Hefei University
计算机控制课程设计
设计题目： 电阻炉温度控制系统设计 姓 名： 李宏灶 学 号： 0805070110 专业班级： 08级自动化(2)班 指导老师： 丁 健
前 言
温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。例如：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；在农业生产、粮食储备、计算机机房等都需要对温度进行测量和控制。因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
温度控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行温度控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。
单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。
随着检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。
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目 录
一、课程设计任务........................................................................................................ 3 二、系统总体设计及方案论证.................................................................................... 4
2.1系统总体设计 ................................................................................................. 4
2.1.1核心处理模块——单片机 ................................................................... 4 2.1.2温度信号采集与传感器 ...................................................................... 4 2.1.3人机交互及串口通信 .......................................................................... 4 2.1.4控制执行单元 ...................................................................................... 5 2.2系统功能设计 ................................................................................................. 5 三、硬件电路设计........................................................................................................ 5
3.1、核心部分单片机 .......................................................................................... 5 3.2、温度采集转换模块 ...................................................................................... 6 3.3、AC—SSR交流功率调节电路........................................................................ 6 3.4、变送电路 ...................................................................................................... 7
3.4.1、4~20mA变送器XTR101 .................................................................... 7 3.4.2、I/V转换器RCV420 ............................................................................ 7 3.5、键盘及显示的设计 ...................................................................................... 8
3.5.1键盘设计 .............................................................................................. 8 3.5.2 LED数码管显示设计 ........................................................................ 8 3.6、硬件连接图 .................................................................................................. 9 四、系统软件设计........................................................................................................ 9
4.1 主程序模块 .................................................................................................... 9 4.2 功能实现模块 .............................................................................................. 10
4.2.1T0中断子程序 .................................................................................... 10
4.2.2 T1中断子程序.................................................................................................... 10
4.3运算控制模块 ............................................................................................... 11
4.3.1标度转换子程序 ................................................................................ 11 4.3.2 PID算法 .............................................................................................. 11
五、结果分析论述...................................................................................................... 12 六、参考文献.............................................................................................................. 13
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一、课程设计任务
项目设计：电阻炉温度控制系统设计
以在工业领域中应用较为广泛的电阻炉为被控对象，采用MCS—51单片机实现电阻炉温度计算机控制系统的设计，介绍电阻炉温度计算机控制系统的组成，并完成系统总体控制方案和达林算法控制器的设计，给出系统硬件原理框图和软件设计流程图等。 1.电阻炉组成及其加热方式
电阻炉是工业炉的一种，是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化元件或物料的热加工设备。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。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同;由于工艺不同，所要求的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，对控温精度要求不同，因而控制系统的组成也不相同。电气控制系统包括主机与外围电路、仪表显示等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，因炉种的不同而各异。
电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件，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，是将电源直接接在所需加热的材料上，让强大的电流直接流过所需加热的材料，使材料本身发热从而达到加热的效果。工业电阻炉，大部分采用间接加热式，只有一小部分采用直接加热式。由于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布 均匀、环保等优点，应用十分广泛。 2.控制要求
本系统中所选用的加热炉为间接加热式电阻炉，控制要求为: （1）采用一台主机控制8个同样规格的电阻炉温度; （2）电炉额定功率为20 kW;
（3）恒温正常工作温度为1000℃，控温精度为±1%;
（4）电阻炉温度按预定的规律变化，超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性; （5）具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±1℃; （6）具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。
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二、系统总体设计及方案论证
2.1系统总体设计
根据题目要求,电热锅炉温度控制系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。
采用比较流行的AT89S52作为电路的控制核心,使用8位的模数转换器AD0808进行数据转换,控制电路部分采用PWM通过AC-SSR实现锅炉温度的连续控制,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。系统总体框图如下。
显示电路热电偶电阻炉变送器数据采集单片机越限报警2.1.1核心处理模块——单片机
该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。
2.1.2温度信号采集与传感器
本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号，使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，本设计采用的是数字温度传感器，以上过程都在温度传感器内部完成。
2.1.3人机交互及串口通信
人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。
AC-SSR过零检测光耦隔离键盘控制 图2.1 系统设计总体框图 4