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1、中北大学 2009 届毕业设计说明书第 1 页 共 46 页1 绪论1.1 研究的目的及意义自从发现电流的热效应(即楞次-焦耳定律)以后，电热法首先用于家用电器，后来又用于实验室小电炉 1。随着镍铬合金的发明，到 20 世纪 20 年代，电阻炉已在工业上得到广泛应用。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。工作温度在 650以下的为低温炉；6501000为中温炉；1000以上为高温炉。在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热。电
2、阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马弗式和隧道式等类型。可控气氛炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉 2。电阻炉与火焰炉相比，具有结构简单、炉温均匀、便于控制、加热质量好、无烟尘、无噪声等优点，但使用费较高 3。电热元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的电阻温度系数和良好的化学稳定性。常用的材料有金属和非金属两大类。金属电热元件材料有镍铬合金、铬铝合金、钨、钼、钽等，一般制成螺旋线、波形线、波形带和波形板。非金属电热元件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、带等形状。电热元件的分布和线路接法，依炉子功率大小和炉温要求而定 4。在工农业生产或科学实验中，温度是极为普遍的
3、又极为重要的热工参数之一。为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，也有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化等。因此，在工农业生产或科学实验中常常要求不断地测量温度，同时还进行控制 5。电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能并借助辐射与对流的传热方式加热工件。热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺 6。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织，以获得所要求的力
4、学性能，通中北大学 2009 届毕业设计说明书第 2 页 共 46 页过热处理可以提高制件的使用效能或寿命 7。1.2 温度控制研究目前，我国电阻热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。近年来随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展 8。电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，这样加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术，促使人们更加积极地研究控制热加工工艺过程的方法 9。炉控制设备的现状是一小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。整体上，我国的电阻炉控制系统与国外发达国家相比还比较落后。占主导地位的是仪表控制，
5、这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低，这些都影响了企业的效益。近年来 ，虽然引进了国外的一些控制器，如日本岛电的 R 四 3 型 40 段(步)可编程 PID 调节器，全部操作窗口按功能分为 6 个窗口群，共 95 个子窗口，其设置仍然繁杂 10。电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的加热炉控制
6、系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求 11。电阻炉在国民经济中有着广泛的应用，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的 12。一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制，都没有取得很好的控制效果。起先由于电阻炉的发热体为电阻丝，传统方法大多采用仪表测量温度，并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率。由于模拟仪表本身的测量精度差，加上交流接触器的寿命短，通断比例低，
7、故温度控制精度低，且无法实现按程序设定的升温曲线升温和故障自诊断功能，因此要对传统的温度控制方法进中北大学 2009 届毕业设计说明书第 3 页 共 46 页行改造 13。如今,随着以微机为核心的温度控制技术不断发展,用微机取代常规控制已成必然，因为它确保了生产过程的正常进行，提高了产品的数量与质量，减轻了工人的劳动强度以及节约了能源，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化，而且微型计算机在智能温度测量和控制电器中的控制作用是一种智能行为，所以，它在能量消耗上是比较少的，和普通仪表温度测量相比，智能温度测量与控制电器是一种节能电器。这不但对用户来说具有很大的意义，而且对整个社会来说都是有
8、重大意义的 14。1.3 工作内容系统要求电阻炉炉内的温度按图 1.1 的规律变化。从室温 开始到 点为自OTa由升温段，温度一旦达到 ，就进入系统调节；从 点到 点为保温段，要始终在aTbc系统的控制之下，以保证所需的炉内温度的精度，保温的时间为 75min；加工结束后，由 点到 点为自然降温段。cd图 1.1 炉温控制要求炉温变化曲线要求参数：过渡时间 100min；超调量 10；静态误差 2。0t pve温度的变化范围为 20220，保温值为 200。本次设计主要做的是硬件电路的设计及软件的编程，用计算机进行温度的控制，同时采用 PID 算法使系统获得较好的性能指标。系统分为四个部分：A
