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摘要：自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其普遍的运用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速成长，经由过程单片机对被控对象进行控制日益成为从此自动控制领域的一个重要成长标的目的。
关头词：电炉温度控制系统设计
1、前言 自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其普遍的运用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速成长，经由过程单片机对被控对象进行控制日益成为从此自动控制领域的一个重要成长标的目的。本设计要求用单片机设计一个电炉温度控制系统。 2、电炉温度控制系统的特征 温控系统主要由温度传感器、温度调理仪、执行装配、被控对象四个部门组成，其系统结构图如图1所示。被控制对象是年夜容量、年夜惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特征，在工程上往往近似为包括有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量年夜，凡是采用可控硅作调理器的执行器，其具体的电路图如图2所示。 执行器的特征：电炉的温度调理是经由过程调理剂(供电能源)的断续作用，改变电炉丝闭应时间Tb与断开时间Tk的比值α,α=Tb/Tk。 调理加热炉的温度，在工业上是经由过程在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调理负载两头交流平均电压即负载功率，这就是凡是所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上获得的是完整的正弦波，调理的只是设定周期Tc内导通的电压周波。如图3所示，设周期Tc内导通的周期的波数为n，每一个周波的周期为T，则调功器的输出功率为P=n×T×Pn/Tc，Pn为设定周期Tc内电压全经由过程时装配的输出功率。 3、电炉的电加热原理 当电流在导体中流过时，由于任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成消耗，转换为热能，按焦耳楞次定律： Q＝0．2412RtQ—热能，卡； I一电流，安9 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，全数转换为热能时Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。 在电热技术上按l千瓦小时＝860千卡计较。电炉在结构上是使电能转换为热能的装备，它能有用地 用来加热指定的工件，并连结高的效率。 4、电炉加热方式的分类 电阻炉按热量发生的方式分歧，可分为间接加热式和直接加热式二年夜类。间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发烧元件。电畅通流畅过加热元件时发生热量，再经由过程热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强 年夜的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发烧到达加热效果。工业电阻炉，年夜部门是采用间接加热式的，只有一部门因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。 5、电炉控制系统的硬件部门 温度调理仪是控温系统的焦点部门，采用单片机控制，实现智能化，它主要由输进通道、输出通道、人机对话通道和一些外围电路组成，原理框图如图4所示。具体是由8031单片机、16K电擦写法式存贮器、键盘及显示器接口电路和并形I/O芯片8255等组成。它把传感器送来的温度旌旗灯号进行放年夜、比力、运算后，输出控制旌旗灯号，触发执行装配，实现温度的自动控制，同时还实现多种温度传感器的转换、调零、调幅的软调整等功能。