)），配置各種通用的模板，以便擴(kuò)充功能時(shí)，只需增加功能模板就能實(shí)現(xiàn)；二是軟件功能模塊或控制算法采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，用戶(hù)使用時(shí)不需要二次開(kāi)發(fā)，只需各種功能模塊，靈活地進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)。 （ 5）經(jīng)濟(jì)效益高 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 （ 1）工程項(xiàng)目與控制任務(wù)的確定階段 （ 2）項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、 方案論證評(píng)審 硬件和軟件的分別細(xì)化設(shè)計(jì) 硬件和軟件的分別調(diào)試 系統(tǒng)的組裝 （ 3）離線(xiàn)仿真和調(diào)試階段 系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本論文設(shè)計(jì)對(duì)比目前最為流行的爐溫控制方案后 ,采用了性能可靠且實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 4 易的 單片機(jī)結(jié)合雙向可控硅來(lái)達(dá)到調(diào)功及實(shí)現(xiàn)溫度控制 ,具體概述參見(jiàn)模塊化電路章節(jié) . 系統(tǒng)的總統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu) 確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選擇 確定控制策略和控制算法 硬件、軟件的功能劃分 系統(tǒng)總體方案 （ 1）系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性方框及文字說(shuō)明。 （ 2）系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)幾配置，主要軟件的功能、結(jié)構(gòu)幾框圖。 （ 3）保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。 （ 4）抗干擾性和可靠性設(shè)計(jì)。 硬件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) （ 1）選擇系統(tǒng)的 總線(xiàn)和主機(jī)機(jī)型 選擇系統(tǒng)的總線(xiàn)，系統(tǒng)總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)：采用總線(xiàn)可以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，用戶(hù)可根據(jù)需要直接選用符合總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的功能模板，而不必考慮模板插件之間的匹配問(wèn)題，使系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化；系統(tǒng)可擴(kuò)性好，僅需將總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)研制的新的功能模板插在總線(xiàn)槽中即可；系統(tǒng)更新性好，一旦出現(xiàn)新的微處理器、存儲(chǔ)器芯片相接口電路，只要將這些新的芯片按總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)研制成各類(lèi)插件，即可取代原來(lái)的模板而升級(jí)更新系統(tǒng)。包括內(nèi)總線(xiàn)選擇和外總線(xiàn)選擇 （ 2）選擇主機(jī)機(jī)型 選擇輸入輸出通道模板 模擬量輸入輸出模板 （ 3）選擇變送器 和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 選擇變送器 選擇的變送器有溫度變送器、壓力變送器、液位變送器、差壓變送器、流量變送器、各種電量變送器等，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)被測(cè)參數(shù)的種類(lèi)、量程、被測(cè)對(duì)象的介質(zhì)類(lèi)型和環(huán)境選擇變送器的具體型號(hào)。本文著眼于爐溫控制，首當(dāng)其沖選擇溫度變送器。 選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成調(diào)整機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，使生產(chǎn)過(guò)程按預(yù)先規(guī)定的要求正常運(yùn)行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液壓 3種類(lèi)型 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。本文采用過(guò)零觸發(fā)的光耦可控制硅來(lái)實(shí)際對(duì)加熱爐東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 5 的調(diào)溫 。其顯著特性是 只有當(dāng)負(fù)載交流電源到達(dá)過(guò)零區(qū)時(shí) SSR才導(dǎo)通，所以負(fù)載工作時(shí)近似正弦波，可減少高次諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電加熱爐溫度單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 2. 電加熱爐溫度單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)概述 一般的電加熱爐 控制系統(tǒng)（如溫度控制表控制接觸器）的主要缺點(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大。