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单片机温度控制单片机温度控制.doc
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单片机温度控制单片机温度控制
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目 录
1 项目概况 ........................................................................1
2 单片机在电热炉温度控制中的应用 ...............................................1
2.1 单片机的分类及发展 ....................................................................................................................1
2.2 单片机的应用 ................................................................................................................................1
3 电热炉温度控制系统的方案及其实现 .............................................2
3.1 温度控制系统的结构方案 ............................................................................................................2
3.2 嵌入式微处理器控制系统的实现 ................................................................................................2
4 电热炉温度控制系统的硬件与软件结构 ...........................................4
4.1 系统硬件结构 ................................................................................................................................4
4.2 系统软件结构 ................................................................................................................................7
5 系统设计 .........................................................................9
5.1 温度检测元件及变送器、A/D 转换芯片的选择 .........................................................................9
5.2 接口芯片的扩展 ............................................................................................................................9
5.3 温度控制电路 ..............................................................................................................................10
5.4 程序设计 ......................................................................................................................................11
致 谢 .............................................................................16
参考文献..........................................................................17
附录 ..............................................................................18
附录 1...................................................................................................................................................18
附录 2...................................................................................................................................................19
塔里木大学毕业设计
1
1 项目概况
温度是上业对象中主要的被控参数之一,如冶金、机械、食品、化工各类工业中广泛使用的各
种加热炉、热处理炉、反应炉等,对工件的处理温度要求严格控制。在耐火材料科学试验中,需要