为了提高系统的抗干扰能力，温度传感器旌旗灯号应采用屏障线零丁接地，此外，对主机亦采用电磁屏障措施，以避免其它的电磁干扰。 （1）8031芯片：MCS-51系列单片机是美国Intel公司开发的8位单片机，又可以分为多个子系列。MCS-51系列单片机共有40条引脚，包括32条I/O接口引脚、4条控制引脚、2条电源引脚、2条时钟引脚。引脚说明：P0.0～P0.7：P0口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为存储器扩大时的地址/数据复用口P1.0～P1.7：P1口8位口线，通用I/O接口无第二功能。P2.0～P2.7：P2口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为存储器扩大时传送高8位地址。P3.0～P3.7：P3口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为为单片机的控制旌旗灯号。ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲输进旌旗灯号线（输出旌旗灯号）PSEN：片外法式存储器开发旌旗灯号引脚（输出旌旗灯号）>。EA/Vpp：片外法式存储器使用旌旗灯号引脚/编程电源输进引脚。RST/VPD：复位/备用电源引脚。 （2）8255A芯片是Intel公司生产的可编程输进输出接口芯片,它具有3个8位的并行I/O口,具有三种工作方式,可经由过程法式改变其功能,因而使用灵活,通用性强,可作为单片机与多种外围装备毗连时的中心接口电路。8255有三种基本工作方式，三种工作方式由工作方式控制字决议,方式控制字由CPU经由过程输进/输出指令来提供.三个端口中PC口被分为两个部门,上半部门随PA口称为A组,下半部门随PB口称为B组.其中PA口可工作与方式0、1和2，而PB口只能工作在方式0和1。8255共有40个引脚,采用双列直插式封装,各引脚功能以下：D0--D7：三态双向数据线,与单片机数据总线毗连,用来传送数据信息。CS：片选旌旗灯号线，低电平有用，暗示芯片被选中。RD：读出旌旗灯号线，低电平有用，控制数据的读出。WR：写进旌旗灯号线，低电平有用，控制数据的写进。Vcc： 5V电源。A0--PA7：A口输进/输出线。PB0--PB7：B口输进/输出线。PC0--PC7：C口输进/输出线。RESET：复位旌旗灯号线。A1、A0：地址线，用来选择8255内部端口。GND：地线。 （3）74LS373芯片 74LS373是带有三态门的八D锁存器，当使能旌旗灯号线OE为低电日常平凡，三态门处于导通状态，允许1Q-8Q输出到OUT1-OUT8，当OE端为高电日常平凡，输出三态门断开，输出线OUT1-OUT8处于浮空状态。G称为数据打进线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能旌旗灯号OE为低电平，这时候，当G端输进端为高电日常平凡，锁存器输出（1Q-8Q）状态和输进端（1D-8D）状态不异；当G端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输进端（1D-8D）的数据锁进1Q-8Q的八位锁存器中。当用74LS373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制旌旗灯号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。 引脚说明以下：D0～D7：锁存器8位数据输进线Q0～Q7：锁存器8位数据输出线GND：接地引脚Vcc：电源引脚，＋5V有用OE：片选旌旗灯号引脚G：锁存控制旌旗灯号输进引脚。 （4）6116芯片 6116是2K*8位静态随机存储器芯片,采用CMOS工艺制造,单一 5V供电,额定功耗160mW,典型存取时间200ns,24线双列直插式封装，其引脚功能说明以下：A0～A10：地址输进线O0～O7：双向三态数据线，有时用D0～D7暗示：片选旌旗灯号输进端，低电平有用：读选通讯号输进线，低电平有用 ：写选通讯号输进线，低电平有用 Vcc：工作电源输进引脚，＋5VGND：线路地 （5）2746芯片 2764是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一 5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最年夜为250nS，28脚双列直插式封装。各引脚的寄义为：A0～A12：13根地址线，可寻址8K字节； ：片选线；O0-O7：数据输出线；：为数据输出选通线；PGM：编程脉冲输进端；Vpp：编程电源；Vcc：主电源，通常是＋5V。GND：接地引脚 （6）ADC0809转换器 ADC0809是一种比力典型的8位8通道逐次迫近式A/D转换器，CMOS工艺，可实现8路模拟旌旗灯号的分时收集，片内有8路模拟选通开关，和响应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右，采用双排28引脚封装，其引脚说明以下：IN0～IN7：8路模拟量输进通；ADDA～ADDC：地址线用于选择模拟量输进通道；ALE：地址锁存允许旌旗灯号；START：转换启动旌旗灯号；D0～D7：数据输出线；OE：输出允许旌旗灯号，低电平允许转换成效输出；CLOCK：时钟旌旗灯号输进引脚，凡是使用500KHz；EOC：转换竣事旌旗灯号，为0代表正在转换，1代表转换竣事；Vcc：＋5V电压；VREF（＋）、VREF（－）：参考电压。 （7）温度检测元件及变送器、ADC的选择 温度检测元件及变送器的选摘要斟酌温度控制范围及精度要求。对于0~1000℃的丈量范围，采用热电偶，如镍铬热电偶，分度号为EU，其输出旌旗灯号为0~41.32mV，经毫伏变送器，输出0~10mA，然后再经过电流——电压变换电路转换为0~5V电压旌旗灯号。为了提高丈量精度，可将变送器进行零点迁移，例如温度丈量范围改成400~1000℃，热电偶给出16.4~41.32mV时，使变送器输出0~10mV，这样使用8位A/D转换器，能使量化误差到达±2.34℃。 （8）接口芯片的扩大 由于本系统既要显示、报警、键盘输进，又要进行控制，所以系统在8031系统中扩大了一片8155，它有三个8位I/O口，256字节的RAM，可以作为外部数据存储器供系统使用，8031的P2.1接8155的CE，P2.0接8155的IO/M，当P2.1＝0，P2.0＝1时，选中8155片内的三个I/O端口，其口地址以下：0100H〖〗饬令状态寄存器0101H〖A〗口0102H〖B〗口0103H〖C〗口或控制口寄存器0104H，计数值低八位0105H，计数值高八位和方式寄存器。当P2.2＝0时，选中ADC0809（允许启动各通道转换与读取响应的转换成效）。转换竣事旌旗灯号EOC经倒相后接至单片机的外部中断INT1（P3.3），当P3.3＝0时，说明转换竣事。我们选用0通道作为输进，把0809视为一个地址为03F8H的外部数据存储单元，对其写数据时，8031的WR旌旗灯号使ALE和START有用，将74LS373锁存的地址低三位存进0809，并启动ADC0809，D9EOC为低电日常平凡，A/D转换正在进行，当EOC为高电日常平凡，暗示转换竣事，8031可以读如转换好的数据。 （9）温度控制电路 温度控制电路采用晶闸管调功方式。双向晶闸管串在50Hz交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期里改变晶闸管开关的接通时间的脉冲旌旗灯号即可。这可以用一条I/O线，经由过程法式输出控制脉冲。为了到达过零触发的目的，需要交流电过零检测电路。此电路输出对应于50Hz交流电压过零时刻的脉冲，作为触发双向晶闸管的同步脉冲，使晶闸管，在交流电压过零时刻导通。电压比力器LM311将50HZ正弦交流电压酿成方波。方波上升沿和下降沿划分作为单稳态触发器的触发旌旗灯号，单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门夹杂，就获得对应于220V市电过零时刻的同步脉冲。