【正文】 統(tǒng)周圍的環(huán)境溫度 Ts 以及加熱方式 和調(diào)節(jié)方法。目前已有的實現(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，其中有的方法達到熱平衡需要的時間很長，但是其控溫精度很高，而有的是達到熱平衡的時間短，但其控溫精度卻不夠高。本文介紹如何用單片機模型來實現(xiàn)系統(tǒng)溫度的自動控制。用這種方法控溫，使整個系統(tǒng)靈活、可靠性高，系統(tǒng)達到熱平衡較快，而且精度也比較高，融合了前面列舉方法的優(yōu)點，而且更加簡單方便。 本文主要介紹單片機在溫度控制中的應用， 該控制系統(tǒng)具有硬件成本低、控溫精度較高、可靠性好、抗干擾能力強等特點。 而采用單片機對加熱爐進行 自動控制，不但可以克服上述缺點，而且減輕工作人員的負擔。提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。 電加熱爐以其無污染、操作方便、自動化程度高、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)點逐漸受到人們的歡迎。但這其中對溫度的控制上不是很理想，溫差大、溫度控制精度不準確。針對這一情況。近年來，不少人對微機溫度控制這一課題進行研究。 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）的主要缺點是溫度波動范圍大。 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)電路改變晶閘管導通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率 , 達到自動控制電爐 溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波 , 實踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當大的中頻干擾 , 并通過電網(wǎng)傳輸 , 給電力系統(tǒng)造成“公害”。他們的工作多數(shù)是采用 時間比例控制 及改善 比例溫度控制 規(guī)律進行的。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) ),但當某作用量發(fā)生變化時 (如電源電壓變化時 )被控溫度雖然能達到新的平衡狀態(tài) ,但是永遠也回不到原來的給定值上 ,這是 P 控制的致命弱點 ,即有靜差 (或稱穩(wěn)態(tài)偏差 ),如果在 P控制基礎上增加 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 對爐溫進行檢測，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換芯片得到相應的數(shù)字量，經(jīng)過 單片微機 AT89C52 進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到應有的控制量，去控制加熱功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制 。 電加熱爐是一個非線性的、時變的、分布參數(shù)的復雜被控對象。要實現(xiàn)其最優(yōu)控制，必須建立被控對象的數(shù)學模型，然后求取相應的控制器方程。 普通的電加熱爐是一種常見的設備。在其控制系統(tǒng)中，溫度控制是其中的關(guān)鍵東華理工學院畢業(yè)設計 (論文 ) 緒論 2 部分，目前國內(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)控制對象中的主要被控參數(shù)，特別是在冶金、化工、機械、檢定計量等領域，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、天燃氣等。但就溫度控制系統(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來實現(xiàn)對電加熱爐的精確控制：首先，位于電熱爐中的 S 型高溫熱電偶對爐內(nèi)溫度進得感測并將電壓信號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進得轉(zhuǎn)換處理后直接送給 A/D轉(zhuǎn)換器 AD574A，到這時，原始的溫度信號才最終有規(guī)律地變換成了單片微機可以讀取的信 號，然后借助于 AT89C52 單片機內(nèi)部強大的運算處理能力將信號進行比較分析計算后產(chǎn)生最終的控制信號用來控制雙向可控硅的通斷占空比來達到調(diào)溫的目的。本系統(tǒng)的外圍接口布置了鍵盤（一共 16 鍵，含數(shù)字鍵10個和 6 個主功能鍵）、 7段 LED 數(shù)碼顯示屏（一共 8 位，分別為四位的當前實時溫度顯示和四位的設定參考溫度顯示）、微型打印機用來對歷史溫度數(shù)據(jù)的打印，通過軟件設計可以實現(xiàn)曲線和數(shù)據(jù)兩種的打印方式。 