使用电加热设备,如用于耐火材料试验的加热炉等。这些被控对象都可以归于具有纯滞后的一阶大
惯性环节.以往多采用常规仪表加接触器的断续控制。随着科学技术的发展,上述设备对温度控制
要求越来越高,除要求有较高的控温精度外,还要求能对温度的上升速度及下降速度进行控制,显
然应用常规仪表方法难以满足这些要求。然而,随着微电子技术的发展,特别是单片微型计算机的
出现,对上述被控对象采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置进行控制已成为现实。
电热炉温度控制,经常采用模拟或数字调节仪表进行调节,但存在着某些固有的缺点。而采用单片
机进行炉温控制,可大大地提高控制质量和自动化水平,具有良好的经济效益。
2 单片机在电热炉温度控制中的应用
2.1 单片机的分类及发展
单片机的发展历史并不长,它的产生与计算机的产生和发展大体上同步,也经历了四个阶段。
第一阶段(1970 年—1974 年):为 4 位单片机阶段。这种单片机的特点是:价格便宜,控制功
能强,片内含有多种 I/O 接口,有的根据不同用途还配有许多专用接口,有些甚至还包括 A/D 转换、
D/A 转换、声音合成等电路。丰富的 I/O 功能大大增强了 4 位单片机的控制能力,从而使外部设备
接口电路极为简单。4 位单片机主要应用于录音机、摄像机、电视机、电冰箱、洗衣机、录像机和
电子玩具等产品中。
第二阶段(1974 年—1978 年):为低中档 8 位单片机阶段。它是 8 位单片机的早期产品,以
Intel 公司的 MCS-48 系列单片机为代表,这个系列的单片机在片内集成了 8 位 CPU、并行 I/O 口、
8 位定时/计数器、RAM 和 ROM 等,无串行接口,中断处理比较简单,片内 RAM 和 ROM 容量较小,且
寻址范围不大于 4KB。
第三阶段(1978 年—1983 年):为高档 8 位单片机阶段。这种单片机是在低、中档基础上发展
起来的,其性能有明显的提高。以 Intel 公司的 MCS-51 系列单片机为代表,在片内增加了串行接
口,有多级中断处理系统,16 位定时/计数器,片内 RAM、ROM 容量增大,寻址范围可达 64KB,有
的片内 A/D 转换接口。这类单片机功能强,应用范围广,是目前各类单片机应用最多的一种。
第四阶段(1983 年—现在):为 8 位单片机巩固发展及 16 位单片机、32 位单片机推出阶段。
此阶段主要特征是:一方面不断完善高档 8 位单片机,改善其结构,以满足不同用户的需要;另一
方面发展 16 位单片机、32 位单片机及专用型单片机。16 位单片机除了 CPU 为 16 位外,片内 RAM
为 232B,ROM 为 8KB,片内带有高速输入输出部件,多通道 10 位 A/D 转换部件,中断处理为 8 级,
其实时处理能力更强。近年来,各个计算机生产厂家已进入更高性能的 32 位单片机研制、生产阶
段,32 位单片机除了具有更高的集成度外,主振频率已达 20MHz,这使 32 位单片机的数据处理速
度比 16 位单片机快很多,性能比 8 位、16 位单片机更加优越。
2.2 单片机的应用
单片机的种类繁多,有 4 位、8 位、16 位、32 位通用型单片机以及衍生出的五花八门的系列
及型号,但单片机使用量最大的是 8 位单片机,应用范围最广泛的也是 8 位单片机。
单片机的应用,打破了人们的传统设计思想,原来很多用模拟电路、脉冲数字电路和逻辑部件
来实现的功能,现在均可以使用单片机,通过软件来完成。使用单片机具有体积小、可靠性高、性
能价格比高和容易产品化的优点。
单片机的应用领域有以下几个方面:
①智能化仪器仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表,使仪器仪表数字化、智能化、多功
能化和微型化,并使长期以来测量仪表中的误差修正和线形处理等难题迎刃而解。由单片机构成的
智能仪表,集测量、处理控制功能于一身,从而赋予测量仪表以崭新的面貌,是仪器更新换代的标
志。
②机电一体化产品。机电一体化是机械工业发展的方向,机电一体化产品是指集机械技术、微
电子技术和计算机技术于一体,具有智能化特征的机电产品。单片机的出现促进了机电一体化的发
展,它作为机电产品中的控制器,使传统的机械产品简单化、控制智能化,构成了新一代的机电一
体化产品。例如,在电传打字机中,由于采用了单片机而取代了近千个机械部件。
③测控系统。用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应控制系统和数据采集系统等。例如,
温度、湿度的自动控制、电镀生产线的自动控制、包装生产线的自动控制、临床医学等。计算机网
络及通信技术。高档单片机集成有通信接口,为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良
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好的条件。例如,用 MCS-51 系列单片机控制的串行自动呼叫应答系统、列车无线遥控系统等。
④家用电器。由于单片机价格低廉、体积小、逻辑判断和控制功能强,且内部具有定时/计数
器,所以广泛应用于家电设备。例如:洗衣机、电冰箱、微波炉、高级智能玩具、电子门铃和家用
防盗报警器等,配上单片机后,提高了自动化程度,增加了功能,备受人们的喜爱。总之,单片机
将使人类的生活更加方便舒适、丰富多彩。
单片机的技术的发展反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面,
较为典型地说明了数字单片机的水平。在目前,用户对单片机的需要越来越多,要求也越来越高。
单片机定时对炉温进行检测,经 A/D 转换得到相应的数字量,再送到微机进行判断和运算,得
到应有的控制量,去控制加热功率,从而实现对温度的控制。
具体包括:
(1)炉温变化规律控制,即炉温按预定的温度一时间关系变化,这主要在控制程序中考虑。
