電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-資料下載頁

【導(dǎo)讀】的分析來確定電加熱爐的溫度控制硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制方案。具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的以普通雙向晶。節(jié)輸出功率,達(dá)到自動(dòng)控制電爐溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波,實(shí)。采用固態(tài)繼電器控溫電路,通過單片機(jī)控制固態(tài)繼電器,其波形為完整。的正弦波,是一種穩(wěn)定、可靠、較先進(jìn)的控制方法。為了降低成本和保證較高的控。測量部分是采用鉑銠10-鉑。為了在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中具有較強(qiáng)的抗干擾能力,采取了一系列抗干擾措施。有較高的適用價(jià)值和理論價(jià)值。

　　

【正文】 送器將熱電偶的原始電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化后傳遞給 AD574A 模塊。 （ 1）熱電偶 (鉑銠 10鉑銠熱電偶 ) 自 1885 年 Lechatelier 發(fā)明鉑銠 10鉑銠熱電偶以來，已有 100 多年的歷史，東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 對(duì)其性能及制造工藝曾作過詳細(xì)研究。該種熱電偶正極的明義成分為含銠 10%的鉑銠合金（代號(hào)為 SP），負(fù)為純鉑（代號(hào)為 SN）。該種熱電偶的特點(diǎn)是熱電性能穩(wěn)定、抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用。長期使用溫度為 1400℃ ，超過此溫度時(shí)，即使在空氣中，純鉑絲也將因再結(jié)晶致使晶粒粗大。故長期使用溫度限定在 1400℃以下，短期使用溫度為 1600℃。在所有的熱電偶中，它的準(zhǔn)確度等級(jí)最高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)或作為測量高溫的熱電偶，它的使用溫度范圍廣、均質(zhì)性及互換性好。 S 型熱電偶的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，電極絲直徑很細(xì)（ ～ ），機(jī)械強(qiáng)度較低；與其它熱電偶相比，它的熱電勢比較小，熱電動(dòng)勢率平均為 9μ V/℃，因此需配用靈敏度高的顯示儀表；該種熱電偶不適合于在還原性氣氛或含金屬蒸氣的條件下使用，尤其應(yīng)避免接觸有機(jī)物、鐵、硅、 H2 及 CO 等等 。在真空下只能短期使用。鉑在不太高溫度下易發(fā)生再結(jié)晶及晶粒長大現(xiàn)象，不僅使高溫強(qiáng)度降低，而且容易引起污染，致使熱電偶性能不穩(wěn)定。鉑銠 10鉑熱電偶的分度以前為 LB3，現(xiàn)為 S，外觀如下圖所示 : 圖 313 熱電偶 （ 2）熱電偶溫度變送器 本熱電偶溫度變送器儀表與各種不同型號(hào)的熱電偶配套使用（采用全隔離萬能輸入， 1～ 3通道信號(hào)輸入），具有 128179。 64點(diǎn)陣式液晶 ,LED背光。能將被測溫度線性地轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 4～ 20mA DC 及 1 ～ 5V DC 輸出供給指示 記錄儀，摸擬調(diào)節(jié)器，可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器，分散系統(tǒng)及工業(yè)過程控制機(jī)使用。本儀表采用二 /四線制連接方式，由于在電路上采用了高性能的功能模塊結(jié)構(gòu)方式，使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，美觀大東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 方，體積縮小，重量輕安裝調(diào)校簡單，維護(hù)工作量小。且具有斷偶報(bào)警功能（輸入信號(hào)大于 5V 或小 1V）。 主要技術(shù)指標(biāo) 輸入信號(hào)：各種類型的熱電偶和熱電阻 輸入阻抗：電流： 250歐，電壓﹥ 300千歐；毫伏﹥ 1兆歐 輸出信號(hào)： 1～ 5V DC； 4～ 20mA DC 輸出信號(hào)：負(fù)載電阻： 0～ 500Ω 工作條件： 環(huán)境溫度： 0～ 60℃ 相對(duì)濕度： 1O～ 75% 供 電電源： 24V177。 