9、/D 转换、PID 控制、外部中断、单片机控制。中北大学 2009 届毕业设计说明书第 4 页 共 46 页2 系统方案设计2.1 控制方法常见电阻炉的温度控制方法：串级控制；前馈-反馈控制；比值控制；Smith 预估控制。2.2 工作原理一个反馈系统，在干扰的作用下，被控量偏离给定值，即出现系统偏差时，通过控制器的控制作用来抵消干扰的影响。大多被控制对象有纯滞后现象，因此采用反馈控制提高精度，提高系统的性能指标。2.3 炉温控制系统工作原理电阻炉温度自动控制体统采用了 AT89S52 单片机作为控制器，扩展了数码管显示、键盘、报警及 A/D 转换电路等，其系统框图如图 2.1 所示。控制系统
10、采用铂电阻测量加热电阻的入口温度和出口温度，经 A/D 转换后送入单片机与给定温度比较，其偏差经 PID 运算后输出，控制晶闸管三相调功模块导通和断开时间的不同来控制电热元件的通断时间，并由此来控制加热电阻的加热温度。控制系统控制固态继电器（SSR）的通断控制循环泵的运转，循环泵不运转，加热炉不能通电加热。入口温度出口温度 AT89S52固态继电器晶闸管三相调功模块A/D 转换键盘、显示加热炉EEPROM循环泵报警电路信号处理电路图 2.1 电阻炉温度控制系统中北大学 2009 届毕业设计说明书第 5 页 共 46 页3 硬件设计及器件选择3.1 单片机的选择选择 AT89S52 单片机作为控
11、制系统的核心，AT89S52 内部有 8KB 的程序储存器，256B 的数据储存器，因而无需再扩展储存器，使系统大大简化。AT89S52 主要完成温度的采集、控制、显示和报警等功能。AT89S52 引脚说明AT89S52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89S52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。表 3.1 AT89S52 的管脚功能特性主要功能
12、特性： 兼容 MCS52 指令系统 8k 可反复擦写(1000 次）Flash ROM 32 个双向 I/O 口 256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时/计数器中断 时钟频率 0-24MHz 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源 共 6 个中断源 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能3.2 数据储存器扩展设定的温度曲线需要长期保存，扩展一片串行 EEPROM AT24C256 来保存设定的温度曲线。3.2.1 AT24C56 引脚说明其引脚排列如图 3.1 所示，管脚配置如表 3.2 所示。中北大学 2009
13、 届毕业设计说明书第 6 页 共 46 页表 3.2 AT24C256 管脚配置管脚名 管脚功能A0A1 地址线SDA 数据线SCL 串口时钟脉冲WP 写保护NC 未定义图 3.1 AT24C256 引脚图A0、A1：地址选择输入端。在串行总线结构中，可以连接 4 个 AT24C256。用A0、A1 来区分各 IC。A0、A1 悬空时为 0。SCL：串行时钟输入。上升沿将 SDA 上的数据写入存储器，下降沿从存储器读出数据送 SDA 上。SDA：双向串行数据输入输出口。用于存储器与单片机之间的数据交换。WP：写保护输入。此引脚与地相连时，允许写操作；与 VCC 相连时，所有的写存储器操作被禁止
14、。如果不连，芯片内部下拉到地。VCC：电源。GND：地。NC：空。3.2.2 AT24C256 的工作原理中北大学 2009 届毕业设计说明书第 7 页 共 46 页AT24C256 内部有 512 页，每一页为 64 字节，任一单元的地址为 15 位。地址范围 0000H7FFFH。3.2.3 芯片工作状态1）时钟和数据传送一般情况下，SDA 被外部的设备拉到高，只有当 SCL 为低电平时，SDA 上的数据变化，表示要传送数据。SCL 为高时 SDA 变化表示状态变化。2）开始状态（START）当 SCL 为高时，SDA 由高到低表示数据传送开始，这一状态必须在所有命令之前。3）结束状态（S
15、TOP）当 SCL 为高时，SDA 由低到高表示数据传送结束状态。4）应答状态（ACK）所有的地址和数据都是以 8 位的形式串行传送给存储器或从存储器读出的。存储器在第 9 个时钟周期 SDA 发零信号表示已经收到 8 位数据。3.3 传感器的选择及设计目前在温度测量领域内除了广泛使用热电偶外，电阻温度计也得到了广泛的应用，尤其工业生产中-120+500范围内的温度测量常常使用电阻温度计。本设计中采用铂电阻来测量温度，由于铂电阻有精度高、稳定性好、性能可靠，且在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定，在 1000的范围内，铂电阻值与温度变化曲线基本是线性的，因此选择其作为电阻温度
16、计，其分度号为 ，电阻的初值为 =100.00 ，温度每升高 1，铂电阻的阻值约增2A0tR加 0.39 .其测量放大线路如图 3.2 所示。图 3.2 的测量部分是一个不平衡电桥，铂电阻 与固定电阻组成不平衡电桥tR的 4 个桥臂。为了保证测温的精度，采用两次温压。在 0时，铂电阻的阻值为=100.00，电桥平衡，对角线没有电压差；当温度变化时，铂电阻的阻值变0tR为 ，其变化值与温度成正比，电桥不平衡，使对角线两点有电压差，此电压差t送到运算放大器的输入端，经过放大后送到 A/D 转换芯片。中北大学 2009 届毕业设计说明书第 8 页 共 46 页图 3.2 铂电阻及其信号放大电路中北大学 2009 届毕业设计说明书第 9 页 共 46 页本放大器的整定值如表 3.3 所示。表 3.3 放大器整定值温度/ R /t
