电炉温度控制系统设计
摘要
热处理是提高金属材料及其制品质量的重要技术手段。近年来随工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，加热时恒温过程的测量与控制成为了关键技术，促使人们更加积极地研制热加工工业过程的温度控制器。
此设计针对处理电阻炉炉温控制系统，设计了温度检测和恒温控制系统，实现了基本控制、数据采样、实时显示温度控制器运行状态。控制器采用 51 单片机作为处理器，该温度控制器具有自动检测、数据实时采集处理及控制结果显示等功能，控制的稳定性和精度上均能达到要求。满足了本次设计的技术要求。
关键词：电阻炉，温度测量与控制，单片机
目录
一、绪论.......................................................................................................................................- 1 -
1.1 选题背景...................................................................................................................- 1 -
1.2电阻炉国内发展动态...............................................................................................- 1 -
1.3设计主要内容...........................................................................................................- 2 -
二、温度测量系统的设计要求...................................................................................................- 3 -
2.1 设计任务.....................................................................................................................- 3 -
2.2 系统的技术参数.........................................................................................................- 3 -
2.3 操作功能设计.............................................................................................................- 4 -
三、系统硬件设计.......................................................................................................................- 5 -
3.1 CPU选型......................................................................................................................- 5 -
3.2 温度检测电路设计........................................................................................................- 5 -
3.2.1 温度传感器的选择.............................................................................................- 5 -
3.2.1.1热电偶的测温原理...............................................................................- 6 -
3.2.1.2 热电偶的温度补偿..............................................................................- 7 -
3.2.2 炉温数据采集电路的设计...............................................................................- 7 -
3.2.2.1 MAX6675芯片...................................................................................- 7 -
3.2.2.2 MAX6675的测温原理.......................................................................- 8 -
3.2.2.3 MAX6675 与单片机的连接.................................................................- 8 -
3.3 输入/输出接口设计 ....................................................................................................- 9 -
3.4 保温定时电路设计................................................................................................... - 10 -
3.4.1 DS1302 与单片机的连接 .............................................................................. - 11 -
3.5 温度控制电路设计..................................................................................................... - 11 -
系统硬件电路图................................................................................................................ - 13 -
四、系统软件设计.................................................................................................................... - 15 -
4.1 软件总体设计............................................................................................................. - 15 -
4.2 主程序设计................................................................................................................ - 15 -
4.3 温度检测及处理程序设计......................................................................................... - 16 -
4.4 按键检测程序设计..................................................................................................... - 18 -
4.5 显示程序设计............................................................................................................. - 20 -
4.6 输出程序设计............................................................................................................. - 21 -
4.7中值滤波..................................................................................................................... - 22 -
