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1、电阻炉温度控制系统的设计 摘要：自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。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。本设计要求用单片机设计一个能在多种领域得到广泛应用的电阻炉温度控制系统。目录第1章
2、 前言61.1电阻炉简介61.2电阻炉的优点7第2章 电阻炉温度控制系统的特性8第3章 电阻炉加热原理及加热方式的分类103.1电阻炉电加热原理103.2电阻炉加热方式的分类10第4章 电阻炉控制系统的硬件部分114.1 8031芯片概述114.2 8255A芯片概述124.3 74LS373芯片概述134.4 6116芯片概述134.5 2764芯片概述144.6 ADC0809转换器144.7 温度检测元件及变送器、ADC的选择144.8 接口芯片的扩展154.9 温度控制电路15第5章 电阻炉控制系统的软件部分16第6章 炉温自动控制原理18第7章 主要的技术特性20第8章 电阻加热炉基
3、本结构及型式21第9章 用途23参考文献24致谢25第1章 前言电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备,广泛应用于冶金、机械、建材等行业，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。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。本设计要求采用单片机设计一个电阻炉温度控制系统。1.1电阻炉简介电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加
4、热或者熔化工件和物料的热加工设备。 电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，虽炉种的不同而已。 电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等1.2电阻炉的优点.热效率高。电阻炉不需要燃烧气体，没有派出因燃烧气体而产生的废气造成的热损失。炉膛室内热强度高，能达到较高的温度，是高熔点金属得熔化。.能满足工件在各种工艺樊为中的要求，并使之成为可控。能用质量流量计对所控
5、气氛进行检测。 由保护气氛来保证炉内气氛的清洁。比如保护气氛改为真空，可以将炉内的残余气体抽走，保护气氛改为氢气，各种可随之运出。高纯度的氢气，气含氧量可小于0.1ppm，气露点小于70.能够满足工作空间温度场均匀分布和恒温的精度要求。比如在48小时内温度漂移0.5。整个工艺过程能用微机和智能化程序控制。有利于连锁保护，报警、防爆、数显、曲线记录操作简单，寿命长，安全有保障。场所利用率大，噪声较稳定。第2章 电阻炉温度控制系统的特性电阻炉温度控制系统是闭合的反馈系统。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，其系统结构图如图2-1所示。被控制对象是大容量、大惯性的电
6、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，其具体的电路图如图2-2所示。图2-1执行器的特性：电阻炉的温度调节是通过调节剂(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。 调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，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内通断时间的比例，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
7、内导通的电压周波。如图2-3所示，设周期Tc内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内电压全通过时装置的输出功率。图2-2 图2-3 第3章 电阻炉加热原理及加热方式的分类3.1电阻炉电加热原理当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律： Q02412 Rt Q热能，卡； I一电流，安培 , R一电阻，欧姆， t一时间，秒。 按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时Q(024100036000)1000=864千卡。 在电热技术上按l千瓦小时860千卡计算。电阻炉在结构上
8、是使电能转换为热能的设备，它能有效地 用来加热指定的工件，并保持高的效率。 3.2电阻炉加热方式的分类电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。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
9、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。第4章 电阻炉控制系统的硬件部分 温度调节仪是控温系统的核心部分，采用单片机控制，实现智能化，它主要由输入通道、输出通道、人机对话通道以及一些外围电路组成，原理框图如图4-1所示。具体是由8031单片机、16K电擦写程序存贮器、键盘及显示器接口电路以及并形I/O芯片8255等组成。它把传感器送来的温度信号进行放大、比较、运算后，输出控制信号，触发执行装置，实现温度的自动控制，同时还实现多种温度传感器的转换、调零、调幅的软调整等功能。为了提高系统的抗干扰能力，温度传感器信号应采用屏蔽线单独接地，此外，对
10、主机亦采用电磁屏蔽措施，以防止其它的电磁干扰。 4.1 8031芯片概述MCS-51系列单片机是美国Intel公司开发的8位单片机，又可以分为多个子系列。MCS-51系列单片机共有40条引脚，包括32条I/O接口引脚、4条控制引脚、2条电源引脚、2条时钟引脚。引脚说明： P0.0P0.7：P0口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为存储器扩展时的地址/数据复用口P1.0P1.7：P1口8位口线，通用I/O接口无第二功能。P2.0P2.7：P2口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为存储器扩展时传送高8位地址。 P3.0P3.7：P3口8位口线，第一功能作为通用I/O接口
11、，第二功能作为为单片机的控制信号。ALE/ PROG：地址锁存允许/编程脉冲输入信号线（输出信号）PSEN：片外程序存储器开发信号引脚（输出信号）。EA/Vpp：片外程序存储器使用信号引脚/编程电源输入引脚。RST/VPD：复位/备用电源引脚。4.2 8255A芯片概述是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片,它具有3个8位的并行I/O口,具有三种工作方式,可通过程序改变其功能,因而使用灵活,通用性强,可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255有三种基本工作方式，三种工作方式由工作方式控制字决定,方式控制字由CPU通过输入/输出指令来提供.三个端口中PC口被分为两个部分,上半
12、部分随PA口称为A组,下半部分随PB口称为B组.其中PA口可工作与方式0、1和2，而PB口只能工作在方式0和1。8255共有40个引脚,采用双列直插式封装,各引脚功能如下：D0-D7：三态双向数据线,与单片机数据总线连接,用来传送数据信息。CS：片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。RD：读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。WR：写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。Vcc：+5V电源。A0-PA7：A口输入/输出线。PB0-PB7：B口输入/输出线。PC0-PC7：C口输入/输出线。RESET：复位信号线。A1、A0：地址线，用来选择8255内部端口。GND：地线。 图 4-14.3
13、 74LS373芯片概述 74LS373是带有三态门的八D锁存器，当使能信号线OE为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q-8Q输出到OUT1-OUT8，当OE端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT1-OUT8处于浮空状态。G称为数据打入线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号OE为低电平，这时，当G端输入端为高电平时，锁存器输出（1Q-8Q）状态和输入端（1D-8D）状态相同；当G端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（1D-8D）的数据锁入1Q-8Q的八位锁存器中。当用74LS373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE
14、下降沿进行地址锁存。引脚说明如下： D0D7：锁存器8位数据输入线 Q0Q7：锁存器8位数据输出线 GND：接地引脚 Vcc：电源引脚，5V有效 OE ：片选信号引脚 G：锁存控制信号输入引脚。4.4 6116芯片概述6116是2K*8位静态随机存储器芯片,采用CMOS工艺制造,单一+5V供电,额定功耗160mW,典型存取时间200ns,24线双列直插式封装，其引脚功能说明如下：A0A10：地址输入线 O0O7：双向三态数据线，有时用D0D7表示 ：片选信号输入端，低电平有效：读选通信号输入线，低电平有效：写选通信号输入线，低电平有效Vcc：工作电源输入引脚，5V GND：线路地4.5 2764芯片概述2764是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。各引脚的 含义为：A0A12：13根地址线，可寻址8K字节；：片选线；O0-O7：数据输出线；：为数据输出选通线；PGM：编程脉冲输入端；Vpp：编程电源；Vcc：主电源，一般为5V。GND：接地引脚4.6 ADC0809转换器ADC0809是一种比较典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时
