加热炉的设计应用课程设计.docx
- 文档编号:26374392
- 上传时间:2023-06-18
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:490.25KB
加热炉的设计应用课程设计.docx
《加热炉的设计应用课程设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《加热炉的设计应用课程设计.docx(23页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
加热炉的设计应用课程设计
第一章前言
1.1意义及研究背景
在工业中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
其中温度控制也也越来越重要。
在工业生产的很多领域中,人们都需要对环境中的温度进行控制。
在石油工业中,加热炉尤为重要,加热炉应用非常明显。
而对加热炉进行温度控制在整个工艺生产中的重要性尤为突出。
加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。
由于这类对象使用方便,可以通过调节输出功率来控制温度,进而得到较好的控制性能,故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。
1.2目前国内外发展状况
电热炉温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用,在农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。
电阻炉温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源,它的出现迄今已有两百余年的历史。
期间,从低级到高级,从简单到复杂,随着生产力的发展和对电阻炉温度控制精度要求的不断提高,电阻炉温度控制系统的控制技术得到迅速发展。
当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统,基于PLC的温度控制系统,基于工控机(IPC)的温度控制系统,集散型温度控制系统(DCS),现场总线控制系统(FCS)等。
21世纪是高度信息化时代,智能检测和控制已成为新的发展趋势,它不仅能完成较高层次信号的自动化检测,而且具有多种智能控制作用。
所以,单片机在检测和控制系统中得到广泛的应用,在本文中主要采用的控制芯片为MCS-51,此芯片功能强大,能够满足设计要求。
同时从系统的硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计,对硬件原理和程序框图做了简洁的描述。
通过对电路的设计,对芯片的外围扩展,来达到对电阻炉温度的控制和调节功能。
1.3本系统主要研究内容及要求
利用微机控制系统完成加热炉温度的检测、处理以及数字控制计算,根据数据结果或进行相应的处理或改变加热功率,达到控制温度的目的。
控制要求:
1.现场温度值可处理。
2.温度范围为400-1000C。
3.系统有必要的保护盒报警
4.温度值要有显示
5.误差范围±3C
第2章总体方案设计
2.1方案论证
随着单片机、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。
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小姨。
正因为如此,在我国单片机已被广泛的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。
本文以MCS-51系列单片机为核心,对电加热炉进行智能控制,控制器采用PID控制算法,但是对于那些结构复杂,参数时变或者根本褥不到数学模型的被控对象来说,PID控制优势还不如有经验作者手工控制效果好,而近年来得到广泛应用的PID控制技术在这方面提供了解题方法。
事实上,PID控制,是有误差和误差的变化来决定控制输出量。
PID控制结合了人的思维和经验,是一种用机器语言实现的同时有模拟人的思维进行判断推理来控制被控对象的智能方法。
它具有高度的非线性。
这样是目标系统达到非常好的控制效果,同时与其它控制方式进行比较具有过度过程短控制及时系统节能等优点。
因此控制效果比较一般的控制系要好得多。
2.2方案设计
本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。
系统硬件结构框图如下:
图2.2系统硬件结构框图
第3章系统硬件设计
3.1简述部分
3.1.1AT89C51简介
硬件的设计和实现3.1AT89C51系列基本组成及特性AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
图3.1AT89C51
管脚管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL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口作为低八位地址接收。
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地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能:
