【正文】 電阻爐設(shè)計方案從20世紀(jì)20年代開始，電阻爐就在工業(yè)上得到使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電阻爐被廣泛的應(yīng)用在冶金、機(jī)械、石油化工、電力等工業(yè)生產(chǎn)中，在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測量和控制與生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、能源節(jié)約等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)緊緊相連。因此各個領(lǐng)域?qū)﹄娮锠t溫度控制的精度、穩(wěn)定性、可靠性等要求也越來越高，溫度測控制技術(shù)也成為現(xiàn)代科技發(fā)展中的一項重要技術(shù)。溫度控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：l、定值開關(guān)控制；PID控制；智能控制。定值開關(guān)控制方法的原理是若所測溫度比設(shè)定溫度低，則開啟控制開關(guān)加熱，反之則關(guān)斷控制開關(guān)。其控溫方法簡單，沒有考慮溫度變化的滯后性、慣性，導(dǎo)致系統(tǒng)控制精度低、超調(diào)量大、震蕩明顯。PID控制溫度的效果主要取決于P、I、D三個參數(shù)。PID控制對于確定的溫度系統(tǒng)，控制效果良好，但對于控制大滯后、大慣性、時變性溫度系統(tǒng)，控制品質(zhì)難以保證。電阻爐是由電阻絲加熱升溫，靠自然冷卻降溫，當(dāng)電阻爐溫度超調(diào)時無法靠控制手段降溫，因而電阻爐溫度控制具有非線性、滯后性、慣性、不確定性等特點。目前國內(nèi)成熟的電阻爐溫度測控系統(tǒng)以PID控制器為主，PID控制對于小型實驗用電阻爐控制效果良好，但對于大型工業(yè)電阻爐就難以保證電阻爐控制系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性等。智能控制是一類無需人的干預(yù)就能獨立驅(qū)動智能機(jī)械而實現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制，隨著科學(xué)技術(shù)和控制理論的發(fā)展，國外的溫度測控系統(tǒng)發(fā)展迅速，實現(xiàn)對溫度的智能控制。應(yīng)用廣泛的溫度智能控制的方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)等，具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自協(xié)調(diào)等能力，保證了控制系統(tǒng)的控制精度、抗干擾能力、穩(wěn)定性等性能。比較而言，國外溫度控制系統(tǒng)的性能要明顯優(yōu)于國內(nèi)，其根本原因就是控制算法的不同。本文的研究，以電阻爐為控制對象，以單片機(jī)AT89C51為硬件核心元件，設(shè)計一種新型的溫度測控系統(tǒng)，使其具有硬件電路簡單、系統(tǒng)性能優(yōu)良等優(yōu)點。 國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀國外先進(jìn)國家設(shè)計的各種溫度控制自動化水平較高，裝備有完善的檢測儀表和計算機(jī)控制系統(tǒng)。其計算機(jī)控制系統(tǒng)已采用集散系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的形式，大部分配有先進(jìn)的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標(biāo)。而國內(nèi)大多數(shù)采用儀表控溫，由于控制設(shè)備精度低，使產(chǎn)品質(zhì)量受到很大影響。很多企業(yè)由于種種原因，尚無能力購置先進(jìn)的溫度自動控制系統(tǒng)。隨著國內(nèi)外工業(yè)的日益發(fā)展，溫度檢測技術(shù)也有了不斷的進(jìn)步。溫度測量系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是傳感器，它將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號。另一部分是電子裝置，它主要完成對信號的接收、處理、對測點進(jìn)行控制、溫度顯示等功能。對應(yīng)于不同的溫度段及測量精度要求，測溫裝置也不盡相同，從傳感器方面看，已出現(xiàn)有各種金屬材料、非金屬材料、半導(dǎo)體材料制成的傳感器，也有紅外傳感器。儀器本身也趨向小型化，多采用集成度較高的芯片或元件組成電路。對于測點較多，并具有報警、巡測、控制等多功能測溫裝置，一般采用單片機(jī)電路。目前的溫度檢測技術(shù)原理很多，大致包括以下幾種:(1)物體熱脹冷縮原理(2)熱電效應(yīng)(3)熱阻效應(yīng)(4)利熱輻射原理。傳統(tǒng)的溫度傳感器(如,熱電偶、鉑電阻、雙金屬開關(guān)等)雖然有著各自不可替代的優(yōu)點,但由于自身因自熱效應(yīng)影響了測量精度,從而制約了它們在微型化高端電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。與之相比較,半導(dǎo)體溫度傳感器具有靈敏度高、體積小、功耗低、時間常數(shù)小、自熱溫升小、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點,無論是電壓、電流還是頻率輸出,在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)( 55～150 ℃)都與溫度成線性關(guān)系,適合在集成電路系統(tǒng)中應(yīng)用。目前,半導(dǎo)體溫度傳感器工作的溫度范圍還限于 50～150 ℃。未來主要的研究方向?qū)⑹侨绾螖U(kuò)大它的溫度適用范圍,以及智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方面。 