加热窑炉温度控制系统设计

加热窑炉温度控制系统
设计方案：
一、加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图
图2 加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图
二、串级控制系统
加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。

在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。

由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。

为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求。

串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。

由加热炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如图4所示。

图3 加热炉出口温度串级控制系统结构方框图
三、控制系统
方案：采用51单片机为主控芯片
此方案采用单片机为主控芯片。

利用热电阻PT100作为温度传感器件，然后通过运算放大器OP-07构建差分放大器将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入的0-5V标准信号，再由ADC0809将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机P0口，单片机将实时温度和设置参数通过数码管显示出来，同时通过键盘输入设定温度，单片机将设定温度同ADC0809传送过来的数据进行比较运算，利用PID运算，作出相应的判断，从单片机P1.0输出一个PWM波形来控制固态继电器的导通与关闭，从而控制窑炉的加热丝在一个固定周期中通电加热时间的长短来达到恒温控制的目的。

系统原理框图如下图2所示：
图2 方案原理框图
六、窑炉温度控制系统硬件电路设计
本系统硬件电路主要由以下部分组成：供电电源电路、单片机最小系统电路、温度检测电路、数模转换电路、键盘输入电路、声光报警电路、继电器输出电路、LED显示电路
1.系统供电电源电路设计
主控电路所需的+5V电源；外围电路（如继电器、运算放大器）所需的+12V 和-12V电源。

如图3系统供电电源电路原理图所示：此电路采用“降压→整流→滤波→稳压→滤波”的线形电源模式。

这里选用了78M12、79M12、78M05三端稳压器。

(原理图见图纸2)
由于78M系列三端集成稳压器内部有过热、过流保护电路，外围元件少，性能优良，体积小、价格低，所以在很多电路中广泛应用。

它的工作原理与一般的分立件组成的串联调整式稳压电源相似，区别在于增加了启动电路、恒压源以及保护电路。

为了使稳压器能在比较大的电压范围内正常工作，在基准电压形成和误差放大部分设置了恒流源电路，启动电路的作用就是为恒流源建立工作点。

实际电路是由一个电阻网络构成，在输出不同电压稳压器中，采用不同的串并联接法，形成不同的分压比，通过误差放大之后去控制调整管的工作状态，以形成和稳定一系列的输出电压。

虽然三端稳压器有很多优点，但因目前功率集成技术水平的限制，它的最大电流只能达到 1.5A。

然而本次设计需要的是电压，可以不考虑电流部分。

使用三端集成稳压器时一定要注意：输入电压与输出电压差不能过大，一般选择在6～10V为宜，压差过小，输出电压纹波大，起不到稳压作用，压差过大，稳压器本身消耗的功率就随之增大，容易损害稳压器。

78M05集成稳压器是将功率调整管、取样电阻以及基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在一个芯片上而形成的一种稳压集成电路。

电路中两个二极管IN4007是：防止系统不稳定时，输出电压高于输入电压，从而导致三端集成稳压器被烧毁，起到保护作用。

上述电源中所用的电源变压器功率为10W。

电路中的压敏电阻VDR是防雷、抑制过电压作用，保护电路免受过电压的损害。

压敏电阻VDR在它上面的电压低于它的阀值UN=471V时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过471V时，流过它的电流激增，相当于短路，这时FUSE会因为电流激增而烧毁，使电路断开。

2.单片机最小系统
单片机最小系统指的是由最基本的电路元件组成的，外接部分简单的电路就能够独
图4单片机最小系统原理图
立成一定的工作任务的单片机系统。

51单片机的最小系统由单片机芯片、电源、时钟电
路、和复位电路组成。

如图4单片机最小系统原理图所示，其中的晶振时钟电路用来产生时钟信号，以提供单片机片内各种数字逻辑电路工作的时间基准。

按键S6_1能实现手动复位，电容C6_1能实现上电复位，复位电路用来使片内电路完成初始化的操作，具体功能是使程序计数器PC=0000H，引导程序从0000H地址单元开始执行； SFR 中的21个特殊功能寄存器复位后的状态是确定。

3.温度测量电路
本系统利用热电阻PT100作为温度传感器件，然后通过运算放大器OP-07构建差分放大将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入的0-5V标准信号，再将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机P0口。

4.温度信号测量电路
如图纸3温度信号测量处理电路所示，利用热电阻Pt100作为温度传感器件，然后通过运算放大器OP-07构建差分放大电路将温度信号转换成ADC0809模拟
通道的输入标准电压信号。

