基于单片机的电阻炉炉温控制系统.doc

(完整word)基于单片机的电阻炉炉温控制系统
目 录
第1章 引言.。.。.。。。...。。。。..。。..。...。..。。...。.。.。.。..。.。。............。...。。。。..。。.。。..。.。..。。。。。。.........。.。.。.。。。..。。..。。。..。...3
1.1 课题背景及研究意义……………………………………………………。………3
1.2 计算机在热处理炉炉温控制中的应用…………………………………。………3
第2章 系统硬件设计……………………………………………。……………………8
2。1温度检测及变送器……………………………………………………………….…。8
2.2控制机构…………………………………………………………………………。….9
2。3 A/D转换电路……………………………………………………………。。…………10
2。4 温度控制电路……………………………………………………………….。……。。14
2.5 部分接口电路………………………………………………………………….。…。.16
第3章 温度控制的算法和程序..……………………………………………………18
3。1 温度控制的算法…………………………………………………………。。……….。18
3。2 温度控制的程序……………………………………………………….。…………..20
第4章 对于抗干扰的探究………………………………………………………。…。。34
4.1 抗干扰的措施…………………………………………………………………。….。。34
结束语………………………………………………………………………………….。.。…。35
致谢…………………………………………………………………………………………。36
参考文献………………………………………………………………………。………….。。37
附录1 电路图……………………………………………………………………………..38
附录2 英文专业文摘及翻译………………………………………………………….39

基于单片机的电阻炉温度控制系统设计

摘要：主要以51系列单片机为核心对电阻炉炉温进行控制，使其温度稳定在某一个值上。最高温度为1000℃，并且有键盘输入给定温度值，由LED数码管显示温度值的功能.

关键词：单片机;电阻炉；温度控制

The design of temperature control system of the resistance furnace based on single chip microcomputer

Abstract: Mainly with 51 series single chip microcomputer for the unit of nucleus heats to the control of The resistance furnace, the tallest temperature is 1000℃。 And the temperature of keyboard input is constant, LED digitron displays the function of temperature point.

Key words: single chip microcomputer; the resistance furnace; temperature control system

第一章 引言

1.1 课题背景及研究意义
近几年来,在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展,温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油电等。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等;燃料有煤气、天然气、油、电等;控制方案有直接数字控制(DDC）,推断控制,预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制（Expert Control），鲁棒控制（Robust Control），推理控制等。
随着工业技术的不断发展，传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求,如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低.近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式,如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本,提高了生产效率。
单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中,单片机更是起到了不可替代的核心作用。像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展,在工业中,一些设备对温度的控制要求越来越高，而本文则以单片机为核心、PID算法为控制方式而设计的电阻炉温度控制系统。

1.2 计算机在炉温控制中的应用
以前，人们是通过模拟仪表对炉温进行控制，采用人工手动操作，依据个人的工作经验和控制系统返回的数据来调节相应的设备,控制效果不太理想，生产也不稳定。到了50年代,随着计算机的出现，人们开始在工厂、实验室或其它测试环境中用计算机进行数据采集和处理.此时的计算机只起到 “离线"的应用，且计算机与过程装置之间没有任何物理上的连接。随着计算机技术的进一步发展，提供了计算机与过程装置之间的接口，人们开始用直接连接方法，使计算机与变送器和执行部件之间的信号双向传递无需人工干涉。1962年，英国帝国工业公司安装了Ferranti Argus计算机控制系统，替代全部模拟控制仪表，即模拟技术由数字技术代替，而系统功能保持不变,计算机控制系统应用真正开始，经历多年研究和改进，到70年代中期进入了集散控制系统的发展时期，炉温控制也随之进步，方式不断更新，算法也不断深入 技术日益成熟。
一般来说，计算机对炉温控制大致采用以「四种方式」

1.计算机采集和处理系统（data acquisition system, DAS）
计算机采集和处理系统是以计算机为核心对生产过程进行智能化，全工况开环监视系统。其主要功能包括:信息输入，信息处理，报警处理，人机联系与信息输出等。其系统构成如图1—1所示,计算机系统对生产过程的温度参数进行采集,并对信号进行转换,计算机对内部信息进行定期计算和处理。
被
控
对象