主要技術(shù)指標有： 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% 能實時顯示爐內(nèi)溫度，記錄溫度變化的過程 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。 東華理工學院畢業(yè)設計 (論文 ) 系統(tǒng)總體方案設計 3 1．系統(tǒng)總體方案設計 系統(tǒng)的總體方案設計包括系統(tǒng)的設計原則，設計步驟，工程設計等方面。 系統(tǒng)的設計原則 一般系統(tǒng)的設計原則包含安全性（穩(wěn)定抗干擾性），操作的便利性（人性化），實時性，通用性和經(jīng)濟性。 （ 1）安全可靠 首先要選用高性能的 AT89C52單片機，保證在惡劣的 工業(yè)環(huán)境下能正常運行。其次是設計可靠的控制方案，并具有各種安全保護措施，如報警、事故預測、事故處理和不間斷電源等。 （ 2）操作維護方便 操作方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象和便于掌握且不強求操作工要掌握計算機知識才能操作。 （ 3）實時性強 選用高性能的 AT89C52單片機的實時性，表現(xiàn)在內(nèi)部和外部事件能及時地響應，并做出相應的處理。 （ 4）通用性好 系統(tǒng)設計時應考慮能適應不同的設備和各種不同設備和各種不同控制對象，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)在兩個方面：一是硬件板設計采用標準總線結(jié)構(gòu)（如 PC總線），配置各種通用的模板，以便擴充功能時，只需增加功能模板就能實現(xiàn)；二是軟件功能模塊或控制算法采用標準模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需各種功能模塊，靈活地進行控制系統(tǒng)組態(tài)。 （ 5）經(jīng)濟效益高 系統(tǒng)的設計步驟 （ 1）工程項目與控制任務的確定階段 （ 2）項目的設計階段 系統(tǒng)總體方案設計、 方案論證評審 硬件和軟件的分別細化設計 硬件和軟件的分別調(diào)試 系統(tǒng)的組裝 （ 3）離線仿真和調(diào)試階段 系統(tǒng)的工程設計與實現(xiàn) 本論文設計對比目前最為流行的爐溫控制方案后 ,采用了性能可靠且實施相對簡東華理工學院畢業(yè)設計 (論文 ) 系統(tǒng)總體方案設計 4 易的 單片機結(jié)合雙向可控硅來達到調(diào)功及實現(xiàn)溫度控制 ,具體概述參見模塊化電路章節(jié) . 系統(tǒng)的總統(tǒng)方案設計 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)場設備選擇 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、原理性方框及文字說明。 （ 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）保證性能指標要求的技術(shù)措施。 （ 4）抗干擾性和可靠性設計。 硬件的工程設計與實現(xiàn) （ 1）選擇系統(tǒng)的 總線和主機機型 選擇系統(tǒng)的總線，系統(tǒng)總線的優(yōu)點：采用總線可以簡化硬件設計，用戶可根據(jù)需要直接選用符合總線標準的功能模板，而不必考慮模板插件之間的匹配問題，使系統(tǒng)硬件設計大大簡化；系統(tǒng)可擴性好，僅需將總線標準研制的新的功能模板插在總線槽中即可；系統(tǒng)更新性好，一旦出現(xiàn)新的微處理器、存儲器芯片相接口電路，只要將這些新的芯片按總線標準研制成各類插件，即可取代原來的模板而升級更新系統(tǒng)。包括內(nèi)總線選擇和外總線選擇 （ 2）選擇主機機型 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)設計人員可根據(jù)被測參數(shù)的種類、量程、被測對象的介質(zhì)類型和環(huán)境選擇變送器的具體型號。本文著眼于爐溫控制，首當其沖選擇溫度變送器。 選擇執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)的作用是接受計算機發(fā)出的控制信號，并把它轉(zhuǎn)換成調(diào)整機構(gòu)的動作，使生產(chǎn)過程按預先規(guī)定的要求正常運行。執(zhí)行機構(gòu)分為氣動、電動和液壓 3種類型 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設計。本文采用過零觸發(fā)的光耦可控制硅來實際對加熱爐東華理工學院畢業(yè)設計 (論文 ) 系統(tǒng)總體方案設計 5 的調(diào)溫 。