基于AT89C52的电阻炉温度控制系统研究设计.doc

1、摘要 摘 要电阻炉在国民经济中有着广泛的应用，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适芯片及控制算法是非常有必要的。本设计要求用单片机设计一个能在多种领域得到广泛应用的电阻炉温度控制系统的硬件部分。以AT89C52单片机为控制核心，外配置数据采集电路、功率控制电路、声光报警电路的硬件电路设计；实现了数据采集、处理、存储，声光报警等功能。关键词：AT89C52；温度控制；声光报警 I 目录ABSTRACTResista

2、nce furnace in the national economy has a broad application, and power of the resistance furnace is used in various industrial processes. However, most resistance furnace there are all kinds of disturbances which will be to the great inconvenience of industrial production. Therefore, in the resistan

3、ce furnace temperature control system design should be considered how to avoid all kinds of interference factors in the adoption of a better control scheme, selecting the appropriate chip and the control method is very necessary. The design requirements can be used to design a microcontroller which

4、is widely used in many fields of the resistance furnace temperature control system hardware. With AT89C52 microcontroller as the control center outside the configuration data acquisition circuit, the power control circuit, sound and light alarm circuit of the hardware circuit design of data collecti

5、on, processing, storage, system, fault self-diagnosis, sound and light alarm functions.Key words： AT89C52；Temperature control；Sound and light alarm functions目录目 录1 绪论11.1 研制的背景及目的11.2 电阻炉控制的国内外发展动态11.3 本论文的主要研究内容22 系统的总体设计方案32.1 电阻炉的温度控制方法32.2 系统的组成及工作原理32.3 系统的控制回路设计43 系统硬件电路设计53.1 微控制器AT89C52单片机性能

6、简介53.1.1 AT89C52概述53.1.2 AT8952引脚63.2 温度数据采集电路63.2.1 温度检测元件及变送63.2.2 MAX667563.3 时钟电路73.4 键盘显示和报警电路83.5 控温电路83.6 复位电路94 系统的软件设计104.1 系统的主程序设计104.2 系统的控制程序115 调试结果及展望135.1 调试结果135.2 展望13致谢15参考文献1711 绪论1 绪论1.1 研制的背景及目的温度是工业对象中主要的被控参数之一，在冶金、机械、食品、化工各类企业中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对产品的加工、处理温度都要求严格控制，因为温度的控制直接

7、影响到产品的产量、质量。并且计算机控制技术在这方面的应用，使温度控制技术指标得到了大幅度提高，满足了许多企业对温度控制精度的要求1。以前的控制系统存在以下缺点： (1)温度的记录精度较低，并经常需要更换记录纸，造成不必要的纸张浪费和人力消耗。(2)采用模拟调节器，使原设备的控制电路控制精度低，故障率高，炉温波动大，影响产品的产量和质量2。(3)系统出现故障时，无法为工作人员及时指示故障准确位置，不能进行故障自诊断。(4)没有友好的人机界面及显示功能，不便于生产中的灵活操作3。正是由于存在以上的问题，它直接影响到产品的产量、质量和生产成本。所以，工厂提出改造原电阻炉的控制系统，降低生产故障率，并

8、提高炉温的控制精度，使控制系统能更加可靠，稳定的运行，更好的满足生产技术要求。1.2 电阻炉控制的国内外发展动态台车式电阻炉作为纺织机械厂的主要设备之一，直接影响着产品的产量和质量，对于提高生产率和节约能源也有举足轻重的意义。(1)国外动态国际上从70年代就开始了电阻炉计算机控制系统的研究，近十年来，由于计算机技术的迅速发展，电阻炉计算机控制的应用也日趋广泛，控制水平明显提高，取得了一些应用成果。 (2)国内动态80年代以后，国内对电阻炉的控制进行了广泛的研究，并且随着微型计算机技术的发展，电阻炉计算机控制逐步进入实用化阶段。目前，国内电阻炉控制系统的研究现状如下：1)采用先进的控制设备随着单