DC 周圍空氣中不含有腐蝕性氣體 消耗功率： 圖 314 溫度變送器 控制芯片 （ 1）單片機(jī)工作部分 如圖可知 AT89C52 的基本操作電路。但其中的一些參數(shù)還得依據(jù)具體要求來設(shè)計(jì)。具體接幾兆晶體是基于機(jī)器周期考慮。 一個(gè)機(jī)器周期由 6 個(gè)狀態(tài) (S1－ S6)組成，每個(gè)狀態(tài)又持續(xù)兩個(gè)振蕩周期 (分為 P1 和 P2)。這樣，一個(gè)機(jī)器周期由 12個(gè)振蕩周期組成，由 S1P1(狀態(tài) 1 節(jié)拍 1)到 S6P2(狀態(tài) 6 節(jié)拍 2)。若是采用 12MHz 的晶體 振蕩器，則每個(gè)周期恰好為 1us，如此對(duì)于編程而言相對(duì)容易些。因而選擇 12MHz 的晶體振蕩器。 此外在兩引腳之間加入兩個(gè) 20pF 的小電容是為了使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免雜音干東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 擾而關(guān)機(jī)。 （ 2)電源部分 ① 穩(wěn)壓電路 :如圖所示，電源接入采用 5V 的直流電對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電，使用了LM7805CT 芯片來對(duì)輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓， LM7805CT 三端集成穩(wěn)壓器，耗電電流為100MA左右，輸入電壓為 12V 直流電，輸出為電路的工作電壓 5V。 在芯片旁邊設(shè)計(jì)了兩個(gè)電容，它們的目的是濾除外界對(duì)電路的干擾，使 電路得到一個(gè)穩(wěn)定線性的直流電壓。為了確認(rèn)電路進(jìn)入工作狀態(tài)，還在設(shè)計(jì)時(shí)加入了一個(gè)發(fā)光二極管，用于顯示電源是否正常工作，如果電路處于接電狀態(tài)，二極管就會(huì)導(dǎo)通而發(fā)光。 圖 315 穩(wěn)壓電路 ② 掉電保護(hù)電路：電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降 , 將使微機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài) , 電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常 ,微機(jī)系統(tǒng)難以正常恢復(fù) , 有效方法是掉電保護(hù) . 如插頁電路原理圖連接成一個(gè)功能完備的掉電檢測電路和 CPU電源切換電路 , 利用 R3 和 DW 在運(yùn) 放的負(fù)輸入端建立一個(gè)參考電壓信號(hào) (～ ). 再由 R1和 R2分壓 , 在運(yùn)放的正輸入端建立電源檢測信號(hào) , 調(diào)整 R1和 R2的比值 , 使 VCC高于 . 運(yùn)放輸出為高電平 , 當(dāng) VCC 低于 時(shí) ,運(yùn)放輸出低電平信號(hào) , 去觸發(fā) 80C51 的外部中斷 .CPU 進(jìn)入掉電保護(hù)狀態(tài)后耗電極微 , VCC 繼續(xù)下降后 , CPU 通過 D3從備用電池 E中傳到工作電壓 (～ ),維持片內(nèi) RAM 數(shù)據(jù)不丟失 , 如果電容 C 選用自身漏電極微的大容量電解電容器 , 二極管 D2 選區(qū)用硅二極管 , 則在不要備用電源 E(當(dāng)然也不要 二極管 D3)的情況下 , RAM 中信息可保持 10h 以上。掉電檢測電路必須在電壓下降到 CPU 最低工作電壓之前就提出中斷申請(qǐng) , 提前時(shí)間為幾百 ms 到數(shù) ms, 掉電后 , 外圍電路失電 , 但 CPU 不能失電 , 以保護(hù) RAM 內(nèi)容不變 ,故有一套備用電源，執(zhí)行一條 ORL PCON,2 的指令即可進(jìn)入掉電工作狀態(tài) , 當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí) , CPU 重新首先檢查是否有掉電標(biāo)記 , 若有則不初始化 , 而應(yīng)該按掉電中斷子程序 , 相反的方式恢復(fù)現(xiàn)場。