基于单片机的炉温控制系统设计开题报告.docx

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基于单片机的炉温控制系统设计开题报告

毕业设计（论文）开题报告

题目：

基于单片机的炉温控制系统设计

系：

电气信息学院

专业：

自动化

学生姓名：

肖凤学号：

************

*******

2014年3月14日

开题报告填写要求

1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。

2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。

3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。

4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计（论文）说明书》等资料装入文件袋中。

毕业设计（论文）开题报告

1．文献综述：

结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。

文献综述

温度是生活及生产中最基本的物理量，自然界中任何物理、化学过程都与温度紧密联系。

随着现代工业水平的逐步提高，温度控制在工业生产中显得越来越重要。

在许多工业领域，都需要对各种热处理炉、加热炉、反应炉和锅炉进行控制，如轧钢工业需要对钢坯进行前加热，塑料的定型、高精度模具制造，机床制造，量具等高精密仪器、机器都要求环境温度管控。

在这些领域对温度的控制至关重要，温度过低，达不到工艺的要求。

温度过高，不仅影响品质，还会产生不必要的能源浪费，甚至可能有爆炸的危险。

不同领域对于温度的高低范围、测温元件、控制精度都不尽相同。

一致的是现场一般都会比较复杂，有的人无法靠近，有的不需要人来现场监测。

总的来说温度控制复杂多样，所以设计一个较为通用的温度控制系统具有重要意义。

众所周知，加热炉是一个具有强耦合性、强非线性、大滞后、时变等特点的典型的复杂工业被控对象，用传统的控制方法对其进行控制很难取得满意的控制效果。

随着传感器技术和单片机技术等不断发展,为智能温度测控系统精度的提高和稳定性改善等提供了条件，并得到日益发展和完善。

以前，人们是通过模拟仪表对炉温进行控制，采用人工手动操作，依据个人的工作经验和控制系统返回的数据来调节相应的设备，控制效果不太理想，生产也不稳定。

到了50年代随着计算机的出现，人们开始在工厂、实验室或其它测试环境中用计算机进行数据采集和处理。

此时的计算机只起到了“离线”的应用，且计算机与过程装置之间没有任何物理上的连接。

随着计算机技术的进一步发展，提供了计算机与过程装置之间的接口，人们开始用直接连接方法，使计算机与变送器和执行部件之间的信号双向传递无需人工干涉。

1962年，英国帝国工业公司安装了FerrantiArgus计算机控制系统，替代全部模拟控制仪表，即模拟技术由数学技术代替，而系统功能保持不变，计算机控制系统应用真正开始，经历了多年的研究和改进，到70年代中期进入了集散控制系统的发展时期，炉温控制也随之进步，方式不断更新，算法也不断深入，技术也日益成熟。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，在炉温控制系统中得到了广泛的应用。

电加热炉具有非线性、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,用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。

而采用单片机进行炉温控制，不仅可以大大地提高控制质量和自动化水平，而且具有良好的经济效益和推广价值。

单片机通过控制可控硅调控器的接通时间，来调节温度的。

只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。

单片机是一种集成在电路芯片，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机系统。

随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强。

单片机对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法。

从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入高速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展。

单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、电视。

要实现单片机对炉温的控制，首先要对温度进行采样，然后再将模拟信号转换成数字信号返回给单片机。

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围－55～＋125℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。

电炉温度控制技术发展日新月异，从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制，展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。

在现有的电加热炉温度控制方案中，PID和模糊控制应用最多，也最具代表性。

本设计选用PID算法。

PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

程控制领域仍有近90％的回路在应用PID控制策略。

PID控制中一个关键的问题便是PID参数的整定。

但是在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。

在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。

这就要求在PID控制中，不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型，并且PID参数能够在线调整，以满足实时控制的要求。

智能控制是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级阶段，主要用来解决那些传统方法难以解决的控制对象参数在大范围变化的问题，其思想是解决PID参数在线调整问题的有效途径。