由于它重主要通過(guò)接觸器的通斷時(shí)間比例來(lái)達(dá)到該表加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸 器的壽命限制，通斷頻率很低，故溫度控制精度低，單片機(jī)脈寬調(diào)溫閉環(huán)系統(tǒng)以 AT89C52 單片機(jī)作為該控制系統(tǒng)的核心，采用脈沖調(diào)寬技術(shù)，雙向可控硅輸出，工作穩(wěn)定、性能可靠。熱點(diǎn)偶的冷端補(bǔ)償采用熱電阻溫度傳感器，測(cè)量準(zhǔn)確，克服了常規(guī)方法補(bǔ)償誤差大的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)具有軟啟動(dòng)、程序升溫、鍵盤(pán)輸入、顯示打印等功能，使溫度控制穩(wěn)態(tài)誤差精度達(dá)177。 1℃。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程分為總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試四個(gè)部分。在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，應(yīng)該首先考慮對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行深入的調(diào)查和分析，并熟悉工 藝流程，根據(jù)生產(chǎn)中提出來(lái)的問(wèn)題，確定系統(tǒng)所需要完成的任務(wù)。然后寫(xiě)出論證，選擇控制方案，控制方案的好壞，直接影響控制效果、系統(tǒng)投資和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)如圖 22 圖 21電加熱爐系統(tǒng)總框圖 系統(tǒng)的基本工作原理 工作原理：爐溫控制程序及溫度與熱電偶電勢(shì)之間的對(duì)于關(guān)系表存放在EPROM2732 中，雙向可控硅采用過(guò)零觸發(fā)方式。觸發(fā)脈沖由過(guò)零同步脈沖形成電路提供。在每個(gè)工作周期 T內(nèi)的工作占空比與單片機(jī)輸出的門(mén)控脈沖信號(hào)決定。鍵盤(pán)與顯示器用于各種參數(shù)的設(shè)置和顯示。熱電偶與放大器將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)信放大濾波 熱電偶 AD574A 聲光報(bào)警 雙向可控硅 SSR 功率放大 冷端補(bǔ)償 AT89C52 地址鎖存和譯碼 EPROM2732 顯示器 鍵盤(pán) 8279 多路 轉(zhuǎn)換 開(kāi)關(guān) 電加熱爐 微打 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電加熱爐溫度單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 號(hào)并放大，再由 A/D 轉(zhuǎn)換器換成相應(yīng)的數(shù)字量供單片機(jī)識(shí)別處理。單片機(jī)每隔一定時(shí)間啟動(dòng)一次 A/D轉(zhuǎn)換、采樣一次現(xiàn)場(chǎng)溫度，將溫度數(shù)據(jù)與給定溫度 WT 進(jìn)行比較，得到溫差，再根據(jù)偏差的大小和正負(fù)，通過(guò) PID 控制算法送出 1個(gè)具有相應(yīng)寬，讓一定數(shù)量的觸發(fā)脈沖在高電平奇跡通過(guò)控制門(mén)去觸發(fā)可控硅，對(duì)被測(cè)溫度調(diào)節(jié)開(kāi)度的門(mén)控脈沖。 本系統(tǒng)的功能主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制。能 對(duì) 0～ 1500176。C 范圍內(nèi)的各種電加熱爐的溫度進(jìn)行精密測(cè)量，同時(shí)，八位 LED 顯示器直接跟蹤顯示被控對(duì)象的溫度值和設(shè)定值，準(zhǔn)確度高，顯示清晰，穩(wěn)定可靠，使用方便（在具體設(shè)計(jì)編程、調(diào)試過(guò)程中，為了調(diào)試方便，編程把溫度范圍設(shè)在 0～ 1500176。C 。本系統(tǒng)的原理框圖如下圖所示。數(shù)據(jù)采集部分能完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采樣，顯示分辨率 1176。C ，測(cè)量精度 1176。C ，控制精度 1176。C ，可以實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的放大及 A/D轉(zhuǎn)換，并自動(dòng)進(jìn)行零漂校正，同時(shí)按設(shè)定值、所測(cè)溫度值、溫度變化速率，自動(dòng)進(jìn)行 PID 參數(shù)自整定和運(yùn)算，并輸出 0～ 10mA 控制電流，配以 主回路實(shí)現(xiàn)溫度的控制。數(shù)據(jù)處理分為預(yù)處理、功能性處理、抗干擾等子功能。輸出控制部分主要是數(shù)碼管顯示控制。 系統(tǒng)的技術(shù)要求 （ 1）溫度范圍： 40℃ ～ 1500℃ （ 2）供電電壓：三相交流 380V （ 3）調(diào)節(jié)溫度的超調(diào)量小于 30% （ 4）功率范圍： 4 kW 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 3. 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)規(guī)范 原理圖主要由設(shè)計(jì)、診斷與檢查組成。 原理圖的設(shè)計(jì)要符合以下幾點(diǎn)要求 ： （ 1) 原理圖設(shè)計(jì)要符合項(xiàng)目的工作原理，連線(xiàn)要正確。 （ 2) 圖中所使用的元器件要合理選用，電阻，電容等器件的參數(shù)要正確標(biāo)明。 （ 3) 原理圖要完整， CPU，外圍器件，擴(kuò)展接口，輸入 /輸出裝置要一應(yīng)俱全。