基于单片机的炉温控制系统软硬件设计.docx
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基于单片机的炉温控制系统软硬件设计
摘要
随着电子技术的飞速发展，单片机在国民经济生产各行业发挥了重要的作用。
它因为集成度高、体积小、运行可靠、应用灵活、价格低、面向控制等特点得到了广大工程技术人员和客户的好评。
在温度控制方面，单片机能够代替常规的模拟调节器。
本文主要设计了单片机炉温控制系统硬件电路和软件程序。
系统具工作可靠、实时性强等特点，满足控制精度的要求。
本着在满足系统性能要求的前提下，尽可能的减少硬件成本。
本文主要涉及到控制系统的硬件设计和单片机的控制软件编程。
本系统选用AD590对炉温进行检测，并且选用OP07低漂移高精度前置放大器，对信号进行放大。
在PCF8951完成数模转换之后，8051单片机对数据进行处理。
采用分段方法控制三台电阻炉温度。
人机接口电路部分能实现温度设定、温度显示、超温报警等功能。
本设计对温度的调节时间不做说明。
本文重点介绍硬件的选取与接口电路的设计、模拟量输入通道和开关量输出通道的设计以及相应算法的软件程序编程。
关键词：
单片机；炉温控制；接口电路；
Abstract
Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology，Single-chipproductionofvarioussectorsinthenationaleconomyplayedanimportantrole.Itisbecauseofthehighintegration,smallvolume,reliableoperation,flexible,lowpriceandapplicationforcontroloftheengineeringcharacteristicsoftechnicalstaffandcustomers.Intemperaturecontrol,SCMcanreplaceconventionalanalogregulator．Thispaperdesignsthetemperaturecontrolsystemofmicrocontrollerhardwarecircuitandsoftwareprogram.Withreliablework,real-timesystemasthecontrolaccuracyrequirements.Basedonsystemperformancerequirementsinthepremise,reducecostofhardware.ThispaperinvolvescontrollingsystemofhardwaredesignandtheSCMcontrolsoftwareprogramming.ThissystemchooseAD590thermocoupletotesttemperatureandchooseOP07lowdriftofpreamplifiertoamplifiysignal.InPCF8591completedigital-to-analog8051singlechipmicrocomputer,afterprocessingofdata.Segmentationcontrolalgorithmofthreeresistancefurnacetemperature.Canrealizehuman-machineinterfacecircuitofthetemperaturesetting,temperaturedisplay,andovertemperaturealarmetc.Thedesignoftemperatureregulationtimetodothat.Thispaperintroducesthehardwaredesignofinterfacecircuitandanaloginputchannel,andchannelofswitchingoutputcorrespondingalgorithmandthedesignofsoftwareprogramming.
Keywords:
SCM,Temperaturecontrol,Interfacecircuit,
附录一中文译文
附录二外文资料原文
附录三系统功能框图
附录四系统硬件电路图
基于单片机的炉温控制系统软硬件设计
第一章前言
温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量--等一系列问题。
温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。
不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。
而对于现代工业中不同生产情况和工艺要求，所采用的加热方式、燃料、控制方案等也不尽相同。