五、结论.................................................................................................................................... - 23 - 参考文献.................................................................................................................................... - 24 -
一、绪论
1.1选题背景
在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、流速、流量、压力和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在机械制造、电力工程、化工生产、造纸行业、冶金工业和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例，即使日常生活中的电热水器、空调、微波炉、电烤箱等家用电器也同样需要温度监控。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。
1.2电阻炉国内发展动态
电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械、冶金等行业的生产中占有十分重要的地位，温度控制质量的好坏将直接影响着热处理产品的产量和质量，对于提高生产率和节约能源也有举足轻重的意义。
我国对电阻炉的控制进行了广泛的研究始于上世纪 80 年代，随着微型计算机控制技术的发展，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
随着单片机、可编程控制器与工业控制机等先进控制系统的发展，逐步取代了以前大规模的继电器、模拟式控制仪表。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。
单片机具有体积小、重量轻、控制功能强、价格低与开发方便等优点。单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，现在可以用单片机通过软件的方法来实现。以前自动控制中的 PID 调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。
(2)采用新的控制方法
对传统的负反馈、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新的控制方法如：模糊控制、神经网络控制、才遗传算法控制、最优控制、自整定 PID 参数控制器、自适应控制和自校正控制器等。
1.3设计主要内容
设计分析了炉温的特性和单片机炉温控制系统的工作原理，完成了以AT89S5l单片机为控制器，控制系统包括温度数据采集电路、功率控制输出电路、键盘与显示接口电路和声光报警等电路的硬件电路设计，实现了温度数据采集、处理、显示、状态切换、定时保温、系统的故障自诊断和超限声光报警等功能。
二、温度测量系统的设计要求
电阻炉温度控制系统应具备温度测量、显示、过限报警等功能，并要求具有良好的稳定性、高控制精度，以满足热处理对温度的需求。系统设计时，首先确定系统的设计目标，确定温度控制器的规格与技术指标，这对于明确设计的目的性和控制功能的逻辑性有重要的意义。然后设计系统的相关的操作规范及运行参数，为硬件设计和软件设计确定具体的目标。
2.1 设计任务
针对原有电阻炉温度控制系统的功能缺陷及现有控制要求，确定本次设计的目标如下：
(1) 系统的测温范围在 0~1000℃，控温精度≤±2℃，显示精度 0.1℃；
(2) 控制面板能便捷输入控制参数，如 P、I、D 及保温时间；
(3) 用 7 段高亮数码管显示设定炉温（5 位数码管）、炉温实时温度（5 位数码管）、保温时间（3 位数码管）等系统信息；
(4) 用三个发光二极管以不同的颜色和发光状态来指示显系统的工作状态。
2.2 系统的技术参数
整个系统最终达到的技术指标是由系统中的各个环节共同作用后完成的。比如要提高温度检测的精度，只采用高精度的A/D转换器是不够的，还需要好的抗干扰措施、精确度高的传感器及软件线性化处理等。一般情况下，技术指标达到某个限度后，再想提高是不容易办到的，为此可能付出更多的经费与时间。设备规格是硬件投资的主要依据。如电源的规格、传感器类型、控制器类型等。根据需要确定所设计的温度控制系统的主要技术参数如表2-1所示：
表2-1系统主要技术参数
2.3 操作功能设计
为了便于操作，所设计的温度控制器的面板总计五个按键、三个工作状态指示灯、一个蜂鸣器和十三个高亮 7段 LED 数码管，用于完成参数的设置和信息的显示。
其中，五个按键分别为设置、加一、减一、左移、右移，用于设置温度以及保温时间。三个工作状态指示灯分别指示暂停状态、工作状态、超限报警。十三个高亮7段LED数码管中有五位显示设定温度、五位显示实际温度、三位显示保温时间。
三、系统硬件设计
电阻炉控制系统应具备温度测量、显示、参数输入等功能，并要求具有可靠性高、通用性强、控制精度佳等特点，以满足控制需求。基于上述性能要求，系统的硬件结构如图 3-1 所示，系统包括单片机、温度检测与处理电路、键盘与显示接口电路、声光报警电路以及计时电路等。
图3-1温度控制系统硬件结构图
3.1 CPU选型
温度控制系统选用 ATMEL89 系列单片机中的 AT89S51 作为微处理器。AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 型 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-systemprogrammable)Flash 存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
3.2 温度检测电路设计
温度检测电路是电阻炉温度控制系统的重要部分，其性能好坏直接决定了整个系统的性能，它承担着检测电阻炉温度并将温度数据传送到单片机的任务。
3.2.1 温度传感器的选择
热电偶在工程上使用最为广泛的温度传感器之一，它具有构造简单、精度高、热响应时间快、测温范围大（-200~+2000℃均可连续测温）以及性能可靠使用寿命长的优点，在温度测量中占有很重要的地位。
热电偶的种类很多，热电偶有 K 型（镍铬-镍硅）WRN 系列，N 型（镍铬硅-镍硅镁）WRM 系列，E 型（镍铬-铜镍）WRE 系列，J 型（铁-铜镍）WRF 系列，T 型（铜-铜镍）WRC 系列，S 型（铂铑 10-铂）WRP 系列，R 型（铂铑 13-铂）WRQ 系列，B 型（铂铑 30-铂铑 6）WRR 系列等。考虑设计成本与实际的温度范围（0～1000℃），在本设计中选用分度号为 K 的镍铬-镍硅热电偶 WRN-120，表 3-1 所列的是常用热电偶的材料规格和线径使用温度的关系：
表3-1 常用热电偶材料规格和线径使用温度
3.2.1.1热电偶的测温原理
将两种不同材料的导体或半导体（称为热电偶丝材或热电极）两端焊接起来，构成一个闭合回路，当两导体之间存在温差时，便产生电动势，在回路中就会形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势，如图 3-2所示。
图3-2 热电偶温度计系统原理图
不同种类的两根金属导线 A、B 连接起来并保持接点的温度为 t0。若设由电压计引出的导线与金属线 A、B 连接点的温度为 t，则显现出来的热电势EAB(t，t0)为：
3.2.1.2 热电偶的温度补偿
热电偶都有对应的分度表，即在参考端温度为 0℃时，热电势和测量温度的对应表。热电偶的分度表是以冷端温度 0℃为基准进行分度的，热电偶的实际工作环境，冷端温度往往不为 0℃，不能直接使用分度表，因此必须对热电偶的冷端温度进行温度补偿。
常用的冷端温度补偿方法有：冷端 0℃恒温法（将冷端放在冰水混合物的恒温容器中等）、冷端温度修正法、电桥补偿法和冷端温度自动补偿法等。在本设计中采用集成芯片 MAX 6675完成冷端温度的自动补偿，可在很大程度上简化系统的设计。
3.2.2 炉温数据采集电路的设计
Ｋ型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点，本次设计就是选用 K 型热电偶作为系统的温度传感器。目前，在以Ｋ型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机系统。中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。
MAXIM 公司推出的 MAX 6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D 转换器及 SPI 串口的热电偶放大器与数字转换器，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速性与准确性。故在本设计中，为简化系统电路设计采用芯片 MAX 6675作为热电偶电势与温度的转换。
3.2.2.1 MAX6675芯片
