电烤箱温度控制计算机控制系统设计Word格式文档下载.docx
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1.2控制方案................................................................................................
1.2.1
控制系统的建模.............................................................................
1.2.2
PLC系统..........................................................................................
2
1.2.3
单片机系统.....................................................................................
3
1.2.4
选择最优方案..................................................................................
4
2硬件部分设计..............................................................................................
5
2.1C51单片机简介....................................................................................
2.1.1
中央处理器CPU............................................................................
2.1.3
AT89C51单片机引脚功能..........................................................
6
2.1.4
AT89C51单片机时钟电路及时序..................................................
8
2.1.5
AT89C51单片机复位电路..............................................................
9
2.2
温度检测电路设计.............................................................................
10
2.2.1
温度传感器...................................................................................
2.2.2
变送器...........................................................................................
2.2.3
A/D转换........................................................................................
2.3
温度控制电路设计.............................................................................
13
2.4
键盘电路设计.....................................................................................
15
2.5
数码管显示电路设计.........................................................................
16
3控制程序设计............................................................................................
19
3.1
工作流程.............................................................................................
3.2
功能模块.............................................................................................
3.3
资源分配模块.....................................................................................
3.4
软件功能设计.....................................................................................
3.4.1
键盘管理.......................................................................................
3.4.2
显示管理.......................................................................................
20
3.4.3温度检测模块..................................................................................
22
3.4.4
温度控制模块...............................................................................
23
3.4.6
主程序模块....................................................................................
3.5
基于SIMULINK的PID仿真...........................................................
24
结论
...............................................................................................................
26
II
致谢27
参考文献28
附录29
附录129
附录230
III
1绪论
1.1技术指标
温度控制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
根据温度变化快慢的特点，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。
温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。
该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。
电烤箱的具体指标如下：
（1）电烤箱为一封闭长方体结构，
（2）烤箱内尺寸：
0.8m×
0.6m×
0.4m。
（3）加热器件为一1kw（220v）电热丝。
（4）从室温开始升温到100℃系统调节时间ts≤5分钟，超调量≤10%。
（5）控制温度范围为50～200℃连续可调。
（6）显示实时温度，显示精确到1℃。
1.2控制方案
1.2.1控制系统的建模
本文的被控对象为某公司生产的型号为0.8m×
0.4m的电烤箱，其工作频率为
50HZ，总功率为1kW，工作范围为50～200℃。
设计目的是要对它的温度进行控制，达到调节时间短、超调量≤10%的技术要求。
在工业生产过程中，控制对象各种各样。
理论分析和实验结果表明：
电加热装置是一
个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述。
然而，对于二阶不振荡系统，
通过参数辨识可以降为一阶模型。
因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学
模型。
所以电烤箱模型的传递函数为：
Ke
s
式（1.1）
G（s）
Ts
式中K——对象的静态增益；
T——对象的时间常数；
τ——对象的纯滞后时间。
目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号，测取过程对象的阶跃响应，
然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。
具体用科恩-库恩（Cohn-Coon）公式确定
近似传递函数。
给定输入阶跃信号200℃，用温度计测量电烤箱的温度，每半分钟采一次点，实验数
据如下表2-1：
表2-1
烤箱模型的温度数据
时间
0.5
1.0
1.5
2.0
3.0
4.0
4.5
5.0
t（m）
温度
31
52
78
104
126
148
168
182
198
200
T（℃）
Cohn-Coon公式如下：
KC/M
T1.5（t0.632t0.28）
1.5（t0.281t0.63）2式（1.2）
式中△M——系统阶跃输入；
△C——系统的输出响应；
t0.28——对象飞升曲线为0.28△C时的时间（分）；
t0.632——对象飞升曲线为0.632△C时的时间（分）。
从而求得K=0.92,T=144S,
τ=30S
所以电烤箱模型为：
G（s）
0.92e30s
144s
式（1.3）
1.2.2PLC系统
（1）PLC的定义
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。
他
采用了可编程序的储存器，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算
术操作的面向用户的指令，并通过数字化或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生
产过程。
（2）PLC的特点
现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。
1.可靠性高，抗干扰能力强：
PLC用软件取代了继电器控制系统中打量的仲坚继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因为触点接触不良造成的故障。
2.硬件配套齐全，使用方便，适应性强：
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置。
3.编程方法简单易学：
梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
4.系统的设计，安装，调试工作量少：
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等
器件，使控制柜的设计、安装、接线工作大大减少。
PLC的梯形图程序可以用顺序控制设
计方法来设计。
这种设计方法很有规律，容易掌握。
可以在实验室模拟调试PLC的程序，
用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少得多。
5.功能强，性能价格比高：
一台小型德尔PLC内有成千上百个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。
PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
6.维修工作量小，方便维修:
PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
1.2.3单片机系统
（1）单片机的定义
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的
中央处理器CPU随机存储器、RAM、只读存储器、ROM多种I/O口和中断系统、定时器
/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算系统。
（2）单片机的特点
1.有优异的性价比。
2.集成度高，体积小，可靠性好。
3.控制能力强。
4.低功耗，低电压，便于生产便携式产品。
5.易拓展。
目前，应用广泛的主流机型是80C51系列8位单片机。
该机型具有性能价格比高；
芯
片功能能够适用；
有众多芯片制造厂商加盟，可广泛选择等优点，这次我们采用美国intel
公司生产的AT89C51单片机，其中包括CPU、存储器、I/O接口电路及时钟电路等。
1.2.4选择最优方案
通过比较单片机和PLC的性价比，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。
温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。
该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。
产品的工艺不同，控制温度的精度也不同，因而采用的控制算法也不同。
就温度控制系统的动态特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温控的线性性能要求较高时，多采用PID算法来实现温度控制。
本系统是一个典型的闭环控制系统。
从技术指标可以看出，系统对控制的精度要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，即当烘干箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降低到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。
2硬件部分设计
系统的硬件部分包括单片机的电路设计、传感器设计、放大电路设计、键盘以及显示电路设计五个部分。
图2-1电烤箱温度控制结构
2.1C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51?