如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制（ExpertControl），鲁棒控制（RobustControl），推理控制等。
一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制，都没有取得很好的控制效果。
起先由于电阻炉的发热体为电阻丝，传统方法大多采用仪表测量温度，并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率。
由于模拟仪表本身的测量精度差，加上交流接触器的寿命短，通断比例低，故温度控制精度低，且无法实现按程序设定的升温曲线升温和故障自诊断功能，因此要对传统的温度控制方法进行改造。
如今，随着以微机为核心的温度控制技术不断发展，用微机取代常规控制已成必然，因为它确保了生产过程的正常进行，提高了产品的数量与质量，减轻了工人的劳动强度以及节约了能源，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化。
而且微型计算机在智能温度测量和控制电器中的控制作用是一种智能行为，所以，它在能量消耗上是比较少的，和普通仪表温度测量相比，智能温度测量与控制电器是一种节能电器。
这不但对用户来说具有很大的意义，而且对整个社会来说都是有重大意义的[1]。
本设计通过对单片机炉温控制系统的设计来提高劳动生产率，降低劳动强度。
同时通过本设计来全面检验大学期间所学的专业知识，提高分析问题，解决问题及理论联系实际的能力。
第二章单片机在炉温控制中的应用
2.1单片机与炉温控制系统
2.1.1单片机在温度控制系统的应用
单片机具有集成度高，运算快速快，体积小、运行可靠，价值低廉，因此在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，本文主要介绍单片机在炉温控制中的应用。
在工业生产中，有很多行业有大量的加热设备，如用于热处理的加热炉、用于熔化金属的坩埚炉，以及各种不同用途的加热炉，反应炉，这样温度就成为了工业对象中一种重要的被测控对象，但是由于炉子的种类，用途不同，因此，采用的加热方法及燃料也就不同，如煤气、天然气、油、电等，但究其控制系统本身的动态特性而言，基本上都是一阶纯滞后环节。
实践证明，用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。
2.1.2单片机在本设计中的应用
在工业生产过程中，温度是最基本的工艺参数之一，因此对温度实现自动控制是生产自动化的重要任务之—。
本系统以MCS-51单片机为核心构成一个智能炉温控制系统，具有对电炉温度的定时检测、实时控制和调节，参数显示和打印，存储必要的信息等功能。
通过操作键盘，可在线修该给定值和控制参数，并进行手动、自动的切换。
本系统主要由单片机应用系统主机板、温度检测与信号放大模块、数字控制与同步触发模块、晶闸管主电路及电气控制等部分组成。
单片机应用系统主机板采用模块式结构，功口线和各信号设计成总线形式，应用系统的各部分，如Ａ／Ｄ模块、链显模块、存储器模块、微型打印机接口、报警指示等，都通过总线插座方便地与单片机接口，同时还配有多个接口、插口。
方便用户维护、维修和进一步开发应用。
系统运行时，其给定值从键盘输入，由微机构成的数字控制器采用模糊控制算法，进行调节运算、控制效果较好。
图2-1单片机炉温控制系统结构图
2.2单片机的概述
2.2.1单片机的概念
微型计算机的出现，给人类生活带来了根本性的变化，它使现代科学研究产生了质的飞跃。
而单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。
它在工业控制、数控采集、智能化仪表、办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应用，可以毫不夸张地说，单片机技术的开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展的标志之一。
单片微型计算机（SingleChipMicroComputer）简称单片机，它是把组成微型计算机的各功能部件：
中央处理单元CPU、一定容量的随机存储器RAM和只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行口等制作在一块芯片中的计算机。
由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的，常用在工业检测、控制装置中，因而也称为微控制器（Micro—Controller）。
它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等特点。
从家用电器、智能化仪器、工业控制直到火箭导航尖端技术领域都发挥着十分重要的作用。