MAX 6675是具有冷端补偿和 A/D 转换功能的单片集成Ｋ型热电偶变换器，测温范围 0℃～1024℃，温度范围满足本台电炉的温度需要，其主要功能特点如下：
(1) 直接将热电偶信号转换为数字信号；
(2) 具有冷端补偿功能；
(3) 简单的 SPI 串行接口与单片机通讯；
(4) 12 位 A/D 转换器、0.25℃分辨率；
(5) 热电偶断线检测；
（6）工作温度范围-20℃～+85℃。
3.2.2.2 MAX6675的测温原理
MAX 6675是一个复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构主要包括：低噪声电压放大器 A1、电压跟随器 A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12 位AD转换器、SPI 串行接口、模拟开关及数字控制器。
其工作原理如下：K 型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器 A1 和电压跟随器 A2 放大、缓冲后，得到热电势信号 U1，再经过 S4 送至 ADC。对于 K型热电偶，电压变化率为(41μV/℃)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。
上式中，U1 为热电偶输出电压（mV），T 是测量点温度，T0 是周围温度。
在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行偿，冷端温度即是 MAX6675 周围温度与 0℃实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压 U2 经 S4 输入 ADC 转换器。
在数字控制器的控制下，ADC 首先将 U1、U2 转换成数字量，即获得输出电压 U0 的数据，该数据就代表测量点的实际温度值 T，这就是 MAX6675 进行冷端温度补偿和测量温度的原理。
3.2.2.3 MAX6675 与单片机的连接
K型热电偶
图3-3 MAX6675与单片机的连接
MAX6675有五个引脚，脚（T-）接热电偶负极，脚（T+）接热电偶正极，脚（SCK）串行时钟输入端，脚（CS）片选端，使能启动串行数据通讯，脚（SO）串行数据输出端。
3.3 输入/输出接口设计
键盘和显示电路实现了人机交互功能，通过键盘电路可以设置系统运行状态
和系统参数（P、I、D 和保温时间），显示电路可以显示系统的运行状态、控制
时间、设定温度、实际温度等。该温度控制系统采用 7 段高亮 LED 数码管（红
色）显示系统的设置参数、保温时间及实际温度值等。总计 13 数码管和 3个
发光二极管（指示控制系统的工作状态）。
数码管的驱动动采用 MAX7219，MAX7219 是美国 MAXIM 公司生产的串行输
入／输出共阴极显示驱动器。该芯片可直接驱动最多 8 位 7 段数字 LED 显示
器，或 64 个 LED 和条形图显示器。它与微处理器的接口非常简单，仅用 3 个
引脚与微处理器相应端连接即可实现最高 10MHz 串行口。MAX7219 的位选方式
独具特色，它允许用户选择多种译码方式译码选位，而且，每个显示位都能个别
寻址和刷新，而不需要重写其他的显示位，这使得软件编程十分简单且灵活。另
外，它具有数字和模拟亮度控制以及与 MOTOROLA SPI，QSPI 及 MATIONAL MICROWIRE 串行口相兼容等特点。该芯片采用 24 脚 DIP 和 SO 封装，工作电
压4.0～5.5V，最大功耗 1.1W。
本温度控制系统采用两片 MAX7219 级联的方式驱动控制 13 个 7 段数码
管，其中 DIN 引脚接 P2.7，LOAD 引脚接 P2.6，CLCOK 引脚接 P2.5，显示控
制电路如图 3-4 所示。
设定目标温
显示实际温度保温时间
图3-4 显示与接口电路设计
系统的工作状态由三个发光二极管以不同的颜色与状态显示，如有报警信号
蜂鸣器启动，三个发光二极管与蜂鸣器用 P2.0~P2.3 控制，具体电路连接如图
3-5所示：
图3-5 工作状态指示灯及报警电路设计
对于参数的输入通过按键实现，所设计的控制面板总计有 5 个按键，按键数量少，按键采用独立按键的连接方式，其电路如图 3-6 所示。
图3-6 按键输入电路
3.4 保温定时电路设计
电炉在某些时候需要某个温度值保持一定的时间，系统必须有定时的功能单元。单片机有很多途径实现定时与计时的功能，如软件延时、采用内部定时器定
时。其中软件定时要占用 CPU 资源，特别当定时时间比较长的时候，其定时的精度也无法保证；采用定时器定时，虽然能够实现精确定时，但长久定时也不能有效保证定时精度。为了提高定时精度、降低系统程序设计的复杂度，在本次设计采用专用时钟芯片 DS1302 来完成系统计时功能。
DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V～5.5V。采用三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302 内部有一个 31×8 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器。DS1302 是 DS1202 的升级产品，与 DS1202 兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
3.4.1 DS1302 与单片机的连接
如图3-7所示：
图3-7 DS1302与单片机的连接
3.5温度控制电路设计
温控系统的精度不仅受制于输入检测量的精度，同时也受制于输出控制量的精度，要提高整个系统的精度，必须使两者匹配。工艺要求加热时在升温阶段快速，采用较大的恒定功率，但随着温度偏差减少，逐渐减少定周期内的导通周波。降低加热功率，防止热惯性的作用而产生较大的温度超调。控制器能够及时控
制加热器件在电源半波内的输入有效值。
可控硅调功控制温度具有不冲击电网，对用电设备不产生干扰等优点，是一种应用广泛的控温方式。所谓调功控温就是在给定周期内控制可控硅的导通时间，从而改变加热功率，来实现温度调节。设采样(控制)周期为 T，在 T 周期内工
频交流电的半周波数为 N，如全导通时额定加热功率为 PH，则实际的平均加热功率P 与T 周期内实际导通的半周波数 n 成正比，即
目前，采用可控硅进行功率调节的触发方式有两种：过零触发和移相触发。移相触发方式调功实际上是控制可控硅的导通角，达到调节功率的目的，此方式易造成电磁干扰且电路复杂。采用移相触发的可控硅交流调功装置，往往在可控硅导通的瞬间使电网电压出现畸变，当控制角为90 时，产生的三次谐波电流为基波电流的 50％，五次谐波也可达到基波的 1/6。这些谐波分量引起电网电压波形畸变，功率因数下降，给其它用电设备和通讯系统的工作带来不良影响。为此，人们研究了各种避免电压瞬间大幅度下降和抑制高次谐波的方法，过零触发方式很好地解决了此类问题，它可把可控硅导通的起始点限制在电源电压过零点，从而大大降低了谐波分量，然而，传统的可控硅过零触发调功器由同步脉冲产生电路、检零电路、隔离电路组成，结构复杂，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件的离散性和温漂严重影响调功器控制精度及使用寿命。MOTOROLA 公司生产的 MOC3021-3081 器件可以很好地解决这些问题。该器件用于触发晶闸管，具有价格低廉、触发电路简单可靠的特点。本系统采用MOC3061 作为可控硅的驱动器，控制可控硅的导通与关断，改变平均电压的大小值，形成最佳加热方式，从而控制温度的超调。
MOC3061 系列光电双向可控硅驱动器是一种光电耦合器件，它可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。用该器件触发晶闸管，具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。采用 MOC3061 触发晶闸管，强、弱的电之间在电气上完全隔离，且可以直接可靠地触发 50A 或更大的功率的晶闸管。经软件分析所得的控制脉冲送至 MOC3061，直接形成驱动信号，控制可控硅的导通与关断，改变平均电压的大小值，形成最佳加热方式，从而控制温度的超调，控制电路如图 3-8所示:
图3-8 输出电路设计
电路中 C3、R15 为阻容吸收电路，MOC3061 在输出关断下，有 500uA 的漏电流，串入 R16这个限流电阻，可以控制触发电流，消除漏电流对双向可控硅的影响，防止双向晶闸管的误触发。R13 为限流电阻，R14 为门极电阻，提高控制级的抗干扰性，电路中 Q2集电极发出正弦过零出发脉冲。
系统硬件电路图
图3-9 系统硬件电路图
控制系统采用热电偶作为温度传感器，热电偶把温度转换为毫伏级的电压信号，这个信号必须进行放大处理、冷端补偿、非线性化处理和数字处理后才能送到单片机中，这个过程环节多，容易受到干扰，为简化设计，在设计中采用集成芯片 MAX6675 来完成整个过程的温度数据处理。单片机对温度数据进行数据处理后，首先进行超限报警处理，如果超限就调用超限处理子程序，若未超限就对温度数据进行数字滤波后进行 PID 算法控制，得到输出控制量。具体控制过程是：当温度偏差大于 50℃时，让双向晶闸管全导通或全关闭实现快速缩小温差，减小调节时间，当温度偏差小于 50℃时调用 PID 控制算法，由算法得到双向晶闸管导通率实现对双向晶闸管正弦半波的个数控制以达到调温的目的。系统中的时钟电路的功能是根据热处理工艺要求设置保温时间，温度控制系统所有的参数通过 13位高亮 7 段数码管显示，状态信息通过 3个发光二极管指示。
