基于单片机的加热炉炉温控制系统设计.docx

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基于单片机的加热炉炉温控制系统设计

一．绪论……………………………………………………………2

二．系统设计方案…………………………………………………3

三．硬件设计………………………………………………………6

1.8031单片机……………………………………………………6

2.温度测量设计…………………………………………………10

检测元件……………………………………………………11

温度变送器…………………………………………………12

3.转换电路设计…………………………………………………17

AD574转换器……………………………………………17

采样保持器………………………………………………20

4.键盘及显示的设计…………………………………………23

键盘电路…………………………………………………23

显示电路…………………………………………………29

8255A芯片………………………………………………31

5.报警显示电路………………………………………………35

6.译码电路……………………………………………………38

7.D/A转换器…………………………………………………41

四．数学模型……………………………………………………45

五.结束语………………………………………………………48

六.谢辞…………………………………………………………49

七．参考文献及附录…………………………………………49

基于单片机的加热炉炉温控制系统设计

（侧重硬件设计）

一．绪言

温度是工业对象中最主要的被控参数之一，特别是在冶金，化工，机械各类工业中，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，等等。

但是就其控制系统的本身的动态特性来说，基本上都属于一阶纯滞后环节，因而在控制算法上基本相同。

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，特别是单片机的发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。

单片机具有处理能力强，运行速度快，功耗低等优点，应用在温度测量和控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。

实践证明，控制方法的优劣，运行效果的好坏，直接影响到产品的质量，能源的消耗，设备的生产效率。

而用微型计算机对炉窑进行控制，无论在提高产品质量和数量，节约能源，还是在改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。

特别是单片机对被控对象采样功能强，体积小，价格低的智能温度控制装置进行控制已成为现实。

本文将设计一种基于8031单片机的加热炉炉温控制的控制系统。

本文选择的控制对象是用天然气加热的退火炉，天然气烧嘴为自带空气式。

退火炉主要用于钢材的热处理，以改变钢材的物理性能。

被测参数主要是温度，测量范围为0~1000℃。

针对加热炉的上述特点，采用8031单片机作为主机，对其进行智能控制的控温系统。

这种控制方法具有超调小，调整时间快，精度高的特点。

系统通过硬件电路和软件程序来实现智能控制。

不但资源丰富，易于扩展以太网接口，并且速度快，对于温度扩展完全能满足实时性要求。

设计所开发的系统由8031为主控芯片构成，由检测与温度变送电路，A/D转换及数据采样电路，键盘，显示接口电路，报警显示电路，译码电路等组成。

被测参数温度经热电偶WB测量后转换成毫伏信号，经变送器转换成0~5V电压信号；再经多路开关，把8座退火炉的温度测量信号分时地送到采样/保持器和A/D转换器进行模拟/数字转换；转换后的数字量经I/O接口读入到CPU,在CPU中经数据处理（数字滤波、标度变换和数字控制计算）后，一方面送显示，并判断是否有警报，另一方面与给定值进行比较，然后根据偏差值进行控制计算。

