题 目：
硬件系统设计
电加热炉温度控制
绪论
随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了广泛的应用。它不仅在航空、航天、铁路交通、冶金、电力、电讯、石油化工等领域得到了广泛应用，而且在日常生活中诸如电梯、微波炉、电冰箱、电视机等高科技产品中也有广阔的使用前景，为工业生产的自动化、智能控制奠定了坚实的技术基础。
加热炉作为一种应用广泛的热工设备之一。尽管它使用的加热方法不同， 或工艺要求不同，温度有高低、精度也有差异，但作为被控参数之一的温度总是可用不同的测温元件和方法来获得，并通过微型计算机加以处理和控制，并按一定温度曲线工作，以满足生产需要。
本课题的研究现状和研究意义：
电加热炉以其无污染、操作方便、自动化程度高、可调范围大、节省基建投资等诸多优点逐渐受到人们的欢迎。但这其中对温度的控制上不是很理想，温差大、温度控制精度不准确 。针对这一情况。本将介绍一种应用单片机对电热加热炉进行智能控制的温度系统。
一般的电加热炉温度控制系统（如温度控制表控制接触器）的主要缺点是温度波动范围大。传统的以普通双向晶闸管(SCR) 控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率, 达到自动控制电炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波, 实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰, 并通过电网传输, 给电力系统造成“公害”。他们的工作多数是采用PID及改善的PID控制规律进行的。但是，PID控制算法也有它的局限性。尤其在离散系统中，采用周期较大或对象具有较大时滞特性时，控制效果不是很理想。
本的研究意义是怎么用51系列单片机作为控制器去实现温度控制，达到需要的工业要求，实现起温度控制的作用，达到工作稳定、性能可靠。利用热电偶的冷端补偿采用铂电阻温度传感器，测量标准，克服了常规方法补偿误差大的缺点，该系统具有软启动、程序升温、键盘输入、显示打印等功能，使温度控制为误差达到≤±5℃，调节温度的超调量小于30%，实时显示炉内温度，记录温度变化的过程。
单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样性，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。在科研、生产中，常常需要对某些系统进行温度的监测和控制。需检测和控制的温度系统一旦确定，其热惯性大小和散热等各项硬件条件就确定了。这时，影响系统热平衡的因素主要有：系统温度T、设定温度Ta、系统周围的环境温度Ts 以及加热方式和调节方法。目前已有的实现温控的方法有很多种，如：恒温法、比例式、积分式及其组合的调节方法等等，其中有的方法达到热平衡需
要的时间很长，但是其控温精度很高，而有的是达到热平衡的时间短，但其控温精度却不够高。本文介绍如何用单片机模型来实现系统温度的自动控制。
用这种方法控温，使整个系统灵活、可靠性高，系统达到热平衡较快，而且精度也比较高，融合了前面列举方法的优点，而且更加简单方便。“单片机模型法”是根据设计需要建立模型曲线，再根据模型曲线各阶段的特点，选择相应的加热模式，然后通过软件设计实现温度的自动调节。
的目的、内容及研究方向：
温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。电阻炉炉温控制系统的控制过程是：单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换芯片得到相应的数字量，经过计算机进行数据转换，得到应有的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。
电加热炉是一个非线性的、时变的、分布参数的复杂被控对象。要实现其最优控制，必须建立被控对象的数学模型，然后求取相应的控制器方程，例如自适应控制、随机最优控制、预测控制、解耦控制和变结构控制等。
这类控制方法由于数学工具深奥，算法复杂，现场工程师难以理解和接受，因而这些先进控制算法的推广受到制约。人们在实践中知道，许多复杂的生产过程难以实现目标控制，但是熟练的操作工、技术人员和专家操作自如，而不要建立什么数学模型，就可以得到比较满意的控制效果。设想把这些专家的经验和知识总结起来赋予计算机，让计算机参与生产过程控制，这类系统一般称为智能控制系统，它包含专家控制、模糊控制和神经网络控制。
本文就没有建立电加热炉的数学模型，而直接采用算法简单、效果好的单神经元自适应PID智能控制算法和单神经元自适应PSD智能控制算法。与传统PID控制算法相比，智能控制算法具有计算量小、控制器结构简单、静动态性能指标好的特点，有较高的实用价值和理论价值。
在普通的电加热炉是一种常见的设备。在其控制系统中，温度控制是其中的关键部分，目前国内电加热炉普遍采用PID模拟控制算法，而这种算法一般温差大，很难保证温度控制在≤±5℃，本的目的的怎么用51系列单片机去实现此功能。
温度是工业控制对象中的主要被控参数，特别是在冶金、化工、机械、检定计量等领域，广泛的使用着各种加热炉、热处理等，所采用的加热方法及燃料也不相同，但就温度控制系统本身而言，均属于一阶纯滞后环节，本介绍的温度控制系统，是对电加热炉的改良，它能与PC机及数据采集器一起构成对炉温的多点控制及热电偶的自动检测主要技术指标有：电加热炉温度加热范围：≤1500℃，施加电压范围：0-220V相AC或DC，加热方式：电阻丝直接加热，炉内容积：0.3×0.25×0.3M3，最大功率：4KW。
