中北大學2009屆畢業設計說明書第1頁共44頁1緒論1.1研究的目的及意義自從發現電流的熱效應(即楞次-焦耳定律)以后，電熱法首先用于家用電器，后來又用于實驗室小電爐1。隨著鎳鉻合金的發明，到20世紀20年代，電阻爐已在工業上得到廣泛應用。工業上用的電阻爐一般由電熱元件、砌體、金屬殼體、爐門、爐用機械和電氣控制系統等組成。加熱功率從不足一千瓦到數千千瓦。工作溫度在650以下的為低溫爐；6501000為中溫爐；1000以上為高溫爐。在高溫和中溫爐內主要以輻射方式加熱。在低溫爐內則以對流傳熱方式加熱，電熱元件裝在風道內，通過風機強迫爐內氣體循環流動，以加強對流傳熱。電阻爐有室式、井式、臺車式、推桿式、步進式、馬弗式和隧道式等類型。可控氣氛爐、真空爐、流動粒子爐等也都是電阻爐2。電阻爐與火焰爐相比，具有結構簡單、爐溫均勻、便于控制、加熱質量好、無煙塵、無噪聲等優點，但使用費較高3。電熱元件具有很高的耐熱性和高溫強度，很低的電阻溫度系數和良好的化學穩定性。常用的材料有金屬和非金屬兩大類。金屬電熱元件材料有鎳鉻合金、鉻鋁合金、鎢、鉬、鉭等，一般制成螺旋線、波形線、波形帶和波形板。非金屬電熱元件材料有碳化硅、二硅化鉬、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、帶等形狀。電熱元件的分布和線路接法，依爐子功率大小和爐溫要求而定4。在工農業生產或科學實驗中，溫度是極為普遍的又極為重要的熱工參數之一。為了保證生產過程正常安全地進行，提高產品的質量和數量以及減輕工人的勞動強度，節約能源，對加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動或爐內物體而變化，也有的電爐的爐溫根據工藝要求按照某個指定的升溫或保溫規律而變化等。因此，在工農業生產或科學實驗中常常要求不斷地測量溫度，同時還進行控制5。電阻爐是熱處理生產中應用最廣的加熱設備，通過布置在爐內的電熱元件將電能轉化為熱能并借助輻射與對流的傳熱方式加熱工件。熱處理是提高金屬材料及其制品性能的工藝6。根據不同的目的，將材料及其制件加熱到適宜的溫度，保溫，隨后用不同的方法冷卻，改變其內部組織，以獲得所要求的力學性能，通過熱處理中北大學2009屆畢業設計說明書第2頁共44頁可以提高制件的使用效能或壽命7。1.2溫度控制研究目前，我國電阻熱處理是提高金屬材料及其制品質量的重要手段。近年來隨著工業的發展，對金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術也向著優質、高效、節能、無公害方向發展8。電阻爐是熱處理生產中應用最廣的加熱設備，這樣加熱時均溫過程的測量與控制就成為關鍵性的技術，促使人們更加積極地研究控制熱加工工藝過程的方法9。爐控制設備的現狀是一小部分比較先進的設備和大部分比較落后的設備并存。整體上，我國的電阻爐控制系統與國外發達國家相比還比較落后。占主導地位的是儀表控制，這種系統的控制參數由人工選擇，需要配置專門的儀表調試人員，費時、費力且不準確。控制精度依賴于試驗者的調節，控制精度不高，一旦生產環境發生變化就需要重新設置。操作不方便，控制數據無法保存。因而，對生產工藝的研究很困難，因此造成產品質量低、廢品率高、工作人員的勞動強度大、勞動效率低，這些都影響了企業的效益。近年來，雖然引進了國外的一些控制器，如日本島電的R四3型40段(步)可編程PID調節器，全部操作窗口按功能分為6個窗口群，共95個子窗口，其設置仍然繁雜10。電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統，開關爐門、加熱材料、環境溫度以及電網電壓等都影響控制過程，傳統的加熱爐控制系統大多建立在一定的模型基礎上，難以保證加熱工藝要求11。電阻爐在國民經濟中有著廣泛的應用，而大功率的電阻爐則應用在各種工業生產過程中。然而，大多數電阻爐存在著各種干擾因素，將會給工業生產帶來極大的不便。因此，在電阻爐溫度控制系統的設計中，應盡量考慮到如何有效地避免各種干擾因素而采用一個較好的控制方案，選擇合適的芯片及控制算法是非常有必要的12。一直以來，人們采用了各種方法來進行溫度控制，都沒有取得很好的控制效果。起先由于電阻爐的發熱體為電阻絲，傳統方法大多采用儀表測量溫度，并通過控制交流接觸器的通斷時間比例來控制加熱功率。由于模擬儀表本身的測量精度差，加上交流接觸器的壽命短，通斷比例低，故溫度控制精度低，且無法實現按程序設定的升溫曲線升溫和故障自診斷功能，因此要對傳統的溫度控制方法進行改造13。如中北大學2009屆畢業設計說明書第3頁共44頁今,隨著以微機為核心的溫度控制技術不斷發展,用微機取代常規控制已成必然，因為它確保了生產過程的正常進行，提高了產品的數量與質量，減輕了工人的勞動強度以及節約了能源，并且能夠使加熱對象的溫度按照某種指定規律變化，而且微型計算機在智能溫度測量和控制電器中的控制作用是一種智能行為，所以，它在能量消耗上是比較少的，和普通儀表溫度測量相比，智能溫度測量與控制電器是一種節能電器。這不但對用戶來說具有很大的意義，而且對整個社會來說都是有重大意義的14。