加热炉的设计应用课程设计

本文以MCS-51系列单片机为核心，对电加热炉进行智能控制，控制器采用PID控制算法，但是对于那些结构复杂，参数时变或者根本褥不到数学模型的被控对象来说，PID控制优势还不如有经验作者手工控制效果好，而近年来得到广泛应用的PID控制技术在这方面提供了解题方法。事实上，PID控制，是有误差和误差的变化来决定控制输出量。PID控制结合了人的思维和经验，是一种用机器语言实现的同时有模拟人的思维进行判断推理来控制被控对象的智能方法。它具有高度的非线性。这样是目标系统达到非常好的控制效果，同时与其它控制方式进行比较具有过度过程短控制及时系统节能等优点。因此控制效果比较一般的控制系要好得多。
图3.1.2晶振电路
3.1.3复位电路
复位电路当AT89C51的RST引脚加高电平复位信号时，单片机内部就执行复位操纵。复位信号变低电平时，单片机开始执行程序。本设计选用上电与按键均有效的复位，电路如下图3.1.3
图3.1.3复位电路
上图输出接单片机的RST引脚。上电瞬间RST获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平讲逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间，单片机就可以进入复位操作。
1.温度传感器的选择
由于本次设计的加热炉温度范围为400--1000℃，加热温度高，而本系统对加热炉温度控制精度的要求为±3℃，为满足设计要求选用K型热电偶温度传感器，其具体参数如下：
名称：镍鉻—镍硅型号：WRN分度号：B测温范围：0--1300℃允许偏差±3％℃偶丝直径1.2--2.5mm
此热电偶温度传感器是工业最常用温度检测元件之一。其优点是：
1.3本系统主要研究内容及要求
利用微机控制系统完成加热炉温度的检测、处理以及数字控制计算，根据数据结果或进行相应的处理或改变加热功率，达到控制温度的目的。
控制要求：1．现场温度值可处理。
2．温度范围为400-1000C。
3．系统有必要的保护盒报警
4. 温度值要有显示
5. 误差范围±3C
第2章总体方案设计
图3.1AT89C51
管脚管脚说明：
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.1.2晶振电路
晶振电路晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分成有源晶振和无源晶振两个大类，无源晶振需要芯片内部有振荡器，并且晶振的信号电压根据起振电路而定，允许不同的电压，但无源晶振通常信号质量和精度较差，需要精确匹配外围电路（电感、电容、电阻等），如需更换晶振时要同时更换外围的电路。有源晶振不需要芯片的内部振荡器，可以提供高精度的频率基准，信号质量也较无源晶振要好。如下图18口接单片机的XTAL2口，19口接单片机的XTAL1口。
第一章前言
1.1意义及研究背景
在工业中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中温度控制也也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对环境中的温度进行控制。在石油工业中，加热炉尤为重要，加热炉应用非常明显。而对加热炉进行温度控制在整个工艺生产中的重要性尤为突出。
加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。由于这类对象使用方便，可以通过调节输出功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚备选功能：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
在使用热电偶温度传感器补偿导线时必须注意型号相配。极性不能接错。补偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100℃。
2.温度窗器信号转换设备的选择
由于温度传感器测量的温度信号为模拟信号，且测量信号比较微弱，因此必须要对此温度信号进行处理。处理过程为：首先要把温度信号经运算放大器进行放大，然后用A/D转换器八方的后的模拟信号转换为数字信号输入单片机。因此要进行温度的检测，温度传感器信号转换设备必不可少。
2.2方案设计
本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。
系统硬件结构框图如下：
图2.2系统硬件结构框图
第3章系统硬件设计
3.1简述部分
3.1.1 AT89C51简介
硬件的设计和实现3.1 AT89C51系列基本组成及特性AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
（1）检测精度高。因温度传感器热电偶直接与被检查对象接触，不受中间介质的影响。
（2）测量范围广。此热电偶温度传感器从400℃~1000℃均可测量。
（3）构造简单，使用方便。此热电偶是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头பைடு நூலகம்限制，外有保护套管，用起来非常方便。
此K型热电偶温度传感器的测温基本原理是：将两种不同的材料的导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶温度传感器就是利用这一效应来工作的。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
21世纪是高度信息化时代，智能检测和控制已成为新的发展趋势，它不仅能完成较高层次信号的自动化检测，而且具有多种智能控制作用。所以，单片机在检测和控制系统中得到广泛的应用，在本文中主要采用的控制芯片为MCS-51,此芯片功能强大，能够满足设计要求。同时从系统的硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计，对硬件原理和程序框图做了简洁的描述。通过对电路的设计，对芯片的外围扩展，来达到对电阻炉温度的控制和调节功能。
1.2目前国内外发展状况
电热炉温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。电阻炉温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对电阻炉温度控制精度要求的不断提高，电阻炉温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机(IPC)的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。
2.1方案论证
随着单片机、工业控制机、可编程控制器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。单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。它的软件编程比较简单，广大工程技术人员通过学习单片机的知识后，就能根据自己的实际需要开发、设计一个单片机系统，并可获得较高的经济小姨。正因为如此，在我国单片机已被广泛的应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、家用电器等各个方面。它将成为智能仪器和中、小型控制系统中应用最多的一种微型计算机。
3.热电偶传感器及其原理
热电偶温度检测原理图如下：
图3.2温度检测原理图
4.热电偶作为温度信号检测传感器，经过温度补偿，再经过桥式电路抑制工模干扰。最后经过两级放大器，将热电偶输出的毫伏信号放大为可输入A\D转换的模拟量信号。
3.3 A/D模数转换电路
ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可以直接与单片机数据总线连接。ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为500KHz时，转换时间约为128us.