由于硬件条件有限，本次设计主要由仿真软件实现。

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。

它能进行模拟电路、数字电路、模/数混合电路、RS232动态仿真、SPI调试器、键盘和LCD、LED系统的设计与仿真平台。

Proteus具备原理图设计、电路分析与仿真、PCB设计功能，可以通过调入程序的编译结果.hex或.cof文件来调试单片机程序，还可直接嵌入到Microchip公司的单片机调试和仿真。

Proteus的特色是能实现单片机与外设的混合电路系统、软件系统的设计和仿真、在仿真过程中，用户可以用鼠标单击开关、键盘、电位计、可调电阻等外设设备，使单片机系统根据输入信号做出相应的响应，并将响应处理结果根据所编制的软件在显示器上显示，整个过程与硬件仿真器的调试过程相似。

因此，在缺乏硬件的情况下，这是款非常实用的仿真软件。

其仿真原理图经验证后可直接应用到显示中。

本次设计总体叙述了基于单片机对工业生产中温度的控制与设计，包括硬件组成和软件的设计，该系统在硬件设计上主要是通过温度传感器对温度进行采集，把温度转换成变化的电压，然后由放大器将信号放大，通过A/D转换器，将模拟温度电压信号转化为对应的数字温度信号电压。

其硬件设计中最为核心的器件是单片机，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字温度电压值经计算机处理得到相应的温度值，送到显示器，以数字形式显示测量的温度。

整个系统的软件编程对单片机实现其控制功能。

整个系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活，功能强大，性能价格比高，较好的满足了现代生产和科研的需要。

参考文献

[1].傅丰林，模拟电子线路基础[M].西安：

西安电子科技大学出版社，2001.1

[2].江志红，51单片机技术与应用系统开发案列精选[M].北京：

清华大学出版社，2008.12

[3].文东、孙鹏飞，C语言程序设计[M].北京：

中国人民大学出版社，2009.2

[4].杨加国，单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：

清华大学出版社，2008.3

[5].康华光、邹寿彬，电子技术基础（数字部分第四版）.北京：

高等教育出版社，2004.6

[6].三恒星科技.MCS51单片机原理与应用实例[M].北京：

电子工业出版社，2008.1

[7]．张友德，单片机原理应用与实验[M].上海，复旦大学出版社,1992.9

[8]．张毅刚、彭喜源、谭晓钧，曲春波.MCS－51单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社，2001.1.

[9]．曹巧媛，单片机原理及应用[M].北京，电子工业出版社，1997.10

[10]．RajagopalKRComputeraideddesignofahysteresismotorusedinspaceapplication2003

[11].张俊谟.单片机中高级教程—原理与应用（第2版）.北京：

北京航空航天大学出版社，2006.

[12].楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导.北京：

北京航空航天大学出版社，2007.

[13].赖寿宏.微型计算机控制技术.北京：

机械工业出版社.2003

[14].边春远，王志强.51单片机C语言教程.人民邮电出版社.2005

[15].徐爱钧.基于proteus虚拟仿真.电子工业出版社.2011

毕业设计（论文）开题报告

２．开题报告：

一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施

开题报告

一、课题目的与意义

热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证，直接关系到热处理技术水平的高低和工件质量的好坏。

随着科学技术的发展，除要求有较高的控制精度外，还要求能对温度的上升速度及下降速度进行控制。

用常规的控制方法，控制是有限的，难以满足较高的性能要求。

单片机具有控制方便、简单和灵活性大的优点。

采用单片机作为核心控制元件，有其很高的可靠性、高性能，不仅可以解决传统控制系统不能解决的问题，而且还可以简化电路、增加或增强功能、提高控制精度和可靠性、增强控制系统的自动化、智能化程度、缩短系统研制周期、降低成本、易于升级和维护，而且还具有可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而大大提高产品的质量和数量的优点。

在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。

在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。

这就要求在PID控制中，不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型，并且PID参数能够在线调整，以满足实时控制的要求。

智能控制是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级阶段，主要用来解决那些传统方法难以解决的控制对象参数在大范围变化的问题，其思想是解决PID参数在线调整问题的有效途径。

