电阻炉温度控制系统毕业设计

1 1 引言引言 1.11.1 研究意义与背景研究意义与背景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化工、机械、冶金、食品等领域。温度控制是工业生产过程中常见的过程控制之一，在不少工艺过程中，温度的控制效果直接影响到产品的质量。所以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、控制效果好等特点，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最小系统，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。 1.21.2 电阻炉简介电阻炉简介（1）电阻炉的简介电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用第 1 页共 73 页机械和电气控制系统等组成。电热元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的电阻温度系数和良好的化学稳定性。电热元件的分布和线路接法，依炉子功率大小和炉温要求而定。电阻炉的供电电压一般为 220V 或 380V，必要时配置可调节电压的中间变压器。一般而言，小型炉(0 时，在一定的 IF 作用下，所对应的 IC 基本上与 VCE 无关。IC 与 IF 之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。 3.8.33.8.3 温度控制模块电路温度控制模块电路此部分电路主要由光电耦合器和可控硅组成，光电耦合器与单片机端口相连，可以根据端口信号的变化迅速做出反应，延时时间短。由于单片机的端口电压不足以驱动光电耦合器，故令其低电平触发，外加上拉电阻。与外部电阻炉相连的部分是可控硅，与光电耦合器配合输出，以弱点控制强电，控制电阻炉的开断频率，以达到加热目的。温度控制模块电路图如图 3.10 所示：第 28 页共 73 页图 3.10 温度控制模块电路图 R 11 的作用是限制流过 MOC3041的输出端的电流不超过允许的最大重复浪涌电流。R11的值可大致如下估算： R 11 =V P /I P （3.1）其中:V P 为工作电压的峰值 ,也就是2202V,I P 为MOC3041输出端允许的最大重复浪涌电流（1A)。计算结果R 11 =312，这里取R 11 =360。由于R 11 的串入，使触发电路产生一个最小触发电压场，低于V T 时，双向可控硅BTA12不能导通。 V T =R 11 ×IGT+V GT +V TM (3.2) 其中：I GT 表示可控硅BTA12的最小触发电流。 V GT 表示可控硅BTA12的最小触发电压。 V TM 为MOC3041输出端的输出压降，其最大值为3V. 在阻断状态下,晶闸管的PN结相当于一个电容，如果突然受到正向电压，充电电流通过门极 PN结时，起了触发电流的作用。当d V /d t 较大时，将导致 MOC3041的输出晶闸管误导通。由于电加热丝是一个感性负载，其d V /d t 比较大，因此，采用R 14 和C 11 组成的RC回路来降低MOC3041的输出晶闸管的d V /d t 。在极端情况下，MOC3041允许的d V /d t 为0.8Vs。第 29 页共 73 页由于：d V /d t = V P (3.3) R 14 C 11 R 11 +R 14 = V T (3.4） I GT 由此可以估算出R 14 和C 11 的值。在实际使用中，太大的电压上升率对外部的BTA12可控硅是不允许的，特别是负载为感性或功率较大时，必须加保护回路。可以采用 RC吸收回路、金属氧化物压敏电阻、雪崩二极管，硒堆与转折二极管等非线性元器件来限制或吸收过电压，其中RC吸收电路和金属氧化物压敏电阻是常见的措施。金属氧化物电阻是近年来应用广泛的浪涌吸收器件，可抑制持续时间较长的偶发性浪涌电压，具有正反向都很陡的稳压特性。正常工作时，压敏电阻不击穿，漏电流较小，损耗很小，当遇到尖峰过压时，可以通过数千安培的放电电流，抑制过压的能力很强。并具有反应快，体积小，价格便宜等优点。实际应用中BTA12一般只承受换相过电压，开关时没有较大的d V /d t ,因此一般采用RC吸收电路即可。R 14 和C 11 组成的RC回路能降低可控硅的d V /d t ,防止可控硅在上电和断电时击穿。其中电容用来吸收尖峰过电压，电阻主要用来限制晶闸管开通损耗和电流上升率，并阻尼 LC振荡。R 14 和C 4 的大小根据负载电流和电感大小决定，在一般场合下，当工作电流小于20A时，可以取C  0.01F,R 100因为MOC3041在输出关断的状态下，也有小于或等于 500 A 的漏电流，加入R 12 可以消除这个电流对可控硅 BTA12的影响,防止BTA12的误触发。第 30 页共 73 页 4 4 软件设计软件设计本部分详细介绍了基于AT89S51单片机的电阻炉温度控制系统的软件设计。根据系统功能，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如温度采集子程序，数据处理子程序、显示子程序、执行子程序。采用汇编语言来进行系统软件的设计。本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路后，再逐一分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序。 4.14.1 总体设计思路总体设计思路本系统要完成温度信号的采集与控制，需要实现温度信号的采集与 A/D 转换、数据处理、数据显示、数据传输等基本功能。从功能上可将其分为温度信号采集及 A/D 转换、数据处理、人机交互、执行四大部分进行设计，软件系统框图如图 4.1 所示：数据处理图 4.1 软件系统框图温度信号采集子程序，主要完成温度信号采集与 A/D 功能，由于数字温度传感器 DS18B20 是采用单总线结构，所以软件设计需要根据单总线协议来完成数据采集、A/D 转换和传输。温度信号采集子程序主要包括传感器初始化、单片机给传感器写命令、单