将Pt100接入到电桥中，由Pt100的阻值来反映窑炉的温度的变化，电桥输出电压为：Uba=Vcc[R1_4/( R1_2+R1_4)- R1_3/( R1_1+R1_3)] （其中下桥臂R1_3=100Ω，R1_4=1K，上桥臂R1_2=1K，Vcc=5V），所以Uba=5*[1K/( 1K+1K)- R1_3/( R1_1+100)]=2.5-5* 100/( R1_1+100) 其中AR1作用是将电桥电位Vb、Va作差分比例放大作用，由差分比例运算放大电路的计算方式：Auf = Uo1/(U1_ - U1+)=- R1_8/R1_6（其中R1_8=100K，R1_6=10K，U1_ - U1+=-Uba）从而得到：Uo1=10Uba=25-50* 100/( R1_1+100)。

（电路图见图纸3）
根据PT100铂电阻R/T曲线可知电阻-温度的关系线性度非常好，电阻-温度的关系可以近似确实测量上限温度，Uo1=25-50* 100/( R1_1+100)，当Uo1=5V 时，可以计算出测量上限温度时对应的电阻为：150欧姆，查Pt100的分度表，可得：测量上限温度为131℃，即当t=0℃时，可得Uo1=0V；当t=131℃时，可得Uo1=5V。

由铂电阻电阻-温度线性关系特性和计算公式可得以下两个结论：
(1)、PT100铂电阻在0—600℃电阻-温度的关系线性度很好。

(2)、当温度在0—131℃的范围，运放输出的电压分别线性对应是0—5V的标准。

5.热电阻pt100介绍
pt100是铂热电阻，它是用很细的铂丝（直径为0.03~0.07mm）绕在云母架上制成，是国际公认的高精度测温标准传感器。

因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好性能可靠的特点，铂电阻在中温（-200~650℃）范围内得到广泛应用。

它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

图7 PT100铂电阻R/T曲线
它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。

以下是PT100铂电阻R/T曲线和相应的分度表。

6.A/D转换单元
经过温度信号测量处理电路后所得到的0—5V电压模拟信号要经过AD转换后才能送给单片机，如图8 温度信号AD转换电路所示，电压模拟信号输入给IN-0通道，转换完成后，输送给单片机的P0口。

（温度信号AD转换电路图见图纸4）
其中ADC0809的A、B、C三个端口作为它IN0-IN8八个输入通道的选择信号，由于此处只用到了IN0通道，所以将此A、B、C三个端口全部接地，电路中ADC0809的转换结束信号引脚EOC接在单片机P3.5上，单片机启动ADC0809的转换后，延时一段时间，然后程序采取扫描方式检测ADC0809是否转换结束，单片机然后去检测P3.5电平，当接收到一个高电平时，发出一个READ 信号，使得ADC0809输出锁存缓冲器开放，将数据输送到数据线上，从而完成温度数字信号的采集过程。

7. ADC0809介绍
(1) 主要特性
1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）4）单个＋5V电源供电
5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度
7）低功耗，约15mW。

(2) 内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图9所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近
图9 ADC0809内部结构图
(3) 外部引脚功能特性
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图10所示。

下面说明各引脚功能。

图10 ADC0809引脚配置图
IN0～IN7：8路模拟量输入端。

2-1～2-8：8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC：A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：基准电压。

Vcc：电源，单一＋5V。

GND：地。

(4) CLOCK引脚时钟频率
由于ADC0809的CLOCK引脚时钟脉冲输入端时钟频率要求不高于640KHZ，而单片机的ALE（地址锁存使能端）输出的频率是单片机的振荡频率12MHZ的1/6，即频率是2MHZ，所以不能直接将单片机的ALE脚接在ADC0809
的CLOCK端。

如下图所示，可以用两片CD4013构成如下的4分频电路将2MHZ 的ALE频率分成512KHZ<640KHZ。

图11 CD4013构成4分频电路
一个D触发器CD4013有6个端子：2个输出，4个控制。

4个控制分别是R、S、CK、D。

其中：(1)R和S不能同时为高电平。

(2)当R为1、S为0时，输出Q一定为0，因此R可称为复位端。

(3)当S为1、R为0时，输出Q一定为1。

(4)当R、S均为0时，Q在CP端有脉冲上升沿到来时动作，具体是Q=D，即若D为1则Q也为1，若D为0则Q也为0。

其中各种工作状态如下表所示
表2：D触发器CD4013真值表
由以上电路可以得到以下4分频时序图：
CK(ALE)：
Q(U3_8A)：
Q\(CLK)：
图12 4分频时序图
8. 输出模块
本控制系统的输出单元主要有三个：(1) 继电器输出控制加热执行机构的开与关。

(2)当水温高于上限温度和低于下限温度时，系统进行声光报警。

(3)数码管用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值。

9.继电器输出
加热执行机构的开与关状态由固态继电器（Solid State Relay），如图13
所示。

（固态继电器输出电路内部结构见图纸4）
当系统采集到温度信号后与设定温度进行比较得到一个偏差，然后通过PID 运算，从单片机P1.0口输出一个PWM波，PWM波形的高电平期间，固态继电器SSR输入端IN1为高电平，从而OUT1和OUT2两触点闭合，将加热执行机构加热丝连入到交流220V回路中，控制加热机构对窑炉进行加热动作，与此同时工作指示灯LED点亮。

