毕业设计：基于单片机的工业电阻炉智能温度控制系统设计 - 图文(2)

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Abstract

Temperature is the ever-present quantities in daily life, temperature

control in various fields have positive significance. Such as resistance furnace is produced by electric current flows through the resistor body heat to the heating or melting materials of a furnace. Resistance furnace is widely used in chemical industry, metallurgy, etc. It high to the requirement of temperature control, temperature control is good or bad a direct impact on product quality and production efficiency, therefore the resistance furnace temperature control in scientific research, industrial production has important significance. This design USES the single chip microcomputer as the control unit, data processing and in electric resistance furnace as control object, the thermocouples used as measuring element, SCR as the output control components to achieve automatic control of resistance furnace temperature. By K type thermocouple temperature sensor, the system of resistance furnace temperature of the detected signals into MAX6675 chip, after signal amplification and a series of transformations, again to send signal to microcontroller STC89C52 within the PID arithmetic, at the same time can through the keyboard to adjust PID parameters. After PID arithmetic, the control signal output, through the LED display shows the value at the same time, and then make the resistance furnace temperature always stay within the range set. This design according to the needs of the system, designed the hardware circuit and detailed introduces the various parts of hardware circuit; According to each part of the software flow chart. Write the software programs.

Key words: resistance furnace; MAX6675; Single chip microcomputer; PID control

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目录

摘要 ............................................................................................................................................ 1 第一章 引言 .............................................................................................................................. 1

1.1 课题研究的背景及意义 .............................................................................................. 1 1.2 电阻炉的应用与发展 .................................................................................................. 2 第二章 系统总体设计方案 ...................................................................................................... 3

2.1设计总体思路 ............................................................................................................... 3 2.2 系统技术指标 .............................................................................................................. 3 2.3 设计方案选择 .............................................................................................................. 4 2.4系统总体设计方案 ....................................................................................................... 5 第三章 系统硬件设计 .............................................................................................................. 6

3.1温度检测部分 ............................................................................................................... 6

3.1.1 温度传感器的选择 ............................................................................................ 6 3.1.2 热电偶的工作原理 ............................................................................................ 7 3.1.3温度信号处理芯片MAX6675 ........................................................................... 8 3.2 单片机 ........................................................................................................................ 10 3.3 时钟电路 .................................................................................................................... 12 3.4 复位电路 .................................................................................................................... 13 3.5 串口通信电路 ............................................................................................................ 14 3.6 报警电路 .................................................................................................................... 14 3.7 显示电路 .................................................................................................................... 15 3.8 按键电路 .................................................................................................................... 17 3.9 D/A转换电路 ............................................................................................................. 18 第四章 软件设计 .................................................................................................................... 20

4.1 软件设计思路 ............................................................................................................ 20 4.2 系统软件流程图 ........................................................................................................ 21

4.2.1 主程序流程图 .................................................................................................. 21 4.2.2 温度检测与处理子程序 .................................................................................. 22 4.2.3 报警子程序 ...................................................................................................... 23

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4.2.4 PID子程序 ........................................................................................................ 23 4.2.5 显示流程图 ...................................................................................................... 26 4.2.6 键盘扫描流程图 .............................................................................................. 27 4.2.7 键盘处理流程图 .............................................................................................. 28 4.2.7 D/A转换子程序流程图 ................................................................................... 29

第五章 调试结果 .................................................................................................................... 30

5.1硬件调试 ..................................................................................................................... 30 5.2 软件调试 .................................................................................................................... 30 5.3 联机调试 .................................................................................................................... 30 第六章 小结 ............................................................................................................................ 32 第七章 致谢 ............................................................................................................................ 33 参考文献 .................................................................................................................................. 34 附录原理图 .............................................................................................................................. 35 附录程序 .................................................................................................................................. 36

