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1、精选优质文档-倾情为你奉上电炉温度控制系统设计摘要热处理是提高金属材料及其制品质量的重要技术手段。近年来随工业的发展，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。电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，加热时恒温过程的测量与控制成为了关键技术，促使人们更加积极地研制热加工工业过程的温度控制器。此设计针对处理电阻炉炉温控制系统，设计了温度检测和恒温控制系统，实现了基本控制、数据采样、实时显示温度控制器运行状态。控制器采用 51 单片机作为处理器，该温度控制器具有自动检测、数据实时采集处理及控制结果显示等功能，控制的稳定性和精度上均能达到要求。满足
2、了本次设计的技术要求。关键词：电阻炉，温度测量与控制，单片机目录专心-专注-专业一、绪论1.1 选题背景在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、流速、流量、压力和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在机械制造、电力工程、化工生产、造纸行业、冶金工业和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例，即使日常生活中的电热水器、空调、微波炉、电烤箱等家用电器也同样需要温度监控。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产
3、的重要条件。1.2 电阻炉国内发展动态电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械、冶金等行业的生产中占有十分重要的地位，温度控制质量的好坏将直接影响着热处理产品的产量和质量，对于提高生产率和节约能源也有举足轻重的意义。我国对电阻炉的控制进行了广泛的研究始于上世纪 80 年代，随着微型计算机控制技术的发展，电阻炉计算机控制逐步进入实用化阶段。目前，国内电阻炉控制系统的研究现状如下：(1) 采用先进的控制设备随着单片机、可编程控制器与工业控制机等先进控制系统的发展，逐步取代了以前大规模的继电器、模拟式控制仪表。单片机也因其极高的性价比而受到人们的重视和关注，获得广泛地应用和迅速地发展。单片
4、机具有体积小、重量轻、控制功能强、价格低与开发方便等优点。单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，现在可以用单片机通过软件的方法来实现。以前自动控制中的 PID 调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。(2)采用新的控制方法对传统的负反馈、单一 PID 控制系统做了多种补充，从而使控制性能更佳。同时，越来越多的控制系统采用新的控制方法如：模糊控制、神经网络控制、才遗传算法控
5、制、最优控制、自整定 PID 参数控制器、自适应控制和自校正控制器等。1.3 设计主要内容设计分析了炉温的特性和单片机炉温控制系统的工作原理，完成了以 AT89S5l单片机为控制器，控制系统包括温度数据采集电路、功率控制输出电路、键盘与显示接口电路和声光报警等电路的硬件电路设计，实现了温度数据采集、处理、显示、状态切换、定时保温、系统的故障自诊断和超限声光报警等功能。二、温度测量系统的设计要求电阻炉温度控制系统应具备温度测量、显示、过限报警等功能，并要求具有良好的稳定性、高控制精度，以满足热处理对温度的需求。系统设计时，首先确定系统的设计目标，确定温度控制器的规格与技术指标，这对于明确设计的目
6、的性和控制功能的逻辑性有重要的意义。然后设计系统的相关的操作规范及运行参数，为硬件设计和软件设计确定具体的目标。2.1 设计任务针对原有电阻炉温度控制系统的功能缺陷及现有控制要求，确定本次设计的目标如下：(1) 系统的测温范围在 01000，控温精度2，显示精度 0.1；(2) 控制面板能便捷输入控制参数，如 P、I、D 及保温时间；(3) 用 7 段高亮数码管显示设定炉温（5 位数码管）、炉温实时温度（5 位数码管）、保温时间（3 位数码管）等系统信息；(4) 用三个发光二极管以不同的颜色和发光状态来指示显系统的工作状态。2.2 系统的技术参数整个系统最终达到的技术指标是由系统中的各个环节共
7、同作用后完成的。比如要提高温度检测的精度，只采用高精度的A/D转换器是不够的，还需要好的抗干扰措施、精确度高的传感器及软件线性化处理等。一般情况下，技术指标达到某个限度后，再想提高是不容易办到的，为此可能付出更多的经费与时间。设备规格是硬件投资的主要依据。如电源的规格、传感器类型、控制器类型等。根据需要确定所设计的温度控制系统的主要技术参数如表2-1所示：表2-1系统主要技术参数2.3 操作功能设计为了便于操作，所设计的温度控制器的面板总计五个按键、三个工作状态指示灯、一个蜂鸣器和十三个高亮 7段 LED 数码管，用于完成参数的设置和信息的显示。其中，五个按键分别为设置、加一、减一、左移、右移
8、，用于设置温度以及保温时间。三个工作状态指示灯分别指示暂停状态、工作状态、超限报警。十三个高亮7段LED数码管中有五位显示设定温度、五位显示实际温度、三位显示保温时间。三、系统硬件设计电阻炉控制系统应具备温度测量、显示、参数输入等功能，并要求具有可靠性高、通用性强、控制精度佳等特点，以满足控制需求。基于上述性能要求，系统的硬件结构如图 3-1 所示，系统包括单片机、温度检测与处理电路、键盘与显示接口电路、声光报警电路以及计时电路等。图3-1温度控制系统硬件结构图3.1 CPU选型温度控制系统选用 ATMEL89 系列单片机中的 AT89S51 作为微处理器。AT89S51 是一个低功耗，高性能
