基于电阻炉的智能温度控制电路的研究与设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

20世纪20年代以来，电阻炉就在工业生产中得到了广泛地应用。随着社会的发展，科学技术的进步，电阻炉被大量的应用在电力、冶金、机械、石油化工等工业生产中。在这些工业生产中，温度的测量及控制影响着生产安全、产品质量、生产效率等重要的技术经济指标，电阻炉温度控制的稳定性、精度、可靠性等要求也逐步提高。而在各个领域测温仪器的实际应用表明，智能化仪器已经是现代电阻炉温度控制系统发展的主要方向。基于此，设计一种智能化的电阻炉温度控制系统有广泛的应用前景及实际意义。

电阻炉是利用电流流过电阻体，使其产生热量来加热或熔化物料的一类电炉。它的特点是：

①电路简单；②对炉料种类的限制较少；（小型电阻炉可用来加热食品、干燥木材）；

③炉温控制精度高；④容易在真空中加热等特点。

它主要作用于：

①机械零件的淬火、退火、渗碳等热处理；②各种材料的干燥、加热、烧结、熔化等。

电阻炉的参数有工作空间尺寸、额定温度、额定电压、额定功率。电阻炉按炉温不同可分为低温电阻炉(600～700℃以下)、中温电阻炉(700℃～1200℃)、高温电阻炉(1200℃以上)。

电阻炉的温度控制主要有：1、传统PID控制；2、智能控制。

PID控制温度系统的效果，主要取决于P、I、D三个参数。PID控制对于确定了的温度系统控制效果较好，但是对控制大惯性、大滞后、时变性温度系统则难以保证其控制品质。电阻炉大多是经电阻丝加热升温，自然冷却降温的，当电阻炉的温度超调时，无法靠控制手段降温，所以电阻炉温度的控制具有滞后性、非线性、惯性、不确定性等特点。目前国内较成熟的电阻炉温度控制系统中，以PID控制器为主。PID控制器对小型实验用的电阻炉控制效果良好，但对于大型工业用电阻炉，就难以保证电阻炉温度控制系统的稳定性及精度等问题。

智能控制是一种不需要人操作就能驱动智能机械来实现其目标的自动控制。随着科学技术、控制理论的发展，国外的温度控制系统发展很迅速，基本实现对温度的智能控制。被广泛应用的温度智能控制方法有：模糊控制、神经网络控制、专家系统等。具有自适应、自协调、自学习等能力，使控制系统的控制精度、稳定性、抗干扰能力等性能得到保证。

本文以电阻炉为控制对象，以单片机STC89C52为硬件核心元件，采用PID控制，该系统硬件电路设计简单、控制算法成熟稳定、系统性能优良。

1.2国内外研究现状

对电阻炉智能温度控制的研究始于20世纪70年代，当时的电阻炉温度控制技术还处于较低的水平，那时的温度控制器体积庞大，需要人工操作，控制精度低，容易发生故障，影响控制质量。随着计算机技术和新控制理论的飞速发展，特别是在微电子技术得到迅速的发展和广泛的应用以后，电阻炉的温度控制技术也得到了前所未有的发展，逐渐进入了多功能、高精度、小型化、智能化、总线标准化和网络化的发展轨道，新型电阻炉智能温度控制器的功能不断增加，电阻炉智能温度控制器的精度和分辨率得到大幅度的提高，例如有些控制器增加了日历功能、数据存储功能、自动测试功能，电阻炉智能温度控制器的总线技术也在逐渐实现规范化、标准化，另外以网络化为方向的电阻炉智能温度控制器也不断出现在市场上。电阻炉温度控制技术的发展水平被大幅度的提高，电阻炉的应用也日益广泛。国外电阻炉温度控制系统发展迅速，尤其是以日本、美国、德国、瑞典等国的控制技术领先，都产生了一批技术领先商品化的温度控制器，并被广泛的投入应用。国外电阻炉智能控制状况如表1所示。