控制器输出经D/A转换器转换成4~20mA电流信号，以带动执行机构动作。

当采样值大于给定值时，把天燃气阀门关小，反之将开大阀门，这样通过改变进入退火炉的天然气的流量，达到控制温度的目的。

本系统不但可以进行恒温控制，而且可以通过软件设计使其能按着一定的升温曲线控制。

当系统中某座退火炉发生底限或超限报警时，将发出声光报警信号，提醒操作人员注意，并采取相应措施。

二．温度控制系统的硬件设计方案

以单片机位核心组成的工业控制，数据采集系统，种类繁多，用途各异，硬件设计涉及到多方面接口电路和结构，如模拟电路，驱动电路等。

本文设计的各种芯片的原理，结构和应用方法，是以8031单片机位最小应用系统的。

在单片机的应用系统中，信号往往有数字或模拟信号混合存在。

这样，模拟部分与数字部分的功能分工是硬件设计的重要内容。

它涉及到应用系统研制的技术水平和难度。

在这种模拟，数字系统中，模拟电路，数字逻辑电路功能与计算机的软件功能分工设计应该协调好。

应用系统的结构特点：

1.要有大量的接口。

检测，控制，驱动的功能电路，在很大程度上决定了应用系统的技术性能，如A/D,D/A转换器的分辨率，转换速度等。

2.必须适应现场环境要求：

如温度，湿度及电磁干扰。

其传感器及接口可能采用数字式或数字传感器，以利于减少干扰窜入计算机中和提高测量的精确度。

3.单片机本身带有一部分接口电路功能，在实际应用中仍需扩展一部分接口。

如并行8255A等。

扩展的规模取自于设计要求，但在设计时要注意留有充分的余地和扩展空间。

根据以上基于单片机应用设计该加热炉炉温控制系统的设计要求，该控制系统的硬件是实现温度控制的基础，温度控制系统硬件设计主要内容包括温度测量，A/D转换，单片机系统扩展，键盘操作，温度显示电路，报警电路，D/A转换电路，I/O设备等。

整体设计原理是：

被测参数温度经热电偶WB测量后转换成毫伏信号，经变送器转换成0~5V电压信号；再经多路开关，把8座退火炉的温度测量信号分时地送到采样/保持器和A/D转换器进行模拟/数字转换；转换后的数字量经I/O接口读入到CPU,在CPU中经数据处理（数字滤波、标度变换和数字控制计算）后，一方面送显示，并判断是否有警报，另一方面与给定值进行比较，然后根据偏差值进行控制计算。

控制器输出经D/A转换器转换成4~20mA电流信号，以带动执行机构动作。

当采样值大于给定值时，把天燃气阀门关小，反之将开大阀门，这样通过改变进入退火炉的天然气的流量，达到控制温度的目的。

下图是其系统方框图：

退火炉单片机控制系统原理图

三．硬件电路设计：

单片机

单片机（Single-Chip-Microcomputer）又称微控制器（Microcontroller），其实

就是一个简化的微机，将微机的CPU、存储器、串行工/0接口、并行1/0接口、定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机了，单片机虽然只是一个芯片，但无论从组成还是从功能上来看它都具有了微机系统的含义。

它主要用来完成各种控制功能。

相对微机来说，单片机价格很低，非常适用于简单的控制场合以降低成本。

另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可以在工业现场复杂的环境下运行。

单片机依靠其可靠性和极高的性价比，在工业控制、数据采集、智能化仪表、家用电器等方面得到了单片机应用在检测、控制领域中具有如下特点:

（1）小巧灵活、成本低、易于产品化。

能组成各种智能式测控设备及智能仪器仪

表。

（2）可靠性好，应用范围广。

单片机芯片本身是按工业控制环境设计的，抗干扰

能力强，能适应各种恶劣的环境，这是其他机种无法比拟的。

（3）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。

单片机的逻辑控制

功能很强，指令系统有各种控制功能指令，可以对逻辑功能比较复杂的系统进行控制。

（4）具有通讯功能，可以很方便地实现多机和分布式控制，形成控制网络和远程

控制。

单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。

采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。

1.18031单片机的引脚及功能

8031是INTEL公司70年代末发展的高性能8位单片机，8031内部有128KBRAM，2个16位定时/计数器，5个可屏蔽的中断源，带有32个并行I/O口，1个串行I/O口。

此外8031的片外程序存储器和数据存储器的寻址空间都为64KB，且可完全重叠，均为0000H—FFFFH,这在绝大多数工业控制场所都能满足要求。

（1）电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）：

接+5V电压。

Vss（20脚）：

接地。

（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2（共两根）

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接连到内部时钟发生器的输入端。

（3）控制和复位引脚ALE、/PSEN、/EA和RST（共四根）

ALE（30脚）：

当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变得频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

它可用作对外输出的时钟，或用于定时。

需要注意的是，

每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个TTL门电路。

/PSEN（29脚）：

此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。

在从外部程序存储器取出指令（或常数）期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/PSEN同样可以驱动8个TTL门电路。