P3.0RXD(串行输入口) P3.1TXD(串行输出口) P3.2/INT0(外部中断0) P3.3/INT1(外部中断1) P3.4T0(记时器0外部输入) P3.5T1(记时器1外部输入) P3.6/WR(外部数据存储器写选通) P3.7/RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.1.2晶振电路
晶振电路晶振是为电路提供频率基准的元器件,通常分成有源晶振和无源晶振两个大类,无源晶振需要芯片内部有振荡器,并且晶振的信号电压根据起振电路而定,允许不同的电压,但无源晶振通常信号质量和精度较差,需要精确匹配外围电路(电感、电容、电阻等),如需更换晶振时要同时更换外围的电路。
有源晶振不需要芯片的内部振荡器,可以提供高精度的频率基准,信号质量也较无源晶振要好。
如下图18口接单片机的XTAL2口,19口接单片机的XTAL1口。
图3.1.2晶振电路
3.1.3复位电路
复位电路当AT89C51的RST引脚加高电平复位信号时,单片机内部就执行复位操纵。
复位信号变低电平时,单片机开始执行程序。
本设计选用上电与按键均有效的复位,电路如下图3.1.3
图3.1.3复位电路
上图输出接单片机的RST引脚。
上电瞬间RST获得高电平,随着电容C1的充电,RST引脚的高电平讲逐渐下降。
RST引脚的高电平只要能保持足够的时间,单片机就可以进入复位操作。
3.2温度检测及变送电路
温度检测电路是本次设计的主要内容,是整个单片机温度控制系统设计中不角儿缺少的一部分。
本系统要求对加热炉内温度进行实时采集与检测,在充分保证安全的情况下对代加工器件进行热处理。
根据要求,本系统的温度检查电路主要有传感器、运算放大器及A/D转换器组成。
经固定周期对加热炉内温度进行检测,实现加热功能,并是系统安全稳定。
1.温度传感器的选择
由于本次设计的加热炉温度范围为400--1000℃,加热温度高,而本系统对加热炉温度控制精度的要求为±3℃,为满足设计要求选用K型热电偶温度传感器,其具体参数如下:
名称:
镍鉻—镍硅型号:
WRN分度号:
B测温范围:
0--1300℃允许偏差±3%℃偶丝直径1.2--2.5mm
此热电偶温度传感器是工业最常用温度检测元件之一。
其优点是:
(1)检测精度高。
因温度传感器热电偶直接与被检查对象接触,不受中间介质的影响。
(2)测量范围广。
此热电偶温度传感器从400℃~1000℃均可测量。
(3)构造简单,使用方便。
此热电偶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。
此K型热电偶温度传感器的测温基本原理是:
将两种不同的材料的导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。
热电偶温度传感器就是利用这一效应来工作的。
由于热电偶温度传感器的材料一般都比较贵重,而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到仪表端子上。
必须指出,热电偶温度传感器补偿导线的作用只起延伸热电极,是温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。
因此,还需要用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用热电偶温度传感器补偿导线时必须注意型号相配。
极性不能接错。
补偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100℃。
2.温度窗器信号转换设备的选择
由于温度传感器测量的温度信号为模拟信号,且测量信号比较微弱,因此必须要对此温度信号进行处理。
处理过程为:
首先要把温度信号经运算放大器进行放大,然后用A/D转换器八方的后的模拟信号转换为数字信号输入单片机。
因此要进行温度的检测,温度传感器信号转换设备必不可少。
3.热电偶传感器及其原理
热电偶温度检测原理图如下:
图3.2温度检测原理图
4.热电偶作为温度信号检测传感器,经过温度补偿,再经过桥式电路抑制工模干扰。
最后经过两级放大器,将热电偶输出的毫伏信号放大为可输入A\D转换的模拟量信号。
3.3A/D模数转换电路
ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。
它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。
它允许8路模拟量分时输入,转换后的数字量输出是三态的(总线型输出),可以直接与单片机数据总线连接。
ADC0809采用+5V电源供电,外接工作时钟。
当典型工作时钟为500KHz时,转换时间约为128us.
1.时钟信号:
由于ADC0809无片选端,因此电路增加了或非门74LS02,以便对ADC0809进行读/写控制。
单片机采用6MHz/s的晶振,ALE输出66MHz/s时钟信号,经74LS74触发器2分频,得到500KHz的时钟信号,与ADC0809的时钟端CLK相连。
2.通道选择:
三位通道选择端ADDA、ADDB、ADDC与数据线P1口的低三位P2.0、P2.1、P2.2相连,用数据线进行通道选择,由P2.0、P2.1、P2.2三位决定选择那一通道。
3.ADC0809启动:
