電阻爐溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計
南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
1引言
1.1研究意義與背景
溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于化工、機械、冶金、食品等領(lǐng)域。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的過程控制之一，在不少
工藝過程中，溫度的控制效果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。所以設(shè)計一種較為理想的溫度控制
系統(tǒng)是非常有價值的。
溫度控制系統(tǒng)屬一階氫銨落后環(huán)節(jié)，具備小慣性、氫銨落后、非線性等特點，引致傳
統(tǒng)掌控方式市場匯率大、調(diào)節(jié)時間短、控制精度高。使用單片機展開溫度控制，具備電路
設(shè)計直觀、精度高、掌控效果不好等特點，對提升生產(chǎn)效率、推動科技進(jìn)步等方面具備關(guān)
鍵的現(xiàn)實意義。隨著單片機技術(shù)的快速蓬勃發(fā)展與蓬勃發(fā)展，其平衡、安全、高效率、經(jīng)
濟(jì)等優(yōu)點十分注重，所以其應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣為。單片機已經(jīng)無處不在，與我們生活息息
相關(guān)，并且滲透到生活的方方面面。
單片機的特點是體積較小，也就是其集成特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是普通計算機系統(tǒng)的簡化，增加一些外圍電路，就能夠組成一個完整的最小系統(tǒng)，單片機具有很強的可擴(kuò)展性。它具
有和普通計算機類似的、強大的數(shù)據(jù)處理功能，通過使用一些科學(xué)的算法，可以獲得很強
的數(shù)據(jù)處理能力。所以單片機在工業(yè)應(yīng)用中，可以極大地提高工業(yè)設(shè)備的智能化、數(shù)據(jù)處
理能力和處理效率，而且單片機無需占用很大的空間。
隨著檢測理論和技術(shù)的不斷更新，溫度傳感器的種類也越來越多，在微機系統(tǒng)中采用
的傳感器，必須就是能將非電量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器，目前常用的存有熱電偶傳感器、熱
電阻傳感器和半導(dǎo)體內(nèi)置傳感器等，每種傳感器根據(jù)其自身特性，都存有它自己的應(yīng)用領(lǐng)域。
1.2電阻爐簡介
（1）電阻爐的概述
電阻爐是利用電流使?fàn)t內(nèi)電熱元件或加熱介質(zhì)發(fā)熱，從而對工件或物料加熱的工業(yè)爐。工業(yè)上用的電阻爐一般由電熱元件、砌體、金屬殼體、爐門、爐用
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機械和電氣控制系統(tǒng)等共同組成。電熱元件具備很高的耐熱性和高溫強度，很低的電
阻溫度系數(shù)和較好的化學(xué)穩(wěn)定性。電熱元件的原產(chǎn)和線路三相，依爐子功率大小和爐溫建
議而的定。電阻爐的供電電壓通常為220v或380v，必要時布局可以調(diào)節(jié)電壓的中間變壓器。一般而言，小型爐(<10kw)使用單相供電，大型爐使用三相供電。
1.3溫度檢測的意義與技術(shù)發(fā)展
溫度就是一個非常關(guān)鍵的物理量，因為它直接影響冷卻、化學(xué)反應(yīng)、蒸煮、蒸煮、焙燒、釀造、濃度、結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學(xué)過程。如果溫度喪失掌控，就可能將引
發(fā)生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量等一系列問題。因此對溫度的檢測的意義就越來越小。
溫度收集控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和人們的生活領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生
產(chǎn)過程中，很多時候都須要對溫度展開嚴(yán)苛的監(jiān)控，以使生產(chǎn)能成功的展開，產(chǎn)品的質(zhì)量
才能獲得充份的確保。采用自動溫度控制系統(tǒng)可以對生產(chǎn)環(huán)境的溫度展開自動控制，確保
生產(chǎn)的自動化、智能化能成功、安全展開，從而提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。
溫度采集控制系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。嵌入式系統(tǒng)雖然起源于
微型計算機時代，但是微型計算機的體積、價位、可靠性，都無法滿足廣大對象對嵌入式
系統(tǒng)的要求，因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨立發(fā)展道路。這條道路就是芯片化道路。將計算
機做在一個芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的單片機時代。
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2系統(tǒng)總體設(shè)計及方案論證
2.1系統(tǒng)總體設(shè)計
本章主要闡釋基于單片機的溫度控制系統(tǒng)以及方案論證。本系統(tǒng)由單片機、冷卻模塊、溫度信號收集與a/d切換、人機交互及串口通信、按鍵電路、表明電路、報警電路、登位
電路、時鐘電路、穩(wěn)壓電源模塊十部分分后共同組成。由于功能模塊具體內(nèi)容同時實現(xiàn)的
器件的相同，將直接影響整個系統(tǒng)的性能及成本，為了達(dá)至高效率、新穎的目的，在系統(tǒng)
設(shè)計之前的方案論證就是十分關(guān)鍵的，系統(tǒng)設(shè)計原理圖例如圖2.1右圖：
溫度信號采集與a/d轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓電源模塊
圖2.1系統(tǒng)設(shè)計原理圖
單片機：該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)
