电阻炉温度控制系统设计.docx

1、电阻炉温度控制系统设计摘 要 在工业生产过程中，往往需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉的温度进行检测和调节，因此需要一种合适的系统对其温度进行精确控制。由于单片机具有低功耗、高性能、可靠性好、易于产品化等特点，因此采用单片机对温度进行控制不仅节约成本，控制方法灵活多样，并且可以达到较高的控制精度，从而能够大大提高产品.的质量，因此单片机被广泛应用在中小型控制系统中。本设计以电阻炉为研究对象，开发了基于单片机的温度控制系统。本温度控制系统按功能分主要包括温度传感器模块、数据处理模块、温度显示/设定模块和温度控制模块。设计过程中，首先进行软件设计和开发，使系统功能模块化并分别通过Proteus软件

2、进行仿真，实现功能后对硬件进行了综合设计，并且反复论证、测试各器件参数以使其稳定运行，最终使得此系统实现了温度的恒温控制。温度传感器采用了K型温度传感器，对温度进行实时采样并将模拟信号转换成数字信号返回给单片机。系统可通过键盘对电阻炉温度进行预设，单片机根据当前炉内温度和预设温度进行运算，控制输出宽度可调的PWM方波，并由此控制双向可控硅的导通和关断来调节电热丝的加热功率，从而使电阻炉温度迅速达到预设值并保持恒定不变。关键词 单片机，温度传感器，可控硅，温度控制ABSTRACTVarious types of furnace, heat treatment furnace, reactor t

3、emperature are detected and regulated in the industrial production processes, so they need a proper system of precise control for their temperature. The single chip microcontroller (SCM) have many advantages, such as low power consumption , high performance, reliability, easy-to-market commodity and

4、 so on. So the temperature controlled by SCM has low cost, flexible and diverse control method and higher precision, which can greatly enhance the quality of the product. The Temperature Control System is developed based on SCM for a resistance furnace system. This system includes four functional mo

5、dules that are temperature sensor module, data processing module, temperature display/setting module and temperature-controlling module. In designing process, first of all, the software is designed, developed and then simulate based on Proteus software , test the device parameters to make it stable

6、operate. At last, this system has been realized the constant temperature controlling.Thermocouple is selected to real-time sample of the temperature and to convert analog signals into digital signals that are back to the SCM system. The setting value temperature of this system can be preset through

7、the keyboard. SCM is used to computer PWM control laws based on the current temperature and the preset temperature of the furnace operation. The controlling output is used to control the silicon control in order to regulate the heating power of the heating cord, so the water temperature can quickly

8、reach and maintain setting value.Key words Single Chip Microcontroller,Temperature Sensor,Silicon-Controlled Rectifier,Temperature Control 1 绪论1.1 课题背景为了及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制，温度控制在许多工业场合中都是重要的环节，电阻炉温度的变化影响各种系统的自动运行，例如冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制。对于不同控制系统，其适宜的温度总是在一个范围。超过这个范围，

9、系统或许会停止运行或遭受破坏，所以我们必须能实时获取电阻炉温度变化。对于超过适宜范围的温度能够报警。 单片机对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法。自1976年Intel公司推出第一批4位单片机4004以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、电视，单片机都可以大显其能。单片机将微处理器、存储器、I/O接口电路、定时/计数器等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身就是一个小型化的微机系统。信号与系统分析技术、单片机技术与传感与测量技术、电路设

10、计技术、可编程逻辑应用技术、数据库技术以及数据结构、微机接口技术、计算机操作系统、高级语言程序设计、汇编语言程序设计、数字信号处理、软件工程、数据网络通信、误差分析、自动控制、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。同时，单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功能强、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、制造成本低，、安装、调试及维修更方便。本毕业设计选择研究电阻炉温度控制系统，采用单片机进行控制的电阻炉温度自动控制电路，使系统能简单的实现温度的控制及显示，STC89C52单片机优秀的实时控制功能、灵活的编程能力有机的结合起来，