ADC0809的启动端START、地址所存端ALE均为高电平有效。
将START和ALE连在一起,与74LS02的输出端相连。
或非门74LS02的两个输入端/WR和P2.3均为低电平时,其输出为高电平,执行外部I/O口的写操作。
4.转换数据的读取:
当转换结束时,EOC端输出高电平。
可用查询和中断的方法进行数据读取处理。
输出允许OE端为高电平,8位转换数据D0~D7输出到数据线上。
只有P2.3和/RD同时为低电平时,OE端才为高电平。
执行外部I/O口读操作/RD为低电平。
5.转换结束标志EOC:
转换结束标志EOC端经反向器与单片机的/INT1相连,即转换一旦结束,外部中断1则申请中断。
图3.3A/D模数转换电路
3.4控制电路
本系统的另一个重要环节为温度的控制,通过选择合理的加热原件,温度控制原件及其它辅助原件,对加热炉的温度进行控制,从而实现加热炉的加热功能。
1加热原件的选择
本次设计的加热炉为电阻炉,因此采用高性能的加热电阻作为加热原件。
根据加热炉的加热范围(400°C——1000°C)及加热最高温度(1023.75°C),本系统选用的加热电阻为:
铁鉻铝高点组电热合金。
其具体参数如下:
型号:
GB/T1234-1995材料:
25AL5常温电阻:
1.42
功率:
300——180000W最高耐温1400规格1mm
铁鉻铝高电阻电热合金具有电阻率高、电阻温度系数小、使用温度高的特点。
在高温下耐腐蚀性好,且价格低廉,是工业电炉理想的发热材料。
2固态继电器
固态继电器(SolidStateRelay,缩写SSR),是由微电子电路,分立电子器件,电力电子功率器件组成的无触点开关。
用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。
固态继电器的输入端用微小的控制信号,达到直接驱动大电流负载。
固态继电器由三部分组成:
输入电路,隔离(耦合)和输出电路。
(1)输入电路
按输入电压的不同类别,输入电路可分为直流输入电路,交流输入电路和交直流输入电路三种
(2)隔离(耦合)
固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种
(3)输出电路
SSR的功率开关直接接入电源与负载端,实现对负载电源的通断切换。
主要使用有大功率晶体三极管(开关管-Transistor),单向可控硅(Thyristor或SCR),双向可控硅(Triac),功率场效应管(MOSFET),绝缘栅型双极晶体管(IGBT)。
图3.4温度控制电路
单片机P3.0口线输出驱动信号,经反相器后输入固态继电器。
单片机输出为高电平时,固态继电器的主触点打开,电源为热阻丝供电,开始加热。
当单片机P3.0口线输出为高电平时,固态继电器主触点断开,系统加热停止。
3.5键盘显示电路
3.5.1键盘电路
键盘是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备,键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。
本系统采用的是只管,简单的独立式非编码按键。
独立式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。
每个独立式按键单独占有一根I/O口线,每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。
通常的按键都是低电平有效。
独立式按键电路配置灵活,软件结构简单,但每个按键必须占用一根I/O口线,在按键数量较多时,I/O口线浪费较大,故在按键数量不多时常采用这种按键电路,由于我所做的设计按键数量少,因此可以选用此按键结构。
具体键盘电路图如下图3.5.1
图3.51键盘电路
3.5.2LED显示电路
1.数码管的结构:
LED显示器(数码管)系发光器件的一种。
常用的LED发光器件有两类:
数码管和点阵。
数码管内部由七个条形发光二级管和一个小圆点发光二极管组成,根据各管的两岸组合成字符。
常见数码管有10根管脚。
管脚排列如下图所示。
其中COM为公共端,根据内部发光二极管的接线形式可分为共阴极和共阳极两种。
使用时,共阴极数码管公共端接地,共阳极数码管公共端接电源。
每段发光二极管需5—10mA的驱动电流才能正常发光,一般需要加限流电阻控制电流的大小。
2.静态现实:
静态现实就是单片机将所要显示的数据送出去后,数码管始终显示该数据不变,到下一次显示时,再传送一次新的显示数据。
静态显示的接口电路采用一个并行口接一个数码管,数码管的公共端按共阴极或共阳极分别接地或者接Vcc。
3.串行静态显示:
为了解决静态显示1/0口占用过多的问题,可采用串行接口扩展LED数码管的技术。
利用串入并处移位寄存器74LS164可以实现串行接口的扩展。
图3.5.2
3.6报警电路
在单片机控制系统中,一般的工作状态可以通过指示灯或者数码管显示来指示,以供操作员参考。
但对于某些紧急状态或者反常状态,为了使操作人员不致忽视,以便于及时采取措施,往往还需要有某种更能引人注意、提起警觉的报警信号。
本系统的报警电路包括闪光报警和鸣音报警两种方式。
实现声光报警的接口电路比较简单,如图3.6所示。
发生组件采用压电蜂鸣器,只需在其两条引线上加3V~24V的直流电压,蜂鸣震荡音响。
压电式蜂鸣器结构简单、好点小、而且适合于单片机系统。