由于单片机在应用时通常是处于被控系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用，为了强调其“嵌入”的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器（EMCU）。
⑴通用单片机和专用单片机
根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。
通用型单片机是一种基本芯片，它的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需求。
用户可以根据需要设计成各种不同应用功能的控制系统，即通用单片机有一个再设计的过程。
专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化、软硬件资源利用的最优化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了通盘的考虑和论证，所以专用单片机具有十分明显的综合优势。
例如电度表和IC卡读写器上的单片机等。
⑵单片机与单片机系统
前面已经提到：
单片微型计算机简称单片机，它是指把组成微型计算机的各功能部件集成在一个芯片上构成一个完整的微型机，从而实现微型计算机的基本功能。
单片机的内部结构示意图如图1-1所示。
图2－2单片机的内部结构示意图
单片机实质上是一个芯片，在实际应用中通常很难将单片机直接和受控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路以及外部设备。
单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。
在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。
⑶单片机应用系统与单片机开发系统
单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、测量和控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。
单片机应用系统是为控制应用而设计的，该系统与控制对象结合在一起使用，是单片机开发应用的成果。
一个单片机的应用系统，除了有单片机芯片以外，还有许多其它外围电路。
单片机应用系统是由硬件和软件组成的。
硬件是单片机应用系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。
硬件和软件二者相互依赖，缺一不可。
单片机应用系统的组成示意图如图1-2所示。
图2－3单片机应用系统的硬件结构
单片机开发系统是单片机应用系统开发调试的工具。
主要有：
①逻辑分析仪：
只能用于简单的单片机系统；
②微型计算机：
用于复杂的单片机系统；
③在线仿真器：
进行单片机应用系统的软硬件开发和EPROM写入。
⑷单片机的程序设计语言和软件
机器语言是用二进制代码表示的单片机指令，用机器语言构成的程序称之为目标程序。
汇编语言是用符号表示的指令，汇编语言是对机器语言的改进，是单片机最常用的程序设计语言。
注意：
这两种语言均与单片机硬件关系密切，这就要求程序设计人员必须精通单片机的硬件系统和指令系统。
高级语言：
编译型语言有PL/M51、C-51、C、MBASIC-51等；解释型的有MBASIC和MBASIC-52等[2][3]。
2.2.2单片机的发展
⑴单片机的历史及发展概况
根据单片机发展过程中各个阶段的特点，其发展历史大概可划分为以下四个阶段：
①第一阶段（1974～1976）：
单片机的初级阶段。
因工艺限制，单片机采用双片的形式，而且功能简单。
②第二阶段（1976一1978）：
低性能单片机阶段。
以Intel公司制造的MCS-48系列单片机为代表。
③第三阶段（1978一1982）：
高性能单片机阶段。
这个阶段推出的单片机普遍带有串行I/O口，多级中断处理系统，16位定时器／计数器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64K字节，有的还内置有A/D转换器。
这类单片机的代表是Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的6810和Zilog公司的Z8等。
④第四阶段（1982一现在）：
8位单片机的巩固发展以及16位单片机、32位单片机推出阶段。
此阶段的主要特征是一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同用户的需要。
16位单片机的典型产品如Intel公司生产的MCS-96系列单片机。
而32位单片机除了具有更高的集成度外，其振荡频率已达20MHz或更高，这使32位单片机的数据处理速度比16位单片机快许多，性能同8位、16位单片机相比，具有更大的优越性。