(2)温度控制范围,如 400℃~1000 ℃,这就涉及到测温元件、电炉功率等的选择。
(3)控制精度、超调量等指标,这涉及到 A/D 转换精度、控制规律的选择等。
3 电热炉温度控制系统的方案及其实现
3.1 温度控制系统的结构方案
温度控制系统的结构方案如图 3-1 所示
图 3-1 炉温控制系统
测温元件采用西安光圣能传感系统有限公司生产的光学新型红外测温仪,型号为 AL-501T 型;
智能控制中心采用嵌入式微处理器恒功率可控硅中频电源控制板,执行机构采用可控硅中频电源。
3.2 嵌入式微处理器控制系统的实现
3.2.1 相关介绍
嵌入式微处理器既恒功率可控硅中频电源控制板是新型的可控硅中频电源控制板。主要由电源、
调节器、移相控制、保护电路、相序自适应电路、启动演算电路、逆变频率跟踪、逆变脉冲形成、
脉冲放大及脉冲变压器组成。其核心部件均实现数字化,整流触发器部分不需要任何调整,而且可
靠性高、脉冲对称度高、抗干扰能力强、反应速度快等特点,又由于有相序自适应电路,无需同步
变压器,所以现场调试中免去了调相序、对同步的工作,仅需把 KGPS 可控硅的门极线接入控制板
相应的接线端上,整流部分便能投入运行。
逆变采用扫频式零压软启动方式,启动性能优于普通的零压软启动电路。并设有自动重复启动
电路,可防止中频电源偶尔的启动失败,使启动成功率达到 1000 频率跟踪电路采用的是平均值取
样方案,提高了逆变的抗干扰能力,而且仅需取样中频电压信号,而无需槽路电容器的电流信号,
免去了外接中频电流互感器、确定取样电流相位的烦恼。因此,在调试和使用现场中,也不会由于
中频输出线或取样电流互感器的相位接反,而产生中频电源不能启动的问题。
逆变电路中还加有逆变角调节电路,可以自动调节负载阻抗的匹配,达到恒功率输出,可以制
成“快速熔炼”的中频电源,达到节时、节电、提高网侧功率因数的目的(此功能也可被关掉)。逆
变部分的主要电路均在嵌入式微处理器的控制电路中,亦是数字电路。
此嵌入式微处理器控制板仅有 7 只集成电路、6 只晶体管、6 只微调电位器、32 个引出端子,
安装十分方便。适用于各种晶闸管并联谐振中频电源。
此嵌入式微处理器控制板在设计中采用了有效措施,使得调试极为方便,大多数参数的设定都
由电路内部自动设定,需要用户调整的只有 6 只电位器的参数设定,所以具有极强的通用性和互换
性。
测温元件
红外测温仪
执行机构
KGP S
中频电源
模糊控制
A/D转换器
智能控制系统
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3.2.2 单片机典型应用系统
单片机典型应用系统是指单片机要完成工业测控功能所必须具备的硬件结构。单片机典型应用
系统应该包含有用于测控目的的前向通道,用于控制的后向通道和人机对话手段。主要包括单片机
典型应用系统和外部扩展电路等。如图 3-2 所示。
图 3-2 单片机典型应用系统控制板原理
3.2.3 整流触发工作原理
这部分电路包括三相同步、数字触发、末级驱动等电路。触发部分采用的是数字触发、具有可
靠性高、精度高、调试容易等特点。数字触发器的特点是用计数(时针脉冲)的办法来实现移相,该
数字触发器的时钟脉冲振荡器是一种电压控制振荡器。输出脉冲频率受 a 移相控制电压 V 的控制,
V 降低,则振荡频率升高,而计数器的计数量是固定的(256),计数器脉冲频率升高,意味着计一
定脉冲数所需时间短,即延长时间短,a 角小;反之 a 角大。计数器开始计数的时刻同样受同步信
号控制,在 a=0。时开始计数。
现假设在某 VK 值时期,根据压控振荡器的控制电压与频率间的关系确定输出振荡频率为
25KHZ,则在计数到 256 个脉搏冲所需时间为(1/25000) × 256=10. 2 (ms),相当于是 180 电角度。
该触发器的计数清零脉冲在同步电压(线电压)的 30 处,这相当于三相全控桥式整流电路的 30 度位
置。从清零脉冲起,延时 10.2ms 产生的输出触发脉冲,也接近于三相桥式整流电路某一相晶闸管 a
=150 位置,如果需要得到准确的 a =150。触发脉冲,可以略微调节一下电位器 W4,显然,有三套
相同的触发电路,而压控振荡器和 UK 控制电压为公用,这样一个周期中产生 6 个相位差为 60 度的
触发脉冲。
数字触发器的优点是工作稳定,特别是用 HTL 或 CMOS 数字集成电路,则可以有很强的抗干扰
能力。
IC16A 及其周围电路构成电压一频率转换器,其输出信号的周期随调节器的输出电压 Vk 而线
性变化,这里 W4 微调电位器是最低输出频率调节(相当于模拟电路锯齿波幅值调节)。
三相同步信号直接由晶闸管的门极引线 K4, K6, K2 从主回路的三相进线上取得,由 R23, C1,
R63, C40, R102, C63 进行滤波和移相,再经 6 只光电藕合器进行电位隔离,获得 6 个相位,互差
60,占空比略小于 50%的矩形波同步信号(如 IC2C, IC2D)的输出。
IC3, ICB, IC12 构成三路数字延时器,三相同步信号对计数器进行复位后,对电压一频率转换
器的输出脉冲每计数 256 个脉冲便输出一个延时脉冲,因计数脉冲的频率是受 Vk 控制的,换句话
说,Vk 控制了延时脉冲。
计数器输出的脉冲经隔离、微分后变成窄脉冲,送到后级的 LM556,它既有同步分频器功能,
亦有定输出频宽的功能。输出的窄脉冲经电阻合成为双窄脉冲,再经晶体管放大,驱动脉冲变压器
输出。
3.2.4 调节器工作原理
调节器部分共设有四个调节器:中频电压调节器、电流调节器、阻抗调节器、逆变角调节器。
数字量
模拟量
开关量
开关量
伺服驱
检 测
检 测
控 制
检 测
动机构
A/D
D/A
光电隔离
光电隔离
光电隔离
单
片
机
I/O
I/O
扩
展
键盘
显示器
I/O
RAM
EPROM
通
用
外
设
数 据
存储器
存储器
程 序
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