使用电加热炉其主要优点是： (1)污染小； (2) 能量转化率高；
(3) 可以完全实现智能化无人操作； (4) 占地面积及空间小，锅炉房造价低； (5) 安全性能好；
这些同时也是本的内容及其研究方向。
1. 电加热炉温度单片机控制系统总体方案设计
在本章中主要介绍了系统的设计原则和总体方案及系统概述等。
1.1 系统的设计原则
[1]
(1)安全可靠
首先要选用高性能的AT89C52单片机，保证在恶劣的工业环境下能正常运行。其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，如报警、事故预测、事故处理和不间断电源等。
(2)操作维护方便
操作方便表现在操作简单、直观形象和便于掌握且不强求操作工要掌握计算机知识才能操作。
(3)实时性强
选用高性能的8031单片机的实时性，表现在内部和外部事件能及时地响应，并做出相应的处理。
(4)通用性好
系统设计时应考虑能适应不同的设备和各种不同设备和各种不同控制对象，并采用积木式结构，按照控制要求灵活构成系统。主要表现在两个方面：一是硬件板设计采用标准总线结构（如PC总线），配置各种通用的模板，以便扩充功能时，只需增加功能模板就能实现；二是软件功能模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。
(5)经济效益高
1.2 系统总体方案设计和工艺要求
[2]
(1)确定系统的性质和结构 (2)确定系统的构成方式 (3)现场设备选择
(4)确定控制策略和控制算法 (5)硬件、软件的功能划分 (6)系统总体方案
①系统的主要功能、技术指标、原理性方框及文字说明。 ②系统的硬件结构几配置，主要软件的功能、结构框图。 ③保证性能指标要求的技术措施。 ④抗干扰性和可靠性设计。
(7)工艺要求
①设定出口温度、实际测量的出口温度、入口温度数码管显示。
②调节温度的超调量小于30%。
③实现温度闭环控制，控制温度误差范围≤±5℃。 ④实时显示炉温内温度，记录变化过程。 ⑤温度范围：0℃ ～ 1500℃。 ⑥供电电压：交流220V 。
1.3 系统概述
一般的电加热炉控制系统（如温度控制表控制接触器）的主要缺点是温度波动范围大。由于它重主要通过接触器的通断时间比例来达到该表加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低，故温度控制精度低，单片机脉宽调温闭环系统以8031单片机作为该控制系统的核心，采用脉冲调宽技术，双向可控硅输出，工作稳定、性能可靠。热点偶的冷端补偿采用热电阻温度传感器，测量准确，克服了常规方法补偿误差大的缺点。该系统具有软启动、程序升温、键盘输入、显示打印等功能，使温度控制稳态误差精度达±5℃。
1.3.1 系统的总体结构和框架图[3]
过程计算机控制系统的设计过程分为总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试四个部分。在进行控制系统设计前，应该首先考虑对控制对象进行深入的调查和分析，并熟悉工艺流程，根据生产中提出来的问题，确定系统所需要完成的任务。然后写出论证，选择控制方案，控制方案的好坏，直接影响控制效果、系统投资和系统的经济效益。
用单片机实现的电加热炉温度控制系统如下:
图1-1 系统的结构框架图
(1)键盘输入系统，主要用于预置温度的输入，修改个其他功能操作。 (2)温度传感器，采用高精度热电偶检测老炉温信号。
(3)中心控制单元，主要由微处理器（8031单片机）、片外存储器和接口电路组成，担负数据的比较、运算、内外部中断处理以及驱动外设的任务。
(4) 功率放大电路，采用大功率双向可控硅控制加热炉的温度。
(5)过零检测电路，双向可控硅过零触发电路，以往通过控制双向可控硅导通角来改变流过可控硅的电流，从而改变输出功率。
(6)键盘显示器，本系统键盘/显示器接口采用8279芯片。8279用硬件完成键盘与显示器扫描。
(7)本系统用其“看门狗”功能和对主电源Vcc的监视功能。
本系统温度控制范围为0~1500℃；控制精度高，控制温度误差范围≤±5℃；调节温度的超调量小于30%；最大功率：4KW；炉内容积：0.3×0.25×0.3M3。
1.3.2 系统的基本工作原理[4]
工作原理：炉温控制程序及温度与热电偶电势之间的对于关系表存放在EPROM2746中，双向可控硅采用过零触发方式。触发脉冲由过零同步脉冲形成电路提供。在每个工作周期T内的工作占空比与单片机输出的门控脉冲信号决定。键盘与显示器用于各种参数的设置和显示。热电偶与放大器将被测温度转换成热电势信号并放大，再由A/D转换器换成相应的数字量供单片机识别处理。单片机每隔一定时间要启动一次A/D转换、采样一次现场温度，将温度数据与给定温度W进行比较，得到温差，再根据偏差的大小和正负，通过PID控制算法送出1个相应脉冲，让一定数量的触发脉冲在高电平上通过控制门去触发可控硅，送入8031，通过键盘显示来去控制温度。同时反应炉温的热电偶的电势，经冷端补偿后送运算放大器放大，其电压范围为0~10V，将此电压经多路开关CC4051送入12位A/D转换器后，计算机通过数据口获得相应的表征炉温的数字量。该数字量经数字滤波、线性化处理以及标度变换后，一方面通过LED显示炉温，另一方面当采样周期到达时，与设定温度进行比较，再做PD/PID运算；根据运算结果。计算机通过I/O口改变控制脉冲宽度，从而改变双向可控硅在一个固定的控制周期T内导通的时间（或交流电的周波数），即改变电加热炉的平均输入功率，以此达到控温的目的。
