1、武汉职业技术学院 毕业设计（论文） 题目： 基于 AT89C51单片机的电加热炉温度控制系统 院 系：机电工程学院 专 业：电气自动化 班 级：电气 13302 姓 名：何 艳 辉 学 号： 1302303904 指导老师：方 波 完成日期： 2016年 3 月I 摘 要 随着国民经济的发展，人们对生活质量的要求越来越高，各种电子产品开始进入人们的生活并成为人们生活不可或缺的一部分，因此对电子产品的自动化控制的要求也越来越高，本设计正是选用了其中具有代表性的电加热炉作为研究对象 。 本设计以单片机为核心对电加热炉的温度进行监测和控制，采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点
2、，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。 为了实现高精度的温度控制，本单片机系统采用 PID 算法控制，通过控制双向可控硅改变电炉和电源的接通、断开，从而用改变加热时间的方法来实现对温度的控制。本系统由按键显示和温度采样控制以及上下限报警几个模块组成，通过模块间的通信完成温度设定、实际温度和测量温度的显示等功能。 本文对系统的硬件、选型、软件中流程控制的实现均有 较为详细的阐述，对使用的编程软件也有描述，对于本系统的控制特点也进行总结说明，比较详尽地叙述了整个系统的相关事宜。 关键 词： 单片 机、 PID 算法 、 温度控制 。 II Abstract A
3、long with the development of national economy, the people to the requirements of the quality of the life more and more high, all kinds of electronic products began to enter into the peoples life and become an integral part of life, so the requirements of electronic products of automation control als
4、o become more and more high, this design is just choose the electric heating which one is representative as the research object. This design with the single chip processor as the core to monitoring and control electric heating temperature, Using the monolithic control has not only to control conveni
5、ent, simple and flexible and other advantages, and can greatly increase the specifications of temperature, which can greatly improve the quality and quantity of products. In order to realize high precision temperature control, the SCM system adopts PID control algorithm, through controlling the on a
6、nd off of the Bidirectional controllable silicon and the method of changing the heating time to achieve the control of the temperature. The system is composed of button display and temperature sampling control and upper alarm several modules, through the communications of the module to realize tempe
7、rature set, and the display function of the actual temperature and measuring temperature. This article is detailed in hardware, selection, software process control realization of the system, and also describes the programming software , control characteristic and also summarizes that more exhaustive
8、 account of the system related issues. Key words ： Microcontroller、 Temperature control、 PID algorithm.III 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题背景及国内外研究概况 . 1 1.2 自动控制理论及其发展 . 2 1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作 . 3 第二章 总体方案设计 . 4 2.1 总体方案的确定 . 4 2.2 系统组成 . 5 第三章 单片机技术和 PID 算法 . 6 3.1 AT89C51 简介 . 6 3.1.1 单片机的引脚介绍 . 6 3.1.2 单片
9、机的存储结构 . 9 3.2 PID 算法介绍 . 10 3.2.1 PID 算法的数字化 . 10 3.2.2 PID 算法的运用 . 11 第四章 系统硬件设计 . 13 4.1 系统概况 . 13 4.2 功能模块 . 13 4.2.1 单片机控制模块 . 13 4.2.2 数据转换与采集模块 A/D0808 . 14 4.2.3 按键选择模块 . 15 4.2.4 显示模块 . 15 4.2.5 报警模块 . 16 4.2.6 输出模块 . 16 4.3 总体方案的实现和元器件清单 . 17 4.3.1 系统的整体设 计 . 17 4.3.2 元器件清单 . 18 第五章 系统软件设计
10、 . 19 5.1 PROTUES7 软件概况 . 19 5.2 WAVE6000 软件简介 . 21 5.2.1 软件概况 . 21 5.2.2 程序界面 . 21 5.3 子程序设定 . 22 5.4 程序流程 . 22 5.5 程序仿真调试 . 29 5.5.1 WAVE6000 仿真调试 . 29 IV 5.5.2 软硬连调 . 29 第六章 课题特点 . 31 6.1 单片机技术 应用 . 31 6.2 PID 算法的运用 . 31 6.3 软件的调试仿真 . 31 结 论 . 32 参考文献 . 33 附 录 . 34 致 谢 . 48 1 电加热炉温度控制系统的设计 第一章 绪
11、论 1.1 课题背景 及国内外研究概况 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以 “ 点位 ” 控制及常规的 PID 控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入 WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究， 使我国仪表工业得到了迅速的发展。 随着新技术的不断开发与应
12、用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、 冶金、化工、建材、机械、食品、石油 等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。 温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式 已 不能满足高精度，高 速度的控制要求， 如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于 它 主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目
13、的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如： PID 控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本系统要求有数据处理，显示功能等 ,被控对象为一阶惯性环节和一阶积分环节的组合，惯性时间常数为 2s，开环增益 k=10，温度控制 范围为 50 150 。 本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。