其顯著特性是 只有當負載交流電源到達過零區(qū)時 SSR才導通，所以負載工作時近似正弦波，可減少高次諧波對電網(wǎng)的干擾。 東華理工學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電加熱爐溫度單片機控制系統(tǒng)設計 6 2. 電加熱爐溫度單片機控制系統(tǒng)設計 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）的主要缺點是溫度波動范圍大。由于它重主要通過接觸器的通斷時間比例來達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，單片機脈寬調(diào)溫閉環(huán)系統(tǒng)以 AT89C52 單片機作為該控制系統(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。熱點偶的冷端補償采用熱電阻溫度傳感器，測量準確，克服了常規(guī)方法補償誤差大的缺點。該系統(tǒng)具有軟啟動、程序升溫、鍵盤輸入、顯示打印等功能，使溫度控制穩(wěn)態(tài)誤差精度達177。 1℃。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 過程計算機控制系統(tǒng)的設計過程分為總體設計、硬件設計、軟件設計和系統(tǒng)調(diào)試四個部分。在進行控制系統(tǒng)設計前，應該首先考慮對控制對象進行深入的調(diào)查和分析，并熟悉工 藝流程，根據(jù)生產(chǎn)中提出來的問題，確定系統(tǒng)所需要完成的任務。然后寫出論證，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)濟效益。 用單片機實現(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之間的對于關(guān)系表存放在EPROM2732 中，雙向可控硅采用過零觸發(fā)方式。觸發(fā)脈沖由過零同步脈沖形成電路提供。在每個工作周期 T內(nèi)的工作占空比與單片機輸出的門控脈沖信號決定。鍵盤與顯示器用于各種參數(shù)的設置和顯示。熱電偶與放大器將被測溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢信放大濾波 熱電偶 AD574A 聲光報警 雙向可控硅 SSR 功率放大 冷端補償 AT89C52 地址鎖存和譯碼 EPROM2732 顯示器 鍵盤 8279 多路 轉(zhuǎn)換 開關(guān) 電加熱爐 微打 東華理工學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電加熱爐溫度單片機控制系統(tǒng)設計 7 號并放大，再由 A/D 轉(zhuǎn)換器換成相應的數(shù)字量供單片機識別處理。單片機每隔一定時間啟動一次 A/D轉(zhuǎn)換、采樣一次現(xiàn)場溫度，將溫度數(shù)據(jù)與給定溫度 WT 進行比較，得到溫差，再根據(jù)偏差的大小和正負，通過 PID 控制算法送出 1個具有相應寬，讓一定數(shù)量的觸發(fā)脈沖在高電平奇跡通過控制門去觸發(fā)可控硅，對被測溫度調(diào)節(jié)開度的門控脈沖。 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 0～ 1500176。C 范圍內(nèi)的各種電加熱爐的溫度進行精密測量，同時，八位 LED 顯示器直接跟蹤顯示被控對象的溫度值和設定值，準確度高，顯示清晰，穩(wěn)定可靠，使用方便（在具體設計編程、調(diào)試過程中，為了調(diào)試方便，編程把溫度范圍設在 0～ 1500176。C 。本系統(tǒng)的原理框圖如下圖所示。數(shù)據(jù)采集部分能完成對被測信號的采樣，顯示分辨率 1176。C ，測量精度 1176。C ，控制精度 1176。C ，可以實現(xiàn)采集信號的放大及 A/D轉(zhuǎn)換，并自動進行零漂校正，同時按設定值、所測溫度值、溫度變化速率，自動進行 PID 參數(shù)自整定和運算，并輸出 0～ 10mA 控制電流，配以 主回路實現(xiàn)溫度的控制。數(shù)據(jù)處理分為預處理、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 東華理工學院畢業(yè)設計 (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設計 8 3. 溫度控制硬件系統(tǒng)設計 硬件電路的設計系統(tǒng)規(guī)范 原理圖主要由設計、診斷與檢查組成。 原理圖的設計要符合以下幾點要求 ： （ 1) 原理圖設計要符合項目的工作原理，連線要正確。 （ 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)要正確標明。 （ 3) 原理圖要完整， CPU，外圍器件，擴展接口，輸入 /輸出裝置要一應俱全。