基于单片机的智能温度控制系统设计.docx
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基于单片机的智能温度控制系统设计
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基于单片机的智能温度控制系统设计
摘要
电加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。
电加热炉的温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后、时变性等特点。
其升温保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。
温度超调时，通过工人反复操作调节阀很难达到理想的控制效果。
本文就是在不用现场工人操作的前提下，建立以电加热炉为研究对象，针对电加热炉的特点，设计了用计算机来控制电加热炉温度的智能控制系统。
本文以STC898C52单片机为核心设计了硬件原理图及软件程序。
并详细论述了各个硬件组成部分的工作原理，和各部分所使用的元器件，以及各软件部分流程图。
理论上将其应用于电加热炉的温度控制系统，可以满足温度控制稳定性的要求，可以减少操作人员的劳动量和带来的人为误差，可以提高产品的热处理质量。
关键词：
电加热炉；温度控制；单片机控制
DesignOfIntelligentTemperatureControlSystem
BasedonMCS
Abstract
TheelectricheatingstoveisthetypicalmemberofIndustrialprocesscontrol,applieswidelyinourcountry.Theelectricheatingstove'stemperaturecontrolhastheelevationoftemperatureunidirectivity,biginertia,biglag,whencharacteristicsandsoondenaturation.Itselevationoftemperatureandtheheatpreservationaredependupontheresistancewireheatingbutthetemperaturedecreasedependupontheenvironmentnaturalcooling.Onceitstemperatureovermodulationbyworkersrepeatedoperationcontrolvalvestoachievestheidealcontroleffectwithdifficulty.
Thepaperisunderthepremisewhichwithoutthefieldoperationsworkersoperationcontrolvalves,establishestaketheelectricheatingstoveastheobjectofstudy,inviewoftheelectricheatingstove'scharacteristic,designedhascontrolledheatingfurnace'sfurnacetemperaturewiththecomputercontrolsystem.ThisarticlehasdesignedthehardwareschematicdiagramandthesoftwareproceduretaketheSTC898C52monolithicintegratedcircuitasthecore.Andindetailelaboratedeachhardwareconstituentprincipleofwork,usestheprimarydevicewithvariouspart,aswellasvarioussoftwarespartialflowcharts.Theorygeneralitappliesintheelectricheatingstovetemperaturecontrolsystem,maysatisfythetemperaturecontrolstablerequest,mayreducethepersonalerrorwhichoperator'slaborandbrings,mayenhancetheproducttheheattreatmentquality.
Keywords:
electricheatingstove;temperaturecontrol;MCSconller
第一章绪论
1.1前言
工业控制的形成和发展在理论上经历了三个阶段：
50年代末起到70年代为第一阶段，即经典控制理论阶段，这期间既是经典控制理论应用发展的鼎盛时期，又是现代控制理论应用和发展时期。
70年代至90年代为第二阶段，即现代控制理论阶段：
90年代至今为第三阶段，即智能控制理论阶段。
无论是经典控制理论还是现代控制理论，都是建立在系统的精确数学模型基础之上的。
但在实际系统中被控对象一般都具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特点。
这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参数之间的藕合交错，而且包含被控量、操作量和干扰量之间的联系；不确定性不单指结构上的不确定性，而且还指参数的不确定性；非线性既有非本质的非线性，又有本质非线性。
基于被控对象的这种复杂性，决定了控制的艰难性。
传统控制方法绝大多数是基于被控对象的数学模型，即按照建模控制优化进行，建模的精确程度决定着控制质量的高低，尽管目前的建模理论和方法己有长足的长进，但仍有许多过程和对象的机理不清楚，动态特性难以掌握，使我们不得不对被控对象进行简化或近似，将一个理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果自然会大打折扣，因此，用传统的控制手段进一步提高控制对象的质量遇到了极大的困难，传统控制方法面临着严峻的挑战。
[10]
工业控制中存在着工业过程复杂、数学模型难以确定的系统，智能控制理论的产生正是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出的。
1987年智能控制正式成为一门独立的学科，它是人工智能、运筹学和自动控制理论等多门学科相结合的交叉学科。
它与传统控制的主要区别在于可以解决非线性模型化系统的控制问题。
就目前而言，智能控制是解决传统过程控制局限性问题和提高控制质量的一个重要途径。
在各种仪表高速发展的今天，控制装置己经不是主要问题，影响被控对象性能指标的主要因素取决于控制器本身，控制器本身的智能化设计将直接影响产品的质量和生产率。
