【正文】 G 電爐溫度控制器設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 電子信息科學(xué)與技 術(shù) 1班 學(xué)生 學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院 隊(duì)長(zhǎng)姓名 陳澤亮 隊(duì)員姓名 陳新盛 陳水生 指導(dǎo)教師 教師評(píng)分 20xx年 5 月 14日星期三 摘要 電阻爐是利用電流使?fàn)t內(nèi)的電熱元件或者電熱介質(zhì)發(fā)熱從而達(dá)到對(duì)物料或者工件加熱的一種電爐，其溫度是一個(gè)具有時(shí)變性、非線(xiàn)性、純滯后和大慣性的被控量，隨著工業(yè)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)于溫度控制的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的模擬開(kāi)關(guān)控制已經(jīng)達(dá)不到要求。低精度、低穩(wěn)定性、自動(dòng)化水平低的產(chǎn)品也將逐漸被淘汰。溫度是最基本的物理量之一。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)產(chǎn)品的性能提出了更高的要求，而熱處理是提高產(chǎn)品性能的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以研究電阻爐的溫度測(cè)量與控制具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。 本文設(shè)計(jì)了一種基于 51 單片機(jī)的電阻爐 智能溫度控制器。該控制器硬件電路采用 51 單片機(jī)、 K 型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX6675 以及固態(tài)繼電器等主要元器件，軟件編程采用 C 語(yǔ)言，編譯工具是 Keil uVision4 ARM 系統(tǒng)軟件編譯器，能夠?qū)崿F(xiàn) 0~℃的測(cè)量顯示以及控制調(diào)節(jié)。在本設(shè)計(jì)中，采用 K 型熱電偶作為感溫元件，檢測(cè)電阻爐的溫度并輸出毫伏級(jí)的模擬電壓信號(hào)，將該信號(hào)送給K 型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX6675 進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償、放大、線(xiàn)性化、數(shù)字化處理，得到電阻爐溫度的數(shù)字化形式，送入 51單片機(jī)中進(jìn)行分析處理， 在控制執(zhí)行電路中采用 0906HK 型號(hào)的固態(tài)繼電器 SSR，以過(guò)零觸發(fā)的方式控制電阻爐主回路的導(dǎo)通或者斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的控制調(diào)節(jié)。由于本設(shè)計(jì)采用高集成高性能的數(shù)字型測(cè)溫調(diào)理元件 MAX6675，其內(nèi)部集成的針對(duì) K型熱電偶測(cè)量信號(hào)的放大電路、冷端溫度補(bǔ)償電路、線(xiàn)性化電路和數(shù)字化電路，使得控制系統(tǒng)的測(cè)溫電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而且測(cè)量準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，并且控制執(zhí)行電路的執(zhí)行元件采用固態(tài)繼電器能夠無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花的接通和斷開(kāi)加熱電路，開(kāi)關(guān)速度快，提高了控制的性能和精度。 關(guān)鍵詞：電阻爐； 51 單片機(jī)；溫度控制器； SSR 固態(tài)繼電器； K 型熱電偶 引 言 電阻爐是利用電流使?fàn)t內(nèi)電熱元件或者加熱介質(zhì)升溫發(fā)熱，從而對(duì)爐腔內(nèi)的工件或者物料加熱的一種電爐，它被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域和高校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。例如，在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中電阻爐用于鍛壓前金屬加熱、金屬熱處理加熱，在化工工業(yè)生產(chǎn)中 電阻爐用于化 學(xué)物料的加熱，鋼鐵冶金和食品加工行業(yè)也需要各種各樣的加熱電爐進(jìn)行加熱處理，在高校實(shí)驗(yàn)室中有專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)室電阻爐以滿(mǎn)足試驗(yàn)的需求。電阻爐具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加熱質(zhì)量好、無(wú)煙無(wú)塵、無(wú)噪聲干擾的特點(diǎn)，因而電阻爐在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中具有舉足輕重的作用。 與電阻爐的應(yīng)用和發(fā)展緊緊相連的實(shí)電阻爐溫度的控制，電阻爐溫度控制決定著電阻爐所起的作用，電阻爐的使用需要配以與其相適應(yīng)的溫度控制器，只有滿(mǎn)足要求的電阻爐溫度控制器才能使電阻爐實(shí)現(xiàn)合理加熱的目的。 溫度是國(guó)際單位制中最重要的七個(gè)基本物理量之一，是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)試驗(yàn)確定物質(zhì)狀態(tài)的一個(gè)普遍而重要的物理參數(shù)，溫度參數(shù)的測(cè)量與控制在國(guó)防、軍事、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都具有舉足輕重的作用。溫度參數(shù)的測(cè)控技術(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)安全、節(jié)約能源等重大經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)密切相連。因此，各個(gè)領(lǐng)域?qū)囟葴y(cè)量控制的精度、可靠性、穩(wěn) 定性等性能提出了更高的要求，能不能將溫度控制在所需要的范圍內(nèi)關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的成功與失敗。 然而隨著工業(yè)的發(fā)展以及各行各業(yè)對(duì)于溫度控制越來(lái)越高的要求，傳統(tǒng)的人工控制和模擬開(kāi)關(guān)控制已經(jīng)達(dá)不到要求，低精度、低穩(wěn)定性、自動(dòng)化水平低的產(chǎn)品也將逐漸被淘汰。 基于以上情況，本文以 8位的 51 單片機(jī)為控制核心 ,研制一種電阻爐溫度控制器。