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1、电热炉温度控制系统的设计1. 设计任务与要求初始条件：可靠的温度的监控在工业中是十分必要，为了满足工业电加热炉的控制性能要求，以加热炉里的温度作为被控参数，设计电热炉温度控制系统。要求完成的主要任务:(1)电热炉温度特性分析(2)系统设计方案(3)系统的工作原理(4)系统说明2. 电热炉温度特性分析工业电炉温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图。被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器。 执行器的特性：电炉的温度调节是通过调
2、节剂(供电能源)的断续作用，改变电炉丝闭合时间Tb与断开时间Tk的比值,=Tb/Tk。 调节工业电炉的温度，在工业上是通过在设定周期围，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期Tc导通的电压周波。设周期Tc导通的周期的波数为n，每个周波的周期为T，则调功器的输出功率为P=nTPn/Tc，Pn为设定周期Tc电压全通过时装置的输出功率。3. 设计方案3.1 系统方案此系统主要包括单片机控制系统、温度采
3、集系统、温度显示模块、温度上下限调节模块以与外部存储模块等几部分组成。图1为系统的总体框架图1 系统总体框架由系统总体框架图可知，在温度控制系统中，经过DS18B20传感器检测到的温度值送入单片机中，在单片机部经过数据的处理信号与给定的对应的所要求的温度值进行比较，同时还可以经过按键来调节温度的实时值，产生的温度值可以与存储器中存储的温度值进行比较，根据比较的结果来控制相应的指示灯的亮与灭，从而可以方便地控制温度的变化。此外，电热炉的温度控制的性能至关重要，传统的装置通常是基于常规的PID控制方案，往往会存在着精度不高以与工作效率较低的特点。特别是对于难以准确的确定其数学模型或者是具有非线性、
4、纯滞后和时变的温度的控制过程，仅仅依靠传统的PID控制方案难以满足电热炉温度控制的高精度的要求。为了确保电热炉温度控制高性能目标的实现，可以根据其数学模型、典型的控制方案和仿真运行的结果进行分析和研究，从而可以发现模糊自适应整定的PID控制方案通过模糊规则和模糊的推理方法能够对PID控制器参数进行校正，因而具有实用和高性能的特点。3.2 温度采集模块温度由DALLAS公司所生产的一线式数字温度传感器DS18B20采集。DS18B20的测温围位- 55-125C,测试的分辨率能够达到0.0625C,测试的温度用符号扩展位16位形式串行输出。CPU只需一根端口线就可以与多个DS18b20进行通信，
5、占用的微处理器的端口较少，进而可以节省大量的引线与逻辑电路。DS18B20的部是一个9字节的高速存储器，存储器用来存储所设定的温度值。其中它的前两个字节是将要测得的温度数据，第一字节所存储的是温度的低八位，第二字节会是温度的高八位，第三和第四字节将是温度的上限Th与温度的下限TL的易失性拷贝，第五字节会是结构存储器的易失性拷贝，此三字节的容在每一次的上电复位时均会被刷新，第六、七、八三个字节是用于部的计算，而第九字节为冗余校验字节，用于保证通信的准确性。当温度转换命令发出转换命令后，经过转换的温度值将会以二字节补码的形式存放在此存储器的第一和第二字节中。单片机能够通过单线接口读到数据，读数据时
6、低位在前，高位在后，其中的高五位是符号位，中间的七位是整数位，最低四位将会是小数位。DS18B20的最大特点是单总线数据的传输方式，因而对于读写的数据位有着严格的时序要求。例如包括初始化时序、读时序、写时序。每一条命令和数据的传输都是从单片机写时序开始的，如要求DS18B20回送数据，那么在进行写命令后，单片机需要启动读时序才能够完成数据的接收。命令和数据的传输都是低位在先。图2为DS18B20在proteus中的的实物图。图2 DS18B20实物图DS18B20是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，与单片机接口时仅需占
7、用一个I/O端口，无须任何外部元件，就直接可以将环境温度转化成串行数字信号供处理器处理。其特性如下：（1）只要求一个端口即可实现通信。（2）在DS18B20中的每个器件上都会有独一无二的序列号。（3）测量的温度围是55到125之间。（4）在实际的应用中不需要任何外部元器件即可实现测温。 （5）部有温度上限和下限的报警设置。 （6）用户可以从9位到12位来选择数字温度计的分辨率。 （7）支持多点测温的功能，若干个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网思维多点测温。（8）电源极性接反时，芯片不会因为发热而烧毁，但不能正常的工作。DS18B20的引脚功能为：DQ为数字信号的输入/输出端；GN
8、D为电源接地标志；VCC为外接供电电源的输入端。本设计使用单片机AT89C51的P3.4口与DS18B20的单总线端口DQ相连。DS18B20部结构主要是由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL以与配置寄存器。DS18B20在出厂时的默认设置为12位，最高位为符号位，温度值共11位。单片机在读取数据时可以一次读取2个字节共16位，前5位为符号位，当前5位为1时，当读取的温度为负值时，读到的数值要取反加1再乘以0.0625才是它的实际温度值。而当前5位为0时，读取的温度为正值，读到的数值直接乘以0.0625便是实际的温度值。根据DS18B20的通讯协议，主机控