11、并且通过软件编程能实现各种控制算法，使系统具有控制精度高的特点，对实现对电阻炉温度的自动控制，具有重大的现实意义。不但能用于学校的实验教学及其它一些研究课题的开发，同时还能用于工厂多点温度的控制，提高企业工业生产过程自动化水平。1.2 课题研究的概述本次的毕业设计是多种技术知识的结合，不仅仅涉及到软件的设计，还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合，使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点。1.2.1 课题研究的内容本设计所要研究的课题是基于单片机控制的电阻炉温度控制系统的设计，主要是介绍了对电阻炉温度的显示，实现了温度的实时显示及控制。电阻炉温度控制部分，提出了用K型温度传感器、STC8

12、9C52单片机及LCD的硬件电路完成对电阻炉温度的实时检测及显示，而炉内温度控制部分，由K型温度传感器检测炉内温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在LCD中显示。控制器是用STC89C52单片机，用设定的算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出PWM控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。K型的技术优势：K型测温范围宽，性能比拟稳定；丈量精度高，K型与被测对象直接接触，不受中间介质的影响；热响应时间快，K型对温度变化反响灵活；丈量范围 大，K型从-40到+ 1600 均可连续测温；K型性能牢靠， 机械强度好。运用寿命长，装置便当。

13、本文具体研究了如下几方面：电阻炉温度控制系统硬件的设计主要包括STC89C52单片机、温度传感器模块、温度控制模块、显示模块、按键模块的硬件选择及论证。电阻炉温度控制系统软件的设计借助Keil C51开发工具，以C语言为开发语言，开发了单片机系统的温度检测与控制程序模块、对温度传感器模块、显示模块、温度控制模块进行控制，键盘导入设定的温度，使其与实际温度进行运算并输出。电阻炉温度控制系统的仿真以Proteus为基础，画出电路图加载各模块，加载程序并模拟实际电路的运行状态并进行仿真。1.2.2 本系统实现的功能本系统实现其具体控制功能如下：能够连续测量炉内的温度值，可用LCD1602液晶来显示炉

14、内的实际温度。能够设定的炉内温度值，设定范围是30850。用单片机STC89C52控制，通过按键来控制电阻炉温度的设定值，并保持恒定不变。误差5。2 电阻炉温度控制系统工作原理电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热工件和物料、气体合成的热加工设备。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。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等。电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等。当电流在导体中流

15、过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律： 式(2.1)Q热能，卡；I一电流，安培；R一电阻，欧姆；t一时间，秒；按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时Q(02410003600) =864000卡=864千卡。 在电热技术上按1千瓦小时860千卡计算。电阻炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地用来加热指定的工件，并保持高的效率。本温度控制系统按功能分主要包括四个模块：温度传感器模块、数据处理模块、温度显示/按键模块和温度控制模块。首先由温度传感器DS18B20，对炉内温度进行实时采样并将数字信号返回给单片机。系统可通过键盘对电阻炉电阻

16、炉温度进行设置，单片机根据当前炉内温度和预设温度进行对比运算，根据控制算法，控制输出宽度可调的PWM方波，并由此控制双向可控硅的导通和关断来调节电热丝的加热功率，从而使电阻炉温度迅速达到预设值并保持恒定不变。本设计以STC89C52为核心，以KEIL为系统程序开发平台，以C语言进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的。选择研究的电阻炉温度控制系统，以单片机为电阻炉温度自动控制电路的核心，可使系统能实现温度的控制及显示，将STC89C52单片机优秀的实时控制功能、灵活的编程能力有机的结合起来，并且通过软件编程能实现各种控制算法，使系统具有控制精度高的特点。系统原理图如图2.1所示，从