指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，
ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
2.1.1中央处理器CPU
中央处理器CPU是单片机的核心。
是计算机的控制指挥的中心。
同一般微机的CPU类似。
AT89C51单片机内部CPU包括控制器和运算器。
2.1.2运算器
AT89C51运算器电路以算术逻辑单元ALU为核心。
有累加器ACC、寄存器B、暂存器1、暂存器2、程序状态寄存器PSW和布尔处理机共同组成。
它主要完成数据的算术运
算、逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。
运算结果的状态由程序寄存器PSW保存。
A.算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B
算术逻辑单元ALU不但能完成8位二进制的加、减、乘、除等算数的运算。
而且还
能对8位变量进行逻辑“与”“或”“异或”循环位移等逻辑的运算。
累加器ACC（简称累
加器A）为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁寄存器。
专门存放操作数或运算结果。
B．程序状态寄存器
程序状态寄存器PSW是一个8位的状态寄存器。
用于存放标志的寄存器。
用于存放
指令执行后的状态，以供程序查询和判别。
PSW各位的状态通常是在指令执行的过程中自
动设置。
但可以由用户根据需要指令加以改变。
状态寄存器共有进位标志位CY、辅助进
位标志位（或称半进位）AC、用户自定义标志位F0、工作寄存器组选择位RS1、RS0、溢出标志位OV、奇偶标志位P.
C.控制器
控制部件是单片机的神经中枢。
它包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器
ID、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器和定时器控制电路。
它先以主振频率为基准发
出CPU的时序对指令进行译码，然后发出各种控制信号。
完成一系列定时控制微操作。
用来协调单片机各部分的正常工作[1]。
2.1.3AT89C51单片机引脚功能
AT89C51系列单片机的封装形式有两种：
一种是双列直插方式的封装；
另一种是方形
的封装。
AT89C51单片机40个引脚及总线结构图如下所示。
其CMOS工艺制造的低地功
耗芯片也有采用方形的封装。
但为44个引脚，其中4个引脚是不使用的。
由于at89C51单片机是高性能的单片机。
同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。
a.主电源引脚
主电源引脚两根：
VCC接+5V电源正端；
VSS接+5V电源地端。
b.外接晶体引脚两根
XTAL1:
接外部石英体和微调电源一端。
XTAL2:
接外部晶体和微调电容另一端。
其中，对用外部时钟时，对于HMOS单片机,XTAL1脚接地，XTAL2脚作为外部振荡信号输入端。
对CHMOS单片机XTAL1脚作为外部振荡信号的输入端，XTAL2脚空不接。
1）引脚功能
I\O引脚共32根。
A．PO口：
P0.0-P0.7统称为PO口是8位双向I/O口线。
P0口即可作为地址/数据总
线使用，又可作为通用的I/O口线。
在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。
在接有片外存储器或扩展I/O时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据的总线。
B．P1口：
P1.0-P1.7统称为P1口。
是8位准双向I/O口线。
P1口作为通用I/O口使
用。
C．P2口：
P2.0-P2.7统称为P2口。
P2口即可作为通用的I/O口使用。
也可作为片外存储器的高8位地址线。
与P0口组成16位片外存储器单元地址。
P3
口的第二功能如下表所示：
口的第二功能
P3.0
RXD
串行口输入
P3.1
TXD
串行口输出
P3.2
IM0
外部中断0输入
P3.3
IM1
外部中断1输入
P3.4
T0
定时/计数器0
计数输入
P3.5
T1
定时/计数器1
输入
P3.6
WR
片外RAM写选通信号（输出）
P3.7
RD
片外RAM读选通信号（输出）
2）控制线
控制线共四根。
A：
ALE/PROG地址锁存有效信号输出率。
B：
PSEN片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效。
C：
RST/VPD复位信号备用电源输入信号。
D：
EA/VPP片外程序存储器选用端。
3）AT89C51单片机的存储器结构
AT89C51单片机的存储器物理结构上分为片内数据存储器、片内程序存储器、片外数
据存储器和片外程序存储器等4个存储空间。
4）AT89C51单片机的并行I/O端口
AT89C51单片机有4个8位并行I/O端口（P0、P1、P2、P3）每个端口都各有8条I/O
口线，每条I/O口线都独立地用作输入输出，在具有片外扩展存储器的系统中，P2口送出
高8位地址，P0口分时送出低8位地址和8位数据。
各端口的功能不同，结构上也有差异，但是每个端口的8位结构是完全相同的。
a.P0
口，P0口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用口，也可作为通用I/
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