桂林航天工业学院毕业设计(论文）
口。因此利用现有技术改造原有生产系统势在必行。而单片机以其功能强、性价比高、小巧灵活、可靠性好、适应温度范围宽而成为工业控制系统的首选。
目前国内大多数电阻炉的温度控制系统正逐步由传统分离式仪表控制转变为PID控制和简单的模糊控制。由生产实践可知电阻炉温度控制系统的时间常数大、纯滞后长。温度控制过程所具有的高度非线性、动态突变性、多时间尺度性、信息复杂性、传感元件与执行元件的分散性以及决策机构的分层分散性等，决定了其难以用精确的数学模型(微分方程或差分方程)来表征。PID控制器简单、稳定性好、可靠性高，普通PID控制器常用于一些线性定常系统的控制，但对于非线性、时变系统难以取得预期的效果[3]。
目前电阻炉温度控制主要问题是：由于电阻炉是一个特性参数随炉温变化而变化的被控对象，常规PID控制方法难以满足工艺温度在大范围变化时的控制要求。另外采用常规PID控制，使得系统的动态品质差，超调量大、调节时间长，系统的跟踪性差。
随着现代工业技术的发展，对热处理温度控制提出了越来越高的要求。为了适应工业要求，己有不少公司研究了一些先进控制策略，实现了许多相对复杂的高级控制算法。
第二章 系统总体设计方案
2.1设计总体思路
本设计是对工业电阻炉温度进行实时监测与控制，主要的温度控制系统能实现基本的温度控制功能：当电阻炉炉内温度低于设定的下限温度时，系统就会对电阻炉发出加热信号，使其温度上升；当电阻炉炉内温度高于设定的上限温度时，系统将停止加热电阻炉，使炉内温度下降。通过PID调节不断重复该过程，使温度值始终保持在上下限温度之间，并且使LED显示器即时显示温度。
2.2 系统技术指标
本系统的技术指标要求如下：
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1.测量温度和控制温度均可以数字显示； 2.被测温度范围为0～1000℃，精度为±0.5℃； 3.控制温度可连续可调，精度为±1℃； 4.温度超过限时，产生声、光报警信号。
2.3 设计方案选择
在选择控制器的时候，有下面几种方案。
方案一：控制核心采用8031。使用最为常用的器件ADC0809作模数转换，使用对电阻丝加电使炉升温。此方案理论上是可行的，所选元件的价格便宜，但8031内部没有设置存储器,需要内存扩展，加大了电路的复杂性，且ADC0809是8位模数转换器，转换的精度较低，所以不能满足控制的要求。
方案二：采用比较流行的STC89C52为电路的控制核心，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机。数据的采集部分使用K型热电偶传感器，数据转换部分采用MAX6675，改变了传统温度测试方法，在现场采集温度数据，并直接将温度模拟量变换为数字信号，送到单片机进行数据处理，检测温度范围为- 270℃～ + 1300℃。可应用于多种领域、各种环境的智能化测试和控制系统，精度高，使用方便灵活，优于大多传统的温度测控设备。
方案三：采用PLC作为控制部分的核心，其他部分的电路，用和方案二同样的设计。这种方案具有和方案二相同的控制精度，而且整个电路比方案二的稳定性更高，但是单片机的价格远远低于PLC，考虑到价格因素，并不适合大批量的生产，所以此种方案不选择。
综上分析，我们采取方案二。系统由单片机STC89C52、键盘、温度检测电路、显示电路等部分组成。
在选择显示器部分的时候，有以下几种方案。
采用四位LED数码管显示。这种方式可以把测量温度的数值及小数点一同显示。硬件电路的连接也很简单，只需要有相应的四个74ls164芯片作为驱动器件，就能使检测温度值直观的显示出来。软件编程也比较容易，相对来说使用起来方便，而且价格较便宜，性价比也高。
采用液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）。它具有：微功耗，显示信息量大，长寿命，无辐射等诸多优点。液晶显示器可以显示不同的图形与符号，但显示这些图形符号使得软件编程变的复杂，不太容易实现。而且液晶显示器的价位相对也比较高。
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比较之后，无论从价格方面，还是方便实用的方面，使用LED显示器都较使用LCD好一些，所以本设计的温度显示部分采用LED显示器。
2.4系统总体设计方案
本系统由单片机、温度信号采集与转换、键盘输入、PID控制、温度显示等五部分组成。
其中，测温元件用K型热电偶，用来检测炉内温度，将炉中温度的物理量值转换成毫伏信号输出，经MAX6675进行处理后，炉温给定值的电压信号和所检测到的炉温电压信号都转换为数字量送入单片机内进行比较，得到实际炉温与给定炉温的差值。由单片机系统构成的数字控制器，对偏差按PID调节规律进行运算，并且在LED显示器上显示温度值，将运算结果送至D/A转换器转换为模拟电压，电压值经过功率放大器放大后，送到晶闸管调压器触发晶闸管，并且改变其导通角的大小，从而调节电阻炉的加温电压，起到控制炉温的作用。其方案图如图2.1所示：