计算机厂家已投放市场的产品就有70多个系列，500多个品种。
单片机的产品已占整个微机（包括一般的微处理器）产品的80%以上，其中8位单片机的产量又占整个单片机的产量的60%以上，因此可以看出，8位单片机在最近若干年里，在工业检测、控制应用上将继续占有一定的市场份额。
⑵单片机的特点及应用领域
由于单片机是把微型计算机主要部件都集成在一块芯片上，即一块芯片就是一个微型计算机。
因此，单片机具有以下特点：
①小巧灵活、成本低、易于产品化。
能组装成各种智能式测控设备及智能仪器仪表。
②可靠性好，应用范围广。
单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，抗干扰性强，能适应各种恶劣的环境，这是其他机种无法比拟的。
③易扩展，控制功能强，很容易构成各种规模的应用系统，。
单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能指令，可以对逻辑功能比较复杂的系统进行控制。
④系统内无监控或系统管理程序。
单片机系统内部一般无监控或系统管理程序，只有用户设计、调试好的应用程序。
⑶单片机的应用领域很广泛，主要包括以下几个方面：
①工业方面：
各种测控系统。
数据采集系统，工业机器人，智能化仪器，机、电一体化产品。
②智能仪器仪表方面。
③通讯方面：
调制解调器、程控交换技术等。
④消费产品方面：
电动玩具、录像机、激光唱机等。
⑤导弹与控制方面：
导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装备、飞机导航系统等。
⑥计算机外部设备及电器方面：
打印机、硬盘驱动器、彩色与黑白复印机、磁带机等。
⑦多机分布式系统：
可用单片机构成分布式测控系统，它使单片机应用进入了一个全新的阶段。
单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
以前采用电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。
这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术。
随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善[5]。
2.3.1炉温控制的发展现状与方向
国外从20世纪70年代，我国从80年代开始对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究。
随着检测设备、仪表、计算机水平的提高，90年代我国轧钢企业配置计算机控制的连续加热炉逐渐增多，并进行了不同程度的控制，由于各自的控制内容和使用情况不同，所得到的效果也不尽相同。
目前国内在控制理论和关键技术方面的开发与国外先进国家相比差距不是很大，但在真正的应用上与欧美、日本、前苏联等冶金技术较先进国家相比差距较大。
从20世纪90年代末国内许多老企业，都对加热炉进行了计算机燃烧控制方面的改造，计算机几乎全是选用进口的，检测设备、仪表部分采用国产的，新上项目大部分整套设备进口。
2.3.2炉温控制技术发展趋势
炉温控制的另一条最为理想的途径是人工智能化直接监测火焰性能控制燃烧的方法，类似人工烧钢通过观察火焰颜色判断燃烧情况。
但由于加热炉炉膛很大，长30、40m以上，宽5m以上，是一个时变、分布参数非线性、大惯性延迟的控制系统，炉气、钢锭、墙壁之间的传热过程复杂且是非线性的，还有影响燃烧控制的许多不确定因素，目前没有实用仪器来实现。
近年来，随着人工智能理论的发展和实用化，以及计算机技术的进步和检测设备、仪表性能的提高，专家系统、模糊控制等技术正在加热炉燃烧控制上得到越来越广泛的应用。
蒙特卡洛随机思想以及量子物理浮点思想在自动控制方面也引起研究者们的高度重视，随着现代科学技术的发展，随机系统滤波与控制理论也将被应用于炉温计算机控制中。
第三章炉温控制系统软硬件总体方案
3.1单片机控制系统设计步骤
单片机控制系统设计的一般步骤如下：
3.1.1系统总体设计
确定单片机控制系统的总体方案，是系统设计中十分重要的一步。
合理的总体设计来自对于系统要求的全面分析和对于实现方法的正确选择。
一般说来，系统的总体设计步骤如下：
⑴全面分析任务对系统的要求：
①明确需要检测的信号，变换快慢，检测精度要求。
相应的确定检测方法和检测元件。
②执行机构是什么，需要输出几个怎样的控制信号——模拟量还是数字量、功率有多大、有何特殊要求、相应的确定输入输出通道的结构。
③对控制的精度有何要求，应采用何种控制算法。
④对输出、通信等方面有何要求，相应的实现方法是什么。
⑤系统操作方式，比如如何启动和停止，如何设置参数等。
⑥系统是否有进一步扩展的需要，输入/输出通道和存储器容量是否要适当留下余量。