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 圖 316 掉電保護(hù)電路 ③ 手工復(fù)位電路：如附頁電路原理圖所示，電阻 R15， R14，電容器 C6，開關(guān)S1組成的復(fù)位電路，其輸出端與 AT89C52 的 RST 端相連。 （ 3)顯示部分的設(shè)計(jì) 由 LED 組成的 7段發(fā)光管顯示器是不太復(fù)雜的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用外部設(shè)備之一，在這里我們就選用兩個(gè) 4數(shù)碼管一體化來顯示當(dāng)前溫度值和設(shè)定溫度值 . ① 7 段發(fā)光管顯示器由 7 段發(fā)光線段組成，并按“日”字形排列，每一段都是一個(gè)發(fā)光二極管，如圖所示。圖中將 7 個(gè) LED 的陰極連在一起，稱之 為共陰極接法。反之為共陽極接法。 ② 如果將公共陰極接地，而在 a～ g 各段的陽極加上不同的電壓，就會(huì)使各段的發(fā)光情況不同，形成不同的發(fā)光字符。加在 7 段陽極上的電壓可以用數(shù)字量表示，如果某一段的陽極為數(shù)字量 1，則這個(gè)段就發(fā)光；如為 0，則不發(fā)光。數(shù)字量與段的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表所示。 圖 317 七段數(shù)碼顯示管原理 表 33 數(shù)碼管顯示代碼表 abcdefgd pc o ma bfgc o mcd pdec o mabfgcd pdec o mabfgcd pde東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 顯示字符 共陽極 字符碼 共陰極 字符碼 0 3FH C0H 1 06H F9H 2 5BH A4H 3 4FH B0H 4 66H 99H 5 6DH 92H 6 7DH 82H 7 07H F8H 8 7FH 80H 9 6FH 90H 在本系統(tǒng)涉及到的設(shè)計(jì)中使用了 8個(gè) 7段 LED顯示器，用以分別顯示當(dāng)前溫度值和設(shè)定的參考溫度值（各 4位），而多位顯示器連用有兩種方法。 其一，每一位都用各自的 8位輸出口控制，在顯示某字符時(shí)，相應(yīng)的段恒定發(fā)光或不發(fā)光。這種顯示方法屬于靜態(tài)顯示。顯然，靜態(tài)顯示需占用較多的 I/O 口線。 其二，是動(dòng)態(tài)顯示。即將多個(gè) 7段 LED 的段選端復(fù)接在一起，只用一個(gè) 8位輸出口控制段選，段選碼同時(shí)加到各 個(gè) 7段 LED顯示器上，通過控制各個(gè)顯示器公共陽極輪流接高電平的辦法，逐一輪流地啟動(dòng)各個(gè) LED。在這種方法中，只要恰當(dāng)?shù)剡x擇點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間，就會(huì)給人以這樣一種假相：似乎各位 LED 是“同時(shí)”顯示的。動(dòng)態(tài)顯示法是目前各種單片機(jī)采用的流行方法。其優(yōu)點(diǎn)是硬件簡單，“動(dòng)態(tài)”由軟件實(shí)現(xiàn)。因而這里選用動(dòng)態(tài)顯示的方法。 （ 4)LED 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) LED 是電流控制的顯示器件，若想使 LED 發(fā)光則必須保證有足夠大的電流流過LED的各段。流過 LED 的電流大時(shí)， LED 發(fā)光亮度高；流過 LED 的電流小時(shí)， LED 發(fā)光亮度就低，為了使 LED 能夠長期可靠地工作應(yīng)使流過 LED 的電流為其額定電流。為 LED顯示器提供電流的電路稱為 LED的驅(qū)動(dòng)電路。由于顯示部分選擇了動(dòng)態(tài)顯示，因此驅(qū)動(dòng)電路也選擇動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。 動(dòng)態(tài)顯示電路的驅(qū)動(dòng)電路分為段驅(qū)動(dòng)電路和位驅(qū)動(dòng)電路兩種。段驅(qū)動(dòng)電路考慮到所有的段電流均流過位選線，因此位驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力應(yīng)為段驅(qū)動(dòng)能力的 8 倍(最嚴(yán)重情況八段全亮 )。 圖 為動(dòng)態(tài)顯示時(shí)的驅(qū)動(dòng)電路原理圖，圖中采用了 7407 驅(qū)動(dòng)芯片電路。 