四、系统软件设计
硬件电路确定之后，系统的主要功能将依赖于软件来实现。对同一个硬件电路，配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，而且有些硬件电路的功能可用软件来替代。因此，系统的设计很大程度上是软件设计。
4.1 软件总体设计
整个温度控制系统不仅要处理按键、显示外，而且要实时处理对温度的采集信息并处理。整个系统包括主模块、初始化模块、温度检测模块、键盘处理模块、显示控制模块、计时控制模块、中断服务模块、控制算法模块、输出通断率控制模块等几个部分，其软件总体结构图如图 4-1 所示。
图4-1软件总体结构
4.2 主程序设计
上电或复位后系统，首先进行系统自检，诊断正常后各功能模块进行初始化，包括初始化各寄存器、标志位、端口、PID 等；接着进行数据采集，经过数字滤波、标度变换后，计算温度偏差及偏差变化率的大小，再由控制算法模块得到输出控制量。系统开放定时器及外部中断，一旦发生中断或其他外部响应，首先判断是哪个响应源，然后调用相应的功能模块完成执行程序。
监控程序流程如图 4-2：
图 4-2 主程序流程图
4.3 温度检测及处理程序设计
温度检测采用 K 型热电偶转换器 MAX 6675完成，由 MAX 6675构成的温度检测电路具有控制程序易于编写，读数精确度高等优点。 MAX 6675的转换结果与温度的数量关系满足：
实际温度值=1023.75×热电偶转换后的数字量／4095
MAX 6675芯片实现了对热电偶输出的电压信号的放大、冷端补偿和线性化的自动处理，所以其转换程序比较简单，程序流程如图 4-3 所示。
图 4-3 温度检测控制程序流程图
下面是 MAX 6675温度转换的控制子程序：
SbitSCK =P3^7;
sbitSO =P3^5;
sbitCS =P3^6；
/************MAX6675 温度转换程序**************************/ unsignedintRe_Convert (void)
{
unsigned char i；
unsigned int P_Temp2 =0；
SCK =0；
CS =0；
for(i=0；i<16；i++)
{
SCK =1；
if(SO==1)
{
湖南理工学院南湖学院 课程设计 题目：电加热炉温度控制系统设计专业:机械电子工程 组名：第三组 班级：机电班 组成员:彭江林、谢超、薛文熙
目录 1 意义与要求 (2) 1.1 实际意义 (2) 1.2 技术要求 (2) 2 设计内容及步骤 (2) 2.1 方案设计 (2) 2.2 详细设计 (3) 2.2.1 主要硬件介绍 (3) 2.2.2 电路设计方法 (4) 2.2.3 绘制流程图 (7) 2.2.4 程序设计 (8) 2.3 调试和仿真 (8) 3 结果分析 (9) 4 课程设计心得体会 (10) 参考文献 (10) 附录............................................................ 10-27
1 意义与要求 1.1 实际意义 在现实生活当中，很多场合需要对温度进行智能控制，日常生活中最常见的要算空调和冰箱了，他们都能根据环境实时情况，结合人为的设定，对温度进行智能控制。工业生产中的电加热炉温度监控系统和培养基的温度监控系统都是计算机控制系统的典型应用。通过这次课程设计，我们将自己动手设计一个小型的计算机控制系统，目的在于将理论结合实践以加深我们对课本知识的理解。 1.2 技术要求 要求利用所学过的知识设计一个温度控制系统，并用软件仿真。功能要求如下： （1）能够利用温度传感器检测环境中的实时温度； （2）能对所要求的温度进行设定； （3）将传感器检测到得实时温度与设定值相比较，当环境中的温度高于或低于所设定的温度时，系统会自动做出相应的动作来改变这一状况，使系统温度始终保持在设定的温度值。 2 设计内容及步骤 2.1 方案设计 要想达到技术要求的内容，少不了以下几种器件：单片机、温度传感器、LCD显示屏、直流电动机等。其中单片机用作主控制器，控制其他器件的工作和处理数据；温度传感器用来检测环境中的实时温度，并将检测值送到单片机中进行数值对比；LCD显示屏用来显示温度、时间的数字值；直流电动机用来表示电加热炉的工作情况，转动表示电加热炉通电加热，停止转动表示电加热炉断
计算机控制课程设计 报告 设计题目：电阻炉温度控制系统设计 年级专业：09级测控技术与仪器 化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本设计就是利用单片机来控制高温加热炉的温度，传统的以普通双向晶闸管（SCR）控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产
生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。 1.1电阻炉组成及其加热方式 电阻炉是工业炉的一种，是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化元件或物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成，炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加
热方法也不同;由于工艺不同，所要求的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，对控温精度要求不同，因而控制系统的组成也不相同。电气控制系统包括主机与外围电路、仪表显示等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，因炉种的不同而各异。电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件， （4）电阻炉温度按预定的规律变化，超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性; （5）具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±1℃; （6）具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。
高温箱式电阻炉温度控制器介绍 本章主要介绍电阻炉温度过程控制中，常用的位控、晶闸管调节器及变压器等几种控制方法，并对计算机和可编程控制器在电阻炉控制系统中的应用、PID控制原理也作了简单介绍。 电阻炉的温度控制，就是根据实际温度与设定温度的偏差，改变炉子的加热功率，使炉子温度在设定温度范围之内，满足加热工艺要求。加热功率的大小决定了炉子温度的高低和升温速度的快慢，加热功率的稳定性决定了宏达炉业电阻炉温度的稳定性。改变加热功率的方法很多，常见的有位式、晶闸管调节器和电炉变压器控制方式等，采用何种加热方式由炉子的结构、用途和温度的高低决定。 电阻炉的温度控制无论采用哪种控制方式，其控制过程基本是相同的，总是包括温度测量、温度控制器、加热驱动部件、电热元件以及辅助电路等 (1)温度测量。电阻炉的温度测量通常采用热电偶温度传感器和光电高温计，一般情况下采用热电偶进行接触式侧量，当温度较高时则必须选用辐射型光电测温计进行非接触时测量。 (2)温度控制器。温度控制器也就是常说的温度控制仪表，其作用是一方面显示温度传感器或变送器送来的温度信号;另一方面把测量的温度值与设定值进行比较，输出温度控制信号。在电阻炉温度控制中，如果控制精度要求不高，可采用模拟位控温度控制器，否则采用数字式智能温度控制仪表，目前后者应用较多。 (3)加热驱动部件。加热驱动部件起着功率放大的作用，把温度控制信号的变化转换为加热功率的变化，给电热元件加热，达到改变炉子温度的目的。加热驱动部件是影响温度控制方式的主要因素之一，常用的有接触器、固态继电器、晶闸管调节器以及变压器等。 (4)电热元件。电热元件是把电能转化为热能的部件，主要有非金属、金属合金及纯金属三种类型。 (5)辅助电路。辅助电路是指除加热主电路以外的电路，包括辅助装置的动作、工作状态的指示以及安全互锁保护等。
北华大学 过程控制实习 实习题目：电阻炉温度控制系统 班级学号：_________________________ 姓名：_________________________ 专业名称：_________________________ 指导教师：_________________________ 2014年3月24日
