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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于单片机的管式电阻炉温度控制系统设计摘 要本文研究的主要问题是实验室常用的管式电阻炉的温度控制，要实现对电阻炉的温度控制，就需了解这一被控对象的特性，因此又介绍了电阻炉温度特性测试实验的整个过程、测试方案及其处理方法。然后针对电阻炉的特点，利用实验室现有的设备，提出了利用DDZ-III型仪表组合成一套单闭环负反馈的控制系统，通过调节PID调节器的比例系数、积分系数和微分系数来实现对电阻炉温度的控制。管式电阻炉的温度控制系统设计的主要步骤有：第一，对管式电阻炉的温度特性进行研究。第二，应用一定的芯片搭接硬件电路。第三，应用C51语言编程。程序能够实现炉温
2、的模拟、中间变量的显示等。关键词：温度特性测试；管式电阻炉；温度控制；PID参数整定Tubular Resistance Furnace Temperature Control System Design Based On MCUAbstractIn this paper ,the main problem is temperature control of tubular resistance furnace that commonly used in laboratory,it is necessary to achieve resistance furnace temperature c
3、ontrol, there was a need to understand the object characteristics, it also introduced a resistance furnace temperature characteristics of the whole process of testing laboratories to test the program and its treatment. For the characteristics of resistance furnace , using the equipment in laboratory
4、, taking a apoint of making use of DDZ-III-type instrument into a single closed-loop negative feedback control systems, by adjusting the proportion of PID regulator coefficients KP, integral coefficient KI and differential coefficient KD to achieve temperature control of the resistance furnace.The m
5、ain steps of tubular resistance furnace temperature control system are: first, the resistance of the tube furnace to study the temperature characteristics. Second, the application of a hardware circuit chip overlap. Third, the application of C51 language programming. Procedures to achieve the temper
6、ature of the simulation, the middle of the display variables. Key words: Temperature characteristics of the test; tube resistance furnace; temperature control; PID parameter tuning目 录摘 要IAbstractII第一章 概述11.1管式电阻炉简介11.2管式电阻炉的工作原理2第二章 管式电阻炉温度控制系统32.1管式电阻炉系统特性描述32.1.1温度变化曲线及微分方程的简化表示32.1.2对象的特性参数32.1.3
7、由S形温度变化曲线求电阻炉特性参数42.2热电偶工作原理及特性52.2.1热电偶的基本原理52.2.2热电偶冷端温度补偿72.3管式电阻炉控温方式的基本形式82.3.1管式电阻炉系统框图82.3.2二位式控制92.3.3时间比例控制92.3.4比例、积分、微分（PID）控制92.4管式电阻炉温度特性曲线与控制方式的选择11第三章 管式电阻炉系统硬件设计133.1放大电路133.2继电器电路153.3芯片特点153.3.1芯片STC89C52153.3.2 A/D芯片ADC0832193.2.3 LED显示213.3.4 D/A芯片DAC0832233.4 I/V转换电路25第四章管式电阻炉系统