該設(shè)計(jì)在熱電偶溫度測(cè)量調(diào)理電路中采用高集成的數(shù)字化芯片 STC89C52，能將 K 型熱電偶測(cè)量輸出的微弱電壓信號(hào)做冷端補(bǔ)償、放大、線(xiàn)性化及數(shù)字化處理，直接輸出可以供單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)；在控制執(zhí) 行電路中采用固態(tài)繼電器作為執(zhí)行元件，可以快速的實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花的接通或斷開(kāi)加熱 電路；在軟件設(shè)計(jì)中， 通過(guò)過(guò)零觸發(fā)的方式控制固態(tài)繼電器的通斷，進(jìn)而控制電阻爐回路在一個(gè)確定周期內(nèi)通過(guò)的電壓波形的周波數(shù)，實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)功，達(dá)到調(diào)節(jié)電阻爐溫度的目的。 一、 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及可行性分析 從電阻爐溫度控制器的發(fā)展歷程來(lái)看，電阻爐溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種： 第一種定值開(kāi)關(guān)控溫法，所謂定值開(kāi)關(guān)控溫法就是通過(guò)硬件電路或者軟件計(jì)算判斷當(dāng)前溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)電阻爐加熱源（或者冷卻裝置）采取接通或者斷開(kāi)控制。如果當(dāng)前溫度值比預(yù)期設(shè)定溫度值高，那么斷開(kāi)電阻爐加熱電源，或者開(kāi)啟制冷裝置；如果當(dāng)前溫度值比預(yù)期設(shè)定溫度值低，那么開(kāi)啟電阻爐加熱電源并同時(shí)斷開(kāi)制冷裝置。這是一種比較簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控溫方法，在沒(méi)有計(jì)算機(jī)設(shè)備的情況下，采用簡(jiǎn)單的模擬電路就可以實(shí)現(xiàn)。目前，在我國(guó)一些工廠中仍然在使用采用這種控制方法研制的電阻爐溫度控制器。由于這種控制方法是當(dāng)電阻爐溫度上升 至預(yù)期設(shè)定值時(shí)關(guān)斷電源，當(dāng)電阻爐溫度下降至預(yù)期設(shè)定點(diǎn)時(shí)開(kāi)通電源，因此對(duì)溫度變化過(guò)程的滯后性無(wú)能為力，導(dǎo)致電阻爐溫度波動(dòng)范圍較大，控制精度較低，完全不適用于高精度復(fù)雜的電阻爐溫度控制系統(tǒng)。 第二種 PID 線(xiàn)性控溫法，這是一種基于經(jīng)典控制理論中調(diào)節(jié)器的控制原理的控溫方法。 PID 控制原理是最較早發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)之一，該控制技術(shù)主要與設(shè)定值與測(cè)量值的偏差有關(guān)，將偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)以線(xiàn)形組合的方式構(gòu)成控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。在常規(guī) PID 的實(shí)際應(yīng)用中，操作人員往往根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀況以及調(diào)試經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工設(shè)定 P、 I、 D 三個(gè)參數(shù)，通過(guò)調(diào)試或者實(shí)驗(yàn)的方式改變 P、 I、 D 三個(gè)參數(shù)以改變控制性能。因?yàn)?PID 控制算法具有簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，相比于定值開(kāi)關(guān)控溫法比較優(yōu)越，在早期工業(yè)生產(chǎn)的溫度過(guò)程控制中的應(yīng)用比較廣泛，特別是對(duì)于可以確立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)， PID 控制就顯得更加優(yōu)越。由于在 PID 調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān)控溫法。在實(shí)際的應(yīng)用中，可以采用模擬電路或者 計(jì)算機(jī)軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)的功能，前者稱(chēng)之為模擬型 PID 調(diào)節(jié)器，后者稱(chēng)之為數(shù)字型 PID 調(diào)節(jié)器。其中數(shù)字型 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)就可以進(jìn)行在線(xiàn)整 定，因此具有很大的靈活性，可以獲得良好的控制效果。采用這種方式研制的溫度控制器，其控制效果的好壞主要依賴(lài)于三個(gè) P、 I、 D 參數(shù)（即比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)），只要 P、 I、 D 三個(gè)參數(shù)選取的合適，對(duì)于一個(gè)確定的被控對(duì)象來(lái)說(shuō)，其控制效果也會(huì)比較令人滿(mǎn)意。但是，它的不足之處也正在于此，當(dāng)被控對(duì)象的特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)控制參數(shù)也必須相應(yīng)地隨著改變，否 則其控制效果就難以得到保證。 第三種智能溫度控制法，雖然 PID 線(xiàn)性控溫法簡(jiǎn)單可靠、魯棒性也很好，但是仍然具有一定的缺點(diǎn)，為了克服這些缺點(diǎn)，提高 PID 線(xiàn)性控溫法的性能，關(guān)于 PID 參數(shù)的整定，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)整的方法，例如自學(xué)習(xí) PID 參數(shù)法和自整定 PID參數(shù)法等，并通過(guò)將 PID 線(xiàn)性控制與智能控制相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論、模糊數(shù)學(xué)理論為理論基礎(chǔ)，有時(shí)結(jié)合專(zhuān)家系統(tǒng)的理論知識(shí)實(shí)現(xiàn)智能化的溫度控制。其中模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專(zhuān)家系統(tǒng)等智能控制理論的應(yīng)用較多 。 ? 本設(shè)計(jì)以實(shí)驗(yàn)室的管式電阻爐為控制對(duì)象， 要實(shí)現(xiàn)對(duì)該電阻爐溫度的控制，智能溫度控制器應(yīng)該具備以下幾項(xiàng)基本的功能： 1. 溫度測(cè)量。 2. 溫度實(shí)時(shí)顯示。 3. 預(yù)定溫度設(shè)置。