1.3工作內容系統要求電阻爐爐內的溫度按圖1.1的規律變化。從室溫OT開始到a點為自由升溫段，溫度一旦達到aT，就進入系統調節；從b點到c點為保溫段，要始終在系統的控制之下，以保證所需的爐內溫度的精度，保溫的時間為75min；加工結束后，由c點到d點為自然降溫段。圖1.1爐溫控制要求爐溫變化曲線要求參數：過渡時間0t100min；超調量p10；靜態誤差ve2。溫度的變化范圍為20220，保溫值為200。本次設計主要做的是硬件電路的設計及軟件的編程，用計算機進行溫度的控制，同時采用PID算法使系統獲得較好的性能指標。系統分為四個部分：A/D轉換、PID控制、外部中斷、單片機控制。中北大學2009屆畢業設計說明書第4頁共44頁2系統方案設計2.1控制方法常見電阻爐的溫度控制方法：串級控制；前饋-反饋控制；比值控制；Smith預估控制。2.2工作原理一個反饋系統，在干擾的作用下，被控量偏離給定值，即出現系統偏差時，通過控制器的控制作用來抵消干擾的影響。大多被控制對象有純滯后現象，因此采用反饋控制提高精度，提高系統的性能指標。2.3爐溫控制系統工作原理電阻爐溫度自動控制體統采用了AT89S52單片機作為控制器，擴展了數碼管顯示、鍵盤、報警及A/D轉換電路等，其系統框圖如圖2.1所示。控制系統采用鉑電阻測量加熱電阻的入口溫度和出口溫度，經A/D轉換后送入單片機與給定溫度比較，其偏差經PID運算后輸出，控制晶閘管三相調功模塊導通和斷開時間的不同來控制電熱元件的通斷時間，并由此來控制加熱電阻的加熱溫度。控制系統控制固態繼電器（SSR）的通斷控制循環泵的運轉，循環泵不運轉，加熱爐不能通電加熱。圖2.1電阻爐溫度控制系統入口溫度出口溫度AT89S52固態繼電器晶閘管三相調功模塊A/D轉換鍵盤、顯示加熱爐EEPROM循環泵報警電路信號處理電路中北大學2009屆畢業設計說明書第5頁共44頁3硬件設計及器件選擇3.1單片機的選擇選擇AT89S52單片機作為控制系統的核心，AT89S52內部有8KB的程序儲存器，256B的數據儲存器，因而無需再擴展儲存器，使系統大大簡化。AT89S52主要完成溫度的采集、控制、顯示和報警等功能。AT89S52引腳說明AT89S52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89S52可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。表3.1AT89S52的管腳功能特性主要功能特性：兼容MCS52指令系統8k可反復擦寫(1000次）FlashROM32個雙向I/O口256x8bit內部RAM3個16位可編程定時/計數器中斷時鐘頻率0-24MHz2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設置睡眠和喚醒功能3.2數據儲存器擴展設定的溫度曲線需要長期保存，擴展一片串行EEPROMAT24C256來保存設定的溫度曲線。3.2.1AT24C56引腳說明其引腳排列如圖3.1所示，管腳配置如表3.2所示。中北大學2009屆畢業設計說明書第6頁共44頁表3.2AT24C256管腳配置管腳名管腳功能A0A1地址線SDA數據線SCL串口時鐘脈沖WP寫保護NC未定義圖3.1AT24C256引腳圖A0、A1：地址選擇輸入端。在串行總線結構中，可以連接4個AT24C256。用A0、A1來區分各IC。A0、A1懸空時為0。SCL：串行時鐘輸入。上升沿將SDA上的數據寫入存儲器，下降沿從存儲器讀出數據送SDA上。SDA：雙向串行數據輸入輸出口。用于存儲器與單片機之間的數據交換。WP：寫保護輸入。此引腳與地相連時，允許寫操作；與VCC相連時，所有的寫存儲器操作被禁止。如果不連，芯片內部下拉到地。VCC：電源。GND：地。NC：空。3.2.2AT24C256的工作原理AT24C256內部有512頁，每一頁為64字節，任一單元的地址為15位。地址中北大學2009屆畢業設計說明書第7頁共44頁范圍0000H7FFFH。3.2.3芯片工作狀態1）時鐘和數據傳送一般情況下，SDA被外部的設備拉到高，只有當SCL為低電平時，SDA上的數據變化，表示要傳送數據。SCL為高時SDA變化表示狀態變化。2）開始狀態（START）當SCL為高時，SDA由高到低表示數據傳送開始，這一狀態必須在所有命令之前。3）結束狀態（STOP）當SCL為高時，SDA由低到高表示數據傳送結束狀態。4）應答狀態（ACK）所有的地址和數據都是以8位的形式串行傳送給存儲器或從存儲器讀出的。存儲器在第9個時鐘周期SDA發零信號表示已經收到8位數據。3.3傳感器的選擇及設計目前在溫度測量領域內除了廣泛使用熱電偶外，電阻溫度計也得到了廣泛的應用，尤其工業生產中-120+500范圍內的溫度測量常常使用電阻溫度計。本設計中采用鉑電阻來測量溫度，由于鉑電阻有精度高、穩定性好、性能可靠，且在氧化性氣氛中，甚至在高溫下的物理、化學性質都非常穩定，在1000的范圍內，鉑電阻值與溫度變化曲線基本是線性的，因此選擇其作為電阻溫度計，其分度號為2，電