检
测

计算机
A/D
转换

数码LED显示

人
事故报警打印机
控
制
仪
表

音响灯光报警

图1－1 计算机采样处理系统结构图

2直接数字控制系统（direct digital control, DDC）
直接数字控制由计算机直接对生产过程进行控制,计算机取代模拟调节器作为生产过程控制装置，计算机按控制规律进行数值计算,并经过输出通道(D/A)直接控制生产过程。直接数字控制系统实质上是单回路或多回路的数字调节装置，它以工控机为核心，加上过程输入、输出通道,与被控对象一起构成闭环控制系统。它还具有巡回检测的全部功能，可以显示参数值，打印报表，并能进行越限报警和故障自诊.(如图1-2所示）

图1－2 直接数字控制系统结构图

3计算机监督控制系统（supervisory computer control， SCC）
由计算机根据生产过程工艺参数和数学模型，计算出最佳设定值和相应的控制指令,送给模拟调节器或DDC计算机，由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，使其处于最优工况。其系统框图如 1-3所示。

图1－3 计算机监督控制系统结构图

SCC系统不仅可以进行给定值控制,同时还可以进行顺序控制，最优控制及自适应控制，它是DAS和DDC系统的综合和发展.SCC系统按结构分为两种，一种是SCC加模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统，模拟或DDC系统担负第一级控制功能，监督计算机作为的二级控制系统，通过对子回路装置的切除或投入，对子回路状态及控制效果的监视，对最佳设定值进行计算与设置，使生产过程能在协调或最优化的程度上达到要求的性能指标.监督计算机可仅完成最优工况计算，不直接参与过程控制,在有的系统中，它本身也具备直接数字控制功能，当监督计算机发生故障时，直接数字控制或模拟调节器可独立完成操作，而在模拟调节器等发生故障时，则可由监督计算机执行部分功能。

4。集散控制系统（distributed control)
集散控制即分散控制，信息集中管理的分布控制系统。它是计算机技术，控制技术，通信技术和CRT技术相结合的产物。集散控制是以微处理机为核心，把微型计算机，工业控制机,数据通讯系统，显示操作装置，过程通道，模拟仪表等有机的结合起来，采用组合组装式组成系统.为每个被控对象配备一套下位机控制设备，置于现场,用于对每个被控对象的数据采集和控制.总体配备一台1_控机作为上位机,置于控制室内，对现场每个被控对象进行命令下达,组织和处理数据信息，集中管理整个系统。此种方式能够实现工程系统的最优控制，使生产过程能长期在最佳状态下进行，且具有较高的可靠性，提高了系统的功能和效率，另外它的软件和硬件采用模块化结构，使用维护方便，系统易开发，易扩展,有利于分批投资逐步扩展；如果采用CRT操作站会有良好的人机交互接口；数据的高速传输,设备、通信，配线的费用低廉。性能价格比较好。(其系统框图见图1-4)
近年来，由工控机 （或PC机)和多台单片机或PLC构成的集散测控系统已广泛用于工业自动化控制中.它既利用了单片机和PLC价格低、功能强、可靠性高的优点 构建适宜于工业现场的监控站或下位机，又结合PC机丰富的软硬件资源,提供管理功能强大、人机界面友好的操作平台,实现了信息集中管理、过程分散控制的有机结合。

图1－4 集散系统控制结构图
从温度控制系统的发展来看，以单片机为核心构成的温度控制系统己被国内外许多公司和单位作为研究对象,单片机温度控制装置硬件简单，软件丰富，能方便地实现现代化控制规律和多种功能，性能优良，运行、调试都非常方便，且生产成本低,可加快生产设备的更新换代，己开始受到重视和欢迎.加之近年来，单片机的性能不断提高，而价格却逐年降低,所以单片机温度控制装置将具有广阔的发展和运用前景。

第二章 系统硬件设计

温度测控系统硬件结构图如图 2－1所示 .

