基于单片机的温度控制系统的研究设计Word格式文档下载.docx

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本文主要介绍单片机在热处理炉温度控制中的应用，对温度控制模块的组成及主要所选器件进行了详细的介绍。

并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。

温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。

控制精度直接影响着产品质量的好坏。

本文研究的电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。

因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。

关键词：

单片机；

热处理温度控制；

模糊PID。

Abstract

Thesinglesliceofmicrocomputersemergeswithdevelopmentofverylargescaleintegrationtechnology,becauseithassmall,thefunctionisstrong,highcharacteristicofcostperformance,appliestheone-chipcomputertotemperaturecontrol,adopttheone-chipcomputertodothetopmanagementunit,controlcontactlessly,canfinishtherequisitionforcollectionandcontroloftemperature.Soapplytosuchagreatdealoffieldsaselectronicinstrument,householdappliances,energy-conservationfitting,therobot,industrialcontrol,etc.extensively,maketheproductsminiaturized,intelligented,hasalreadyimprovedthefunctionandqualityoftheproducts,havelowercostsagain,hassimplifiedanddesigned.Thistextintroducestheapplicationoftheone-chipcomputerinthetemperaturecontrolofheat-treatmentfurnacemainly,compositionandselectingtointroducethedetailedonewithdevicemainlyofthetemperaturecontrolmodule.Andhaswrittenthesuitablesoftwareprocedureoriginallydesignedaccordingtotheconcretedemandthistext.

Temperatureinheattreatmentcraftisveryimportant.Controlprecisioneffectdirectlythequalityoftheproduct.Theelectricstoveisakindpuregreatinertiasystem,andthetraditionalheatcontrolsystemisbasedonsomecertainmodel,soishardtosatisfythetechnologicalrequirement.Thispaperwilladoptfuzzycontrolalgorithmtobuildaintelligentfuzzycontrolsystem.

Keyword：

SCM；

Temperaturecontrol；

FuzzyPID.

第1章绪论1

1.1引言1

1.2控制器发展现状1

1.2.1PID控制器的发展现状1

1.2.2模糊PID控制2

1.2.3模糊自整定PID控制2

1.3电炉采用模糊自整定PID控制的可行性3

第2章方案简介4

2.1课题背景与意义4

2.2系统方案概述5

2.3系统设计方案6

第3章系统硬件和电路设计7

3.1引言7

3.2系统的总体结构7

3.3温度检测电路8

3.3.1温度传感器8

3.3.2测量放大器的组成8

3.3.3热电偶冷端温度补偿方法9

3.4多路开关的选择9

3.5A/D转换器的选择及连接10

3.6单片机系统的扩展11

3.6.1系统扩展概述11

3.6.2常用扩展器件简介12

3.7存储器的扩展13

3.7.1程序存储器的扩展13

3.7.1.1只读存储器简介13

3.7.1.2EPROM2764简介13

3.7.2数据存储器的扩展15

3.7.2.1数据存储器概述15

3.7.2.2静态RAM6264简介15

3.7.2.3数据存储器扩展举例15

3.8单片机I/O口的扩展（8155扩展芯片）16

3.8.18155的结构和引脚16

3.8.28155的控制字的及其工作方式17

3.8.38155与8031的连接18

3.9看门狗、报警、复位和时钟电路的设计19

3.9.1看门狗电路的设计19

3.9.2报警电路的设计20

3.9.3复位电路的设计20

3.9.4时钟电路的设计21

3.10键盘与显示电路的设计22

3.10.1LED数码显示器的接口电路22

3.10.2键盘接口电路23

3.11DAC7521数模转换接口24

3.12隔离放大器的设计25

3.13可控硅调功控温26

3.13.1过零触发调功器的组成25

3.13.2主要电路介绍27

3.14单片机开关稳压电源设计28

第4章系统软件设计30

4.1主要程序的框图30

4.1.1主程序框图30

4.1.2显示子程序31

4.1.3键盘中断服务子程序32

4.1.4恒温及升温测控子程序33

4.1.5降温测控子程序34

4.2模糊自整定PID控制算法35

参考文献38

设计总结38

致谢40

附录41

第1章绪论

1.1引言

工业生产中使用的热处理设备种类繁多，如窖炉、鼓风炉、烘炉、退火炉、锅炉等。

如果按加温方法分类，可将热处理设备分为两大类

1．电热炉这类设备通过电热元件通电发热而升温，调节加入炉子的电功率则改变炉内的温度。

电功率调节一般采用接触器通断控制、晶闸管移相触发或通断控制。

这一类设备在工厂占有相当大的比例。

2．燃料炉这类设备通过燃烧燃料发热而升温，调节加入炉子的燃料量则改变炉内的温度。

如锅炉、焦炉等。

常用燃料有煤、煤气、重油等。

燃料量的调节通常利用阀门、翻板等实现。

这类设备在工厂中也占有较大比例

热处理设备虽然种类繁多，控制方法各有差异，但对他们采用微机控制时，控制原理和方法是基本相同的。

电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能,借助辐射与对流的传热方式加热工件。

通常可用以下公式定性描述

（1-1）

式中　X——电炉内温升（指炉内温度与室温温差）

K——放大系数

t——加热时间

T——时间系数

V——控制电压

τ0——纯滞后时间

但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着K、T、τ0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性。

根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。

1.2控制器发展现状

1.2.1PID控制器的发展现状

在过去的50年，调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。

其中有利用开环阶跃响应信息，如Coon-Cohen响应曲线法；

还有使用Nyquist曲线法的，如Ziegler-Nichols连续响应法。

然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。

随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整PID参数。

这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定PID控制技术的发展。

自整定技术可追溯到50年代自适应控制处于萌芽时期，60年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。

80年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，PID控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。

电炉温度控制技术发展日新月异，从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。

在现有的电加热炉温度控制方案中，PID控制和模糊控制应用最多，也最具代表性。

1.2.2模糊PID控制

模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zaden首先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。

模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。

但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。

而PID控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。

在文献中介绍了多种能提高PID控制精度的模糊PID混合控制方案，例如：

引入积分因子的模糊PID控制器；

混合型模糊PID控制器；

另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应PID控制、神经网络模糊PID控制等。

1.2.3模糊自整定PID控制

模糊自整定PID控制是在一般PID控制系统的基础，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改的一种自适应控制系统。

它以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。

它将模糊控制和PID控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有PID控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。

图1-1模糊自整定PID控制

1.3电炉采用模糊自整定PID控制的可行性