智能加热炉设计

山东职业学院

智能加热炉控制系统

设计论文

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摘要

单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。该系统主要包括电源电路，数码管显示电路，复位电路，温度设定电路四大模块。其中温度传感器为光耦温度传感器，采用单片机AT89C51作为控制核心，对多路温度进行采集。在设计过程中，首先是对光耦的深入了解来设计硬件电路和软件电路的通过按键之间的协调来温度设定值，由于温度的不同，采用不同的信息来作为信号处理，所以硬件电路中用蜂鸣器来报警提醒。其中也包括了单总线数据输出电路部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。

关键词：单片机光耦温度传感

目录

摘要 (1)

第一章绪论 (4)

1.1课题背景 (4)

1.2课题设计目标 (4)

第二章系统需求分析 (4)

2.1设计方案的选择 (4)

第三章系统设计 (6)

3.1 单片机炉温控制系统结构 (6)

3.2测温电路的选择及设计 (7)

3.2.1 温度控制电路 (7)

第四章主要芯片介绍 (8)

4.1 可控硅 (8)

4.2热电偶 (8)

4.3变送器 (9)

4.4光耦 (9)

第五章系统硬件设计 (9)

5.1系统硬件设计 (9)

5.2电源电路设计模块 (10)

5.3数码管显示电路 (10)

5.4温度设定电路模块 (11)

第六章防干烧原理 (11)

结论 (12)

参考文献 (13)

第一章绪论

1.1课题背景

温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造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 ,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同 , 在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。

1.2课题设计目标

本设计采用AT89C51单片机为主控芯片，配以温度传感器光耦温度传感器，再以软件程序组成温度控制系统，系统中将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据，以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。

第二章系统需求分析

2.1设计方案的选择

温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。

1 方案一

此

方案一是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静态差大、不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码管显示，不能用键盘设定。2方案二

方案二是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法制精度做得较高，而且不能用数码管显示，对键盘进行设定。

3方案三

此方案采用89C51单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可以用数码管来显示水温的实际值，能用键盘输入设定值。本方案选用了AT89C51芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。

结论：前两种方案是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂的控制规律，控制方案的修改也较为繁琐。而方案三是采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。也使得系统所测得结果的精度大大提高。所以，经过对三种方案的比较，本次毕业设计采用了方案三。

第三章系统设计

3.1 单片机炉温控制系统结构

系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。

单片机温度控制系统是以单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。其系统结构框图可表示为:系统采用单闭环形式，其基本控制原理为:将温度设定值(即输入控制量)和温度反馈值同时送入控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上，电炉因此达到一定的温度。

炉温信号T通过温度检测及变送，变成电信号，与温度设定值进行比较，计算温度偏差e和温度的变化率de/dt，再由智能控制算法进行推理，并得控制量u，可控硅输出部分根据调节电加热炉的输出功率，即改变可控硅管的接通时间，使电加热炉输出温度达到理想的设定值。

以AT89C51单片机为该控制系统的核心，实现对温度的采集、检测和控制。系统由变送器经A/D转换器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号。变送器可以选用DBW，型号，它将热电偶信号(温度信号)变为0～5 V电压信号，以供A/D 转换用。转换后的数字量与炉温数字化后的给定值进行比较，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差及温度的变化率。炉温的设定值由BCD拨码盘输入。由AT89C51构成的核心控制器按智能控制算法进行推算，得出所需要的控制量。由单片机的输出通过调节可控硅管的接通时间，改变电炉的输出功率，起到调温的作用。

当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。系统中将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据，以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。该系统主要包括电源电路，数码管显示电路，复位电路，温度设定电路四大模块。

3.2测温电路的选择及设计

3.2.1 温度控制电路

89C51对温度的控制是通过可控硅调功器电路实现的。温度检测元件和变送器的类型选择和被控温度及精度等级有关。

双向可控硅管和加热电阻丝串接在交流220V,50HZ市电回路。在给定周期T 内，89C51只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，达到调节温度的目的。

可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由89C51用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光藕管和驱动器输出送到可控硅的控制极上。

对于这样的执行机构，单片机只要输出能控制可控硅通断时间的脉冲作为信号就可以了，这可用一条功线通过程序输出控制脉冲。达到过零触发的目的，需