时钟电路温度转换键盘单片机晶闸管电阻炉传感器LED显示报警
图2.1 系统总体设计方案图
单片机：该部分的功能包括向读取温度数据、数据处理，并且还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的数据处理核心及控制核心。
温度信号采集与处理：本部分的主要是用传感器检测温度信号，温度传感器里的电流会随环境温度值的变化而变化。然后将电流信号转换成电压信号，使用MAX6675将模拟电压信号，转换成数字电压信号能在单片机中进行数据处理。
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人机交互及串口通信：人机交互主要是为了提高系统的友好性和实用性。主要包括输出显示、按键输入。输出显示进行数据的显示输出，通过按键输入完成系统参数设置，而串口通信的主要作用是完成单片机与上位机的通信。
电源系统单元：主要功能是为单片机提供合适的工作电源，同时也为其他硬件模块提供电源，如LED显示器、按键等。在本设计中，电源系统输出+5 V 的电源。
执行单元：是本系统的输出控制执行部分，本设计中由于技术原因，无法实现，仅作理论阐述。
温度采集和控制系统已广泛应用于工业生产，科研和人民生活的领域。在工业生产过程中，为使生产过程能顺利进行，充分保证产品的质量，需要对温度进行严格的监控。使用自动温度控制系统，可以对生产环境的温度，进行自动控制，保证生产顺利、安全的进行，从而提高工厂的生产效率。
第3章 系统硬件设计
3.1温度检测部分
3.1.1 温度传感器的选择
本部分主要是温度传感器的选型。传感器的选择受到许多方面的影响，比如各种温度传感器本身有各自优缺点，适应于不同的场合；还有现场的环境因素各有不同，再有就是根据系统要求的不同，所需实现的精度也不同，所以在不同的场合当中，选择温度传感器的类型也将不同。
方案一：热电偶传感器
热电偶传感的原理，是将温度变化转化为电势变化。这种感温元件具有热电效应原理，是利用把两种不同的金属材料连在一起构成的。其优点为构造简单、精确度高、测量范围广、型号种类比较多、使用方便且技术成熟等。目前在工业与民用产品中应用广泛。这种传感器的种类较多，应结合考虑其精确度、灵敏度、稳定性、可靠性等条件来选择[4]。
方案二：热电阻传感器
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热电阻传感器把温度的变化转换为电阻值变化为原理。热电阻传感器是常用在中低温区的一种温度传感器。其主要特点是：精度高，性能稳定。其中测量精度最高的为铂热电阻，被制作成标准的基准仪，广泛应用在工业测温领域。从热电阻的测温原理可知，被测温度的改变是直接通过热敏电阻阻值的改变来体现的。因此，热电阻的引出导线电阻的变化会影响到测温，所以一般采用三线制或四线制来消除引线电阻的影响。热电阻测温系统大多以热电阻、连接导线以及显示仪表组成。
方案三：半导体集成模拟温度传感器
半导体集成电路模拟温度传感器是一种利用半导体PN结的电压、电流与其温度的变换关系来测温的感温元件。这种传感器精度较高，输出线性化好，可以将信号处理电路及传感器驱动电路等与温度传感器部分集成为同一硅片。其体积小，使用方便，应用较广泛的有AD590等。半导体集成模拟温度传感器通常用于室温或周围环境温度的检测，以便单片机系统对温度测量值进行补偿。
方案四：半导体集成数字温度传感器
随着社会的不断进步和科学技术的发展，许多新的温度传感器，应用日益广泛，并开始从模拟式向数字式，单总线型，双总线类型，多总线类型发展。这种数字温度传感器，能与各种单片机的I/O接口连接，组成智能控制系统，这种系统改善了模拟传感器与单片机接口之时，需要信号转换电路和A/D变换器的弊端，广泛应用于工业控制、医疗仪器、电子测温等温度控制系统中，数字温度传感器中有代表性的有DS18B20等。
AD590与PT100都不能直接与单片机的I/O口相连，需要设计信号转换电路，A/D转换电路。DS18B20是数字温度传感器，采用单总线技术，可以直接与单片机I/O口相连。使用DS18B20可以节约单片机I/O口，还能使系统成本降低。但它的测温范围仅限-55℃～+125℃，而电阻炉的温度在一千度上下，所以结合精度要求、测温范围的大小以及价格等各方面因素考虑，选择K型热电偶传感器。
K型（镍铬－镍硅）热电偶能测量1300℃以内的温度，其线性度极好，且价格便宜。但测温部分用K型热电偶需经过A/D转换、放大电路等一系列措施，使得硬件电路部分显得冗余，本设计使用能处理K型热电偶输出信号的芯片MAX6675，该芯片可实现A/D转换、放大电路等功能，且可以和单片机直接通讯，节约了硬件部分，降低了成本。 3.1.2 热电偶的工作原理
两种由不同材料的导体或半导体组成一个闭和的回路(如图3.1所示)，当两接触点温度T和T0不同时，就会在该回路中产生电动势，这种物理现象称为热电效应。这两
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