此脉冲一路作为触发同步脉冲加到温控电路，一路作为计数脉冲加到单片机8031的P3.4和P3.5输进端。 6、电炉控制系统的软件部门 系统软件采用中断方式编程，主要部门是时钟中断法式，主要由输进处置法式、控制算法法式、显示处置、输出处置和自诊断法式等组成，其流程图如图5所示。仪表通电启动后，初始化法式进行时间给定，每隔500ms时钟中断一次，中断落后进时钟中断处置。对于纯滞后，年夜惯性环节控制对象，一般采用积分分手PID控制算法。在一般的PID控制中，当系统有较年夜的扰动或设定值较年夜幅度提降时，由于误差较年夜及系统存在惯性和滞后，在积分项的作用下，会发生较年夜的超和谐长时间波动，在温度缓慢变化进程中这一现象尤其严重，为此采用积分分手措施，即在误差较年夜时，取消积分作用，误差较小时，才将积分作用投进。积分分手PID控制算法以下： 7、炉温自动控制原理 凭据炉温对给定温度的误差，自动接通或断开供给炉子的热源能量，或接连改变热源能量的年夜小，使炉温稳定有给定温度范围，以知足热处置工艺的需要。温度自动控制经常使用调理纪律有二位式、三位式、比例、比例积分和比例积分微分等几种。电阻炉炉温控制是这样一个反馈调理进程，比力现实炉温文需要炉温获得误差，经由过程对误差的处置获得控制旌旗灯号，往调理电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。依照误差的比例、积分和微分发生控建造用（PID控制），是进程控制中运用最普遍的一种控制形式。 系统控制法式采用两重中断嵌套方式设计。首先使T0计数器发生按时中断，作为本系统的采样周期。在中断服务法式中启动A/D，读进采样数据，进行数字滤波、上下限报警处置，PID计较，然后输出控制脉冲旌旗灯号。脉冲宽度由T1计数器溢出中断决议。在期待T1中断时，将本次采样值转换成对应的温度值放进显示缓冲区，然后挪用显示子法式。从T1中断返回后，再从T0中断返回主法式而且、继续显示本次采样温度，期待下次T0中断。 1)二位式调理--它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开；当炉温高于给定值时执行器全闭。（执行器一般选用接触器） 2）三位式调理--它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时招待器全开；当炉温在上、下限给定值之间时执行器部门开启；当炉温跨越上限给定值时执行器全闭。（如管状加热器为加热元件时，可采用三位式调理实现加热与保温功率的分歧） 3）比例调理（P调理）--调理器的输出旌旗灯号（M）和误差输进（e）成比例。即：M=ke 式中：K-----比例系数 比例调理器的输进、输出量之间任什么时候刻都存在--对应的比例关系，是以炉温变化经比例调理到达平衡时，炉温不能加复到给定值时的误差--称“静差” 4）比例积分（PI）调理--为了“静差”，在比例调理中添加积分（I）调理积分，调理是指调理器的输出旌旗灯号与误差存在随时间的增加而增强，直到误差消除才无输出旌旗灯号，故能消除“静差”比例调理和积分调理的组合称为比例积分调理. 5)比例积分微分（PID）调理--比例积分调理会使调理进程增加，温度的波动幅值增年夜，为此再引进微分（D）调理。微分调理是指调理器的输出与误差对时间的微分成比例，微分调理器在温度有变化“苗头”时就有调理旌旗灯号输出，变化速度越快、输出旌旗灯号越强，故能加速调理速度，下降温度波动幅度，比例调理、积分调理和微分调理的组合称为比例积分微分调理。（一般采用晶闸管调理器为执行器）。 凭据生产现场的运行情况，这类控温方式，精度比力高，系统性能稳定，知足生产的现实需要。主要装备:热电偶或热电阻,智能PID温控仪,可控硅触发调功器等。 8、主要的技术特征： 电阻炉消耗电能转换来的热能．一部门由电炉修建材料及传热的各类身分而散失到空间往了，另外一部门则用于对炉内工件的加热，前面的一部门形成了电炉损失功率，后一部门形成了电炉有用功率。 当电炉起头升温时，炉内砌砖体年夜量地吸收热量，以提高自己温度，在停炉冷下来时又把这一部门热量散失到空间往；这一部门形成炉体蓄热损失。一台进步前辈的电炉应具有低的空炉损失及高的有用功率。较少蓄热相失。