9、片机、工业控制机、可编程控制器等先进控制系统的发展，逐步取代了以前大规模的继电器、模拟式仪表。单片机也因其极高的性价比而受到人们的重视和关注，获得广泛地应用和迅速地发展。单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。它的软件编程比较简单，广大工程技术人员通过学习单片机的知识后，就能根据自己的实际需要开发、设计一个单片机系统，并可获得较高的经济效益。正因为如此，在我国单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、家用电器等各个方面。它将成为智能仪器和中、小型控制系统中应用最多的一种微型计算机4。2)采用新的控制方法对传统的负反

10、馈、单一PID控制系统做了多种补充，从而使控制性能更佳。同时，越来越多的控制系统采用现代控制理论，最优控制、自适应控制、自校正控制器、自整定PID参数控制器，有些已成功地在工业中得以应用5。3)管理系统的应用除了传统的现场过程级闭环控制以外，电阻炉控制系统还具备了统一管理、数据存储、报警记录、报表生成等主要功能。管理系统应用的扩展，大大提高了电阻炉控制系统的应用性能和实用价值，提高了生产效率6。1.3 本论文的主要研究内容论文分析了单片机炉温控制系统的工作原理，完成了以AT89C52单片机为控制核心，外配置数据采集电路、功率控制电路、声光报警电路的硬件电路设计；实现了数据采集、处理、存储，系统

11、的声光报警等功能。本文的主要研究内容如下：(1)系统采用单片机控制，以电阻炉为研究对象。(2)对电阻炉的温度信息进行实时的采集、处理，并记录和保存，实现温度数据的无纸记录。(3)系统故障的自诊断功能，以及声光报警和指示。系统的总体设计方案2 系统的总体设计方案2.1 电阻炉的温度控制方法在电阻炉的温度控制系统设计中，为了保证电阻炉内温度的均匀性，将电阻炉分为三个区来分别进行控制7。在每个温度控制区的几何中心线上装有一只热电偶，用来检测本温区的温度，并且每个温区都有各自的电阻丝加热系统；同时为了使电网负载对称，对三个温区的加热系统分别采用A、B、C三相电压供电8。电阻炉的温度控制采用恒值控温方法

12、，即将系统给定的温度值设定成每个温区的目标温度，通过三组结构相同且相互独立的温度控制系统共同工作来实现对电阻炉温度的控制9。2.2 系统的组成及工作原理电阻炉温度控制系统主要由AT89C52单片机、数据采集电路、功率控制电路、键盘与显示电路、声光报警电路、存储电路、复位电路及控制软件等组成。系统的控制过程是这样的：单片机定时对炉温进行检测，经AD转换得到相应的数字量，送往单片机进行判断和运算，获得相应的控制量，依此改变在一个给定周期中电阻丝的加热时间，实现对电阻炉加热功率和温度的实时控制10。系统设计时应考虑如下问题：(1) 炉温变化控制规律，即炉温按预定的温度时间关系变化，这主要在控制程序设

13、计中考虑。(2)温度控制范围，如O1000，这就涉及到测量元件，电炉功率等的选择。(3)控制精度、超调量等指标，这涉及到AD转换精度、控制规律的选择等。图2-1 系统结构框图2.3 系统的控制回路设计电阻炉温度控制采用单回路控制进行调节。对系统而言，单回路控制是一种有效的控制方法，它的结构框图如图2-2所示11。本系统单回路温度控制的原理：温度控制系统用热电偶检测电阻炉内的温度，控制器根据温度给定值和温度测量值的偏差，经过运算和处理来相应的调节控制量电阻丝的加热时间T，从而达到温度控制的目的。图2-2 结构框图系统硬件电路设计3 系统硬件电路设计3.1 微控制器AT89C52单片机性能简介3.

14、1.1 AT89C52概述微控制器主要用于控制目的。对以构成的系统的要求是有实时、快速的外部响应，能迅速采集到大量数据，作出逻辑判断与推理后实现对控制对象的参数调整与控制。近年来，闪速存储器Flash在微控制器片内应用走向成熟Flash的片内制造艺、Flash的保护技术有突破性进展：Flash在遇到强干扰时引起程序丢失的问题得到了妥善的解决，从而引发微控制器开发、应用技术的又一次飞跃。Flash的优点是结构简单、集成密度大、成本低。形象地理解Flash的结构，存储器的一位使用一只晶体管就够了，而RAM中的一位至少要6只晶体管。在此系统中，数字控制模块的核心部分是中央处理单元CPU，是ATMEL