17、图中可以直观地看出四个主要模块的工作过程，系统通过键盘将数据传送给单片机，并由LCD显示器显示当前电阻炉温度和设定电阻炉温度值，温度控制模块和温度采集模块共同形成闭环控制。温度转换芯片MAX6675图2.1 系统原理图本设计可用很少的投入就可以使电阻炉温度控制达到很高的精度，具有很高的性价比，而且本系统不但能用于学校的实验教学及其它一些研究课题的开发，同样能用于工厂多点温度的控制，提高工业自动化水平，对于温度控制系统的社会普及有重大意义。3 电阻炉温度控制系统硬件设计3.1 系统硬件设计方案系统硬件原理图如图3.1所示，系统集成了数据处理模块、温度显示/键盘模块、温度传感器模块、温度控制模块。

18、图3.1 硬件原理图3.2 温度采集模块本部分主要是论证温度传感器的选型。传感器的选择受到很多因素的影响，首先是各种温度传感器自身的优缺点，其次是各种不同的环境因素，还有就是系统所要求实现的精度等，所以在不同的设计当中温度传感器的选择也将不同。3.2.1温度传感器方案选择方案一：热电偶传感器热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。它是利用两种不同材料的金属连接在一起，构成的具有热电效应原理的一种感温元件。其优点为精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便，型号种类比较多且技术成熟等。目前广泛应用于工业与民用产品中。热电偶传感器的种类很多，在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件

19、。方案二：热电阻传感器热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电阻值的变化。热电阻传感器是中低温区最常用的一种温度传感器。它的主要特点是：测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的，不仅广泛应用于工业测温，而且被制作成标准的基准仪。从热电阻的测温原理可以知道，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。因此，热电阻的引出线的电阻的变化会给测温带来影响。为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。方案三：半导体集成模拟温度传感器半导体IC温度传感器是利用半导体PN结的电流、电压与温度变换关系来测温的一种感温元件。这种传感器输出线性

20、好、精度高，而且可以把传感器驱动电路、信号处理电路等，与温度传感器部分集成在同一硅片上，体积小，使用方便，应用比较广泛的有AD590等。IC温度传感器在微型计算机控制系统中，通常用于室温或环境温度的检测，以便微型计算机对温度测量值进行补偿。方案四：半导体集成数字温度传感器随着科学技术的不断进步和发展，新型温度传感器的种类繁多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式、多总线式发展。数字温度传感器，更因适合与各种微处理器的I/O接口相连接，组成自动温度控制系统，这种系统克服了模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端，被广泛应用于工业控制、电子测温、医疗仪

21、器等各种温度控制系统中，数字温度传感器中比较有代表性的有DS18B20等。考虑本系统设计最终实现的温度控制范围是30850。最终选择了K型热电偶传感器。3.2.2 温度采集元件 K型热电偶K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用，其外观如图3-3所示。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0到1300范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。图3.2 K型热电偶镍铬-偶（K）型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1.24.0mm。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=92：12，负极（KN）的名义化学

22、成分为：Ni：Si=99：3，其使用温度为-2001300。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛.K型热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。必须配和二次仪表使用其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由

23、两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点14。但是，热电偶的应用却存在着非线性、冷端补偿、数字化输出等几方面的问题。设计中采用的MAX6675是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。K型热电偶的两端分别跟MAX6675芯片的T-跟T+相连，为了允许热电偶断路检测，T-引脚必须接地。MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声影响，在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1F陶瓷旁路电容。温度由热电偶

24、采集，然后将数据直接送给冷端补偿芯片MAX6675芯片进行处理，处理后送给单片机控制电路，完成简单的温度采集过程。 数字温度转换芯片MAX6675MAX6675是美国Maxin公司生产的基于SPI总线的专用芯片9，不仅能对K型热电偶进行冷端补偿，还能对热电势信号作数字处理，具有很高的可靠性和稳定性，可广泛应用于工业、仪器仪表、自动化领域等。其内部结构框图如图3-4所示。图3.3 MAX6675内部结构框图MAX6675的主要特性如下：简单的SPI串行口温度值输出。0+l024的测温范围。12位0.25的分辨率。片内冷端补偿。高阻抗差动输入。热电偶断线检测。单一+5V的电源电压.低功耗特性。工作

