《電加熱爐控制器設(shè)計6900字（論文）》

電加熱爐控制器設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u28717摘要 電加熱爐控制器設(shè)計摘要：在我國經(jīng)濟快速發(fā)展的時代，我國工業(yè)的發(fā)展也在日益劇增，其工業(yè)所用的電加熱導(dǎo)熱爐則是一種當(dāng)前非常穩(wěn)定、高效的工業(yè)爐。其熱油爐是可以通過對熱量傳播給用熱設(shè)備，在導(dǎo)熱體中有自動控制功能。其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。在工業(yè)中的電熱爐，在進行工作時，其熱爐內(nèi)的溫度一旦超過規(guī)定的溫度，就很難對其降溫，所以在對其進行模型建立和計算時，是非常難以運用到模型的統(tǒng)計中，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達到理想的控制效果。本文運用一定的計算方法對其進行系統(tǒng)的控制，對此建立的系統(tǒng)，設(shè)計了電加熱爐的硬件圖，并詳細論述了各個硬件組成部分的工作原理，以及各部分所使用的元器件。運用其智能化優(yōu)勢滿足電加熱爐內(nèi)溫度的控制性、平穩(wěn)性，減少了操作人員的勞動量和帶來的人為誤差，提高了產(chǎn)品的熱處理質(zhì)量。關(guān)鍵詞：單片機；電加熱爐；溫度控制一、緒論（一）設(shè)計背景和意義1.研究的背景全球的經(jīng)濟在快速回暖，其各國的工業(yè)制造在日益劇增，隨著經(jīng)濟發(fā)展、工業(yè)也在快速發(fā)展，所以對新能源的要求也非常高，過多的采伐能源，會對國家的自然環(huán)境受到嚴重的影響，所以在能源問題上，我國的工業(yè)把電家熱爐用在能源消耗上，大大的減少能源的用量，這一工作原理的方法一出來，就得到了不同的凡響，加熱爐技術(shù)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史了，各個時期有不同的產(chǎn)品，它們都代表各個時期的發(fā)展水平。2.研究的意義單片機以其微體積、微功耗、價格低廉等特點，在各種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，大到工業(yè)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域，小到家電領(lǐng)域等，單片機的身影無處不在。單片機的引入可以使以前單純靠硬件電路搭建的控制電路，將其內(nèi)部的數(shù)字電路和軟件組成部分相結(jié)合，通過對兩者的結(jié)合，可以對其進行更為準(zhǔn)確、復(fù)雜的計算法則，通過其結(jié)合的方式，對系統(tǒng)的內(nèi)部控制達到準(zhǔn)確效果。在口常生活中，我們看到智能云電視、智能變頻空調(diào)等，卻忽略了家用電加熱爐的智能性改進。國民經(jīng)濟隨著時代的發(fā)展，在不斷地提升，但是電加熱爐由于其安裝方便、價格低廉、節(jié)能省電等特點。但是現(xiàn)如今市場上存在的電加熱爐大多數(shù)仍是單純硬件電路的搭建，有著功能單一，智能性差，用戶體驗差等缺點。因此對家用電加熱爐進行有效改進，加入先進的軟件算法，提高舒適性和智能性，使更多的用戶體驗到高新技術(shù)發(fā)展給生活帶來的便利和舒適，具有極其重要的研究價值。二、電加熱爐發(fā)展現(xiàn)狀最近幾年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，需要消耗大量的能源，并且環(huán)境污染問題越來越突出，節(jié)省能源、保護環(huán)境已被人們所接受，節(jié)能減排已經(jīng)成為人人有責(zé)的動向。對其國內(nèi)工業(yè)的電加熱爐的技術(shù)進行詳細的分析和研究，通過其研究的數(shù)據(jù)對其進行分析，分析其未來的方向標(biāo)。對于現(xiàn)在講品種、講效益的時代，論一個產(chǎn)品的自動化和其多樣性，是判斷該產(chǎn)品的優(yōu)劣勢，決定了該加熱爐適應(yīng)的生產(chǎn)行業(yè)。國民的經(jīng)濟生活越來越好，離不開計算機的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，所以在工業(yè)的角度上，同樣也是對其進行計算機的控制技術(shù)，運用計算機系統(tǒng)的內(nèi)部控制技術(shù)，對其智能調(diào)控溫度系統(tǒng)可以進行很好的控制，該技術(shù)已經(jīng)成熟。