【正文】 長 春 工 業(yè) 大 學畢業(yè)設(shè)計、畢業(yè)論文題 目 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng) 學 院 人文信息學院 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化070922班 指導教師 王 霆 姓 名 劉塞北 2011年6月3日53長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要如今電阻爐被廣泛應(yīng)用于各大工業(yè)領(lǐng)域，通過單片機的實時控溫來提高勞動生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時對節(jié)能環(huán)保也有著重大意義。本此設(shè)計的核心處理器為AT89C2051單片機，用其對電阻爐溫度進行檢測和控制。選擇了K型熱電偶作為金屬傳感器，其優(yōu)點是精度高成本低，并選擇串行E178。PROM 24C01來存儲測量數(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。檢測信號經(jīng)運算放大器放大后進入多路開關(guān)，多路開關(guān)輪流檢測3個通道的溫度信號后輪流輸出給A/D轉(zhuǎn)換器，最后將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號傳輸給單片機進行處理?？刂品绞絼t為調(diào)功控制，通過使用光耦合雙向可控硅對雙向?qū)ňчl管的導通百分比進行控制，進而對電阻絲的功率進行調(diào)節(jié)。在鍵盤上輸入預(yù)設(shè)溫度后，單片機通過控制雙向?qū)ňчl管的導通百分比對電阻絲的功率進行調(diào)節(jié)，使溫度控制在預(yù)設(shè)值，同時在LED顯示屏上顯示當前爐內(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 電阻加熱爐自動控溫系統(tǒng)的研究背景及意義 1 目前國內(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 溫度檢測的選擇論證 5 存儲器擴展電路的選擇論證 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 11 控制單元的設(shè)計 11 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 12 溫度檢測電路的設(shè)計 14 存儲器擴展電路的設(shè)計 15 顯示電路的設(shè)計 16 鍵盤電路的設(shè)計 18 輸出控制電路的設(shè)計 19 電源電路的設(shè)計 21第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 23 溫度檢測流程圖 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)學建模與控制算法 27 數(shù)學建模 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 30總 結(jié) 32致 謝 33參考文獻 34附錄1：電阻式鍋爐的自動控溫系統(tǒng)原理圖 35附錄2：電阻式鍋爐的自動控溫系統(tǒng)程序清單 36長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章 概 述 電阻加熱爐自動控溫系統(tǒng)的研究背景及意義溫度是科學實驗和生產(chǎn)過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)過程中，為了高效地進行生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進行有效的控制，其中溫度控制占有相當大的比例。同時有效且準確地控制溫度是優(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、化學工業(yè)的反應(yīng)爐等設(shè)備，通過對溫度的控制與調(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溫度進行控制與調(diào)節(jié)。由此可見，溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，所以對溫度控制進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)象嚴重、難以建立精確的數(shù)學模型等自身特點，并且傳統(tǒng)的PID控制由于其參數(shù)恒定，不能及時跟蹤對象特性變化，造成控制系統(tǒng)性能不佳。本文根據(jù)這一特點，把常規(guī)PID控制、模糊控制及自學習功能結(jié)合起來，構(gòu)成了一種PID控制器。并將此方案運用于對電阻爐溫度進行控制，達到調(diào)節(jié)時間短、響應(yīng)速度快且穩(wěn)態(tài)誤差在℃的技術(shù)要求。這對日常生活中的設(shè)備來說足夠了，但對精度要求很高的軍事和工業(yè)來說就不夠了。 目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前我國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。雖然我國也在不斷進行電阻爐控制系統(tǒng)的研究，但與國外相比還是比較落后。系統(tǒng)的控制精度靠試驗者來調(diào)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)置隨著環(huán)境的變化而變化，同時儀表控制參數(shù)需要由人工選擇，這樣就會導致費時、費力、且不準確。因此，導致工作強度大、勞動效率低、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溫，并通過控制交流接觸器的通斷時間比例來控制加熱功率。如今，隨著微機技術(shù)不斷發(fā)展，微型計算機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于溫度控制。因此能夠確保生產(chǎn)正常進行，減輕工人勞動強度，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。這不但對用戶有著很大的意義，而且對整個社會都有著重大的意義。 論文研究的主要內(nèi)容本設(shè)計是以單片機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)計主要做的是硬件電路的設(shè)計和軟件的編程，用計算機對溫度進行控制，同時采用PID算法使系統(tǒng)獲得較好的性能指標?？偣矊⑾到y(tǒng)分為四部分：A/D轉(zhuǎn)換、PID控制、外部中斷和單片機控制。第2章 方案論證 系統(tǒng)設(shè)計要求本次設(shè)計以電阻爐為研究對象，針對電阻爐的溫度，主要對常規(guī)PID控制在電阻爐溫度控制中的應(yīng)用進行了研究。本文主要進行一下幾方面的工作：，并對其國內(nèi)外的發(fā)展及現(xiàn)狀進行了簡要說明。，包括硬件的組成及各功能子模塊電路的設(shè)計。，以及各個子模塊的軟件實現(xiàn)。 系統(tǒng)方案論證整個電阻爐溫度控制系統(tǒng)由單片機控制系統(tǒng)、溫度變送器、可控硅輸出部分、A\D模數(shù)轉(zhuǎn)換和被控對象組成。系統(tǒng)工作時，由溫度傳感器檢測溫度后轉(zhuǎn)換成電流信號，經(jīng)過集成運算放大器放大至05V的電壓信號，再通過A\D模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)變成供單片機接受的數(shù)字信號，將此信號與溫度設(shè)定值相比較，計算溫度偏差e和溫度的變化率，然后通過PID運算得到控制量u，最后控制可控硅輸出部分來調(diào)節(jié)電阻爐的輸出功率，即控制電阻爐電壓的通斷時間，最終達到控溫目的。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)部時鐘和基準電壓源，無丟失碼，2MHz采樣頻率時的功率為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保護電壓達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位無失真輸出特性；（3）零等待時間；（4）內(nèi)置基準源，；（5）高速并行接口；（6）輸入端ESD保護電壓達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，特別適合在航空電子、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制、多媒體、機器人等領(lǐng)域應(yīng)用。MAX1032的工作特性如下：（1）輸入通道：八個單端或四個差分模擬輸入；（2）輸入范圍：由軟件編程確定（每通道獨立），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)和信號接口電平與SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容，；（4）采樣速率：115ksps；（5）基準電壓：可采用內(nèi)部基準，也可采用外部基準，～。 V/F轉(zhuǎn)換器能夠把電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，通過計算機處理再把頻率信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，由此完成了A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換。因為其接線簡單，價格低廉，轉(zhuǎn)換精度高等特點，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NS公司生產(chǎn)的性價比比較