9、 CMOS 型 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-systemprogrammable)Flash 存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。3.2 温度检测电路设计温度检测电路是电阻炉温度控制系统的重要部分，其性能好坏直接决定了整个系统的性能，它承担着检测电阻炉温度并将温度数据传送到单片机的任务。3.2.1 温度传感器的选择热电偶在工程
10、上使用最为广泛的温度传感器之一，它具有构造简单、精度高、热响应时间快、测温范围大（-200+2000均可连续测温）以及性能可靠使用寿命长的优点，在温度测量中占有很重要的地位。热电偶的种类很多，热电偶有 K 型（镍铬-镍硅）WRN 系列，N 型（镍铬硅-镍硅镁）WRM 系列，E 型（镍铬-铜镍）WRE 系列，J 型（铁-铜镍）WRF 系列，T 型（铜-铜镍）WRC 系列，S 型（铂铑 10-铂）WRP 系列，R 型（铂铑 13-铂）WRQ 系列，B 型（铂铑 30-铂铑 6）WRR 系列等。考虑设计成本与实际的温度范围（01000），在本设计中选用分度号为 K 的镍铬-镍硅热电偶 WRN-120
11、，表 3-1 所列的是常用热电偶的材料规格和线径使用温度的关系：表3-1 常用热电偶材料规格和线径使用温度3.2.1.1热电偶的测温原理将两种不同材料的导体或半导体（称为热电偶丝材或热电极）两端焊接起来，构成一个闭合回路，当两导体之间存在温差时，便产生电动势，在回路中就会形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势，如图 3-2所示。图3-2 热电偶温度计系统原理图不同种类的两根金
12、属导线 A、B 连接起来并保持接点的温度为 t0。若设由电压计引出的导线与金属线 A、B 连接点的温度为 t，则显现出来的热电势 EAB(t，t0)为：3.2.1.2 热电偶的温度补偿热电偶都有对应的分度表，即在参考端温度为 0时，热电势和测量温度的对应表。热电偶的分度表是以冷端温度 0为基准进行分度的，热电偶的实际工作环境，冷端温度往往不为 0，不能直接使用分度表，因此必须对热电偶的冷端温度进行温度补偿。常用的冷端温度补偿方法有：冷端 0恒温法（将冷端放在冰水混合物的恒温容器中等）、冷端温度修正法、电桥补偿法和冷端温度自动补偿法等。在本设计中采用集成芯片 MAX 6675完成冷端温度的自动补
13、偿，可在很大程度上简化系统的设计。3.2.2 炉温数据采集电路的设计型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点，本次设计就是选用 K 型热电偶作为系统的温度传感器。目前，在以型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机系统。中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。MAXIM 公司推出的 MAX 6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D 转换器及 SPI 串口的热电偶放大器与数字转换器，
14、可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速性与准确性。故在本设计中，为简化系统电路设计采用芯片 MAX 6675作为热电偶电势与温度的转换。3.2.2.1 MAX6675芯片MAX 6675是具有冷端补偿和 A/D 转换功能的单片集成型热电偶变换器，测温范围 01024，温度范围满足本台电炉的温度需要，其主要功能特点如下：(1) 直接将热电偶信号转换为数字信号；(2) 具有冷端补偿功能；(3) 简单的 SPI 串行接口与单片机通讯；(4) 12 位 A/D 转换器、0.25分辨率；(5) 热电偶断线检测；（6）工作温度范围-20+85。3.2.2.2 MAX6675的测温原
15、理MAX 6675是一个复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构主要包括：低噪声电压放大器 A1、电压跟随器 A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12 位 AD转换器、SPI 串行接口、模拟开关及数字控制器。其工作原理如下：K 型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器 A1 和电压跟随器 A2 放大、缓冲后，得到热电势信号 U1，再经过 S4 送至 ADC。对于 K型热电偶，电压变化率为(41V/)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。上式中，U1 为热电偶输出电压（mV），T 是测量点温度，T0 是周围温度。在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行偿，冷端温度即是 MAX6675 周围温度与 0实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压 U2 经 S4 输入 ADC 转换器。在数字控制器的控制下，ADC 首先将 U1、U2 转换成数字量，即获得输出电压 U0 的数据，该数据就代表测量点的实际温度值 T，这就是 MAX6
