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燕山大学课程设计说明书
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摘 要
本文用 8031 单片机实现电阻炉温度的控制,重点介绍接口电路的设计。电阻炉是一类使用非常广泛
的工业设备,利用单片机实现温度的实时控制,对提高劳动生产率和产品质量,节约能源都有着积极意义。
本控制系统是对水加热的控制过程,工作时水的温度由数字温度计和精密放大器放大至 0~5v 电压信
号,由 ADC0809 转换成单片机所能接受的数字信号,此信号与温度的给定值比较得到温度偏差,通过 PID
控制算法运算得到控制量,此控制量通过对可控硅触发角的控制,来调节加在电阻炉上的电压的通断时间
以达到控温的目的。
系统的给定值等参数可由键盘输入,并可以随时修改,给定温度和 PID 的参数可显示在 LED 上。
关键词: 单片机;电阻炉;控制; 接口电路

燕山大学课程设计说明书
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目 录
第一章 概 述 .......................................................................................................................................................3
1.1 题目来源及意义 ..........................................................................................................................................3
1.2 电阻炉温度控制系统的结构工作原理 ......................................................................................................3
第二章 电阻炉温度控制系统的硬件设计 ...............................................................................................................6
2.1 硬件电路设计原则 .......................................................................................................................................6
2.2 单片机的选择 ...............................................................................................................................................6
2.2.1 8031 芯片介绍 ...................................................................................................................................7
2.2.2 8031 的引脚介绍 ...............................................................................................................................7
2.3 单片机程序存储器的扩展 .........................................................................................................................9
2.3.1 地址译码器的选择 ...........................................................................................................................9
2.3.2 程序存储器的设计 ...........................................................................................................................9
2.4 温度检测接口电路设计 ...........................................................................................................................10
2.4.1 数字温度计的选择 .........................................................................................................................10
2.4.2 AD 转换器的接口电路设计 ...........................................................................................................12
2.5 键盘、显示器接口电路 ............................................................................................................................15
2.5.1 显示器接口电路 .............................................................................................................................15
2.5.2 键盘接口电路 .................................................................................................................................17
2.6 报警接口电路 .............................................................................................................................................18
2.7 电阻炉温度控制执行机构的设计 ............................................................................................................19
第三章 温度控制算法 ...........................................................................................................................................21
3.1 温度控制算法 ............................................................................................................................................21
3.2 采样周期 T 的确定....................................................................................................................................24
第四章 软件设计 ...................................................................................................................................................25
4.1 接口软件设计 .............................................................................................................................................25
4.2 PID 程序设计..............................................................................................................................................26
第五章 结 论 .........................................................................................................................................................33

燕山大学课程设计说明书
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第一章 概 述
1.1 题目来源及意义
热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证,直接关系到热处理技术水平的高低和工件质量
的好坏。对热处理技术的基本要求是:先进、可靠、经济、 安全,能满足热处理工艺的要求,并
保证工艺的稳定和再现性,节省能源,保护环境,改善劳动环境,降低生产成本,提高机械化和
自动化水平。
在工业领域,如冶金、 机械、 建材及化工等部门,都有大量使用各种炉窑,如用于热处理
的加热炉,用于熔化的坩埚炉等。炉窑运行时,温度是需要测控的最基本参数。不同的炉窑,加
热方法与所用燃料有所差异,但被控对象都可归于有纯滞后的一阶惯性环节。温度以往多采用归
仪表加接触器的断续控制,存在不少固有的缺点。为了提高产品质量与数量,节约能源,改善劳
动环境,并且随着科学技术的发展,上述对设备对温度控制要求越来越高,除要求有较高的控制
精度外,还要求能对温度的上升速度及下降速度进行控制,显然应用常规仪表方法难以满足这些
要求。然而,随着电子技术的发展,特别是单片机计算机的出现,对上述被控制对象采用功能强、
体积小、价格低的智能化温度控制装置进行控制成为现实。本文将介绍用单片机对热水电阻炉进
行温度控制的过程。
1.2 电阻炉温度控制系统的结构工作原理
系统原理图如图 1.1 所示。
整个系统由四部分组成,即:8031 单片机系统;温度检测通道;输出控制通道及报警显示系
统。工作时,温度由集成温度传感器 AD590 转换成电流信号,经运放放大至 0-5v 的电压信号,
由 ADC0809 转换成单片机所能接受的数字信号,此信号与温度的给定值比较得到温度的偏差,通
过 PID 控制器运算,此控制量经可控硅控制加在电阻炉上的电压的通断时间,以达到控温目的。
系统的给定值、PID 参数由键盘输入,并可以随时修改,给温度和采样温度同时显示在 LED
上。
图 1.1 电阻炉温度控制系统原理框图
一、输入通道
a、温度检测及放大
在温度控制系统中,温度检测及放大任务通常用温度变送器来完成。为了降

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低成本,简化结构,本系统采用了 OP07 型温度变送器的输入回路部份,这输入回路是一平衡电
桥,它与 AD590 热电偶配合使用,实现温度零点迁移。不平衡电桥的输出信号经精密放大器放大
到 A/D 转换所需标准信号,根据热电偶分度号和量程的不同,可选择和调整放大器的反馈电阻以
改变放大倍数,从而实现了温度标准信号的转换。
B、A/D 转换
A/D 转换功能由 AD0809 完成,它是一种逐次逼近式 8 路模拟输入、 8 位数字量输出的 A/D 转
换器。在这里我们将
0 7
D DL
接到 8031 的
0.0 0.7
P PL
转换结束信号 OEC 经一个与非门接 8031 的
INT0 ,置外部中断为边沿触发方式,这样,每次 A/D 转换结素时都将结果送入数据存贮区。
由于炉温度化缓慢,输入通道中没有设置采样保持器。
二、 输出通道
执行机构采用可控硅控制器,单片机只须输出能改变可控硅控制周期内的通断时间就行了,
因此省去了 D/A 转换器,仅用了一条 I/O 线,通过软件支持,在这条 I/O 线上输出一个高电平宽
度在控制周期内随调节值变化的方波信号,从而达到控温的目的。
三、 单片机基本系统及 I/O 扩展
16K 存贮器 EPROM(27128)通过一片地址锁存器 74LS373 与数据总线与 8031 组成基本系统。
四、 键盘与显示器
这部分由三个共阳极数码管和三个驱动器组成,其中显示器用于准备符、炉内温度、控温时
间、显示以及支持键盘进行控制参数设定显示。
键盘完成控制器参数设定与控制器的启动、停止操作。
五、控制算法
为了提高系统的快速性,同时也避免运行算溢出,本控制采用了最大、最小值控制。即在偏
差
e A�
(阀值
0A �
)时才进入 PID 调节。
算术表达式为:
max
min
u
u u
i PID
u
�
�
�
�
�
�
�
�
e A
e A
e A
�
�
� �
为了提高调节品质,选用改进 PID 算法之一,
1 , 1 , 2
1
( )
i P i D i i I I D i d i
i i i
u k e k e k e a u a u
u u u
� � �
�
� � �� � � � � � � � � � �
� � �
本控制系统输入通道用测温电路和精密放大器,省去可采样保持器;输出通道取消了 D/A 转

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换器,执行机构选用了可控硅控制器。从而使整个控制系统结构简单,操作方便,控制精度高,
具有很高的性价比。
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