⑦系统的工作环境如何，是否需要加强抗干扰设施。
需要注意的是，控制系统通常都是为某种生产设备或生产过程服务的。
在分析对于系统控制的要求时，必须了解有关设备的运行性能和工艺过程。
⑵确定系统的构成类型：
单片机应用系统的构成类型包括采用从元件级设计系统、利用应用板构成系统和通过购置模块式工业控制单片机组成系统三种，确定采用何种构成是系统总体设计中的重大决策。
在进行应用系统开发的实际工作中，不一定要对系统作全面地了解分析之后才确定系统的构成类型，而只需根据系统某些主要的要求即可确定应采用何种构成。
这些主要的要求如：
是否需要屏幕显示，有怎样的打印要求，微机工作环境如何等。
据此结合单片机控制系统三种构成类型的特点，便可确定采用哪一种类型更为合理。
⑶划分硬件和软件任务，画出系统结构框图：
3.1.2硬件设计
硬件设计的任务是根据总体设计给出的结构框图，逐一设计出每一个单元电路，最后组合起来，成为完整的硬件系统。
⑴微处理器的选择：
从元件级设计控制系统，微处理器一般都选择单片机。
对于工业控制系统来说，一般对于微处理器的运算精度、数据处理功能、寻址能力和操作速度，没有很高的要求。
它的要求偏重于中断系统、I/O口的数量和功能、内部寄存器和存储器的类型、容量以及是否集成A/D转换器件等。
因此，除了某些高精度快速系统需要采用16位单片机以外，对于一般控制系统来说，选择8位单片机均能满足要求。
⑵存储器的配置：
存储器的配置任务是确定片外存储器的类型和容量，选定存储器型号，设计扩展电路。
在硬件设计阶段，由于还没有完成软件设计，无法准确地估计所需存储器的容量。
这时可根据对控制系统的分析，凭借经验大致地估算所需存储器的容量，估算时应留有一定的余量。
⑶输入通道设计：
输入通道的设计内容是确定通道结构和元件配置，合理选择A/D转换器和其他部件。
作为实际控制系统的完整输入通道，还包括信号的检测和转换环节，在设计输入通道时需要统一考虑。
例如，对于温度检测和控制系统，如果采用热电偶作为检测元件，其信号需要经过放大，还有冷端补偿和查分度表的问题。
这些既与输入通道的硬件设计有关，同时还涉及到软件设计问题。
⑷输出通道设计：
输出通道的设计内容也是要确定其通道结构和元件配置，并合理选择D/A转换器和其他部件。
输出通道的特点是带有功率驱动，要根据执行机构的需要，合理的选择驱动电路。
这一部分有时也会涉及到电气设备的主电路。
另外，与输入通道设计相同，输出通道设计时也要注意采取适当措施对信号进行隔离以抗干扰。
⑸外围电路设计：
外围电路的设计主要包括人机交互参数设定、系统启动/停止等操作、显示部分的设计、打印、报警、通信。
⑹硬件合成：
3.1.3软件设计
⑵主程序和各模块程序的设计：
根据确定的算法流程图，分别编写主程序和各模块程序。
编程时尽量利用已有的子程序，以减少工作量。
对于程序的编写，需要说明以下几点：
①编程语言一般都采用汇编语言，汇编语言具有执行速度快、占用内存少的特点，适合用于实时控制系统。
②在程序设计过程中，完成预定的功能是最基本、最重要的任务，但同时还必须贯彻可靠性设计的原则，例如采取必要的抗干扰措施——数字滤波、软件陷阱等。
③控制算法是微机控制系统程序设计中的重要内容，要根据被控制对象的特性，合理选择控制算法，以达到所要求的控制精度。
④对于存储器空间的使用应统一安排。
⑤对于各个程序模块，要首先画出程序算法流程图，说明其功能，以便于编写子程序时明确各程序模块的入口、出口参数和对CPU内部寄存器的占用情况。
⑥对于程序中的指令应有必要的注释，以便于阅读与使用。
⑦主程序和各模块程序的设计完成后，连接成为一个完整的程序。
最后对于整个程序作详细的说明，内容包括占用内部资源情况、存储器分配情况、标志的定义以及程序启动方法等。
3.1.4软件与硬件的调试
在整个系统硬件设计和软件设计基本完成后，就进入系统调试阶段。
系统调试通常分为三步，即硬件调试、软件调试和综合调试。
此处不再赘述。
3.2单片机炉温控制系统总体设计
3.2.1确定控制任务
⑴被控对象：
两台电阻炉的温度。
⑵控制要求及任务：
①要求用PID算法控制2台电炉温度，使其保持恒温工作。
2台电炉温度由外电路人工设定。
②要求实时显示电炉温度，显示位数为4位，即××××°C（例如1000°C）。
③当不能保证所要求的温度时，即发生超温，极值，和电阻丝损坏等情况时发出报警信号。
④要求可实现将电阻炉温度实时打印功能。
⑤对升温和降温过程的时间不做要求。
⑥系统有进一步扩展的需要，输入/输出通道和存储器容量要适当留下余量。
图3-1硬件系统总体结构图
3.3软件程序总体流程图
图3-2软件设计总体流程图
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第四章微处理器的选用及原理
4.1单片机的介绍
4.1.1单片
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