當(dāng)前，國內(nèi)外對電家熱爐的內(nèi)部控制系統(tǒng)，根據(jù)其特有的技術(shù)，設(shè)計出不同的控制系統(tǒng)。雖然我國的微電機起步較晚，但是在對其溫度的控制系統(tǒng)中，其研究的成果也是快速的，國內(nèi)對電加熱爐的溫度控制大多還處于人工經(jīng)驗、單值設(shè)定值控制階段。國內(nèi)各種形式的加熱爐發(fā)展到現(xiàn)在，還不能講那一種形式是最先進、最成熟的，都多多少少存在一些問題，還有待我們?nèi)ヌ剿?，比如在其中參?shù)之間運行時所出現(xiàn)的定量問題，其溫度控制系統(tǒng)在優(yōu)化時，能夠達到何種完美的優(yōu)化程度。都需要通過計算機系統(tǒng)的控制進行詳細的計算。二、電加熱爐控制器溫度信號處理（一）電加熱爐控制器系統(tǒng)構(gòu)成電加熱爐廣泛用于冶金、石油化工、紡織印染等工業(yè)生產(chǎn)過程。因此對加熱爐溫度的控制是必不可少的。作為被控對象，電加熱爐具有非線性、時變性、分布參數(shù)等特點。電加熱爐爐膛溫度是由多組爐絲的供電能量來調(diào)節(jié)的，它們分別由多套晶閘管調(diào)功器供電。電家熱爐內(nèi)的調(diào)節(jié)器是通過其觸發(fā)器而進行變壓的。為了控制爐溫，設(shè)計了一套電加熱爐計算機控制系統(tǒng)，如圖2.1所示。圖2.1電加熱爐計算機控制系統(tǒng)原理框圖通過上圖可以看出，電加熱爐的核心部位是單片機微型處理器，包括模擬信號處理電路(熱電偶放大電路、線性光電隔離電路、多路模擬開關(guān)、環(huán)境溫度測量電路)、A/D轉(zhuǎn)換電路、RS232接口電路、輸出光電隔離電路、控制輸出電路以及電源電路等幾部分組成。（二）熱電偶測量電路的設(shè)計熱電偶是溫度測量中應(yīng)用最普遍的測溫元件，它穩(wěn)定性好，測溫精度高，能滿足工業(yè)過程溫度測量的需要。該電爐的輸出電流可以通過電路進行自動傳播，傳播后的額數(shù)據(jù)可以自動的檢測。熱點偶的原理是對某器件進行溫度的測量，其廣泛應(yīng)用在工業(yè)測量溫度上。其優(yōu)點是:測量精度高。因為該物體可以與任何通電導(dǎo)體進行接觸，并且不受任何物質(zhì)中的元素影響。測量范圍廣。常規(guī)的熱電偶其測量的溫度在零下50度到零上1600度都可使用，有某種特殊的物品，其溫度不在受能承受的范圍內(nèi)，不能進行很精準(zhǔn)的測量。物體方便簡單。該物體的構(gòu)造是用最普通的兩種金屬絲所組織的，其在與導(dǎo)體進行接觸時，不受外界任何物體的影響，另外其外部有保護絕緣體，所以使用起來也便捷。1AB2圖2.2熱電偶原理通過上圖可以看出，該熱電偶的設(shè)計就是講兩種不同的金屬絲組織起來，將連接頭用電焊連接，從而形成一個閉合回路。其兩個導(dǎo)體之間的溫差只有1到2度之間，在超過其溫差時，兩個導(dǎo)體之間就會有電動勢，在回路體中所形成的電流就是熱點效應(yīng)。熱電偶的種類我國對熱電偶進行分類可以分為兩種，即標(biāo)準(zhǔn)型和非標(biāo)準(zhǔn)型。前者是國家對其進行明確規(guī)定，規(guī)定其在對某物體的溫度進行測量溫差時，運行前者有極小的誤差，該熱電偶不單單只有測量溫差的導(dǎo)體還有顯示分度表的顯示儀表，使用戶可以通過顯示儀表進行觀看測量。后者就是在對使用不規(guī)范或者其物體不標(biāo)準(zhǔn)的額基礎(chǔ)上，對其進行溫差的測量，其物體的不規(guī)范，分度顯示表也會沒有，這種非標(biāo)準(zhǔn)型的熱電偶主要對一些特殊的場合進行溫差的測量。標(biāo)準(zhǔn)配的熱電偶在88年，在我國大量的使用并且大量的生產(chǎn)，對其標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶有7種定義。為了使熱電偶在工作時能穩(wěn)定、可靠的工作，有以下要求：A為熱電偶的兩個電極中間的連接處，要連接穩(wěn)定；B兩個電機的連接處要有絕緣體；c豐卜償導(dǎo)線與電機自由連接要安全；D電熱偶的保護設(shè)備要與有害位置進行很好的分離。（三）冷端溫度測量電路的設(shè)計冷端溫度測量電路主要考慮的是當(dāng)對爐溫進行檢測的時候，外界的環(huán)境溫度對其造成一些干擾。