加热炉复杂的动态特性以及繁琐的工艺流程使得认为的操作会给产品的质量带来很大的影响，而在自动化程度较高的控制系统下，人为的失误对产品质量造成的影响就比较低，这样的产品整体的良率就会达到比较高的水平，加热炉中生产过程的优化控制和自动工艺管理控制可以缩短生产周期，并提高产量和质量，使得生产效率提高，增加企业效益。

二、课题发展现状和前景展望

由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。

在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化、性能优异的温度控制仪表，并在各行业广泛应用。

其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂温度测控系统，具有参数自整定功能和自学习功能，即温控器对控制对象、控制参数及特性进行自动整定，并根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。

温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。

目前，国外温度控制仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。

微处理技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，在控制领域出现的一系列新的技术课题之一的被控对象动静态参数、控制系统结构、参数发生较大范围变化的情况下，控制系统仍能满足给定的品质指标，这是自适应控制的最基本特征，自适应PID控制可以在线不断整定参数，克服干扰，跟踪系统的时变特性，使控制对象达到一定的目标。

同时，随着现代控制理论（诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等）研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径，逐步弱化或取消了对受控对象数学模型结构不变的限制。

电炉温度控制技术发展日新月异，从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制，展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。

随着社会需要和技术发展，优化算法的种类会越来越多并越来越完善，也会有越来越多的优化算法被提出并在不同的应用场合中出现，其优越性也会越来越明显，在目前的研究中，只有几种基本的和改进的优化算法在炉温优化设定中应用。

可以预见，在以后的研究工作中，将会有更多先进的优化算法应用于炉温的优化设定。

智能控制的优越性、有效性已经无法被取代，它已经成为现在控制技术的主要手段和方法，并且可以与其他多种控制方法进行结合，在炉温控制中，主要是采用智能控制方法或智能控制与其他方法相结合。

随着计算机的普及及计算机性能的提高，计算机控制也逐渐发展并完善起来，智能控制技术与计算机控制技术相结合已经成为一种趋势，也是加热炉控制方法的一种趋势!

三、课题主要内容和要求

本论文研究了以电炉为控制对象，基于单片机的炉温控制系统。

该温度控制系统按功能分主要包括了显示模块、温度调节模块、键盘模块、报警模块，采用双向晶闸管作为无触点开关对炉温进行调功控制。

温度传感器采用数字式温度传感器，对温度进行实时采样，并将模拟信号转换成数字信号返回给单片机。

系统可通过键盘设定温度，单片机根据当前炉内温度和预设温度进行计算，通过控制双向可晶闸管的通断来调节炉内温度。

当温度一旦超出设定范围，报警模块就会工作。

本次课题主要要求：

1、确定系统的总体方案

2、进行单片机及其他元件选型

3、显示模块、报警模块、温度调节模块以及键盘模块设计

4、完成文献综述、开题报告及毕业设计说明书的撰写工作

四、研究方法、步骤和措施

本次设计的课题是基于单片机的炉温控制系统的设计与仿真，主要的研究方法步骤如下：

（1）查找设计所需的资料，资料的内容要有深度和权威性，要具有参考意义。

仔细阅读所找文献资料，了解设计的相关知识。

（2）复习以前所学设计有关的专业知识，如单片机、C语言、模电等。

熟练掌握设计过程中要用到的软件（keil、proteus）。

还要学习一些设计中所用到的其它方面的知识，如温度传感器。

（1）确定系统主电路，模块电路，主要包括AT89C51单片机、显示模块、按键模块、报警模块、温度调节模块。

（2）借助KeilC51开发工具，以C语言开发语言，分别编写程序实现对显示模块、按键模块、报警模块、温度调节模块的控制。

（3）以Proteus为基础，画出系统电路图，加载程序模拟实际电路的运行进行仿真并调试。

毕业设计（论文）开题报告

指导教师意见：

1．对“文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

年月日

所在专业审查意见：

负责人：

年月日