8、软件设计274.1管式电阻炉系统主程序274.2 A/D转换子程序284.3线性化及标度变换294.4 PID调节器及参数的整定314.4.1抗积分饱和型PID调节器314.4.2 增量型PID运算334.4.3 PID调节器的参数整定方法354.5 键盘程序设计364.5.1键盘扫描子程序364.5.2按键处理子程序374.6 LED显示子程序384.7 D/A转换子程序39第五章 调试过程415.1调试过程的相关介绍41参考文献43附录A44附录B45致 谢53内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 概述1.1管式电阻炉简介随着现代化生产对温度控制品质要求的日益提高，一些控制精度差
9、且难以管理的老式电阻炉必须用新技术进行改造，其中控制算法研究处于至关重要的地位。现在所说的管式电阻炉温度控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在系统的发展史上，称为第三代控制系统，以PLC和DCS为代表，从70年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从90年代开始，陆续出现了现场总线电阻炉温度控制系统、基于PC的电阻炉温度控制系统等。实验所用管式电阻炉属于单管定碳炉，它以硅碳棒为加热元件。管式电阻炉为周期作业式电炉，可供工矿企业、科研单位、实验室和车间作化学分析、物理测定和热电偶鉴定等加热之用。 温度控制器及镍铬-镍硅电偶(1000)或铂铑
10、-铂电偶(1200), 能对炉膛温度进行测量、指示及自动控制。在本设计中我们使用K型热电偶测量管式电阻炉的温度。结构简介：本次设计选用的管式电阻炉为回转式管式电阻炉，其最高使用温度为1100（）。电炉炉体由角钢、薄钢板构成。炉膛系单节封闭式管型炉，外形呈一横置的圆柱体，炉膛系碳化硅制成长圆体放于炉子内部，两端用轻质耐火粘土制成的炉圈固定，炉膛和炉壳之间填由硅酸铝纤维毡和珍珠岩做保温材料，发热元件制成螺旋形后绕于炉壁之中。炉体由铸铁支撑座支撑旋转钮可进行旋转。控制器由内部分测量、调节控制和电炉电源装置三个部分构成，其中测量和控制由配置的TDW-2001型温度指示调节仪来完成；电炉电源装置由接触器
11、、电流表、电源开头、端子板等元件组成，因此不但能测量温度，而且能自动控制温度在给定范围内。101.2管式电阻炉的工作原理管式电阻炉是电阻炉的一种分类，其工作原理相同。电阻炉是以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉。电阻炉以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达5080，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。 按传热方式，电阻炉分为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热空气进行加热，炉温多低于650。 此
12、外按电热产生方式，电阻炉可分为直接加热和间接加热两种。在直接加热电阻炉中，电流直接通过物料，因电热功率集中在物料本身，所以物料加热很快，适用于要求快速加热的工艺，例如锻造坯料的加热。大部分电阻炉是间接加热电阻炉，其中装有专门用来实现电-热转变的电阻体,称为电热体，由它把热能传给炉中物料。这种电炉炉壳用钢板制成，炉膛砌衬耐火材料，内放物料。最常用的电热体是铁铬铝电热体、镍铬电热体、碳化硅棒和二硅化钼棒。16管式电阻炉温度控制系统的被测对象是实验室中常见的管式电阻炉，被控参数是电阻炉的炉内温度。热电偶作为测温元件来检测炉内温度，控制系统由热电偶温度变送器、常规的PID调节器及角行程的电动执行器等D
13、DZ-型仪表组成。这里之所以采用常规的PID控制，一是因为该方法理论成熟、操作简单、容易掌握、稳态响应特性好，对特性参数不确定的系统特别适用。再有就是要受实验室现有条件的限制，对于精度要求不高的电阻炉温度控制系统，这套设备完全可以实现预定的控制目的。第二章 管式电阻炉温度控制系统2.1管式电阻炉系统特性描述2.1.1温度变化曲线及微分方程的简化表示管式电阻炉是热工设备中较为常见的加热炉之一，它的温度特性描述如下。炉温的微分方程简化表示为 ： （2-1）式中表示炉温，表示阶跃输入的幅值，为时间常数 ，为比例常数。简化后的温度变化曲线 ：图2.1 简化温度变化曲线2.1.2对象的特性参数热工设备在
14、运动方面的特点也可用参数表示，称为对象特性参数。微分方程（2-1）中的参数T与K就是表示运动特性的参数。它是从数学式中推导出来的，故称之为对象特性的导出参数。17将(2-1)求出解并绘出曲线可清楚看出其物理意义，如下图2.2。自动调节领域边界条件永远是0。式（2-1）的解： (2-2)若趋于无穷大，则等于。是阶跃输入的幅值，是常数，下标表示稳定后的数值，故有： (2-3)时间常数表示温度上升过程快慢，由式（2-2）可得：若 ，图2.2 对象特性参数T与K的图解，进入与稳态差5以内，所以3就可为温度上升过程的时间。以0时的最大速度达到稳态值的时间就是，因此可从曲线上的图解得到。2.1.3由S形温度变化曲线求电阻炉特性参数一般实际热工对象测出的温度变化曲线呈S形，只是弯曲的程度不同而已，如下图2.3所示；图2.3 电阻炉对象特性温度变化曲线先确定拐点，点温度上升速度最大，确定时要仔细。由点作切线与线交于点，并由0.632确定点作参考。延长连线于横轴相交于点。就是容量滞后时间，由下式可求得特性参数与。 （2-4） （2-5）其中是阶跃输入量，是常数；是点的速度。或用图解得到与的数值：量出段长度对应的时间就是值。若输入是一单位