近年來，在溫度檢測技術(shù)領(lǐng)域中，多種新的檢測原理與技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用己取得了具有實用性的重大進(jìn)展。新一代溫度檢測元件正在不斷出現(xiàn)和完善化，主要包括以下幾種。(1)晶體管溫度檢測元件(2)集成電路溫度檢測元件(3)核磁共振溫度檢測器(4)熱噪聲溫度檢測器(5)石英晶體溫度檢測器(6)光纖溫度檢測器(7)激光溫度檢測器。目前國內(nèi)外的溫度控制方式越來越趨向于智能化，溫度測量首先是由溫度傳感器來實現(xiàn)的。測溫儀器由溫度傳感器和信號處理兩部分組成。溫度測量的過程就是通過溫度傳感器將被測對象的溫度值轉(zhuǎn)換成電的或其它形式的信號,傳遞給信號處理電路進(jìn)行信號處理轉(zhuǎn)換成溫度值顯示出來。溫度傳感器隨著溫度變化而引起變化的物理參數(shù)有: 膨脹、電阻、電容、熱電動勢,磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展,新型溫度傳感器還會不斷出現(xiàn),目前,國內(nèi)外通用的溫度傳感器及測溫儀大致有以下幾種: 熱膨脹式溫度計、電阻溫度計、熱電偶、輻射式測溫儀表、石英溫度傳感器測溫儀。目前市場上大致有3類溫度控制系統(tǒng)分別是：單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)、嵌入式溫度控制系統(tǒng)、基于SOPC的溫度控制系統(tǒng)。它們有各自的優(yōu)點與缺點，我們可以根據(jù)具體要求進(jìn)行選擇。單片機(jī)溫度自動控制系統(tǒng)中，材料溫度由熱電阻測量，信號通過放大器放大，毫伏信號放大后由A/D轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，再通過光電耦合器，進(jìn)入主機(jī)電路。由主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷分析，再輸出數(shù)字控制量，去控制加熱功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。同時，超過上下限時進(jìn)行自動報警，控制中自動顯示溫度值?；贏RM的測控系統(tǒng)主要由測溫器件、ARM微處理器、鍵盤及顯示單元組成。測溫器件是用作溫度的采集。ARM微處理器是系統(tǒng)的核心部分，它用來控制整個系統(tǒng)的工作流程。整個系統(tǒng)的硬件部分分為五個部分，即電路部分、檢測電路部分、控制及顯示電路部分以及輸出控制。系統(tǒng)工作原理為ARM微處理器向傳感器發(fā)出信號，啟動溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，溫度傳感器采集完一次數(shù)據(jù)后，將模擬量轉(zhuǎn)換為ARM處理器能識別的數(shù)值信號。ARM微處理器實時掃描進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，對采集到的信號進(jìn)行處理?；贏RM的溫度控制系統(tǒng)通過合理地搭建ARM嵌入式平臺，采用PID自整定算法，與常規(guī)PID控制算法比較，使被控對象的溫度波動大幅度減小，具有響應(yīng)時間短、超調(diào)量小、控制精度高、穩(wěn)定性好、智能化等優(yōu)點。在進(jìn)行軟硬件調(diào)試的基礎(chǔ)上，應(yīng)用于熱電系數(shù)測量儀中，經(jīng)測試，此控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足了系統(tǒng)溫度控制精度要求，具有較高的實用價值。市場上大多數(shù)的溫度自動控制系統(tǒng)是基于單片機(jī)或ARM系列芯片來設(shè)計的。對比這兩種設(shè)計，基于單片機(jī)的溫度自動控制系統(tǒng)的使用更方便，價格低廉，易于實現(xiàn)，因此受到廣泛使用。 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用實例通過網(wǎng)上查詢，翻閱圖書了解到目前國內(nèi)外市場單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)很多，而且方便靈活，且應(yīng)用面比較廣，可用于工業(yè)上的加熱爐、熱處理爐，在生活中的應(yīng)用也比較廣泛，如熱水器，室溫控制，農(nóng)業(yè)中的大棚溫度控制。以上出現(xiàn)的溫度控制系統(tǒng)產(chǎn)品，根據(jù)其系統(tǒng)組成、使用技術(shù)、功能特點、技術(shù)指標(biāo)。選出其中具有代表性的幾種如下：（1）虛擬儀器溫室大棚溫度控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面虛擬儀器大棚溫度控制系統(tǒng)是一種比較智能，經(jīng)濟(jì)的方案，適用于大力推廣，該系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫度進(jìn)行采集，然后再進(jìn)行比較，通過比較對大棚內(nèi)的溫度是否超過溫度限制進(jìn)行分析，如果超過溫度限制，溫度報警系統(tǒng)進(jìn)行報警，來通知管理員。（2）電烤箱溫度控制系統(tǒng)該方案采用美國TI公司生產(chǎn)的FLASH型超低功耗16位單片機(jī)MSP430F123為核心器件，通過熱電偶監(jiān)測系統(tǒng)溫度，用集成傳感器AD590作為溫度測量器件利用該芯片內(nèi)置的比較器完成高精度AD信號采樣，根據(jù)溫度的變化情況，通過單片機(jī)編寫閉環(huán)算法，從而成功地實現(xiàn)了對溫度控制的測量和自動控制功能。其溫度范圍較低，大概在0250之間，具有精度高，相應(yīng)速度開等特點。（3）小型熱水爐溫度控制系統(tǒng)該系統(tǒng)解決了北方冬季分散取暖采用人工定時燒水供熱耗煤量大，浪費人力溫度變化大的問題。