1.2电加热炉简介
电加热炉是工业生产过程和实验室里广泛使用的加热设备，是将电能转换为热能的能量转换装置。
布置在炉内的加热元件将电能转化为热能，通过辐射或对流的方式将热能传递给加热对象，从而改变对象的温度。
通常的工业过程都对炉温的控制提出了一定的要求，这就需要对电加热炉进行控制，调节它的通电强度来改变它输出的热能。
电加热炉具有结构简单、无污染、自动化程度高等特点。
与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。
电加热炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有非线性。
其温度特性曲线如图1.1所示。
图1.1电加热炉温度特性曲线
最近几年来，随着工业的快速发展，需要消耗大量的能源，并且环境污染问题越来越突出，节省能源、保护环境己被人们所接受，成为今后科学技术发展的方向。
因此，通过国内加热技术在工业行业的应用情况的总结及对比分析，可以预见出国内加热炉的发展方向及趋势。
对于现在讲品种、讲效益的时代，一个加热炉的自动化水平的高低和加热形式的多样性，决定了该加热炉适应的生产行业。
但是随着计算机控制技术和电子技术的发展，用计算机来控制加热炉的智能控制系统进行加热己成为一个新的发展方向。
国内各种形式的加热炉发展到现在，还不能讲哪一种形式是最先进、最成熟的，都多多少少存在一些问题，还有待我们去探索，如各热工参数之间和设计结构之间的定量关系，控制系统和调节系统的最优化，但计算机控制加热炉系统是一种发展方向。
[2]
1.3智能温度控制系统
在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。
在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。
温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。
温度测量是温度控制的基础，技术己经比较成熟。
基于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。
温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。
本文主要研究电加热炉温度控制的方法。
智能控制的发展主要得益于模糊逻辑控制和神经网络控制理论的不断成熟。
90年代以后，智能控制的集成技术研究取得很大重大进展，如模糊神经网络、模糊专家系统、传统PID控制与智能控制的结合等。
这些都为智能控制技术的应用提供了广阔的前景。
[6]
智能控制是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。
它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。
它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道被控对象精确数学模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。
随着微机的发展和广泛应用，国内于70年代中已开始用计算机实现对电加热炉的控制。
由于计算机控制最大的特点是控制算法可灵活变动，因此，为电加热炉的计算机控制提供了方便。
若已通过辨识建立了电加热炉的数学模型，则可采用最优控制或自适应控制。
若未建立电加热炉的数学模型，则可采用数字PID控制、非线性PID控制、带积分型适应模糊控制或智能控制与神经网络控制等。
PID智能控制算法和单神经元自适PSD智能控制算法，由于算法简单、控制效果好，因而受到了人们广泛的关注，受到工程上广泛应用且结构简单的常规PID控制器的启发，利用具有自学习和自适应能力的单神经元来构成单神经元自适应智能控制器。
PID和PSD控制算法比较结果：
（1）单神经元自适应PID智能控制算法和单神经元自适应PSD智能控制算法都比传统PID控制算法超调量小、速度快、实时控制效果好。
（2）采用不同学习速率η的单神经元自适应PID智能控制算法较采用相同学习速率η的有较好的快速性、较小的超调量和较强的鲁棒性。
（3）改进后的单神经元自适应PID智能控制算法较改进前的具有较小的超调量和较好的实时控制效果。
（4）与单神经元自适应PID智能控制算法相比，单神经元自适应PSD智能控制算法具有可调参数范围大、自适应能力强等优点，可用于控制过程时变、有大滞后的复杂对象，是一种价值较高的智能控制算法。
总之，在上述两种算法中，学习速率η不同的单神经元自适应PSD智能控制算法具有较满意的实时控制效果，实用价值较高。
[5]
但是考虑到本人目前的学识所限，有许多技术上的问题需要解决，这就需要在以后的工作和学习中加以改进，因此本次毕业设计将采用算法简单、实用价值较高的PID控制算法，资料表明，采用该算法也可以取得良好的控制效果。
电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，己经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中，占有举足轻重的地位。
随着我国经济的快速发展，对能源的消耗与日俱增，怎样降低功耗提高经济效益，已成为人们关注的问题。
例如在冶金行业轧钢生产过程中，加热炉能耗约占全厂总能耗的60%左右，是轧钢工序的能耗大户，尤其是近二十年来，加热炉的硬件设备装备水平有了很大的提高，因此提高加热炉操作水平，实现计算机全自动烧钢，降低加热炉能耗意义很大。
对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。
单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。
采用单片机进行炉温控制可以提高控制质量和自动化水平。
由于计算机技术、控制技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，高校的专业合并与渗透使工业控制计算机系统、自动化、信息技术改造了传统产业。
机电一体化、数控、先进制造技术、CIMS之间的技术、专业、学科之间的界限越来越模糊，这是实际发展的需要，也是技术发展的必然趋势。
第二章电加热炉智能温度控制系统
2.1电加热炉智能温度控制系统的构成
电加热炉广泛用于冶金、石油化工、纺织印染等工业生产过程。
因此对加热炉温度的控制是必不可少的。
作为被控对象，电加热炉具有非线性、时变性、分布参数等特点。
要实现对加热炉的控制，必须建立被控对象的数学模型，然后求取相应的控制器方程，例如自适应控制、随机最优控制、预测控制、解耦控制和变结构控制等。
这类控制方法由于数学工具深奥，算法复杂，现场工程师难以理解和接受，因而这些先进控制算法的推广受到制约。
