【正文】 1 目錄 第一章 設(shè)計(jì)背景及設(shè)計(jì)意義 ……………………………………… 2 第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ………………………………………………… 3 第三章 硬件 ……………………………………………………………… .5 溫度檢測(cè)和變送器 …………………………………………………… 5 溫度控制電路 ………………………………………………………… 6 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ………………………………………………………… 7 報(bào)警電路 ………………………………………………………… 8 看門(mén)狗電路 …………………… ……………………………………… 8 顯示電路 …………………………………………………………… 10 電源電路 ……………………………………………………………… 12 第四章 軟件設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 14 軟件實(shí)現(xiàn)方法 ……………………………………………………… 14 總體程序流程圖 …………………………………………………… 15 程序清單 …………………………………………………………… 19 第五章 設(shè)計(jì)感想 ……………………………………………… ………… 29 第六章 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………… 30 第七章 附錄 ………………………………………………………………… 31 硬件清單 …………………………………………………………… 31 硬件布線圖 ………………………………………………………… 31 2 第一章 設(shè)計(jì)背景及研究意義 機(jī)械制造行業(yè)中，用于金屬熱處理的加熱爐，需要消耗大量的電能，而且溫度控制是純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有企業(yè)多采用常規(guī)儀表加接觸器的斷續(xù)控制，隨著科技進(jìn)步和生產(chǎn)的發(fā)展，這類(lèi)設(shè)備對(duì)溫度的控制要求越來(lái)越 高，除控溫精度外，對(duì)溫度上升速度及下降速度也提出了可控要求，顯而易見(jiàn)常規(guī)控制難于滿(mǎn)足這些工藝要求。隨著微電子技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低的智能化溫度控制裝置控制加熱爐已成為現(xiàn)實(shí)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域尤其是工業(yè)領(lǐng)域中有著及其廣泛的應(yīng)用，溫度控制是控制系統(tǒng)中最為常見(jiàn)的控制類(lèi)型之一。隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過(guò)單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制日益成為今后自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化 工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類(lèi)加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。對(duì)工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制，計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)使溫度控制指標(biāo)得到了大幅度提高。采用 MCS51單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。 ， 3 第二章 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 這次課程設(shè)計(jì)題目為熱電偶構(gòu)成的 熱處理爐的溫度控制系統(tǒng)， 技術(shù)要求： 0～ 999176。 0～ 999176。 熱處理爐爐溫控制系統(tǒng)的控制過(guò)程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)定時(shí)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)計(jì)算機(jī)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。如下圖所示： 進(jìn) 行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如下問(wèn)題： ，即爐溫按預(yù)定的溫度 —— 時(shí)間關(guān)系變化。 ：如 0～ 1000℃，這就涉及到測(cè)溫元件、電爐功率的選擇等。 、超調(diào)量等指標(biāo)，這涉及到 A/D轉(zhuǎn)換精度、控制規(guī)律選擇等。 溫控系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)儀、執(zhí)行裝置、被控對(duì)象四個(gè)部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。被控制對(duì)象是大容量、大慣性的電熱爐溫度對(duì)象，是典型的多階容積遲后特性，在工程上往往近似為包含有純滯后的二階容積遲后；由于被控對(duì)象電容量大，通常采用可控硅作調(diào)節(jié)器的執(zhí)行器，其具體的 電路圖如圖 2所示。 