PWM波形低电平期间，SSR输入端IN1为低电平，从而OUT1和OUT2两触点断开，将加热执行机构加热丝从220V回路中切断，控制加热机构对窑炉停止加热，与此同时工作指示灯LED点熄灭。

10.固态继电器SSR介绍
由于本系统加热执行机构的开与关状态交替比较频繁，一般的机械式继电器在这种工作模式下使用寿命大大降低，所以难以满足这一要求，在此应该选用固态继电器SSR
如图14 固态继电器SSR内部结构电路所示，它是由微电子电路，分立电子器件，
电力电子功率器件组成的无触点开关。

用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。

固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。

（固态继电器SSR内部结构电路见图纸5）
11.声光报警电路
如图纸5声光报警电路所示：当水温高于上限温度、低于下限温度或者在误输入时，单片机P1.1口给warn一个低电平信号来导通三极管8550以驱动蜂鸣器和LED灯，进行系统声光报警。

当温度恢复到设置范围内后，声光报警自动撤销。

（声光报警电路见图纸5）
12.显示电路
用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值等，精确到小数点后一位。

如图16所示，单片机的P2口输出段选编码，P3.0、P3.1、P3.2、
P3.3分别为四位数码管的位选编码。

当其中位选编码输出低电平时，三极管8550导通，使得共阳极数码管公共
端得到一个高电平，同时P2口输出相应的要显示的数字共阳极字型码并通过
74HC573将段码信号锁存输出。

（温度数码管显示电路见图纸6）
13. 键盘电路
键盘是用来给用户提供设置设定温度上限值、下限值、显示温度等功能。

如下图，
功能键：选择修改温度设定值、上限值、下限值、显示温度
位选键：选择修改百位、十位、个位、十分位这四位的标志
加1键：每按一次键，位选标志所指的当前位的值加1
减1键：每按一次键，位选标志所指的当前位的值减1
确定键：保存设置值并返回到显示温度状态
图17 键盘电路及功能说明
当按键没有被按下时，P1.3-P1.7通过下拉电阻接地，单片机此时检测的电平是
低电平，当有键按下时，对应P1.3-P1.7中的引脚与VCC接通，单片机此时检测
的电平是高电平。

八、窑炉温度控制系统软件设计
1.主程序流程图及分析
在窑炉温度控制系统中，主程序的功能主要是实现初始化，温度采集A/D转换，
温度值
图18 主程序流程图
温度值显示，将实际温度与设定值进行比较进行PID运算，输出PWM波形控制SSR并判断是否要启动报警，反复对键盘进行扫描从而更新温度参数设置、显示。

图18是系统分配装置的主程序流程图。

设计心得
此次课程设计----加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计，使用到了过程控制系统很多方面的知识，包括串级控制系统分析、建模与仿真，串级控制系统整定方法，PID调节器的参数工程整定，串级控制系统的性能分析等。

刚开始设计时，在主、副控制器选择上，考虑到主被控变量是加热炉温度，允许波动的范围很小，要求无余差，主控制器选了PI控制。

副控制器直接采用了P控制，考虑到如果引入积分控制可能反而会降低副回路的快速性，降低控制效果。

在串级系统整定时，开始准备用逐步逼近法，以为这种方法可以将系统调试到接近最优状态，但经过实际操作，发现这种方法很繁琐，费时费力，就考虑使用实践中常用的一步整定法，操作后感觉不仅操作简便，而且也可以达到满意效果，很适合本次系统设计。

在PID参数整定时，也是用到了比较常用的衰减曲线法。

在此系统设计中，用AT89S51单片机作为主控芯片，通过电桥是的PT100来检测温度模拟信号，然后通过AD0809进行模/数转换并传送给单片机单片机把数据进行进一步处理后一方面送给LED实现实时显示，并判断是否需要报警，另一方面与给定值进行比较，然后根据偏差值进行PID运算，此外程序需要对5个设置按键进行循环扫描，一旦有键按下，会做出相应设置过程。

此系统硬件主要分为5个模块：电源模块、采样模块、控制模块、输出模块、设置模块。

电源模块采用降压和整流实现从市电转成各器件所需驱动的电压。

采样模块是由PT100、运放、AD芯片组合而成。

控制模块则为整个系统的核心部分，采用的是AT89S51单片机实现，输出模块是用来由PWM控制SSR的通断来控制加热丝执行过程以及声光报警模块。

设置模块是由5个按键组合成，可以对温度设定值、上限值、下限值进行修改以及显示温度。

通过此次课程设计，让我对过程控制理论知识在实际应用中有了比较深刻的认识，提高了理论知识的学习，也检查了自己存在的不足之处。

本次设计虽然设计思路大体上是正确的，但在细节处理方面多多少少存在一些问题，希望老师能够指教。

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