設(shè)計方案硬件方面采用MCS51系列8031單片機(jī)為核心，擴(kuò)展程序存儲器2732，AD590溫度檢測元件測量環(huán)境溫度和供水溫度，AD0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同向驅(qū)動器7407光電耦合器及9103的功放完成對點擊的控制。軟件方面建立了供暖系統(tǒng)的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。本系統(tǒng)的硬件電路簡單，程序易于實現(xiàn)。它可用于一臺或多臺小型取暖熱水鍋爐的溫度控制，可是居室溫度基本恒定，節(jié)煤節(jié)電省人力。（4）單片機(jī)控制電阻爐溫度系統(tǒng)該系統(tǒng)由8098單片機(jī),2764/6264存貯器, 8279鍵盤顯示, pp40微打、雙向晶閘管過零觸發(fā)控制, 掉電檢測與保護(hù), 故障聲光報警、自動與手動轉(zhuǎn)換等電路組成。控制回路采用Dahlin或積分分離增量式PID算法。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理、功能完善、控制精度高、杭干擾能力強(qiáng)、通用性好、價格低, 使用方便等特點, 具有很好的社會經(jīng)濟(jì)效益。(5）單片機(jī)在水溫控制中的應(yīng)用傳統(tǒng)的公眾浴室采用雙回路冷熱水分開供給的系統(tǒng), 使用中需經(jīng)常調(diào)節(jié)閥門, 閥門損壞率較高。應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)對浴室水溫進(jìn)行自動控制, 水溫可人工或自動設(shè)定, 這對傳統(tǒng)的浴室供水系統(tǒng)是一種突破。電路大量采用新型集成電路, 提高了系統(tǒng)的可靠性。(6)電阻爐溫度單片機(jī)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)把二端式半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590置于一個封閉嚴(yán)密的箱內(nèi)的中心位置, 通過ADC0804與單片機(jī)MCS51接口, 控制電阻。因此, 系統(tǒng)應(yīng)具有對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理的功能。 溫度控制系統(tǒng)模型單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計就是為本單片機(jī)溫控系統(tǒng)選擇合適的、最優(yōu)的系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、設(shè)計合適的接口電路等。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)本著以下原則：(1) 盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。本設(shè)計采用了典型的顯示電路、A/D轉(zhuǎn)化電路，為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。(2) 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件考慮。軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。由軟件實現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時間比硬件實現(xiàn)長，且占用CPU時間。由于本設(shè)計的響應(yīng)時間要求不高，所以有一些功能可以用軟件編程實現(xiàn)，如鍵盤的去抖動問題。(3) 系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計本設(shè)計要實現(xiàn)對電阻爐溫度的檢測與控制，本系統(tǒng)由單片機(jī)AT89C5ADC0808轉(zhuǎn)換器及報警電路、顯示電路、溫度控制電路等部分組成， 本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成,硬件部分主要完成傳感器信號的采集處理,信息的顯示等。軟件主要完成對采集的溫度信號進(jìn)行處理及顯示控制等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖21所示：液晶顯示AT89C51單片機(jī)傳感器A/D轉(zhuǎn)換電阻爐報警電路溫度控制圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖在系統(tǒng)中，利用ADC0808將測得的電壓信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換成與爐溫相對應(yīng)的數(shù)字信號進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過LCD1602液晶顯示器顯示溫度并判斷是否報警，同時將溫度與設(shè)定溫度比較，由設(shè)定的控制算法計算出控制量，根據(jù)控制量通過控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時間，以實現(xiàn)對爐溫的控制。電阻爐內(nèi)溫度小于280度電阻絲全速加熱,超過300度則進(jìn)入降溫,以使溫度控制在280300度之間。第3章 硬件設(shè)計單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計就是為本單片機(jī)溫控系統(tǒng)選擇合適的、最優(yōu)的系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、設(shè)計合適的接口電路等。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)本著以下原則：(1) 盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。本設(shè)計采用了典