/EA（31脚）：

当/EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过片内程序存储器容量时，将自动转向执行外部程序存储器。

当/EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。

对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以/EA脚必须常接地这样才能选择外部程序存储器。

单片机只在复位期间采样/EA脚的电平，复位结束以后/EA脚的电平对程序存储器的访问没有影响。

RST（9脚）：

当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

建议在此引脚与Vss引脚之间连接一个约千欧的下拉电阻，与Vcc引脚之间连接一个约10uF的电容，以保证可靠复位。

（4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）

P0口（32脚—39脚）：

是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个TTL负载。

P1口（1脚—8脚）：

是8位准双向I/O口。

由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。

P1口能驱动（吸收或输出电流）4个TTL负载。

P2口（21脚—28脚）：

是8位准双向I/O口。

在访问外部存储器时，它可以作为高8位地址总线送出高8位地址。

P2口可以驱动（吸收或输出电流）4个TTL负载。

P3口（10脚—17脚）：

是8位准双向I/O口，在MCS-51中，这8个引脚除用于普通输入、输出外，还可用于专门功能，它是一个复用双功能口。

P3能驱动（吸收或输出电流）4个TTL负载。

P3口作为第一功能使用时，即作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。

作为第二功能使用时，各引脚的定义如下表所示。

值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。

表1P3口第二功能

引脚

第二功能

RXD（串行口输入端）

TXD（串行口输出端）

/INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）

/INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）

T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）

T（定时器/计数器1计数脉冲输入端）

/WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）

/RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）

2.温度测量

因为退火炉的温度测温范围是0~1000摄氏度，所以根据设计要求检测原件选用镍铬-镍铝热电偶（分度号为K），对其输出信号为0~毫伏。

温度变送器选用现成的集成一体化变送器，在0~1000摄氏度时对应输出为0~5伏。

.检测原件

K型热电偶，热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

其优点是：

1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。

②测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，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）。

③构造简单，使用方便。

热电偶通常是由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。

2.1.1热电偶测温基本原理

K型热电偶是以镍铬合金为正极，镍硅合金为负极的两导体的一端焊接而成的。

这两根导体的焊接端称为K型热电偶的热电极，其焊接端为热端，非焊接端为冷端。

在进行温度测量时，将热电偶插入被测的物体介质中，使其热端感受到被测介质的温度，其冷端置于恒定的温度下，并用连接导线连接电气测量仪表。

由于热电偶两端所处的温度不同，在热电偶回路中就会产生热电势，在保持热电偶冷端温度不变的情况下，热电偶产生的热电势只随其热端温度而变化，因此，用电气测量仪表测得热电势的数值后，便可求出对应的温度数值。

表温度/数字对照表

温度/℃

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1010

热电偶输出/mV

0

变送器输出/V

0

A/D输出/H

000

191

322

4B3

64E

7F0

991

B33

CCD

E56

FFF

温度变送器

（1）引言

信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。

现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。

现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备（称为现场总线仪表）之间实现双向串行多节点数字通信系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。

目前，在国内可购到的FF（现场总线基金会）现场总线仪表有：

罗斯蒙特公司的FF3051压力（压差）变送器、FF3244MV温度变送器、FFDVC50000智能阀门；Smart公司的FFLD302压力（压差）变送器、FFTT302温度变送器、FFFP302现场总线到气压转换器。