前言 在大二的课程里我们学习了自动控制系统、过程控制工程及工业自动化仪表等课程。我们学习到了许多关于自动控制方面的理论知识，但实践是检验一切真理的标准，只有真真正正的将理论与实践相结合。用理论来指导实践，用实践来检验并完善理论。为了使提高我们的动手能力及理论相结合的能力，学校组织了为期三周的关于电阻炉温度控制系统的生产实习。 生产实习为期三周，分为两阶段。第一阶段为第一周，在这一周里，我们要了解温度控制系统所用到的仪器仪表及理论知识，学习使用组态王这一生产模拟软件并用它将温度控制系统的整个控制过程做成动态模拟动画。第二阶段为第二、第三两周，在这段时间里，我们需要学会PID自整定控制仪、无纸记录仪及可控硅三相调功器的功能、使用方法以及校准。画出整个系统的电气原理图及仪器仪表的电路接线图。利用4:1衰减曲线法来调节PID的控制参数，以实现无偏差控制的控制目标。经过三周的生产实习能够更好的做到学以致用，将理论实际相结合，用理论来指导实践，用实践来完善理论。
目录 第一部分系统简介及工艺流程 (1) 1.1系统简介 (1) 1.2双向可控硅 (2) 1.3三相电阻炉 (3) 1.4K型热电偶 (5) 1.5温度变送器 (9) 1.6无纸记录仪 (10) 1.7工艺流程图 (13) 第二部分零点调整及量程调整 (14) 2.1零点调整 (14) 2.2量程调整 (18) 第三部分静态特性及动态特性 (18) 3.1静态特性及动态特性的定义 (18) 3.2实验步骤 (19) 3.3PID的参数整定口诀 (20) 3.4积分饱和问题 (20) 第四部分参数整定及投运 (22) 4.1在纯比例作用的参数整定 (22) 4.2在比例积分作用下的参数整定 (24) 4.3比例积分微分的参数整定 (25) 4.4系统的投运 (26) 第五部分组态王软件的应用 (27) 5.1组态王软件的简介 (27) 心得体会 (28) 参考文献 (30) 附录一 (31) 附录二 (32) 附录三 (33) 附录四 (34)
过程控制系统课程设计报告书管式加热炉温度控制系统设计 学院：自动化 班级：15级自动化4班 指导老师：陈刚 组员： 重庆大学自动化学院 2019年1月
任务分配 过程控制系统课程设计——管式加热炉温度控制系统的设计
目录 任务分配 (2) 过程控制系统课程设计——管式加热炉温度控制系统的设计 (2) 1摘要 (4) 2模型简介 (4) 2.1背景 (4) 2.2模型假设 (4) 2.3系统扰动因素 (5) 3控制方案 (5) 3.1传统PID控制方法 (5) 3.2串级控制系统 (6) 3.3 方案选择 (7) 4串级控制器的设计 (7) 4.1主副控制器设计 (7) 4.1.1主、副回路的设计原则 (7) 4.1.2主、副调节器的选型 (7) 4.1.3主、副调节器调节规律的选择作用 (8) 4.2串级控制器的参数整定 (8) 5系统的仿真和改进 (9) 5.1串级控制系统仿真 (9) 5.2基于Smith预估计补偿器的串级控制系统 (11) 六．总结 (14) 七．参考文献 (15)
1摘要 当今世界，随着市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，作为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈重，无论是在大规模的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起十分重要的作用。为了能将课程所学理论知识初步尝试应用于实践。 本设计针对管式加热炉系统的控制问题展开了研究。通过将实际加热炉模型化，通过实验法建立锅炉的数学模型。针对物料温度控制问题，在对比了简单的单回路PID控制方法、串级控制两种方法的优劣性后，选择了串级控制的方法控制物料温度。综合应用过程控制理论以及MATLAB仿真技术，通过经验模型及参数整定，得到系统响应曲线。通过反复实验，调整参数，使控制效果比较理想。 关键词：管式加热炉系统、串级控制、MATLAB仿真 2模型简介 2.1背景 管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。 2.2模型假设 管式加热炉的主要任务是把原质油或重油加热到一定的温度，保证下一道工序正常进行。假设有一个加热炉系统，系统参数设定为： 1.物料以恒定速度进入管道，流速为10L/s，管道直径为10cm，不考虑物料浓度变化、压力变化等其他条件。 2.物料在加热炉内的长度为L=5m,假定物料受热均匀，并在t=10s后上升至指定温度。 3.假定燃气混合浓度不变，物料温度上升只受燃料流量影响。 4.不考虑环境温度、燃料值等影响，主要考虑燃料流量的扰动。
电炉温度控制系统设计
摘要 热处理是提高金属材料及其制品质量的重要技术手段。近年来随工业的发展， 对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，加热时恒温过程的测量与控制成为了关键技术，促使人们更加积极地研制热加工工业过程的温度控制器。 此设计针对处理电阻炉炉温控制系统，设计了温度检测和恒温控制系统，实现了基本控制、数据采样、实时显示温度控制器运行状态。控制器采用51 单片机作为处理器，该温度控制器具有自动检测、数据实时采集处理及控制结果显示等功能，控制的稳定性和精度上均能达到要求。满足了本次设计的技术要求。 关键词：电阻炉，温度测量与控制，单片机
目录 一、绪论 ....................................................................................................... - 1 - 1.1 选题背景........................................................................................ - 1 - 1.2 电阻炉国发展动态........................................................................... - 1 - 1.3 设计主要容 .................................................................................... - 2 - 二、温度测量系统的设计要求........................................................................... - 3 - 2.1 设计任务......................................................................................... - 3 - 2.2 系统的技术参数................................................................................ - 3 - 2.3 操作功能设计................................................................................... - 4 - 三、系统硬件设计........................................................................................... - 5 - 3.1 CPU选型........................................................................................ - 5 - 3.2 温度检测电路设计.............................................................................. - 6 - 3.2.1 温度传感器的选择..................................................................... - 6 - 3.2.1.1热电偶的测温原理 ......................................................... - 7 - 3.2.1.2 热电偶的温度补偿......................................................... - 7 - 3.2.2 炉温数据采集电路的设计.......................................................... - 8 - 3.2.2.1 MAX6675芯片.......................................................... - 8 - 3.2.2.2 MAX6675的测温原理................................................. - 9 - 3.2.2.3 MAX6675 与单片机的连接.......................................... - 10 - 3.3 输入/输出接口设计......................................................................... - 10 - 3.4 保温定时电路设计 .......................................................................... - 13 - 3.4.1 DS1302 与单片机的连接....................................................... - 13 - 3.5 温度控制电路设计............................................................................ - 14 - 系统硬件电路图...................................................................................... - 17 - 四、系统软件设计......................................................................................... - 19 - 4.1 软件总体设计 .................................................................................. - 19 - 4.2 主程序设计 ..................................................................................... - 19 - 4.3 温度检测及处理程序设计................................................................... - 20 - 4.4 按键检测程序设计............................................................................ - 23 - 4.5 显示程序设计 .................................................................................. - 25 - 4.6 输出程序设计 .................................................................................. - 27 - 4.7中值滤波 ......................................................................................... - 28 - 五、结论 ..................................................................................................... - 30 - 参考文献 ..................................................................................................... - 31 -
基于PID的炉温控制系统 摘要:在科学实验中,温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。为了保证科学实验正常安全的进行，提高实验的精确性，介绍了用AT89S51单片机为主要元件组成的 控制系统，并给出了部分硬件图、控制算法和软件流程图。 关键词：PID；炉温控制 1引言 电阻炉是一种利用电流通过电热元件产生的热量加热工件的热处理设备具有结构简单操作简便价格低廉等特点广泛用于工业中，而温度是工业对象中主要的被控参数之一。在冶金、化工、机械、火工、食品等各类工业中,广泛使用各种加热炉、烘箱、恒温箱等,它们均需对温度进行精确的控制。 采用单片机进行炉温控制,具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点,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。本文以加热炉为具体对象介绍温度控制系统的设计方法。该系统是以AT89S51为核心建立起来的一个温度测量控制系统，加热炉的被控温度为0~500℃，精度：±0.5°C，显示分辨率0.2°C。通过单片机显示温度值。显示：000.0。 本文介绍炉温控制系统的设计。 图1 温控系统组成 1 硬件系统 本系统的硬件电路包括：过零触发电路、温度检测电路、双向可控硅触发电路。电炉一般采用电阻丝作为加热元件，系统中温度传感器采用PT100。炉体的加热通过加热电热丝的方法来实现。工频220V电压被电阻分压后，经过运放输出得到幅值为10V的正弦电压，此电压的频率与工频电压频率相同，为50HZ。经过芯片MC14528，正弦波整形为脉宽为2~3ms、周期为10ms的方波。方波信号触发双向晶闸管导通，从而实现加热丝加热回路的导通，使加热丝正常工作加热炉体，电路如图2。 由图2可以看到LM311电压比较器将50HZ的正弦交流电压变成方波，得到的电压为10V。方波的正跳沿和负跳沿作为单稳态触发器的输入信号，从单稳态触发器输出220v过零同步脉冲。MC14528在Q1、Q2脚输出同步脉冲，脉冲的宽度为2~3ms ，Q1、Q2输出脉冲通过或门后，输出的方波信号变成可以触发双向可控硅的窄脉冲信号。此信号进过光电隔离器MOC3061/3021，便可以触发双向可控硅。此信号经单片机控制信号控制后，可以任意控制可控硅的导通关断，从而控制加热炉的开断。
第一章系统分析与控制方案的确立 1.系统分析 图1.1所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。 T1出口 支路1 炉膛 支路2 燃料 被加热物料 图1.1加热炉出口温度系统 由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。 2.串级控制系统的设计 加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求，系统的串级控制结构图如图1.2所示。
图 1.2 加热炉出口温度串级控制系统结构图 串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设 定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的 过渡过程。由加热炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如 图 1.3 所示。 图 1.3 加热炉出口温度串级控制系统结构方框图 (1) 主被控参数的选择 应选择被控过程中能直接反映生产过程中的产品产量和质量，又易于测量 的参数。在加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统中加热炉出口温度为系 统的主被控参数，因为加热炉出口温度是整个控制作用的关键，要求出口物料 温度维持在某给定值上下。如果其调节欠妥当，会造成整个系统控制设计的失 败。 (2) 副被控制参数的选择 从整个系统来看，加热炉的炉膛温度虽然不是我们要控制的直接目标，但 是炉膛温度会很大程度上影响出口物料的温度，因此我们选择炉膛温度为副被 控参数。 (3) 控制器的选择 主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动的 度 副控制器 调节阀 主控制器 主检测、变送仪表 副检测、变送仪表 炉膛 出口温度
合肥工业大学 《计算机控制技术》课程设计 ——电阻炉温度控制系统设计 学院专业 姓名 学号_______ ________ _ 完成时间
摘要：电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件，电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、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，是将电源直接接在所需加热的材料上，让强大的电流直接流过所需加热的材料，使材料本身发热从而达到加热的效果。工业电阻炉，大部分采用间接加热式，只有一小部分采用直接加热式。由于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布均匀、环保等优点，应用十分广泛。 关键词：炉温控制；高效率；加热 一、总体方案设计 本次课程设计主要就是使用计算机以及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，从而使系统达到工艺要求的性能指标。 1、设计内容及要求 电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。 2、工艺要求及要求实现的基本功能 本系统中所选用的加热炉为间接加热式电阻炉，控制要求为采用一台主机控制8个同样规格的电阻炉温度；电炉额定功率为20 kW；）恒温正常工作温度为1000℃，控温精度为±1%；电阻炉温度按预定的规律变化，超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性；具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±1℃；具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。 3、控制系统整体设计 电阻炉温度计算机控制系统主要由主机、温度检测装置、A/D转换器、执行机构及辅助电路组成。系统中主机可以选用工业控制计算机、单片微型计算机或可编程序控制器中的一种作为控制器，再根据系统控制要求，选择一种合理的控制算法对电阻炉温度进行控制。控制系统组成框图如图11-1所示。采用热电偶