本系统的功能主要有数据采集、数据处理、输出控制。能对0～1500°C范围内的各种电加热炉的温度进行精密测量，同时，四位LED显示器直接跟踪显示被控对象的温度值，准确度高，显示清晰，稳定可靠，使用方便（在具体设计编程、调试过程中，为了调试方便，编程把温度范围设在0～1500°C。 数据采集部分能完成对被测信号的采样，显示分辨率1°C，测量精度1°C ，控制精度1°C，可以实现采集信号的放大及A/D转换，并自动进行零漂校正，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行FID参数自整定和运算，并输出0～10mA控制电流，配以主回路实现温度的控制。数据处理分为预处理、功能性处理、抗干扰等子功能。输出控制部分主要是
数码管显示控制。
2. 温度控制硬件系统设计
在本章中分块说了原理图的设计原则、芯片介绍，以及实现温度控制硬件系统的原理图，并做了分块仔细介绍。
2.1 原理图的设计原则
原理图主要由设计、诊断与检查组成。 原理图的设计要符合以下几点要求：
(1)原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确。
(2)图中所使用的元器件要合理选用，电阻，电容等器件的参数要正确标明。 (3)原理图要完整，CPU，外围器件，扩展接口，输入/输出装置要一应俱全。
原理图的设计、诊断与检查在Protel DXP软件环境下完成。
系统设计完成后，进入印制板制作、器件焊接及软件编程阶段。在印制板设 计时，要仔细考虑印制板的面积、布局及连线长度，以减小对信号的延时和抗干 扰。对加工好的印制板还要进行仔细的检查，最后将器件、插座及元件等逐一焊 接在印制板上。
2.2 芯片功能介绍
在下面分别介绍了电路原理图中用到的芯片，如8031芯片、8279芯片、AD574A芯片等。
2.2.1 8031芯片介绍[5]
8031单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM外，其余特性与MCS-51单片机基本一样。 MCS-51单片机的引脚描述及片外总线结构。
芯片的引脚描述：
HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用 40引脚的直插庾埃―IP方式，制造工艺为C HMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封装方 式外，还采用方型封装工艺，引脚排列如图。 其中方型封装的CHMOS芯片有44只引脚， 但其中4只引脚（标有NC的引脚1、12、23 、34）是不使用的。在以后的讨论中，除有特 殊说明以外，所述内容皆适用于CHMOS芯片。
如图，是MCS-51的逻辑符号图。在单片 机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚。
2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源 图2-1 8031芯片
复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。
图2-2 8031结构图
下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。
(1)主电源引脚VCC和VSS。 VCC——（40脚）接+5V电压； VSS——（20脚）接地。
(2)外接晶体引脚XTAL1和XTAL2。
XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。
XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。
(3)控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP。 ①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使
单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。 VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的 电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。
②ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。
③PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。
④EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。
(4)输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）。
①P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。
②P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。
③P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。
④P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。
电加热炉温度控制硬件系统设计 精品