表1国外电阻炉智能控制状况

我国对电阻炉温度控制技术的广泛研究始于20世纪80年代，随着微型计算机技术的飞速发展，电阻炉计算机控制逐渐进入了实用化阶段，目前国内电阻炉温度控制的发展动态可以概括为以下两个方面：

（1）采用先进的控制设备随着单片机、可编程逻辑控制器和工控机等先进控制芯片和系统的出现，逐渐取代了原始的大规模的继电器、模拟式的控制仪器。单片机也因其具有极高的性价比和强大的控制功能而得到工程师们的广泛关注和重视，并得到广泛的应用和迅速的发展。单片机不但具有小体积、轻重量、丰富的控制功能，而且价格低廉，开发相当方便。单片机在温度控制中的应用意义不仅仅在于它的广阔范围以及所带来的经济效益，而更重要的意义在于，单片机在温度控制中的应用从本质上改变了控制系统的传统设计思想和方法。以前大部分采用硬件电路实现的控制功能，现在可以采用单片机通过软件的方法来实现。以前自动控制中的PID调节，现在可以通过单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制、神经网络控制、专家系统和自适应控制。

（2）采用先进控制理论对于传统负反馈、单一PID控制系统做了很多改进，极大的提高了控制系统的性能，具有更大的优越性。控制系统采用的新控制方法越来越多，如模糊控制、专家系统、神经网络、最优控制、自整定PID参数控制和自适应控制等等，这些都成功的在工业上实现了应用。国内对温度控制的研究和应用与国外相比还有一定的差距。国内的成熟产品主要以点位控制及常规的PID控制器为主，适应一般温度控制系统，对于复杂的大滞后时变性的温度系统难以实现理想的控制。我国的温度控制仪表行业与国外还存在一定的差距，主要表现在：1、行业内企业规模较小，且较为分散，技术力量不集中，导致研发能力不强，制约了温度控制技术的发展，影响行业的发展。2、商品化的产品以PID温度控制器为主，同国外差距较大。目前，对于温度控制系统复杂及精度要求高的国内企业，大多采用进口的温度控制器。3、温度控制系统控制采用的关键技术、控制算法及软件方面的研究比国外相对滞后。

2. 研究的基本内容与方案

本设计是对电阻炉温度进行实时监测与控制，主要的温度控制系统能实现基本的温度控制功能：当电阻炉炉内温度低于设定的下限温度时，系统就会对电阻炉发出加热信号，使其温度上升；当电阻炉炉内温度高于设定的上限温度时，系统将停止加热电阻炉，使炉

内温度下降。通过pid调节不断重复该过程，使温度值始终保持在上下限温度之间，并且使液晶显示器即时显示温度。

本系统由单片机、温度检测电路、键盘输入、pid控制、温度显示等五部分组成。其中，测温元件用k型热电偶，用来检测炉内温度，将炉中温度的物理量值转换成毫伏信号输出，经max6675进行处理后，炉温给定值的电压信号和所检测到的炉温电压信号都转换为数字量送入单片机内进行比较，得到实际炉温与给定炉温的差值。由单片机系统构成的数字控制器，对偏差按pid调节规律进行运算，并且在液晶显示器上显示温度值，将运算结果送至d/a转换器转换为模拟电压，电压值经过功率放大器放大后，送到温度

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。确定方案，完成开题报告。

第4－5周：了解温度传感器，热电阻和温度信号芯片的工作原理。

第6－9周：对各部分电路进行设计并将整体电路进行仿真验证功能

4. 参考文献（12篇以上）

[1]唐媛红,孙振伟.单片机的电阻炉模糊控制[j].信息与电脑(理论版),2011(01)

[2]刘敏.基于at89s53单片机的电阻炉温度控制系统设计[j],宁夏：宁夏机械,2008年,(04)

[3]吕小红,周凤星,马亮.基于单片机的电阻炉温度控制系统设计[c].武汉：武汉科技大学,2008