15、公司生产的8位flash单片机AT89C5212。从应用的角度看，它有以下优点：（1）集成度高。芯片内部含有128字节的RAM，4KB字节的Flash，4个并行的8位IO口，一个全双工的串行口，两个16位定时计数器，两种优先级的五个中断源的中断结构，64KB的程序存储器地址空间和64KB的数据存储器的地址空间13。（2）运行速度快，处理能力强。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一

16、起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本14。3.1.2 AT8952引脚图3-1 AT89C523.2 温度数据采集电路3.2.1 温度检测元件及变送本系统采用的型（镍铬镍硅）热电偶，其可测量1312以内的温度，其线性度较好，而且价格便宜。型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU通信。传统的温度检测电路采用“传感器滤波器放大器冷端补偿线性化处理A/D转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。在本系统中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势温度”的转换，不需外围电路、I/O接线简单、精度高、成本低15。3.2.2 MAX6675M

17、AX6675是MAXIM公司开发的K型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器等，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量，分辨率0.25。温度数据通过SPI端口输出给单片机,其冷端补偿的范围是-2080,测量范围是01023.75。当P2.5为低电平且P2.4口产生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3为相应的温度转换数据。当P2.5为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。在应用MAX6675时，应该注意

18、将其布置在远离其它I/O芯片的地方，以降低电源噪声的影响；MAX6675的T-端必须接地，而且和该芯片的电源地都是模拟地，不要和数字地混淆而影响芯片读数的准确性16。图3-2 温度检测电路3.3 时钟电路在系统中需要准确显示升温时间、恒温时间等，因而选用了时钟芯片DS12887构成定时电路来完成对时间的准确计时。DS12887具有时钟、闹钟、12/24小时选择和闰年自动补偿功能；包含有10B的时钟控制寄存器、4B的状态寄存器和114B的通用RAM；具有可编程方波输出功能；报警中断、周期性中断、时钟更新中断可由软件屏蔽或测试。使用时不需任何外围电路，并具有良好的外围接口17。在本系统中，DS12

19、887的地址数据复用总线与单片机的P0口相连。通过定时器中断，CPU每隔0.4秒读一次DS12887的内部时标寄存器，得到当前的时间，并送到液晶显示器进行显示。每当电阻炉从一个状态转入另一个状态，CPU通过DS12887把时间清零，重新开始计时。此外，通过DS12887，还可以设定电阻炉的加热时间和恒温时间。电路如图3-3中所示。图3-3键盘、时钟、报警和控温电路3.4 键盘显示和报警电路本系统采用3*3键盘，由单片机I/O口控制，可通过按键设定温度和时间，有的按键在不同情况下可以实现不同功能。显示器选用点阵字符型液晶显示器TC1602，系统中将扩展芯片8155的P0 口、PC.0PC.2口与

20、TC1602接口相连，TC1602的显示形式是16*2行,可显示炉温、设定时间、实际时间等。报警电路是将单片机的I/O口与驱动芯片MC1413相连，通过MC1413驱动蜂鸣器。键盘电路和时钟电路如图3-3中所示18。3.5 控温电路控温电路包括驱动芯片MC1413、过零型交流固态继电器（Z型SSR）。报警和控温电路如图3-3中所示。Z型SSR内部含有过零检测电路，当加入控制信号，且负载电源电压过零时，SSR才能导通；而控制信号断开后，SSR在交流电正负半周交界点处断开。也就是说，当Z型SSR在1秒内为全导通状态时，其被触发频率为100HZ；当Z型SSR在1秒内导通时间为0.5秒时，其被触发频率

21、为50HZ。在本系统中，采用PID控制算法，通过改变Z型SSR在单位时间内的导通时间达到改变电阻炉的加热功率、调节炉内温度的目的19。3.6 复位电路复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可使MCS-52单片机复位。复位的主要功能是把Pc初始化为0000H，使MCS-52单片机从0000H单元开始执行程序。除了进行系统的正常初始化以外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需要按复位键重新启动21。MCS-52的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。(1)上电复位是利用RC充电来完

