【正文】 長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文題 目 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng) 學(xué) 院 人文信息學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化070922班 指導(dǎo)教師 王 霆 姓 名 劉塞北 2011年6月3日53長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要如今電阻爐被廣泛應(yīng)用于各大工業(yè)領(lǐng)域，通過(guò)單片機(jī)的實(shí)時(shí)控溫來(lái)提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)對(duì)節(jié)能環(huán)保也有著重大意義。本此設(shè)計(jì)的核心處理器為AT89C2051單片機(jī)，用其對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。選擇了K型熱電偶作為金屬傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是精度高成本低，并選擇串行E178。PROM 24C01來(lái)存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)和調(diào)控參數(shù)，這樣就確保斷電后數(shù)據(jù)仍能被保存。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后進(jìn)入多路開(kāi)關(guān)，多路開(kāi)關(guān)輪流檢測(cè)3個(gè)通道的溫度信號(hào)后輪流輸出給A/D轉(zhuǎn)換器，最后將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。控制方式則為調(diào)功控制，通過(guò)使用光耦合雙向可控硅對(duì)雙向?qū)ňчl管的導(dǎo)通百分比進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)電阻絲的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。在鍵盤上輸入預(yù)設(shè)溫度后，單片機(jī)通過(guò)控制雙向?qū)ňчl管的導(dǎo)通百分比對(duì)電阻絲的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使溫度控制在預(yù)設(shè)值，同時(shí)在LED顯示屏上顯示當(dāng)前爐內(nèi)溫度。關(guān)鍵詞：AT89C2051 頻率 轉(zhuǎn)換 調(diào)整AbstractNow resistance heater is widely used in each industrial fields. Microcontroller is used to control temperature to improve production efficiency and product quality，and it is important to the energy conservation and environmental protection．The design of the core processor as AT89C2051 microcontroller，with its to there sistance furnace temperature testing and control．Choose K type thermocouple as metal sensor，its advantage is low cost， high precision and choose 24C01 E178。PROM serial to storage measurement data and control parameters，thus ensure after power failure data can still be saved. Detection signal amplifier amplification by entering multiple switch after, multichannel switch turns detection three channels temperature signal after take turns output to A/D converter, finally the voltage signal into frequency signal transmission give microcontroller to undertake handling. Control mode is adjustable power control, through the use of optical coupling bidirectional thyristor of double guide the thyristor controlled conduction percentage, and the power of resistance wire adjusted. On the keyboard input preset temperature, SCM through control double guide the thyristor conduction percentage of power of resistance wire on the adjustment, make temperature control in default, while in the LED display on display the current insideheater temperature.Keywords：AT89C2051 frequency convert adjust目 錄第1章 概 述 1 電阻加熱爐自動(dòng)控溫系統(tǒng)的研究背景及意義 1 目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 論文研究的主要內(nèi)容 2第2章 方案論證 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 3 系統(tǒng)方案論證 3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇論證 4 溫度檢測(cè)的選擇論證 5 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的選擇論證 6 鍵盤的選擇論證 8 輸出控制電路的選擇論證 8 顯示器的選擇論證 9第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 控制單元的設(shè)計(jì) 11 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 12 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 14 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì) 15 顯示電路的設(shè)計(jì) 16 鍵盤電路的設(shè)計(jì) 18 輸出控制電路的設(shè)計(jì) 19 電源電路的設(shè)計(jì) 21第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 23 溫度檢測(cè)流程圖 23 軟件的主程序流程圖 24 輸入輸出程序流程圖 25 調(diào)功程序流程圖 25 溫度顯示流程圖 26第5章 控制算法及濾波 27 數(shù)學(xué)建模與控制算法 27 數(shù)學(xué)建模 27 控制算法 28 數(shù)字濾波 30 數(shù)字濾波的介紹 30 數(shù)字濾波的設(shè)計(jì) 30總 結(jié) 32致 謝 33參考文獻(xiàn) 34附錄1：電阻式鍋爐的自動(dòng)控溫系統(tǒng)原理圖 35附錄2：電阻式鍋爐的自動(dòng)控溫系統(tǒng)程序清單 36長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 概 述 電阻加熱爐自動(dòng)控溫系統(tǒng)的研究背景及意義溫度是科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程中十分普遍但又非常重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制，其中溫度控制占有相當(dāng)大的比例。同時(shí)有效且準(zhǔn)確地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、低耗、高產(chǎn)和安全生產(chǎn)的重要條件。如電力工業(yè)的鍋爐、冶金工業(yè)的電阻加熱爐、化學(xué)工業(yè)的反應(yīng)爐等設(shè)備，通過(guò)對(duì)溫度的控制與調(diào)節(jié)，才能確保產(chǎn)品的質(zhì)量及產(chǎn)量；而在日常生活中，電熱水器、微波爐、空調(diào)等常用電器也同樣需要對(duì)溫度進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)。由此可見(jiàn)，溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，所以對(duì)溫度控制進(jìn)行研究是非常有意義的。