本电路的设计中,要考虑与发光二极管串联的限流电阻大小的确定,阻值选择不当会影响二极管的寿命。
图3.6报警电路
第4章控制算法设计
为了进一步改进控制器的方法是通过检测误差的变化率来预报误差,并对误差的变化作出响应,于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器,组成比例、积分、微分(PID)调节器,其控制规律为:
(4-1)
式中
为微分常数,
越大微分作用越强。
PID控制的原理框图如图4-1所示。
图4-1模拟PID控制系统框图
常规的PID控制原理框图如上图所示。
该系统有模拟PID控制器和被控对象组成。
图中,
是给定值,
是系统的实际输出值,给定值和实际值输出值构成控制偏差
,其中
作为PID控制器的输入,
作为PID控制器的输出和被控对象的输入。
因为式(4-1)表示的是调节器的输入函数及输出函均为模拟量,所以计算机是无法对其进行运算的,必须将连续形式的微分方程化为离散形式的差分方程,取T为采样周期。
在采样时刻t=i·T(T为采样周期,i为正整数),PID调节规律可以通过数值公式近似计算。
(4-2)
如果采样周期取得足够小,这种逼近可相当准确,被控过程与连续过程十分接近。
当执行机构需要的不是控制量的绝对数值,而是其增量(例如去风扇的电机)时,可导出增量式的PID算法,由(4-2)可得:
(4-3)
由(4-2)与式(4-3)相减可以导出下面的公式:
(4-4)
室温温度控制是这样一个反馈调节过程:
比较实际室温和需要室温得到偏差,通过对偏差的处理得到控制信号,再去调节相应的输出设备的功率,从而实现对室温温度加热与制冷的控制。
该控制系统采用过程控制中应用最广泛的PID控制形式,PID算法用差分方程近似为:
(4-5)
式(4-5)也可以进一步写为:
(4-6)
其中
,
,
利用典型二阶的方法确定
、
、
参数
二阶系统闭环传递函数一般形式为
(4-7)
将s换成jω得:
(4-8)
它的模为:
(4-9)
根据控制理论可知,要使二阶系统获得理想动态品质,应满足以下条件:
;
(4-10)
可得
(4-11)
将(4-11)代入(4-7)可得
(4-12)
φ
(s)为该系统的开环传递函数根据
(4-13)
可算出
(4-14)
而被控对象属于一阶对象和带纯滞后,其数学模型可近似写成:
(4-15)
在温度控制系统中,满足
≥τ,所以式(4-15)是一个两时间常数相差
较大的二阶环节。
,
由式
可推出
所以
(4-16)
所以需用比例积分调节器来校正系统,比例积分调节器的传递函数为:
(4-17)
(4-16)与(4-17)两式对应相等推出
,
最后得到调节器形式
(4-18)
式中
代入式(4-6)
中得:
第5章系统软件设计
本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。
主程序的任务是对系统进行初始化,实现参数输入,并控制电加热炉的正常运行。
主程序主要由系统初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。
系统初始化包括设置栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、定时器的工作方式以及8255的初始化、MAX1232的初始化等。
数据采集及处理主要包括实时采集电加热炉的炉温信号,计算出实际炉温与理想值的差值以及温差的变化率,并对炉温信号进行滤波和限幅处理
图5.1系统流程图
。
系统主程序控制系统的软件主要包括:
采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。
其中控制算法采用数字PID调节,应用增量型控制算法,并对积分项和微分项进行改进,以达到更好的控制效果。
考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统,所以本文采用一种新型。
的智能控制算法。
它充分吸取数学和自动控制理论成果,与定性知识相结合,做到取长补短,在实时控制中取得较好的成果
第六章总结
在本设计系统中,用AT89C51单片机作为主控机,通过外部程序扩展电路来实现大容量的软件程序的输入承载量,通过数据采集通道来实现对炉内各处温度的检测,在键盘及显示电路一体化的情况下来实现对数据的输入及对采集到的数据进行显示。
在CPU中把数据进行进一步处理后一方面送去显示,并判断是否需要报警;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。
本文一方面结合实际应用经验,力求做到较为系统和全面的介绍系统设计与实施技术;另一方面尽可能反应出温控系统的发展趋势,以及其先进性和实用性。
本系统在硬件设计的基础上,在软件编程上选择查询方式,再进行相关的软件设计和开发,通过所需的多机通信接口与总机的连接可实现实时监控,不漏报的技术要求。
,虽然目前的工业炉温度控制技术已经很先进,但为了适应科学技术的不断进步,对炉温的控制技术还需进一步的提高。
致谢
在老师的指导下,我在两个多星期的时间里,将电加热炉温度控制系统的设计完成。
经过这两个多星期的设计,我把以前所学的课本理论知识与实践相结合,把理
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 加热炉 设计 应用 课程设计