图2－1 系统硬件结构图
系统的工作过程 :温度检测及变换电路把温度转换成电压信号，经 A／D转换器转换为数字信号送人8031单片机中,并与给定值（对应着所要控制的温度值)进行比较，其偏差被 PID程序计算出输出控制量，由P1。3口输出脉冲信号控制双向可控硅的导通，以实现对电炉输出有效功率的调节.
现对各部分主要电路作介绍。

2。1 温度检测和变送器
温度检测元件和变送器的类型选择和被控温度及其精度等级有关，选用镍铬一镍铝热电偶作为温度传感器，测量温度范围0－1000℃，相应输出电压为0mV—41.32mV.
变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于将热电偶输出的0-41.32mV的电压变化成0—10Ma范围内的电流，电流/电压变送器负责将毫伏变送器输出的0-10mA 电流变换成为0—5v范围内的电压.（ADC0809的限定电压为0-5v)
为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如:如果温度测量范围为400℃—1000℃，则热电偶输出为16。4Mv—41.32Mv，毫伏变送器零点迁移后输出0-10mA范围内的电流。这样采用ADC0809这个8位的A/D转换器就能是量化温度误差达到正负2。34以内

2.2 控制机构
本设计采用8031单片机作为控制机构的核心。8031是一种速度快，功耗大的TTL型8位单片机。它片内无ROM，片内RAM容量为128B，最高频率为24MHz,小巧，价格便宜，且在中国市场最常见，应用最广泛。
8031单片机采用40条引脚双列直插封装（DIP）形式.由于受引脚数目的限制,所以有一些引脚具有第二功能。在单片机的40条引脚中,有两条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，四条控制禾其他电源复用的引脚,32条输入/输出引脚.下面分别说明这些引脚的名称和功能。
（一） 主电源引脚Vcc和Vss
Vcc：接＋5V电源。
Vss：接电源地.
（二） 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1：接外部晶体的一端。在单片机内部，它是反向放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器.在采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机，此引脚必须接地;对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端.
XTAL2：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反向放大器的输出端，振荡器的频率时晶体振荡频率。如采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机，该引脚输入外面时钟脉冲;对于CHMOS单片机,此引脚悬空。
（三） 控制信号引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP
RST/VPD复位/备用电源输入端。
ALE/PROG:地址锁存使能输出/编程脉冲输入端。
PSEN：外部程序库存储器读选通信号。
EA/VPP:外部访问允许/编程电源输入端。
（四） 输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2和P3
P0.0～P0.7:P0使一个8位双向I/O端口。在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和作8位双向数据总线。
P1.0～1。7：P1口是8位准双向I/O端口。在EPROM编程和程序验证时,它输入低8位地址。P1口能驱动4个LSTTL负载。
P2.0～P2。7：P2口是一个准双向I/O端口。在CPU访问外部存储器时，它输出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证时，它输入高8位地址。P2口可驱动4个LSTTL负载。
P3。0～P3.7：P3口是八位准双向I/O端口。它是一个复用功能口。作为第一功能使用时，为普通I/O口,其功能和操作方法与P1相同。作为第二功能使用时，个引脚的定义如表1。实际在使用时，总是先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用的才作为第一功能口线使用。P3口能驱动4个LSTTL负载.
表1 P3个口线的第二功能表
口线 第二功能
P3。0 RXD (串行口输入）
P3。1 TXD （串行口输出）
P3。2 INT0 （外部中断0输入）
P3.3 INT1 （外部中断1输入)
P3.4 T0 （定时器0的外部输入）
P3.5 T1 （定时器1的外部输入）
P3.6 WR （外部数据存储器“写”信号输出）
P3。7 RD （外部数据存储器“读”信号输出）

2.3 A/D转换电路
选用A/D转换器ADC0809。
A/D转换器芯片ADC0809简介
8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右.

图2—2 《ADC0809引脚图》

(一） ADC0809的内部结构
ADC0809的内部逻辑结构图如图2—3所示.

图2-3 《ADC0809内部逻辑结构》

图中多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码,其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，下图为通道选择表.