第一章绪论 1.1选题背景及意义 加热炉是利用电能来产生蒸汽或热水的装置。因为其效率高、无污染、自动化程度高，稳定性好的优点，冶金、机械、化工等各类工业生产过程中广泛使用电加热炉对温度进行控制。而传统的加热炉普遍采用继电器控制。由于继电器控制系统中，线路庞杂，故障查找和排除都相对困难，而且花费大量时间，影响工业生产。随着计算机技术的发展，传统继电器控制系统势必被PLC所取代。二十世纪七十年代后期，伴随着微电子技术和计算机技术的快速发展，也使得PLC 具有了计算机的功能，成为了一种以电子计算机为核心的工业控制装置，在温度控制领域可以让控制系统变得更高效，稳定且维护方便。 在过去的几十年里至今，PID控制已在工业控制中得到了广泛的应用。在工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）中位居第一。由于其原理简单、使用方便、适应能力强，在工业过程控制中95%甚至以上的控制回路都采用了PID结构。虽然后来也出现了很多不同新的算法，但PID仍旧是最普遍的规律。 1.2国内外研究现状及发展趋势 一些先进国家在二十世纪七十年代后期到八十年代初期就开始研发电热锅炉，中国到八十年代中期才开始起步，对电加热炉的生产过程进行计算机控制的研究。直到九十年代中期，不少企业才开始应用计算机控制的连续加热炉，可以说发展缓慢，而且对于国内的温度控制器，总体发展水平仍不高，不少企业还相当落后。与欧美、日本，德国等先进国家相比，其差距较大。目前我国的产品主要以“点位”控制和常规PID为主，只能处理一些简单的温度控制。对于一些过程复杂的，时变温度系统的场合往往束手无策。而相对于一些技术领先的国家，他们生产出了一批能够适应于大惯性、大滞后、过程复杂，参数时变的温度控制系统。并且普遍采用自适应控制、模糊控制及计算机技术。 近年来，伴随着科学技术的不断快速发展，计算机技术的进步和检测设备及
引言 前言：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。一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制，都没有取得很好的控制效果。起先由于电阻炉的发热体为电阻丝，传统方法大多采用仪表测量温度，并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率。电阻炉微机自动程序温度控制系统就是通过单片机对加热炉的升、降温速率和保温时间进行严格控制的装置，它将温度变送、显示和数字控制集于一体，以微机控制为基础，以A/D转换器为核心，并配以适当的外围接口电路，实现对电阻炉温度自动控制。 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广泛的应用，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发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。 1.电加热炉温度控制系统的特性 温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图1.1所示。 图1.1 被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器，其具体的电路图如图1.2所示。如图1.3
所示，设周期T c 内导通的周期的波数为n，每个周波的周期为T，则调功器的输 出功率为P=n×T×P n /T c ，P n 为设定周期T c 内电压全通过时候装置的输出功率。 图1.2 图1.3 执行器的特性：电炉的温度调节是通过调节剂(供电能源)的断续作用，改变 电炉丝闭合时间T b 与断开时间T k 的比值α,α=T b /T k 。 调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，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，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常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是导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期T c 内导通的电压周波。 2.电炉的电加热原理及方式 当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：Q＝0．2412Rt，Q代表热能，单位卡；I代表电流，单位安9；R代表电阻，单位欧姆；t代表时间，单位秒。 按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。 在电热技术上按l千瓦小时＝860千卡计算。电炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地用来加热指定的工件，并保持高的效率。 电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。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热元件。电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。
本科生课程设计（论文）辽宁工业大学 单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目：加热炉温度控制器设计 院（系）：电气工程学院 专业班级：电气092 学号： 090303040 学生姓名： 指导教师：（签字） 起止时间：2012.06.24-2012.07.06
课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 电气工程及其自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 电气092 课程设计（论文）题目 加热炉温度控制器设计 课程设计（论文）任务 高温加热炉利用煤气加热，通过传感器测量温度，四相5V 、1A 步进电机调节阀门来调节进气量。温度控制范围0～1800℃。 设计任务： 1. CPU 最小系统设计（包括CPU 选择，晶振电路，复位电路） 2. 温度传感器及接口电路设计 3. 步进电机驱动电路设计 4. 程序流程图设计及程序清单编写 技术参数： 1．温度控制范围：0-1800℃ 2．工作电源220V 设计要求： 1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD 转换器、输出电路等； 2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图； 3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。 进度计划 第1天 查阅收集资料 第2天 总体设计方案的确定 第3-4天 CPU 最小系统设计 第5天 温度传感器及接口电路设计 第6天 步进电机驱动电路设计 第7天 程序流程图设计 第8天 软件编写与调试 第9天 设计说明书完成 第10天 答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日
KSY-6D-16电炉温度控制器
目录 一、用途 (2) 二、主要技术指标和参数 (2) 三、仪器结构 (2) 四、仪器使用及注意事项 (3) 五、仪器成套及技术文件 (3) 本仪器为精密、低温制冷仪器， 使用前请详阅说明书，谨慎操作！
一、产品简介 KSY-6D-16电炉温度控制器适用于以硅碳棒（管）加热型电炉，与镍铬——镍硅热电偶配套使用，可对电炉内的温度进行测量、显示、控制，并可使炉内的温度自动保持恒温。 设计新颖，控温精度高，性能稳定易操作。 控温仪表分为指针式A：数显式AS：智能式ASP:智能多段 二、技术指标 ★输入电压（V）：220 ★输出电压（V）：50-210 ★最高温度（℃）：1600 ★最大控制功率（KW）：6