本文从工程应用出发，对FFTT302温度变送器的原理和应用加以介绍，以供自动化人员参考。

（2）原理

2.2.1功能与特性

TT302是一种将温度、温差、毫伏等工业过程参数转变为现场总线数字信号的变送器，它还具有控制功能，起到了基地式（现场）仪表的作用。

TT302测量温度配用RTD（热电阻）或热电偶，但也可配用其他具有电阻或毫伏输出的传感器，诸如高温计、负荷传感器、电阻或位置指示器等。

TT302采用数字技术后能实现下列性能：

单一的型号能接受多种传感器、宽量程范围、单值或差值测量；在现场和控制室之间接口容易，可大大减少安装和维护费用，能接受二路输入，也就是说有两个测量点，准确度为%。

TT302温度变送器内装AI（模拟输入）、PID（比例加积分加微分控制）、ISS（输入选择）、CHAR（线性化）和ARTH（计算）等5种功能模块。

它们具有可由用户组态的基本功能，各种功能模块都有输入、输出，并装有参数和一个算法。

各功能模块用一个标识符来表示，功能模块的输入、输出等能用其他仪表从总线上读出，它们之间也能互相连接，其他仪表也能写入模块的输入。

TT302与其他现场总线仪表互连构成现场总线控制系统。

用户可通过功能模块的连接建立适合控制应用所需的控制策略。

2.2.2、硬件构成原理

由TT302输入板、主电路板和显示板组成。

TT302接受来自热电偶（TC）、mV发生器、热电阻（ohm）传感器的信号，这些输入信号必须在规定范围内。

电压规定范围为50~500mV，电阻的规定范围为0~200W。

量程可以组态。

①输入板

MUX为多路转换器，它的作用是确保传感器端子到信号调理板接收的电压信号是正确的端子间电压。

信号调理板的功能是给输入信号乘上一个正确的增益以适合A/D（模/数）转换器的信号接收范围。

电源隔离和信号隔离的作用是防止输入信号与地形成地环电流而引入干扰。

来自主电路板CPU的控制信号和来自A/D转换器的信号通过光电耦合器传输，从而实现了信号电的隔离。

同样，输入板上的电源也必须是隔离的，电源隔离是采用把直流转换为一高频交流，并使用变压器分隔电的联系来实现的。

②主电路板

中央处理器CPU是TT302的核心部件，它控制着整个仪表各个部件的协调工作、线性化和通信。

系统程序存贮于CPU外部的只读存贮器PROM，运算数据暂存贮于RAM，如果电源开关断开，RAM中的数据就会丢失。

然而，CPU内还有一个非易失性存贮器EEPROM，当电源开关断开时，这里的数据仍保留。

因此，一些重要的标定、组态和辨识等应用程序都存贮在这里。

主电路板上的EEPROM存贮器用来存贮组态参数（指功能模块的参数）。

CPU与信号整形之间是通信控制器，此控制器用来监视现场总线上的占空系数（或情况），调制和解调通信信号，引入和删除数字信号中开始和结束的定界符。

本机调整为两个干簧管（也称磁性开关）[1]。

在本机调整时，不用打开仪表的端盖，即在仪表的电路全部被密封的情况下，利用磁棒的置入与置出就可触发TT302内的磁开关，进行仪表的组态和调整，从而使现场仪表内的电子元件不与现场的恶劣环境直接接触，大大延长了电子元件的使用寿命，也使仪表适应恶劣环境的性能得到提高。

TT302是由现场总线供电的，供电电压为9~32VDC。

在供电的同时，仪表的输入-输出的数字信号也由现场总线传输，与二线制模拟变送器相近，但现场总线中的数字信号是双向的，而且传输的是多个信号。

信号规程符合IEC-1158-2，本安，隔爆。

③显示板

显示板是一个从CPU接收数据的微功耗液晶显示器，它为四位半数字值和五位字母的LCD（液晶显示器）。

（3）应用

目前，在中国已有十几家工业企业选用了Smart公司的302现场总线控制系统。

安庆石化腈纶厂是国内率先采用Smart302现场总线控制系统的厂家，其现场总线控制系统应用示意图如图2所示。

PCI为过程控制接口卡，它通过卡上的OPRAM（双口RAM）与PC机CPU进行快速信息交换，从而实现PC机与所有现场总线仪表间的信息交换，而PC机的CPU主要从事管理工作。