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第1章 引言

1.1 课题研究的背景及意义

20世纪20年代以来，电阻炉就在工业生产中得到了广泛地应用。随着社会的发展，科学技术的进步，电阻炉被大量的应用在电力、冶金、机械、石油化工等工业生产中。在这些工业生产中，温度的测量及控制影响着生产安全、产品质量、生产效率等重要的技术经济指标，电阻炉温度控制的稳定性、精度、可靠性等要求也逐步提高。而在各个领域测温仪器的实际应用表明，智能化仪器已经是现代电阻炉温度控制系统发展的主要方向[1]。基于此，设计一种智能化的电阻炉温度控制系统有广泛的应用前景及实际意义。

电阻炉是利用电流流过电阻体，使其产生热量来加热或熔化物料的一类电炉。它的特点是：

①电路简单；

②对炉料种类的限制较少；（小型电阻炉可用来加热食品、干燥木材）； ③炉温控制精度高； ④容易在真空中加热等特点。 它主要作用于：

①机械零件的淬火、退火、渗碳等热处理 ； ②各种材料的干燥、加热、烧结、熔化等。

电阻炉的参数有工作空间尺寸、额定温度、额定电压、额定功率。电阻炉按炉温不同可分为低温电阻炉(600～700℃以下)、中温电阻炉(700℃～1200℃)、高温电阻炉(1200℃以上)[2]。

电阻炉的温度控制主要有：1、传统PID控制；2、智能控制。

PID控制温度系统的效果，主要取决于P、I、D三个参数。PID控制对于确定了的温度系统控制效果较好，但是对控制大惯性、大滞后、时变性温度系统则难以保证其控制品质。电阻炉大多是经电阻丝加热升温，自然冷却降温的，当电阻炉的温度超调时，无法靠控制手段降温，所以电阻炉温度的控制具有滞后性、非线性、惯性、不确定性等特点。目前国内较成熟的电阻炉温度控制系统中，以PID控制器为主。PID控制器对小型实验用的电阻炉控制效果良好，但对于大型工业用电阻炉，就难以保证电阻炉温度控制系统的稳定性及精度等问题。

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智能控制是一种不需要人操作就能驱动智能机械来实现其目标的自动控制。随着科学技术、控制理论的发展，国外的温度控制系统发展很迅速，基本实现对温度的智能控制。被广泛应用的温度智能控制方法有：模糊控制、神经网络控制、专家系统等。具有自适应、自协调、自学习等能力，使控制系统的控制精度、稳定性、抗干扰能力等性能得到保证[4]。

本文以电阻炉为控制对象，以单片机STC89C52为硬件核心元件，采用PID控制，该系统硬件电路设计简单、控制算法成熟稳定、系统性能优良。

1.2 电阻炉的应用与发展

整体上，我国的电阻炉控制系统比国外发达国家要落后四、五十年，占主导地位的是模拟仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置，操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低、这些都缩减了企业的效益[3]。

目前在控制领域，电阻炉控制系统的水平在很大程度上取决于测控水平的高低。由于现代工业生产规模的不断扩大和生产工艺的日益复杂，对生产过程的自动控制提出了越来越高的要求，不但要求自动控制系统有优越的控制性能、良好的性能价格比、良好的可维护性等，还要求高可靠性、灵活的构成方式和简易的操作方法。这也使得生产过程自动控制技术得到了不断的发展。

近年来，随着计算机技术、超大规模集成电路技术、网络通信技术的进步，工业控制已逐步从单机监控、直接数字控制发展到以新型工业控制网络、智能化仪表和控制器为主要支撑技术的过程自动化与信息管理自动化相结合的计算机综合型控制系统，其本质是利用计算机技术对生产过程进行监视、操作和管理。从控制系统的角度讲，计算机控制系统经历了直接数字控制系统(DDC)、分散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)三个阶段。而在过程控制系统中采用分散控制系统己经成为主流。分散控制系统中有以可编程序控制器为中心或以微型计算机为中心的两种主要形式，二者的设计思想及方法均有较大差别。国外先进电阻炉的控制系统普遍采用了以PC、PLC、PCC等为核心的可编程系统，并在一些高精度生产装备上采用了模糊控制、统计过程控制(SPC)，以及基于网络的远程监控、故障诊断和控制系统。而我国在先进测量系统方面，基本上依赖进

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