人们在实践中知道，许多复杂的生产过程难以实现目标控制，但是熟练的操作工、技术人员和专家操作自如，而不要建立什么数学模型，就可以得到比较满意的控制效果。
设想把这些专家的经验和知识总结起来赋予计算机，让计算机参与生产过程控制，这类系统一般称为智能控制系统，它包含专家控制、模糊控制和神经网络控制。
本文就没有建立电加热炉的数学模型，而是在设计出加热炉硬件原理图的基础上，直接采用算法简单、效果好的PID智能控制算法。
其系统框图如图2.1所示。
图2.1智能温度控制系统结构框图
图2.2电加热炉温度智能控制系统硬件连接框图
电加热炉炉膛温度是由多组炉丝的供电能量来调节的，它们分别由多套晶闸管调功器供电。
调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节。
为了控制炉温，设计了一套电加热炉计算机控制系统，如图2.2所示。
该系统以单片机为核心，包括A/D转换电路、键盘电路、LED显示电路、D/A转换电路等几部分组成。
2.2电加热炉智能温度控制系统的原理
电加热炉计算机控制系统是一多输入、多输出的多变量系统，但本次设计仅以一组为例，即输入信号有八组，经过放大后再经过多路选择，之后在经控制电路处理。
电加热炉炉温的控制过程如下：
测温元件将检测到的温度信号经过放大、隔断处理后，在某一时刻被选择的信号送到A/D转换器，转换成数字量送给单片机，单片机对A/D结果处理（包括冷端补偿计算），得出加热炉温度测量值，一路信号经74LS164驱动LED显示，一路信号将温度测量值与给定温度值进行PID运算（可通过键盘调节PID参数），运算结果经D/A转换，送给SCR调功器来控制加热炉的加热过程。
2.3电加热炉智能温度控制系统设计
电加热炉智能温度控制系统包括软件和硬件两大部分。
硬件是整个设计的基础。
硬件包括检测变换部分，输入信号转换部分，微处理部分，显示部分，键盘部分及输出信号转换部分等。
温度控制系统的软件设计是整个控制系统设计的核心，硬件要在软件的配合下才能完成预先确定要实现的各种功能。
硬件设计具有通用性，而软件设计的大部分工作是针对某一特定对象，可以完成硬件不能完成的功能。
软件设计具有充分的灵活性，可以根据系统的要求而变化。
单片机的智能功能要由软件来完成，温度控制系统软件在程序设计时采用了模块化设计方法，将控制器所要完成的功能分别编写和调试，所有模块调试成功以后，将各个模块连接，构成单片机软件系统。
这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于调试、维护和升级。
整个系统由3部分组成：
系统主程序、各功能子程序、中断程序。
系统主程序负责任务调度，子程序实现系统各个子功能，中断程序负责处理系统的中断事件。
主程序在完成系统初始化后，顺序执行各子模块程序，而中断发生时或预定义的时间到时（例如控制时间到），系统执行中断服务程序，处理完毕后程序回到中断发生前的状态，主程序继续执行。
第三章电加热炉智能温度控制系统的硬件设计
3.1检测变换部分
热电偶测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制；需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。
其优点是：
测量精度高。
因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。
测量范围广。
常用的热电偶从-50~+1600℃均可持续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
构造简单，使用方便。
热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
[14]
3.1.1热电偶测温基本原理
图3.1热电偶原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图3.1所示。
当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。
热电偶就是利用这一效应来工作的。
3.1.2热电偶的种类及结构
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：
组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
3.1.3热电偶冷端温度补偿
由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。
必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。
因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
3.1.4温度测量仪表的分类
温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。
通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。
非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。
3.2输入信号转换部分
从上面的介绍我们知道，本设计使用的是计算机控制，计算机只能接受数字信号，而热电偶输出的是模拟信号，所以必须把模拟信号转换成数字信号，这就需要A/D转换。
3.2.1A/D转换类型
模数转换技术是现实各种模拟信号通向数字世界的桥梁，作为将模拟信号转换成数字信号的模数转换技术主要有以下几种。
（1）积分型转换积分型模数转换技术在低速、高精度测量领域有着广泛的应用，特别是在数字仪表领域。
积分型模数转换技术有单积分和双积分两种转换方式，单积分模数转换的工作原理是将被转换的电信号先变成一段时间间隔，然后再对时间间隔记数，从而间接把模拟量转换成数字量的一种模数转换方法，它的主要缺陷是转换精度不高，主要受到斜坡电压发生器、比较器精度以及时钟脉冲稳定性的影响。
为了提高积分型转换器在同样条件下的转换精度，可采用双积分型转换方式，双积分型转换器通过对模拟输入信号的两次积分，部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差，提高了转换精度。
双积分型转换方式的特点表现在：
精度较高，可以达到22位；抗干扰能力强，由于积分电容的作用，能够大幅抑止高频噪声。
但是，它的转换速度太慢，转换精度随转换速率的增加而降低，每秒100～300次（SPS）对应的转换精度为12位。
所以这种转换方式主要应用在低速高精度的转换领域。
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