原理圖如圖2.3所示圖2.3冷端溫度測量電路原理圖冷端溫度測量電路主要是由AD590組成的，該模擬器是由美國某公司生產(chǎn)的，其模擬器的模擬數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高、適用范圍廣、價格合適，常用于測溫和熱電偶的冷端補償。該模擬器是自由端的電路對其進行溫度的測量，對其兩點、多點就那些溫度的測量，多點是其平均溫度的電路測量，該模擬器可廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場合。該模擬器的特征見下文所述：①根據(jù)其熱電偶的自由端電流，對某物體的溫度進行熱力學(xué)溫度的測量，其測量的溫度數(shù)為：Ir/T=1μA/K上述公式中的Ir為熱電偶的電路電流的單片機的電流T為熱力學(xué)溫度，器熱力學(xué)溫度的單位為K②該模擬器的對物體的溫度進行測量，其測量的范圍值在零下55度到零上150度之間。③該模擬器的電源電壓范圍在4伏到30伏內(nèi)。電源電壓可在4V至6V范圍變化，電流變化1μA，相當(dāng)于溫度變化1K。該模擬器在工作時，可以承受其物體電壓的正向電壓44伏、反向電壓20伏的范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)，其測量的物體不會受任何外界的影響。④輸出電阻為7lOMΩ⑤精度高。該模擬器的測量溫差的檔位有五個檔位，分為為I、J,K,L,M五檔，五檔中的M檔為測量最精準(zhǔn)的檔位，其溫度應(yīng)控制在零下55度到零上150度之內(nèi)，非線性誤差為士0.3℃。通過以上特性可以看出AD590完全可以滿足需要。三、電加熱爐控制器輸入信號的轉(zhuǎn)換從上面的介紹我們知道，本設(shè)計使用的是計算機控制，計算機只能接受數(shù)字信號，而無論是熱電偶還是AD590他們都是模擬信號，所以必須把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這就需要A/D轉(zhuǎn)換。通過模擬的信號將其信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，則是一種傳播數(shù)據(jù)的方式，可以通過模擬信號對其進行傳播的方式有：積分型轉(zhuǎn)換積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)在低速、高精度測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)字儀表領(lǐng)域。積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)有單積分和雙積分兩種轉(zhuǎn)換方式，單積分模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作原理是將被轉(zhuǎn)換的電信號先變成一段時間間隔，然后再對時間間隔記數(shù)，從而間接把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其問題在于轉(zhuǎn)變時缺少準(zhǔn)確度，主要受到斜坡電壓發(fā)生器、比較器精度以及時鐘脈沖穩(wěn)定性的影響。通過其電容的作用，對其造成的影響是，使其轉(zhuǎn)速過慢，從而降低其轉(zhuǎn)換率，大大的降低其運轉(zhuǎn)速度，每秒100至300次(SPS)對應(yīng)的轉(zhuǎn)換精度為12位。所以這種轉(zhuǎn)換方式主要應(yīng)用在低速高精度的轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。并行轉(zhuǎn)換并行轉(zhuǎn)換法則通過模擬數(shù)據(jù)中對其內(nèi)部數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)速是所有轉(zhuǎn)換模式中最迅速的，所有該方法是一種直接有效的轉(zhuǎn)變模式。它大大減少了轉(zhuǎn)換過程的中間步驟，每一位數(shù)字代碼幾乎在同一時刻得到，因此，并行轉(zhuǎn)換又稱為閃爍型轉(zhuǎn)換方式。并行轉(zhuǎn)換的主要特點是它的轉(zhuǎn)換速度特別快，可達50MPSP，特別適合高速轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。