9、制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：在每一次的读写之前都需要对DS18B20进行复位，并且在复位成功后还要发送一条ROM指令，最后再发送RAM指令，只有这样才能够对DS18B20进行预定的操作。复位成功后会要求主CPU将数据线下拉500微秒左右，然后将会释放，DS18B20在收到信号后将会等待1660微秒左右，然后将发出60240微秒的存在低脉冲，此时主CPU收到此信号才能够表示复位成功。在实际使用的中，DS18B20有以下事项需要注意：在对DS18B20的读写的编写程序时，必须严格的保证读写时序，如若不然将会无法读取到测得的温度结果。 在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充
10、分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。因为连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。当向DS18B20发出温度转换的指令后，程序要等待DS18B20的返回信号，假如某个DS18B20接触不好，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序会进入死循环。3.3 液晶显示器液晶显示器也称为LCD，由于LCD的控制必须使用专用的驱动电路，且LCD面板的接线需要特殊的技巧，再加上LCD面板十分的脆弱，因此一般不单独的使用，而是将LCD面板、驱动电路与控制电路组合成LCM模块一起使用。LCM是一种很省电的电子设备，常被应用在数字或单片机控制系统中。液晶显示器选用LM016L，它是显示两行的字符型LCD显
11、示器，它是由32个字符点阵块组成。每个字符点阵块都是由57或510个点阵组成，并可以显示ASCII表中所有的可视字符。它的部置了字符产生器ROM，字符产生器RAM和显示数据RAM，CGROM的部置了192个常用字符的字模，且CGRAM包含了8个字节的RAM，可以用来存放用户自定义的字符，DDRAM就是用来寄存等待选择的字符的代码。LM016L字符型与单片机之间的连接主要有两种：直接访问方式连接和间接控制方式连接。 直接访问方式连接是由单片机的读、写和高位地址线共同控制LCM的E端，由高位地址线其中的两条分别与RS端和R/W端相连，由单片机的P0口与LCM的DB0DB7相连，这样就可以构成了三总
12、线（数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB）的连接方式。由于构成了三总线的结构，所以在软件控制上比较简单，用通过访问外部地址的方式就能访问LCM。但是，在使用这种连接方式时需要注意单片机的控制总线时序和地址总线时序必须要与LCM所需要的时序相匹配，否则将无法访问。LM016L主要技术参数如下：显示容量：16*2个字符芯片工作电压：4.55.5V工作电流：2.0mA字符尺寸：2.95*4.35（W*H）mm管脚号名称电平功能描述1VSS0V2VDD5.0V3VEE4RSH/LH：数据线上为数据信号；L：数据线上为指令信号5RWH/LH：读数据模式；L：写数据模式6EH/L使能信号端714DB0
13、DB7H/L数据口 3.4 外部存储模块外部存储器选用的是美国ATMEL公司生产的低功耗的CMOS型E2PROM器件AT24C02C，它的部含有2568位的存储空间，而且它还具有工作电压宽，擦写次数多、写入速度快、数据不易丢失等特点。它采用了I2C的总线规程，能够使主机和从机实现双向通信。主机会通过SCL引脚产生串行的通信时钟信号并且可以发出控制字，用于控制总线的数据传输的开始、方向和停止。不管是主机或者是从机，每当接收到一个字节后必须发出一个确认信号。AT24C02C占用很少的资源和I/O线，且支持在线编程，数据实时存取十分的方便。图3为存储器相关的电路图：图3 存储器连接图 3.5 键盘的
14、设置键盘可以分为两种：非编码式键盘和编码式键盘。非编码式键盘是利用按键直接与单片机进行连接而成的，这种键盘通常使用的按键数量较少，使用这种键盘，系统的功能通常比较简单，需要完成的任务较少，同时可以降低系统的成本、简化电路的设计。非编码式键盘的接口电路需要根据设计者的需要自行决定，按键信息是通过单片机的接口软件来获取。编码式键盘是较多按键和专用驱动芯片组合而成的，当某个按键按下时，它能够处理按键抖动、连击等问题，直接输出按键的编码，无需系统软件的干预。键盘的工作方式有三种：编码扫描工作方式、中断工作方式和定时扫描工作方式。本文的键盘设置包括四个按键：启动键、温度的增加键、温度的降低键和确认键。通
15、过这四个键的整体配合，可以方便快捷的调节温度的值，从而可以根据设置的温度的上下限值观察报警灯的工作状态，使调节的过程安全可靠。3.6 控制电路模块该部分电路有光耦合元件4N25、继电器、三极管、指示灯以与若干电阻构成。该部分电路的主要作用是光电隔离，即消除后级电路对前级单片机的影响。三极管是使用NPN型的，把其集电极接+5V电压，射极接继电器。当单片机的引脚给出低电位时，光耦合元件4N25部的发光二极管亮，使其部的三极管导通，进而使引脚上的10K电阻分得电压。控制电路可以实时的反应温度值的大小，可以为温度的变化带来迅速、准确的响应。图4为控制电路图：图4 控制电路图在本设计中控制方法是定值开关温度控制，没有采用PID控制算法，基本可以满足本设计要求。在实际应用中还有PD、PID算法，可以达到比较高的精度。对于不同的控制对象，所采用的算法也应该有所不同。比如对于热惯性大、耦合强、时间滞后明显、难以建立精确数学模型的大型立式淬火炉，有时就会采用人工智能模糊控制的算法，借以对淬火炉电热元件通断比的调节，来实现对炉温的自动控制，有时也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法结合PID控制算法的联合控制方案，对于不同的对象在实际应用时应该灵活运用。4 系统的Proteus仿