驅(qū)動(dòng)電路可采用分立元件電路，也可采用集成驅(qū)動(dòng)電路，此外有些硬件譯碼電路本身包括驅(qū)動(dòng)電路。由于這里采用動(dòng)態(tài) 輸出，且單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了數(shù)碼管可以直接由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此采用分立元件的顯示驅(qū)動(dòng)電路也很簡單。 具體顯示部分電路如圖所示。它是 8 位 LED 動(dòng)態(tài)顯示接口電路。 LED 顯示器為東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 共陽極，字段線并聯(lián)，共用 8279 的 OUTA0～ 3 和 OUTB0～ 3 口 (輸出字段碼 )，每位LED的公共端由的 SL0～ SL2 口控制，即由其編碼后口輸出位碼，經(jīng)過開關(guān)三極管控制位選。顯然圖中各顯示位不可能同時(shí)顯示不同的數(shù)字或符號(hào)，只有采用動(dòng)態(tài)的方法輪流使每位顯示器顯示，并保留一段時(shí)間，通常保留時(shí)間為 10ms。由于 LED 具有余輝性以及人眼視覺的惰 性，雖然每位顯示器的顯示是分時(shí)段性，但只要適當(dāng)選取掃描頻率，人眼的視覺就是連續(xù)的。 (5)鍵盤電路的設(shè)計(jì) 這里設(shè)計(jì)鍵盤的功能是清零，啟動(dòng)和單片機(jī)復(fù)位鍵，所以手持端只需三個(gè)鍵測溫端只需一個(gè)鍵即可完成。 單片機(jī)系統(tǒng)所用的鍵盤有編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。 ① 編碼鍵盤本身除了按鍵之外，還包括產(chǎn)生鍵碼的硬件電路。只要按下編碼鍵盤的某一個(gè)鍵，它就能產(chǎn)生這個(gè)鍵的代碼，并稱為鍵碼，與此同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，以通知 CPU接收鍵碼，編碼鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是使用比較方便，亦不需要編寫太復(fù)雜的程序。其缺點(diǎn) 是使用的硬件較復(fù)雜。 ② 非編碼鍵盤的按鍵是排列成行、列矩陣形式的。按鍵的作用只是簡單地實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)的接通或斷開，因此必須有一套相應(yīng)的程序與之配合，才能產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼，非編碼鍵盤幾乎不需要附加什么硬件電路。因此為了簡潔電路，我使用非編碼鍵盤。但使用非編碼鍵盤需要通過軟件來解決按鍵的識(shí)別、防抖動(dòng)以及如何產(chǎn)生鍵碼的問題。 ③ 按鍵在閉合和斷開時(shí)，觸點(diǎn)會(huì)存在抖動(dòng)現(xiàn)象： (如下圖所示的抖動(dòng)曲線 ) 消抖電路如下所示 : 圖 318 消抖電路 基于鍵數(shù)少的原因我采用獨(dú)立式鍵盤接口與單片機(jī)相連接，因?yàn)樗加玫?I/O口不多。圖中每個(gè)按鍵占用一個(gè)口，彼此獨(dú)立，互不影響。上拉電阻保證按鍵沒被按下按 下 抖 動(dòng)釋 放 抖 動(dòng)理 想 波 形實(shí) 際 波 形穩(wěn) 定 閉 合＋ 5 V＋ 5 VAB無 抖 動(dòng)有 抖 動(dòng)?xùn)|華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 時(shí)， I/O口輸入高電平。 獨(dú)立式鍵盤可工作在查詢方式下，通過 I/O口讀入鍵狀態(tài)，當(dāng)有鍵被按下時(shí) I/O口變?yōu)榈碗娖剑幢话聪碌逆I對(duì)應(yīng)為高電平，這樣通過讀電平狀態(tài)可判斷是否有鍵按下和哪個(gè)鍵被按下。 加熱器控制電路 （ 1)溫度控制思路 : 溫度調(diào)節(jié)方式主要有 : ① 手動(dòng) ② 雙位控制 (開關(guān)控制 ) ③ 時(shí)間比例控制 ④ 比例溫度控制 ⑤ PID 控制 本控制系統(tǒng)比較以上幾種控制方式后博采眾長選用比例積分微分 (PID)溫度控制 ,因?yàn)橄啾扔谄渌鼛追N控制方式如 P 控制溫度系統(tǒng)能使溫度穩(wěn)定在某一具體值上 (熱平衡狀態(tài) ),但當(dāng)某作用量發(fā)生變化時(shí) (如電源電壓變化時(shí) )