One, product introduction KSY-6D-16furnace temperature controller applied to silicon carbon rod ( tube ) heating furnace, and Ni-Cr -- nickel-silicon thermocouple supporting the use of electric furnace, temperature measurement, display, control, and can make the temperature inside the oven to keep constant temperature automatically. Novel design, high precision of temperature control, stable performance and easy to operate. Temperature control instrument for pointer type A: digital display type AS: intelligent ASP: intelligent multi segment Two, technical indicators Of the input voltage ( V ):220 Of the output voltage ( V ):50-210 Of the maximum temperature ( c ):1600 Control of maximum power ( KW ):6
项目九电阻炉温度控制 项目内容： 在现代化的工业生产中，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。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 温度采集采用热电偶，经过变送器后转换为电信号。经过A/D转换器ADC0809转变为数字量。 8031对温度的控制是通过D/A转换实现的。双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路。在给定周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。 通常，电阻炉炉温控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理获得控制信号去调节电阻炉的加热功率，以实现对炉温的控制。在工业上，偏差控制又称PID控制，这是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式，一般都能收到令人满意的效果。
能力目标： 课题1 A-D转换接口技术 课题2 ADC0809的应用技术 课题3 D-A转换接口技术 课题4 TLC5615的应用技术 实践演练： 1．亲手设计调试电阻炉的温度，对炉温的采集，与预设值相比较，对偏差值处理获得控制信号去调节电阻炉的加热功率，以实现对炉温的控制。 2．动手设计采集A/D转换温度对电炉丝进行控制，从而实现温度的调节。 3．通过该项目的训练，提高学生的实际动手操作能力，养成学生的工程道德观念，建立工程敬业精神和团队合作精神。
管式加热炉温度－温度串级控制系统 1设计意义及要求 1.1设计意义 管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。 1.2设计要求 1）本课程设计题目为加热炉温度－温度串级控制系统设计，课程设计时间为2周；学生对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、被控参数以及过程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图。 2）课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括： ① 目录； ② 摘要； ③ 生产工艺和控制原理介绍； ④ 控制参数和被控参数选择； ⑤ 控制仪表及技术参数； ⑥ 控制流程图及控制系统方框图； ⑦ 总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）； ⑧ 课程设计的心得体会（至少500字）； ⑨ 参考文献（不少于5篇）； ⑩ 其它必要内容等。 2方案论证 2.1方案选择 管式加热炉加热炉的工作原理如图1所示。要加热的冷物料从左端的管口流入管式加热炉，而燃料从右端的管口流入管式加热炉的燃烧部分，以供热。经加热的物料从右上端的管口流出，物料出口温度1()t θ为被控参数。 图1 管式加热炉工作原理图 分析管式加热炉的工作过程可知，物料出口温度1()t θ受进入管式加热炉的物料初始温度，物料进入的流量（即物料入口的压强），进入管式加热炉的燃料的流量（也即燃料入口压强），燃料的燃烧值等因素的影响。其中物料进入的流量（即物料入口的压强）和进入管式加热炉的燃料的流量（也即燃料入口压强）是影响物料出口温度1()t θ的主要因素。如果采用单回路控制系统，根据操作量的选取原则，我们可以在物料入口处装上一个调节阀，以控制物料进入的流量；对于进入管式加热炉的燃料的流量，可以使它保持某一恒定值。或在燃料的入口处安装一个调节阀，以控制进入管式加热炉的燃料的流量；对于进入管式加热炉的物料的流量，则可以使它保持某一恒定值。而调节阀的开度大小由安装在物料出口处的温度传感器输出的大小间接控制。它虽然结构简单，实现方便；但不符合生产工艺的要求。因为如果将物料的进入流量进行限定后，则日生产总量也被限定。这显然不符合实际的工业生产情况。在此基础上进行一点改进——不对另一个量进行限制。基于对燃料进入量进行控制的管式加热炉单回路温度控制系统原理图如图2 所示。 图2 管式加热炉单回路温度控制系统原理图 如图2所示的单回路温度控制系统初看起来是可行的。而且它的结构简单，所需的器材少，投入小。也符合工业设 物料出口温度1 ()t θ 1T C 物料入口 燃料 物料出口温度1()t θ
电炉温度控制系统的设计 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广泛的应用，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发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。 关键字：电炉温度控制系统设计 一、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广泛的应用，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发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。本设计要求用单片机设计一个电炉温度控制系统。 二、电炉温度控制系统的特性 温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图1所示。被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器，其具体的电路图如图2所示。 执行器的特性：电炉的温度调节是通过调节剂(供电能源)的断续作用，改变电炉丝闭合时间T b与断开时间T k的比值α,α=T b/T k。 调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，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，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常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，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期T c内导通的电压周波。
如图3所示，设周期T c内导通的周期的波数为n，每个周波的周期为T，则调功器的输出功率为P=n×T×P n/T c，P n为设定周期T c内电压全通过时装置的输出功率。 三、电炉的电加热原理 当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，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，全部转换为热能时Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。 在电热技术上按l千瓦小时＝860千卡计算。电炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地 用来加热指定的工件，并保持高的效率。 四、电炉加热方式的分类 电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。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热元件。电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、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 大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。