25、温度范围-20+85。20 00V的ESD保护。该器件采用8引脚50贴片封装。其外观引脚如图3-5所示，引脚功能如表3-6所示。 3.2.3温度采集方案 方案论证 设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。方案一：分立元气件冷端补偿方案该方案的热电偶冷端温度补偿器件是由分立元件构成的,其体积大,使用不够方便,而且在改变桥路电源或热电偶类型时需要重新调整电路的元件值。主要包括温度采集电路、信号放大电路、A/D转换电路、热电偶冷端补偿电路、数码管显示电路等。其系统框图如图3.2。图3.2 分立元气件冷端补偿 方案二：集成电路温度补偿方案采用热电偶冷端补偿专用芯片max6675，max667

26、5温度转换芯片具有冷端温度补偿及对温度进行数字化测量这两项功能5。一方面利用内置温度敏感二极管将环境温度转换成补偿电压，另一方面又通过模数转换器将热电势和补偿电压转换为代表温度的数字量, 将二者相加后从串行接口输出测量结果，即为实际温度数据。主要包括温度采集电路、max6675温度转换电路、数码管显示电路等。其系统框图如图2.2。图2.2 集成电路温度补偿 方案比较综合对比以上两种方案，方案一电路复杂，且测量不精确照成误差较大，方案二采用集成温度转换芯片不仅能很好的解决冷端温度补偿及温度数值化问题，并消除由热电偶非线性而造成的测量误差,且精确度高，可实现电路的优化设计。故最后采用方案二。3.2

27、.4温度采集电路温度采集电路模块包括K型热电偶和max6675所组成的电路模块，其电路原理图如图3-2所示，热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0+l023.75范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，此温度在-20+85范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，MAX6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到ADC中转换，以计算热电偶

28、的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675可获得最佳的测量精度。因此在实际测温应用时，应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。图3-2温度采集转换电路原理图3.3 数据处理模块 单片机是温度控制系统的核心部件，负责数据处理，分别控制显示模块、温度控制模块和温度采集模块，由于数据大于5K，所以选用内存量为8K的STC89C52单片机。3.3.1 STC89C52系列主要性能参数STC89C52是一种低功耗，高性能CMOS微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Armel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完

29、全兼容。此外，STC89C52拥有在系统可编程Flash和灵巧的8位CPU，为众多嵌入式系统提供灵活、有效的解决方案。STC89C52可提供以下标准功能：8K字节闪存器，256字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16位的定时/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。STC89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串性通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个中断或硬件复位为止。STC89C5

30、2引脚图如图3.8所示：图3.8 STC89C52引脚图图3.9 STC89C52内部结构图P0口：P0口是8位漏级开路双向I/O口，在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，可作为准双向输入、输出接口。每只引脚可以吸收8TTL的门电流。P1口第一次写“1”时，表示为高阻输入。P0还能够当做外部程序数据存储器，它可以表示为数据/地址的第八位。P1口：P1口是8位的由内部提供上拉电阻的双向I/O口，P1口的缓冲器能接收和输出4TTL的门电流。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口作为第八位地址接

31、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控制信号以及地址信号。P3口：P3口是一个8个管脚带内部上拉电阻的双向I/O口，可同时接收或输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们会被内部上拉为高电平，并用作输入。当它作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将会输出电流（ILL）。15P3口还具有第二功能，可以作为一些特殊功能口，如表3.5所示：表3.5 P3口功能表引脚第2功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2（外部中断0请求输入端）P3.3（外部中断1请求输入端）P3.4T0（定时器/记时器0计数脉冲输入端）P3.5T1（定时器/记时器1计数脉冲输入端）P3.6（外部数据存储器写选通信号输出端）P3.7