基于AT89C51单片机的电加热炉温度控制系统的设计课程设计论文.docx
《基于AT89C51单片机的电加热炉温度控制系统的设计课程设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于AT89C51单片机的电加热炉温度控制系统的设计课程设计论文.docx（58页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于AT89C51单片机的电加热炉温度控制系统的设计课程设计论文
机电系统控制与测试课程设计
报告名称：
电加热炉温度控制系统的设计
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，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
电加热炉温度控制系统的设计
1绪论
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。
本系统使用AT89C51单片机，使温度控制大为简便。
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（automaticcontrol）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：
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。
2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。
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）。
3单片机技术和PID算法
3.1AT89C51简介
微型计算机是指由微处理器加上采用大规模集成电路制成的程序存储器和数据存储器，以及输入输出设备相连接的I/O接口电路，微型计算机简称MC。
如果将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上，称为单片微型计算机，简称单片机。
本次设计选用的是AT89C51，是MCS-51单片机系列的一种。
其结构体系完整、指令系统功能完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成熟、具有高可靠性和高性价比。
它提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.1.1单片机的引脚介绍
其引脚图如图1所示
图1单片机引脚图
其各引脚的功能如下
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
各管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.1.2单片机的存储结构
存储器是组成计算机的三大部件之一，其功能是存储信息（数据和程序）。
存储器按其存储方式可分为两大类：
一类为随机存储器（RAM）；另一类为数据存储器（ROM）。
CPU在运行时可对RAM随时进行数据的的写入和读出，但在关闭电源时，RAM中所存的信息也会丢失，所以RAM只能用来存放暂时性的输入/输出数据、运算中的结果等。
RAM也因此常被称为数据存储器。
而ROM是一种写入数据后不能改写只能读出的存储器。
在断电后，ROM中的信息保留不变，所以ROM用来存放固定的程序或数据。
ROM因此也常被称为程序存储器。
MCS-51单片机的存储器配置比一般的微机配置复杂，其具体配置是多种存储器的交叠。
这种交叠不仅反映在存储器的种类上，而且还体现在存储器的地址空间上。
MCS-51单片机存储器可分为5类：
1．片内程序存储器；
2．片外程序存储器；
3．片内数据存储器；
4．特殊功能存储器；
5．片外数据存储器。
MCS-51单片机存储器的地址空间可分为3个，在访问3个不同的地址空间时采用不同形式的指令：
1．片内片外统一编址的64K的程序存储器地址空间（16位地址0000H-FFFFH）；
2．片内数据存储器与特殊功能存储器统一编址的256B内部数据存储器地址空间
（8位地址00H-7FH，80H-FFH）；
3．64KB片外数据存储器地址空间（16位地址0000H-FFFFH）。
89C51内部RAM共有256个单元，这256个单元共分为两部分。
其一是地址从00H—7FH单元（共128个字节）为用户数据RAM。
从80H—FFH地址单元（也是128个字节）为特殊寄存器（SFR）单元。
从图2中可清楚地看出它们的结构分布。
图2存储器结构图
单片机的内部数据存储器共有128个字节，地址范围是00H-7FH，分成工作寄存器区、位寻址区、通用RAM区三部分。
3.2PID算法介绍
PID调节是Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）三者的缩写，是连续系统中技术最成熟、行之有效、应用最广泛的一种调节方式。
PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。
在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活地改变PID的结构，取其中的一部分环节构成控制规律，如比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例积分微分（PID）调节等。
尽管凭着单片微机的优势，计算机数字控制系统取代了模拟控制系统，但是，在长期生产实践中，模拟PID控制算法所积累的经验并未被人们遗忘，而是被广泛地应用到计算机控制系统中来，形成一种新型PID控制方式，称之为数字PID控制。
3.2.1PID算法的数字化
PID算法的数字化，其实质就是将连续形式的PID微分方程式转化为离散形式的PID差分方程。
在模拟系统中，PID算法的表达式为：
（3-1）
式中，u（t）-调节器的输出信号；
e（t）-调节器的偏差信号，等于给定值与测量值之差；
Kp-调节器的比例系数；
Ti-调节器的积分时间；
Td-调节器的微分时间。
控制点目前包含三种比较简单的PID控制算法，分别是：
增量式算法，位置式算法，微分先行。
这三种PID算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。
实际上，位置式与增量式控制对整个闭环系统并无本质区别。
增量型算法仅仅是就是方法的改进，而没有改变位置型算法的本质。
3.2.2PID算法的运用
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。
因此，在计算机控制系统中，必须首先对式（3-1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表达。
对温度的控制算法，采用技术成熟的PID算法，对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化，因此用数字PID完全可以得到比较好的控制效果。
简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。
积分器虽然能消除静差，但使系统响应速度变慢。
进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分（PID）调节器，微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能，其控制规律为：
（3-2）
单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直接计算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PID的调节规律可以通过数值公式
（3-3）
计算，如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。
我们变换上式（3-3）得：
（3-4）
把△ei=ei-ei-1,△2ei=△ei-△ei-1带人上式（3-4）得：
（3-5）
式中ei=W—Yi，W为设定值，Yi为第i次实际输出值，Kp为比例系数，积分系数I=T/Ti，微分系数D=Td/T，T为采样周期，以（3-5）式来编程比较方便。
用PID控制算法实现温度控制是这样一个反馈过程：
比较实际温度和设定炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率，从而实现对炉温的控制，由于电阻炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中Kp、Kd和Ki的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。
本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度T比较，计算出偏差ei，然后分两种情况进行计算控制变量：
1．ei大于等于设定的偏差e时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用积分控制器调节，直接使用PD调节，获得比较快的动态响应，计算Pd和Pp，最终得到控制量获得比较快的动态响应。
2．ei小于设定的设定的偏差e时，正常的分别计算Pi、Pd和Pp，然后根据算法公式计算出控制变量。
3.3小结
本章对单片机控制技术，以及PID控制算法进行了深入分析，着重阐述了单片机结构和指令系统，以及PID算法的使用，为设计提供了硬件基础与软件资源，为下一步的设计做好准备。
4系统硬件设计
4.1系统概况
本系统是采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过A/D转换器0808将其转换为数字信号，送入单片机与给定值进行比较，通过运用PID算法得出控制结果，送显示并进行控制。
总体设计方案见如图3所示。
图3系统设计方案图
4.2功能模块
4.2.1单片机控制模块
A/T89C51是整个系统的控制核心，将采集来的数据与设定值进行比较，利用PID算法得出结果并送输出。
整个控制系统的程序就下载到单片机中去。
A/T89C51仿真图如图4所示。
图4单片机仿真
4.2.2数据转换与采集模块A/D0808
AD0808是CMOS的8位模/数转换器，采用逐次逼近原理进行A/D转换，芯片内有模拟多路转换开关和A/D转换两大部分，可对8路0～5V的输入模拟电压信号分时进行转换。
模拟多路开关由8路模拟开关和3位地址锁存译码器组成，可选通8路模拟输入中的任何一路，地址锁存信号ALE将3位地址信号ADDA、ADDB、ADDC进行锁存，然后由译码电路选通其中的一路，被选中的通道进行A/D转换。
A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器（SAR）、256R电阻网络、树状电子开关、控制与
升级会员 