缺點是分辨率不高，一般都在10位以下;精度較高時，功耗較大。這主要是受到了電路實現(xiàn)的影響，因為一個N位的并行轉(zhuǎn)換器，則需要2個分壓電阻器，當(dāng)其電阻為10時，測試的比較其的數(shù)據(jù)就會增大，精度越高，比較器的數(shù)目越多，制造越困難。（一）信號切換接口電路由于熱電偶和AD590的信號都是模擬信號，它們必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，對其轉(zhuǎn)換方式進行轉(zhuǎn)變，是為了其內(nèi)部系統(tǒng)的方便性，則只用一個信號轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)變，所以必須在熱電偶和AD590之間進行信號的切換，我選擇了CD4051。A、B、C是二進制地址碼輸入端，當(dāng)INH=0時根據(jù)地址碼選中相應(yīng)的通道。例如當(dāng)C=0,B=1,A=1時，地址碼為011(所對應(yīng)的十進制數(shù)為3)，就接通第3路。UEE為負電源端，一般接Uss端，在傳輸交流信號時應(yīng)接負電源。CD4051的開關(guān)漏電流為0.8nA，接通電阻為27Ω，采用5伏系統(tǒng)電壓供電。當(dāng)CD4051-X腳的信號進入ICL7135后，A/D轉(zhuǎn)換器開始工作，該內(nèi)部的轉(zhuǎn)換器中，其數(shù)據(jù)是動態(tài)，則表述的是該系統(tǒng)顳部的電流接口能夠與單片機微型處理器進行相接，ICL7135的時鐘頻率最高為125KHZ，這時轉(zhuǎn)換頻率為3次/秒，當(dāng)BUSY因腳為高電平時ICL7135先對基準(zhǔn)源進行計數(shù)，為10001個計數(shù)脈沖，然后在計10000個脈沖，當(dāng)BUSY為低電平時計數(shù)結(jié)束，這時送入單片機的值在減去10000個脈沖就是最終A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。為了提高轉(zhuǎn)換精度，對外接元件也應(yīng)注意，如在積分輸出端串接一個二極管D和電阻R是為了消除ROLLOVER誤差。圖3.1CD4051接口電路圖（二）ICL71351.ICL7135的工作原理該轉(zhuǎn)換單機芯片其周期性工作范圍，則用以下四相法進行檢測：AUTO-ZERO(自動調(diào)零)相在該相時，內(nèi)部IN+和IN-輸入與引腳斷開，且在內(nèi)部連接到ANLG-COMMON，其內(nèi)部的基本電容在運行到一定的電壓流時，系統(tǒng)接成閉環(huán)并為自動調(diào)零(AUTOZERO)電容充電以補償緩沖放大器、積分器和比較器的失調(diào)電壓。此時，自動調(diào)零精度受系統(tǒng)噪聲的限制，以輸入為基準(zhǔn)的總失調(diào)小于10μV。DEINTEGRATE(去積分)相該相的基準(zhǔn)用于完成去積分(DEINTEGRATE)任務(wù)，此時內(nèi)部IN-在內(nèi)部連接ANLG-COMMON，IN+跨接至先前已充電的基準(zhǔn)電容，內(nèi)部的系統(tǒng)則將其運行的信號全部紀(jì)錄完畢，則可以確定該單片機的芯片在正常的電容范圍內(nèi)，在正常范圍內(nèi)的輸出電流則為零。輸出返回至零所需的時間正比于輸入信號的幅度。返回時間顯示為數(shù)字讀數(shù)，并由1000(Vid/Vref確定。滿度或最大轉(zhuǎn)換值發(fā)生在Vid等于Vref的兩倍時。2.ICL7135與單片機的接口該芯片與單片機內(nèi)部控制系統(tǒng)進行相連時，內(nèi)部的芯片若運用采集的方式進行工作，，則不但要連接BCD碼數(shù)據(jù)輸出線，又要連接BCD碼數(shù)據(jù)的位驅(qū)動信號輸出端，這樣至少需要9根I/0口線。因此，系統(tǒng)的連接比較麻煩，且編程也非常復(fù)雜。因此可利用單片機(W77E58)的ALE信號作為ICL7135的脈沖(CLK)輸入，由于定時器TO所用的CLK頻率是系統(tǒng)晶振頻率與A/D晶振頻率相差很大，該單片機內(nèi)部的定時器其工作頻率是芯片頻率的雙倍，由此可以得出，該芯片的工作原理是非常強，其頻率就高。