4 調(diào)節(jié)加熱爐的溫度，在工業(yè)上是通過(guò)在設(shè)定周期范圍內(nèi)，將電路接通幾個(gè)周波，然后斷開(kāi)幾個(gè)周波，改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通斷時(shí)間的比例，來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載兩端交流平均電壓即負(fù)載功率，這就是通常所說(shuō)的調(diào)功器或周波控制器；調(diào)功器是在電源電壓過(guò)零時(shí)觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通的，所以負(fù)載上得到的是完 整的正弦波，調(diào)節(jié)的只是設(shè)定周期 Tc內(nèi)導(dǎo)通的電壓周波。如圖 3 所示，設(shè)周期 Tc內(nèi)導(dǎo)通的周期的波數(shù)為 n，每個(gè)周波的周期為 T，則調(diào)功器的輸出功率為 P=n T Pn/Tc， Pn為設(shè)定周期 Tc內(nèi)電壓全通過(guò)時(shí)裝置的輸出功率。 5 第三章 硬件的設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)和變送器 溫度檢測(cè)元件和變送器的類(lèi)型選擇與 被控溫度的范圍和精度等級(jí)有關(guān)。鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于 0℃ 1000℃的溫度檢測(cè)范圍，相應(yīng)輸出電壓為 。 變送器由毫伏變送器和電流 /電壓變送器組成：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的 變換成 4mA20mA 的電流；電流 /電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的 4mA20mA 電流變換成 05V的電壓。 為了提高測(cè)量精度，變送器可以進(jìn)行零點(diǎn)遷移。例如：若溫度測(cè)量范圍為 500℃ 1000℃，則熱電偶輸出為 ，毫伏變送器零點(diǎn)遷移后輸出 4mA20mA范圍電流。這樣，采用 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器就可使量化溫度達(dá)到 ℃以?xún)?nèi)。其在控制系統(tǒng)的作用如下圖所示： 圖 1：溫度檢測(cè)電路 熱處理爐 6 溫度控制電路 8051對(duì)溫度的控制是通過(guò)雙向可控硅實(shí)現(xiàn)的。如圖一所示，雙向可控硅管和加熱絲串接在交流 220V、 50Hz市電回路。在給定周期 T內(nèi)， 8051只要改變可控硅管的接通時(shí)間即可改變加熱絲的功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。 可控硅接通時(shí)間可以通過(guò)可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8051用軟件在 ，在過(guò)零同步脈沖同步后經(jīng)光電耦合管和驅(qū)動(dòng)器輸出送到可控硅的控 控制系統(tǒng)的 制極上。 圖 1：調(diào)溫電路 7 A/D轉(zhuǎn)換電路 ADC0809 是一種比較典型的 8 位 8 通道逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器， CMOS 工藝，可實(shí)現(xiàn) 8路模擬信號(hào)的分時(shí)采集，片內(nèi)有 8 路模擬選通開(kāi)關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μ s 左右，采用雙排 28 引腳封裝， 其主要 性 能 指 標(biāo) 如 下 ： 分 辨 率 為 8 位二進(jìn)制數(shù)； 電 壓 范 圍 在 0～ +5V，對(duì)應(yīng) A/D 值 00H～ FFH； 每路 A/D 轉(zhuǎn)換完成時(shí)間 100ms。 可 分 時(shí) 進(jìn) 行 8 路 A/D 轉(zhuǎn)換； 工作頻率 500KHz（本電路由 8051ALE 端輸 出經(jīng) 4 分頻后得 到 ）。 引 腳 功 能 如 下 ： IN0～ IN7： 8 路 0～ +5V 模擬電壓輸入（用 IN0 端 ）； DB7～ DB0： 8 位數(shù)字輸出線，輸出 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換值； STAST：?jiǎn)?dòng) A/D 轉(zhuǎn)換端； EOC： A/D 轉(zhuǎn)換完成端； OE： 允 許 數(shù) 字 量 輸 出 信 號(hào) ； CLOCK：時(shí)鐘 500KHz； ADD A、 B、 C： IN0～ IN7 地址選擇線； ALE： 地 址 鎖 存 允 許 輸 入 信 號(hào) 。 A/D 轉(zhuǎn)換器 0809 與放大電路連接較簡(jiǎn)單，運(yùn)放接成比例放大形 式 ， 放 大 倍 數(shù) 可 調(diào) ， 總 體 A/D 轉(zhuǎn)換與 8051 接口電路如下： 8 報(bào)警電路 報(bào)警電路的作用主要是在溫度超過(guò)規(guī)定的溫度或低于下限溫度或達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，報(bào)警子程序就會(huì)控制報(bào)警信號(hào)的輸出，溫度低與或高于規(guī)定的溫度范圍以及達(dá)到規(guī)定的溫度時(shí)，音頻裝置就會(huì)發(fā)出不同頻率的告警信號(hào)，同時(shí)相應(yīng)的LED顯示，到底是高了還是低了，以便與自動(dòng)調(diào)節(jié)。報(bào)警電路如下圖： 9