空炉损失的年夜小是衡量电炉效率黑白的重要指标，空炉损失小的电炉，可以获得高的技术生产率及低的单元电能消耗比。一般工业电阻炉的效率。小型电炉较低一些．年夜型电炉 较高一些，从10—100千瓦的箱式电炉效率约为65-85，空炉损失约占总功率的35--15％。电炉从室温升到工作温度的时间对电炉的经济指标是有较着影响的，升温时间短则炉子投进正常使用的时间就较长天天的生产率就较高，每千克工件的电耗量就下降，所以要尽量采用热惯性小的炉衬材料并下降炉体蓄热量来加速电炉的升温速度：炉体的蓄热量对周期作业炉影响很年夜，尤其是天天一班或二班生产的电炉。 对接连作业炉其影响就不较着。加热能力是一台电炉的主要技术指标，加热能力是指电炉的有用功率，从理论计较上在一个小时内能把指定的材料加热到额定温度的最年夜重量数，以千克／小时计较。 (5)电阻加热炉基本结构及型式 电阻炉是随着机械工业的成长而成长起来的，由于各类加热工艺及冶炼工艺上的需要，电阻炉是一个品种很多的产物。电阻炉炉体结构，分周期式及接连式二个型式来划分介绍。周期式作业炉。如箱式电炉，台车式电炉、井式电炉等箱式电炉，外壳通常为用型钢、钢板焊接而成的，小型电炉由于需连结工作面的一定高度，一般均做成带支架的，在箱型壳体下边，有支持炉体的腿或支架。中型电炉因自己重量年夜及加进炉内的工件重量也年夜，所以一般均直接在底盘上焊接炉体及砌砖。年夜型电炉可以在特定的专用的地基上设计成无钢性底盘的结构，而就地焊接砌砖，但这类电炉在安装后不能吊运及移动。 中小型电炉的炉门可用配重及手动装配来开闭，下部一般均有砂封槽，有些炉门上边也设有砂封槽，以保证优秀的密封性，炉门关闭时，用压紧装配使炉门慎密的与门框接触，削减漏气。年夜型电炉可以用电动或气动、液压开闭炉门，电加热元件一般可以在炉膛内左右侧墙上及底面上安插，为了获得优秀的热场，最好在护顶上也安插电加热元件，由于炉内工件一般堆放高度不会跨越宽度，所以以上下两个方面加热比左右两个方面加更为有用。年夜型及中型电炉可以在护门上及后墙上适当的安插一些电加热元件，以削减炉内的温差，为了保证炉门口的热损失能获得更好的平衡，可以在较年夜的箱型电炉上靠炉门口的炉膛长度1/3处作为一个控制区。 通庇护气体的炉子应设有保证平安运行的需要装配及优秀曲密封性。井式电炉一般均为园筒形炉膛，内径一般最小为600毫米，年夜小了，安装维修时不利便；炉壳用型钢作为骨架再焊上钢板，小型炉盖可用手念头构开闭，年夜型及中型的可用电动或液压等机构开闭，高度与直径好比在1一1.5的电炉工件一般放管在炉膛底部，高度与直径比在2以上时。工件年夜部用悬挂方式，吊于炉口内或炉上外部的专用吊架上，控制区的设置一般以直径的1—1．5倍为一个。在温度控制要求不高时．有时一个控制区长度到达直径的2倍。 可控气氛箱形多用炉。一般在结构上是分为前室及炉膛、冷却槽，前室由型钢及钢板焊成的密封空间下边与冷知槽相连，上边为设有水冷壁的空气冷却室。中心有经由过程工件的轨道及上下升降的料架，由顶上的气缸来操作(可电气动或液动)下降时工件进进冷却槽，进行快速冷却或等温淬火、上升时工件在上边气氛中缓冷。 炉膛在前室后边，中心有一个炉门离隔，进料出料时。炉门由上部气缸打开。炉膛由抗渗碳砌成。电加热器两种形式，一种是由高电阻合金板材制成；为了消除概况积炭形成短路，加热器面涂上专用的高温尽缘釉；另外一种为辐射管式的，水平或垂直的插进炉赌中，管中用年夜切面园形电阻线组成金属发烧器。炉内具有强通的风扇，炉子前面为一个推料装配，用以向炉内进出料，电炉附有气体发生器或直接向护内滴注有机液及碳势控制装备。 9、用途 工业电阻炉的主要用途是供机械工业对原材料、毛坯、机械另件加热用。如板材轧制前的坯料加热，锻件的加热。机械另件及半制品的热处置以改善其机械性能，如进杆淬火、回火、退火、正火、气体渗碳、氮化等。亦有用于烧结、钎焊，部份电阻炉用于低熔点金属的熔炼及陶瓷玻璃工业的加热。 10、参考文献 ［1］刘复华.8098单片机及其运用系统设计[M].清华年夜学出书社,1991. ［2］赵文忠,程启明.微机控制技术[M].北京:机械工业出书社,1993.
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