四、爐溫控制系統(tǒng)單片機與外圍電路接口（一）W77E58該單片機內(nèi)部系統(tǒng)的指令功能可以同時兼容很多的內(nèi)部處理器，該單片機的內(nèi)部組織有：4個8位的轉(zhuǎn)換器，定時器、串聯(lián)電流接口、遇上故障自動斷電、微型處理器、存儲器等，其功能各有各的優(yōu)勢，才能組成標(biāo)準(zhǔn)的單片機微型處理器控制系統(tǒng)。該單片機微型處理器其中增添的功能都是用其普通的單片機內(nèi)部的功能進行編輯，通過運用其內(nèi)部的功能，在該單片機的內(nèi)部進行存儲。所以該單片機是可以兼容很多種內(nèi)部系統(tǒng)，而為原有系統(tǒng)編寫的程序幾乎不做任何改動，系統(tǒng)就可正常工作，值得主要的是，對單片機進行改進之后，其內(nèi)部運行的速度會提升，但是提升后所發(fā)出的指令執(zhí)行時間的改變及訪問外部存儲器的讀寫速度的限制。80C52系統(tǒng)適合該單片機內(nèi)部微型處理器，對其內(nèi)部添加的功能是可以用80C52系統(tǒng)進行連接的，另外該單片機的微型處理器的44pinPLCC/QFP封裝比80C52多出一組轉(zhuǎn)換接口。該單片機的外部處理器，其在工作時的工作頻率有40赫茲左右，上文所述該單片機微型處理器的內(nèi)部系統(tǒng)是添加一些別的功能，把該單片機原有多余的功能所代替，從而使單片機微型處理器的整改運行系統(tǒng)速度加快，其速度的加快不單單是運行速度，還有內(nèi)部微型處理器中的每個功能在每個時間周期時，其時間周期也可以進行縮短，這就是其內(nèi)部系統(tǒng)功能的強大，該單片機微型處理器中每個不同的功能其頻率是相同的，但是其發(fā)出的指令則不相同，但是其運行速度一般比傳統(tǒng)8051提高1.5到3倍。所以，在對該單片機進行檢測時，該內(nèi)部程序中計算的方式，必須要根據(jù)其發(fā)出指令的時間進行計算，通常計算時，每一個機器周期有一次取指(包括操作碼和操作數(shù))其操作指令是在單片機微型處理器的256個指令中的其中一個，所以該單片機微型處理的指令在相對的時間內(nèi)只能對一個內(nèi)部功能進行操作，一個操作時間為一個周期，即4個時鐘周作此期。該單片機的內(nèi)部系統(tǒng)中，有6個自動斷電的電源，另外又添加了6個自動斷電的電源，共有12個可定義兩種優(yōu)先級的中斷源，這12個電源中每個都是獨立的電源，其電源擁有獨立的判斷能力，可以通過其運行的位置、優(yōu)先權(quán)、標(biāo)志、去量進行識別。用戶可以根據(jù)自身所需進行功能的更改、存儲器容量的更改，將外部中斷INT2到INT5設(shè)為由硬件清除中斷標(biāo)志位。（二）單片機與看門狗接口電路設(shè)計為了確保系統(tǒng)準(zhǔn)確、良好的運行，還應(yīng)用看門狗技術(shù)對單片機W77E58加以控制，保證單片機在出現(xiàn)故障時能夠準(zhǔn)確的復(fù)位。該看門狗結(jié)合微型處理器的單片機對其進行制定，詳細的電路圖間下圖4-1。圖4.1看門狗接口電路圖看門狗的內(nèi)部有極其微小的控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)是獨立的板塊。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時看門狗將做出反應(yīng)，重新啟動系統(tǒng)，看門狗利用低的Vcc檢測電路，可以使系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)Vcc降低到轉(zhuǎn)換點以下時，系統(tǒng)復(fù)位，并等到Vcc穩(wěn)定是為止。4.2.1它具有的特點如下：①看門狗的電量帶一半時，其電量自動開啟低耗電模式②Vcc檢測③在其相對應(yīng)的時間周期內(nèi)，其系統(tǒng)硬件復(fù)位，則Vcc=1V在此時有效④1MHZ時鐘頻率⑤低功耗CMOS⑥看門狗內(nèi)部系統(tǒng)的控制和保護⑦高可靠性，可擦寫次數(shù)為10萬次，數(shù)據(jù)保存期100年⑧看門狗有2.7伏到5.5伏的電壓CS芯片選擇輸入SO串行輸出SI串行輸入SCK串行時鐘輸入WP寫保護輸入Vcc電源電壓RESET復(fù)位輸出五、結(jié)語全球的經(jīng)濟在快速回暖，其各國的工業(yè)制造在日益劇增，對能源的消耗也與日俱增，當(dāng)前急需解決的問題就是如何降低能源使用。因此提高加熱爐操作水平，實現(xiàn)計算機全自動燒鋼，降低加熱爐能耗意義很大。本文對我國工業(yè)的電家熱爐的溫度控制系統(tǒng)采用了先進的電子器件