14、本系统使用 AT89C51 单片机，使温度控制大为简便。 2 1.2 自动控制理论及其发展 随着科学技术的进步，自动控制技术在各个应用领域中的应用已日渐广泛，不但使得生产设备或生产过程实现自动化，大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，还在人类征服大自然，改善居住条件等方面发挥了非常重要的作用。 自动控制（ automatic control）是指在没有人直接参与的 情况 下，利用外加的设备或装置，使 机器 、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动 地按预定规律运行。 自动
15、控制理论是研究自动控制共同规律的 技术科学 ， 是分析和设计自动控制系统的理论的基础。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后， 已 形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的 经典控制理论 ，它主要研究单输入 -单输出，线形定常系统的分析和设计问题。 自动控制理论的发展历程如下： 1 40 年代 -60年代初 需求动力：市场竞争 ,资源利用，减轻劳动强度，提高产品质量，适应批量生产需要。主要特点：此阶段主要为单机
16、自动化阶段，主要特点是 :各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用和向纵深方向发展。典型成果和产品： 硬件 数控系统的 数控机床 。 2 60 年代中 -70 年代初期 需求动力：市场竞争加剧，要求产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。主要特点：此阶段主要以 自动生产线 为标志，其主要特点是 ： 在单机自动化的基础上，各种组合 机床 、组合生产线出现，同时 软件 数控系统出现并用于机床， CAD、CAM等软件开始用于实际工程的设计和制造中，此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工。典型成果和产品：用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。 3 70 年代中期 -至今 需求
17、动力：市场环境的变化，使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，要求自动化技术 向其广度和深度发展，使其各相关技术高度综合，发挥整体最佳效能。主要特点：自 70年代初期 美国 学者首次提出 CIM概念至今，自动化领域已发生了巨大变化，其3 主要特点是： CIM 已作为一种哲理、一种方法逐步为人们所接受； CIM 也是一种实现集成的相应技术，把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。所谓哲理，就是企业应根据需求来分析并克服现存的 “ 瓶颈 ” ，从而实现不断提高实力、竞 争力的思想策略；而作为实现集成的相应技术，一般认为是 :数据获取 、分配、共享；网络和通信；车间层设备控制器； 计算机
18、 硬、软件的规范、标准等。同时，并行工程作为一种经营哲理和工作模式自 80年代末期开始应用和活跃于 自动化 技术领域，并将进一步促进单元自动化技术的集成。典型成果和产品： CIMS 工厂， 柔性制造系统 (FMS)。 随着现代应用数学新成果的推出和 电子计算机 的应用， 为适应自动控制 、 宇航技术的发展， 自动控制 理论跨入了一个新阶段 现代控制理论 。主要研究具有高性能，高精度的多变量 多 参数的 最优控制 问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论， 信息论 ，仿生学为基础的 智能控制 理论深入。 为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控
19、制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机 的总体，这就是 自动控制系统 。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度， 压力 或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制 ，但最基本的一种是基于 反馈控制原理 的反馈控制系统。 在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。 1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作 本文主要包括以下内容：
20、 1以单片机为核心，建立自动控制 系统，构建按键、采样、显示以及输出等外围电路，实现整个系统的 搭建，建立电加热炉系统的仿真图； 2画出软件流程图，根据流程图编写程序，并对其进行调试，使其符合系统的具体要求； 3将所编写的程序下载到单片机中去，对系统进行整体调试，进而实现系统的整个功能，设计出符合实际要求的系统。4 第二章 总体方案设计 2.1 总体方案的确定 由于温度控制系统的控制对象具有惯性大，连续性的特点。因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制，一
21、般来说 可以采用以下几种控制方案： 1 输出开关量控制 对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法 。 这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易 引起 反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。 2 比例控制（ P控制） 比例控 制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系
22、。当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程 始终 存在余差。因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。 3 比例积分控制（ PI控制） 由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使得过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。虽然加大比例度可以使稳定性提高，但又使过渡时间加长。因此， PI 控制适用于滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差 的控制系统，它是工程上使用最多、应用最广的一种控制方法。 4 比例积分加微分控制（ PID控制） 比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的
23、输出与偏差变化的速度成正比例 ,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。因此， PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控5 制品质要求又很高的控制系统。 结合本例题设计任务与要求，由于温度系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求。但从以上对控制方法的分析来看，PID控制方法最适合本例采用。另一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。因此本系统可以采用 PID的控制方式，以最大限度地满足系
24、统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。 2.2 系统组成 就控制器本身而言，控制电路可以采用经典控制理论和常规模拟控制系统实现温度的自动调节。但随着计算机与超大规模集成电路的迅速发展，以现代控制理论和计算机为基础，采用数字控制、显示、 A/D 与 D/A转换，配合执行器与控制阀构成的计 算机控制系统，在过程控制过程中得到越来越广泛的应用。 由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从温度检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现温度控制的全过程。因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单片机的使用也为实现温度的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑 电 路中往往是难以实现或无法实现的。所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统（ DDC）。