22、成的。(2)按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。按键电平复位相当于RST端通过电阻接高电平，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲。参数的选取应保证复位电平持续时间要大于两个机器周期。本系统的复位电路采用按键电平复位电路，如图3-4所示。当时钟频率选用12MHZ时，C3取IOPF，R2取1K，R1取51 K。图3-4 按键复位电路系统的软件设计4 系统的软件设计系统的软件设计和硬件设计是进行应用系统总体设计的两个重要组成部分。为了可靠地实现系统的控制功能。达到预期的控制效果，在系统设计中一定要把软件设计和硬件设计统一考虑，相结合进行。本系统的软件设计包括主程序和控制程序设计两个部分。主程序

23、的主要功能处理键盘的扫描和响应，控制LED的动态显示，控制声光报警电路和显示系统工作状态的指示灯，进行掉电保护处理及复位操作等；控制程序是对被控对象进行采样、数据处理，调用控制算法进行计算并输出相应的控制量等。4.1 系统的主程序设计整个系统的程序主要包括主程序和两个中断服务子程序，主程序主要完成了系统的初始化功能，并调用键入子程序、显示子程序、对采样来的温度进行实时显示，同时等待TO中断的产生。系统的主程序流程图如图4-1所示。图4-1 系统的主程序流程图4.2 系统的控制程序系统控制程序采用两重中断嵌套方式来设计。首先使TO计数器能产生每秒一次的定时中断，作为系统的采样周期。在其中断服务程

24、序中启动AO，读入采样数据，进行数字滤波、上下限报警处理，PID计算，然后输出控制脉冲信号。脉冲的宽度由T1计数器溢出中断决定。在等待T1中断时，将本次采样数值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。从T1中断返回后，再从TO中断返回主程序并继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。图4-2是系统控制程序流程图。需要说明的是，T1中断嵌套在TO中断之中。而Tl的初值是由PID计算值决定的，所以PID的最大输出必须小于250，即保证在T0再次溢出之前，T1中断服务结束，并从T0中断返回到主程序，否则程序不能正常运行。（a）T1中断服务程序 （b）T0中断服务程序 图4-2 系统控制程

25、序流程图调试结果及展望5 调试结果及展望5.1 调试结果在设计过程中，不管在硬件设计和软件设计过程中，需要一步一步，全面的设计，不能想到点做一点，要全面的考虑。电阻炉特别是工业电阻炉是大惯性、大滞后、非线性控制对象，以建立精确的数学模型，依据传统控制理论的控制方法难以得到满意的控制效果本文以工业电阻炉为控制对象，本设计以单片机AT89C52为硬件核心元件，设计一种新型的温度测控系统，使其具有硬件电路简单、系统性能优良等优点，现将设计中的工作情况总结如下：(1)对控制系统进行硬件设计，并对其合理性进行研究，在硬件设计中采用抗干扰设计。(2)在温度检测电路中采用了转换器MAX6675，转换结果和对

26、应温度具有良好的线性关系，简化了本系统的软硬件设计，提高了温度检测的精度。(3)输出控制主要采用硬件电路实现，具有原理简单，可靠性强，降低了程序复杂性等优点。(4)系统的软件设计采用了模块化结构，具有可移植性强和通用性强的特点。5.2 展望21世纪，随着科学技术的进步，先进的工业控制技术、计算机技术不断的运用于电阻炉的温度控制系统中，电阻炉的控制系统会朝着更加稳定，更加高效，更加智能的方向发展。17 致谢致谢本论文的完成得益于校内指导老师黄烜的悉心教导，使我在基础理论及专业知识等各方面得以进一步的提高，特别是指导老师严谨的治学态度和科学、新颖的研究思想，令我获益匪浅。值此机会，谨向我的导师致以

27、衷心的感谢。这段学习生涯，使我受益匪浅，在这个学习气氛很浓的环境下，使我学到了很多，也懂得了很多，这段学习生涯将影响我的一生。另外我还要感谢那些帮助过我的人，真诚地感谢他们!最后，向审阅此文的专家、学者致以深切的谢意!参考文献参考文献1 薛定宇反馈控制系统的分析与设计MATLAB语言M北京：清华大学出版社，2000:17-202 陈怀琛等MATIAB及在电子信息课程中的应用M北京：电子工业出版社，2004：42-443张毅刚等新编MCS一51单片机应用设计M哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2003:12-204潘新民，王燕芳编著微型计算机控制技术M北京：电子工业出版社，2003:23-275邹佰敏

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