图2—4 通道选择示意图

（二)．信号引脚
ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图2—2。
对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

IN7～IN0——模拟量输入通道
ALE—-地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿,A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
START——转换启动信号。START上升沿时,复位ADC0809;START下降沿时启动芯片,开始进行A/D转换；在A/D转换期间,START应保持 低电平。本信号有时简写为ST.
A、B、C——地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC.
CLK—-时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号
EOC——转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束.使用中该状态信号即可作为查询的状态标志,又可作为中断请求信号使用。
D7~D0—-数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高
OE--输出允许信号.用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据.OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。
Vcc—— +5V电源。
Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V（Vref（+)=+5V， Vref(-)=-5V).

（三）。 转换数据的传送
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第四章 对于抗干扰的探究

4．1 抗干扰措施
硬件方面的抗干扰措施主要包括：（1）在系统弱电部分电源人口处对地跨接一个220uF左右的电解电容和一个0．1uF的瓷片电容。在系统内部各芯片的电源端对地跨接一个0．01UF的瓷片电容，滤去电源中高低次谐波成份.(2)采用屏蔽和接地技术。使干扰源产生的电磁干扰降至最小。(3)合理设计PCB印制电路,精心选择、安装元器件，充分利用看门狗定时器功能，提高硬件系统的抗干扰能力。
软件方面的抗干扰措施有：(1)采取“指令冗余”措施．在一些对程序流向起关键作用的指令(如RET、AJMP等)或某些对系统工作状态起至关重要的指令(如SETB EA等）前插入两条“NOP”指令，保证程序正确流向，防止程序“跑飞”。(2）采用“软件陷阱”技术．在未使用的中断向量区安排“软件陷阱”，以及合理地分区存放各程序模块，在相邻两个程序模块的存储空间中空出适当的存储单元,并在这些单元中填充0FFH，或在各种数据表格、散转表格的最后。安排“软件陷阱”。通过这些“软件陷阱”实时捕捉程序,防止程序“跑飞”。(3）利用软件WATCHDOG。监空程序运行。(4)利用平均滤波法求取平均值，即将最近6次采样得到的温度值，去除最大值和最小值．取剩下4个数据的算术平均值作为有效温度值．防止脉冲干扰测试信号,提高系统运行的稳定性。

结束语

本论文是在高温电阻炉温控系统的改造过程中进行的,其中第二部分为硬件设计，考虑到该电阻炉温度高，要求炉温的控制精度也高，所以在选取硬件时也做了一定处理，测温元件采用精度高、稳定性好的热电偶,由于电阻炉比较小，故只用一支热电偶测温.在A/D转换上选用 8位A/D转换芯片ADC0809,从硬件上保证了测温精度,为提高控温精度打下了基础,利用8031单片机构成了控制器，实现了实时控制。并采用8155构成键盘显示接口。硬件的选取上有效的降低了成本，构成了能满足要求、性能价格比高的温度控制系统。
本文第三部分为软件设计，软件使用汇编语言编写，效率高，实时性好，系统控制程序采用了模块化设计结构，主要由主程序、键盘中断服务程序、采样中断程序、控制中断服务程序组成。通过各个子程序的上机调试以及程序的联调,基本上达到了预期的效果，说明软件设计思路是正确的。

致谢

首先感谢我的指导老师李玉声教授！!课题是在李老师的指导下完成的。从硬件的设计，到软件的编写,无不浸透着李老师的心血。从李老师那里,我不仅学到了许多工程实际知识，还懂得了作为一名工程技术人员所应该具备的基本素质，那就是认真负责的工作态度和一丝不苟的求实精神，李老师在学术方面所表现出来的严谨的治学之道更让我受益非浅。我真诚地感谢李老师学习上给我的关心、爱护和培养。
感谢肖微红、周慧隆等同学!感谢他们在做课题的过程中给予我的热心帮助。感谢班同学,感谢他们对我的鼓励和帮助。感谢我的父母及家人！感谢他们在生活上给与我无微不至的关心和爱护 ，在精神上给与我的鼓励和支持。

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附录一 电路图

附录二 英文专业文摘及翻译

温度控制简介和PID控制器

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