每块卡可接4个相互独立的通道，每个通道下可挂接4块总线安全栅（SB302）。

总线安全栅除了起总线安全隔离作用外，还起总线供电和总线重复器（放大器）作用。

LD302是一种将差压、绝压、差压、液位和流量等工业过程参数转变为现场总线数字信号的变送器，它还具有控制功能，起到了基地式仪表的作用。

TT302可就地实现温度的自动控制，同时把温度信号通过现场总线传送给操作站。

FI302是把现场总线数字信号转换为4~20mADC电流信号的转换器，IF302是把4~20mA（DC）电流信号转换为现场总线数字信号的转换器。

这两个转换器可使现场总线控制系统与常规模拟控制系统相连。

操作站采用普通工控机及AIMAX-WIN人机界面软件。

双向的全数字通信总线从控制室的操作站一直延伸到现场仪表，中间节省了很多A/D、D/A等环节，既可提高系统的精度，又可减少I/O卡及其安装空间，因而可以大大减少运行和维护方面的费用。

在安全可靠性方面，由于控制功能下放在各处的现场总线仪表内，从而将危险分散，大大提高了系统的可靠性。

温度显示程序：

SWEQU33H

BWEQU34H

GWEQU35H

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0030H

MAIN:

CLR

MOVR0,#100

MOVR1,#8

MOVR2,#00

MOVR3,#00

MOVR4,#04

MOVR5,#04

MOVGW,#0AH

MAIN1:

MOVX@DPTR,A

JB,$

MOVXA,@DPTR

CLRC

ADDA,R2

MOVR2,A

CLRA

RLCA

ADDA,R3

MOVR3,A

DJNZR1,MAIN1

MOVA,R2

LCALLZH1

LCALLZH

MAIN2:

LCALLLOP1

DJNZR0,MAIN2

LJMPMAIN

ZH1:

CLRC

RRCA

DJNZR4,ZH1

MOVR2,A

MOVA,R3

ZH2:

CLRC

RLCA

DJNZR5,ZH2

ORLA,R2

RET

ZH:

MOVB,#10

DIVAB

MOVR5,B

MOVB,#16

MULAB

ADDA,R5

DAA

PUSHA

ANLA,#0FH

MOVSW,A

POPA

SWAPA

ANLA,#0FH

MOVBW,A

RET

LOP1:

CLR

MOVA,GW

MOVDPTR,#TAB

MOVCA,@A+DPTR

MOVDPTR,#0EFFFH

MOVX@DPTR,A

SETB

CLR

LCALLLEY

MOVA,SW

MOVDPTR,#TAB

MOVCA,@A+DPTR

MOVDPTR,#0EFFFH

MOVX@DPTR,A

SETB

CLR

LCALLLEY

MOVA,BW

MOVDPTR,#TAB

MOVCA,@A+DPTR

MOVDPTR,#0EFFFH

MOVX@DPTR,A

SETB

CLR

LCALLLEY

ret

TAB:

DB0C0H0F9H0A4H0B0H099H092H082H0F8H080H090H0C6H

LEY:

MOVR6,#10

LOOP5:

MOVR7,#250

LOOP6:

DJNZR7,LOOP6

DJNZR6,LOOP5

RET

3．A/D转换器及数据采样

本系统采用AD574，12位A/D转换器。

（1）A/D转换器的工作原理：

其原理图如下：

AD574是具有三态输出的缓冲器，可与8位或16位微处理器直接连接的12位逐次逼近式A/D转换芯片。

AD574A它由高精度的12位D/A，基准参考电压，时钟，逐次逼近寄存器，控制逻辑和三态缓冲器等组成。

其转换输出数据端可直接同8位或16位微机系统的数据总线连接，控制端同TTL或CMOS电平兼容。

允许对输入的+5V等信号进行转换，输出可为单极性二进制码或双极性偏移二进制码。

其主要功能特性如下：

分辨率：

12位

非线性误差：

小于±1/2LBS或±1LBS

转换速率：

25us

模拟电压输入范围：

0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种

电源电压：

±15V和5V

数据输出格式：

12位/8位

芯片工作模式：

全速工作模式和单一工作模式

AD574的引脚说明:

：

[1]. Pin1（+V）——+5V电源输入端。

[2]. Pin2（

）——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。

[3]. Pin3（

）——片选端。

[4]. Pin4（A0）——字节地址短周期控制