據(jù)處理，同時還要對執(zhí)行單元進(jìn)行控制。單片機是整個系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心。
溫度信號收集與a/d切換：本部分的主要促進(jìn)作用就是用傳感器檢測演示環(huán)境中的溫
度信號，溫度傳感器上電流將隨其環(huán)境溫度值線性變化。再把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，
采用a/d轉(zhuǎn)換器將演示電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能展開數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號，本設(shè)計使
用的就是數(shù)字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內(nèi)部順利完成。
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單人機交互及串口通信片機掌控繼續(xù)執(zhí)行及報警單元南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
人機交互及串口通信：人機交換的目的是為了提高系統(tǒng)的可用性和實用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機與上位機的通信，便于進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展做好基礎(chǔ)工作。
電源系統(tǒng)單元：本單元的主要功能就是為單片機提供更多適度的工作電源，同時也為其他模塊提供更多電源。例如液晶顯示屏、按鍵電路等。在本設(shè)計當(dāng)中，電源系統(tǒng)輸入
+5v的電源。
電源執(zhí)行單元：是單片機的輸出控制執(zhí)行部分，根據(jù)單片機數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，驅(qū)動光電耦合器控制雙向可控硅等外部設(shè)備，可以達(dá)到超溫報警及升溫或者降溫目的，使水溫始終保持在一個范圍之內(nèi)。
2.2方案論證
2.2.1單片機的選擇
單片機在多數(shù)電子設(shè)計當(dāng)中基于性價比的考量，8十一位單片機仍就是新寵。目前，8十一位單片機在國內(nèi)外仍占據(jù)關(guān)鍵地位。在8十一位單片機中又以mcs－51系列單片機及其兼容機所占到的份額最小。mcs－51的硬件結(jié)構(gòu)同意了其指令系統(tǒng)不能發(fā)生變化，設(shè)計人員可以很難的對相同公司的單片機產(chǎn)品展開選型，他們只需將重點放到芯片內(nèi)部資源的比較上。
在以前的電子設(shè)計中，應(yīng)用比較廣泛的單片機是at89c51單片機了，但是該單片機最致命的缺陷在于不支持isp（互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商）功能。atmel公司目前已經(jīng)停止了
at89c51生產(chǎn)，51單片機必須加上isp功能才能更好延續(xù)mcs-51的傳奇，at89s51就是在這樣的背景下誕生的。目前at89s51已經(jīng)成為了實際應(yīng)用市場上的新寵兒，at89s51在工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，不但降低了成本，而且增加了功能，提升了單片機性能，提高了市場競力。
at89s51追加了許多功能，性能也存有了很大的提高，但是價格仍舊與at89c51的價格一致。追加的功能之中最具備影響力的就是isp在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢是，重寫單片機flash存儲器內(nèi)的程序不須要把芯片從工作環(huán)路
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境中剝離。
似乎，at89s51在性能上比at89c51必須優(yōu)良得多，因為它不但在at89c51的基礎(chǔ)上
減少了許多功能，而且價格基本沒提升，所以在器件挑選的時候首先確定at89c51，對于
市場上的另外一種比較盛行的單片機c8051f，盡管它在性能、功能上都必須比at89s51優(yōu)良很多，但是它的價格就是at89s51的數(shù)倍，本系統(tǒng)采用at89s51已經(jīng)全然能同時實現(xiàn)所
須要的功能，基于成本的考量，退出c8051f，挑選at89s51做為本系統(tǒng)的主控單元。
2.2.2溫度傳感器的選擇
本部分主要就是論證溫度傳感器的選型。傳感器的挑選受很多因素的影響，首先就是
各種溫度傳感器自身的優(yōu)缺點，其次就是各種相同的環(huán)境因素，除了就是系統(tǒng)所建議同時
實現(xiàn)的精度以及測溫范圍，所以在相同的設(shè)計當(dāng)中溫度傳感器的挑選也將相同。
方案一：熱電偶傳感器
熱電偶傳感的原理就是將溫度變化切換為電勢變化。它就是利用兩種相同材料的金屬
相連接在一起，形成的具備熱電效應(yīng)原理的一種感溫元件。其優(yōu)點為精確度低、測量范圍廣、結(jié)構(gòu)直觀、使用方便、型號種類比較多且技術(shù)明朗等。目前廣為應(yīng)用于工業(yè)與民用產(chǎn)
品中。熱電偶傳感器的種類很多，在挑選時必須考量其靈敏度、精確度、可靠性、穩(wěn)定性
等條件。
方案二：熱電阻傳感器
熱電阻傳感器的原理就是將溫度變化切換為電阻值的變化。熱電阻傳感器就是中低溫
區(qū)最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點就是：測量精度高，性能平衡。其中鉑熱電阻
的測量精度就是最低的，不僅廣為應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制作成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。從熱電
阻的測溫原理可以曉得，被測溫度的變化就是輕易通過熱電阻阻值的變化去整體表現(xiàn)的。
因此，熱電阻的帶出線的電阻的變化可以給測溫增添影響。為消解引線電阻的影響，通常
使用三線新制或四線制。熱電阻測溫系統(tǒng)通常由熱電阻、相連接導(dǎo)線、表明儀表共同組成。
方案三：半導(dǎo)體集成模擬溫度傳感器
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