但由于溫度控制設(shè)備慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型等自身特點(diǎn)，并且傳統(tǒng)的PID控制由于其參數(shù)恒定，不能及時(shí)跟蹤對(duì)象特性變化，造成控制系統(tǒng)性能不佳。本文根據(jù)這一特點(diǎn)，把常規(guī)PID控制、模糊控制及自學(xué)習(xí)功能結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成了一種PID控制器。并將此方案運(yùn)用于對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間短、響應(yīng)速度快且穩(wěn)態(tài)誤差在℃的技術(shù)要求。這對(duì)日常生活中的設(shè)備來(lái)說(shuō)足夠了，但對(duì)精度要求很高的軍事和工業(yè)來(lái)說(shuō)就不夠了。 目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前我國(guó)電阻熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段，近幾年隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因此熱處理技術(shù)朝著高效、節(jié)能的方向發(fā)展。電阻爐是熱處理中使用最廣的加熱設(shè)備，這樣溫度的測(cè)量和控制就成為關(guān)鍵性技術(shù)，這樣便促使人們更加積極地研究熱加工的控制方法。雖然我國(guó)也在不斷進(jìn)行電阻爐控制系統(tǒng)的研究，但與國(guó)外相比還是比較落后。系統(tǒng)的控制精度靠試驗(yàn)者來(lái)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)置隨著環(huán)境的變化而變化，同時(shí)儀表控制參數(shù)需要由人工選擇，這樣就會(huì)導(dǎo)致費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、且不準(zhǔn)確。因此，導(dǎo)致工作強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量低，這些都影響著企業(yè)的發(fā)展。溫度控制一直以來(lái)都是人們研究的主要方向，但都未取得好的控制效果。最初電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲，傳統(tǒng)方法大多采用儀表測(cè)溫，并通過(guò)控制交流接觸器的通斷時(shí)間比例來(lái)控制加熱功率。如今，隨著微機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于溫度控制。因此能夠確保生產(chǎn)正常進(jìn)行，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量以及節(jié)約了能源，并且能使溫度按照制定規(guī)律變化。這不但對(duì)用戶有著很大的意義，而且對(duì)整個(gè)社會(huì)都有著重大的意義。 論文研究的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心控制溫度的控制系統(tǒng)，采用K型熱電偶傳感器作為溫度傳感器,在溫度相應(yīng)變化時(shí)與設(shè)定值相比較，然后矯正，得到我們希望的值。這次設(shè)計(jì)主要做的是硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件的編程，用計(jì)算機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制，同時(shí)采用PID算法使系統(tǒng)獲得較好的性能指標(biāo)?？偣矊⑾到y(tǒng)分為四部分：A/D轉(zhuǎn)換、PID控制、外部中斷和單片機(jī)控制。第2章 方案論證 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求本次設(shè)計(jì)以電阻爐為研究對(duì)象，針對(duì)電阻爐的溫度，主要對(duì)常規(guī)PID控制在電阻爐溫度控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。本文主要進(jìn)行一下幾方面的工作：，并對(duì)其國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。，包括硬件的組成及各功能子模塊電路的設(shè)計(jì)。，以及各個(gè)子模塊的軟件實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)方案論證整個(gè)電阻爐溫度控制系統(tǒng)由單片機(jī)控制系統(tǒng)、溫度變送器、可控硅輸出部分、A\D模數(shù)轉(zhuǎn)換和被控對(duì)象組成。系統(tǒng)工作時(shí)，由溫度傳感器檢測(cè)溫度后轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)集成運(yùn)算放大器放大至05V的電壓信號(hào)，再通過(guò)A\D模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)變成供單片機(jī)接受的數(shù)字信號(hào)，將此信號(hào)與溫度設(shè)定值相比較，計(jì)算溫度偏差e和溫度的變化率，然后通過(guò)PID運(yùn)算得到控制量u，最后控制可控硅輸出部分來(lái)調(diào)節(jié)電阻爐的輸出功率，即控制電阻爐電壓的通斷時(shí)間，最終達(dá)到控溫目的。系統(tǒng)原理圖如圖21所示。圖21 電阻爐溫度控制系統(tǒng)原理框圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇論證ADS8412是德州儀器公司推出的一款2Msps采樣速率的16位逐次逼近（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用P8/P16并行輸出，帶有內(nèi)部時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓源，無(wú)丟失碼，2MHz采樣頻率時(shí)的功率為175mW，SNR為90dB。ADS8412是單極單端輸入范圍，有16位和8位可選擇接口，零等待時(shí)間，高速并行接口，8位、16位總線傳輸，48引腳TQFP封裝，所有輸入端ESD保護(hù)電壓達(dá)1000V，可用在DWDM、儀表、告訴分辨率零等待數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器接口、醫(yī)療器械及通信領(lǐng)域。ADS8412的主要工作性能如下：（1）2MHz采樣頻率；（2）高溫下16位無(wú)失真輸出特性；（3）零等待時(shí)間；（4）內(nèi)置基準(zhǔn)源，；（5）高速并行接口；（6）輸入端ESD保護(hù)電壓達(dá)1000V。MAX1032是Maxim公司最新推出的一種多通道、多量程、低功耗、分辨率為14位的串行輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該器件具有轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、接口方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在航空電子、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制、多媒體、機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用。MAX1032的工作特性如下：（1）輸入通道：八個(gè)單端或四個(gè)差分模擬輸入；（2）輸入范圍：由軟件編程確定（每通道獨(dú)立），單端輸入范圍為0V到+6V、6V到0V、0V到+12V、12V到0V、177。3V、177。6V及177。12V，差分輸入范圍為177。6V、177。12V及177。24V；（3）接口特性：數(shù)據(jù)和信號(hào)接口電平與SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容，；（4）采樣速率：115ksps；（5）基準(zhǔn)電壓：可采用內(nèi)部基準(zhǔn)，也可采用外部基準(zhǔn)，～。 V/F轉(zhuǎn)換器能夠把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理再把頻率信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，由此完成了A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換。因?yàn)槠浣泳€簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，轉(zhuǎn)換精度高等特點(diǎn)，所以經(jīng)常用其代替A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。LM331就是其中一款由美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性價(jià)比比較