基于单片机的温度控制系统的研究毕业设计.docx
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基于单片机的温度控制系统的研究毕业设计
东华理工大学
毕业设计
题 目：
基于单片机的温度控制系统的研究
英文题目：
DesignofTemperatureControlSystem
BasedonSCM
作 者：
XXXXXXX
摘要
单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。
所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。
本文主要介绍单片机在热处理炉温度控制中的应用，对温度控制模块的组成及主要所选器件进行了详细的介绍。
并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。
温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。
控制精度直接影响着产品质量的好坏。
本文研究的电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。
因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。
关键词：
单片机；热处理温度控制；模糊PID。
Abstract
Thesinglesliceofmicrocomputersemergeswithdevelopmentofverylargescaleintegrationtechnology,becauseithassmall,thefunctionisstrong,highcharacteristicofcostperformance,appliestheone-chipcomputertotemperaturecontrol,adopttheone-chipcomputertodothetopmanagementunit,controlcontactlessly,canfinishtherequisitionforcollectionandcontroloftemperature.Soapplytosuchagreatdealoffieldsaselectronicinstrument,householdappliances,energy-conservationfitting,therobot,industrialcontrol,etc.extensively,maketheproductsminiaturized,intelligented,hasalreadyimprovedthefunctionandqualityoftheproducts,havelowercostsagain,hassimplifiedanddesigned.Thistextintroducestheapplicationoftheone-chipcomputerinthetemperaturecontrolofheat-treatmentfurnacemainly,compositionandselectingtointroducethedetailedonewithdevicemainlyofthetemperaturecontrolmodule.Andhaswrittenthesuitablesoftwareprocedureoriginallydesignedaccordingtotheconcretedemandthistext.
Temperatureinheattreatmentcraftisveryimportant.Controlprecisioneffectdirectlythequalityoftheproduct.Theelectricstoveisakindpuregreatinertiasystem,andthetraditionalheatcontrolsystemisbasedonsomecertainmodel,soishardtosatisfythetechnologicalrequirement.Thispaperwilladoptfuzzycontrolalgorithmtobuildaintelligentfuzzycontrolsystem.
Keyword：
SCM；Temperaturecontrol；FuzzyPID.
第1章绪论1
1.1引言1
1.2控制器发展现状1
1.2.1PID控制器的发展现状1
1.2.2模糊PID控制2
1.2.3模糊自整定PID控制2
1.3电炉采用模糊自整定PID控制的可行性3
第2章方案简介4
2.1课题背景与意义4
2.2系统方案概述5
2.3系统设计方案6
第3章系统硬件和电路设计7
3.1引言7
3.2系统的总体结构7
3.3温度检测电路8
3.3.1温度传感器8
3.3.2测量放大器的组成8
3.3.3热电偶冷端温度补偿方法9
3.4多路开关的选择9
3.5A/D转换器的选择及连接10
3.6单片机系统的扩展11
3.6.1系统扩展概述11
3.6.2常用扩展器件简介12
3.7存储器的扩展13
3.7.1程序存储器的扩展13
3.7.1.1只读存储器简介13
3.7.1.2EPROM2764简介13
3.7.2数据存储器的扩展15
3.7.2.1数据存储器概述15
3.7.2.2静态RAM6264简介15
3.7.2.3数据存储器扩展举例15
3.8单片机I/O口的扩展（8155扩展芯片）16
3.8.18155的结构和引脚16
3.8.28155的控制字的及其工作方式17
3.8.38155与8031的连接18
3.9看门狗、报警、复位和时钟电路的设计19
3.9.1看门狗电路的设计19
3.9.2报警电路的设计20
3.9.3复位电路的设计20
3.9.4时钟电路的设计21
3.10键盘与显示电路的设计22
3.10.1LED数码显示器的接口电路22
3.10.2键盘接口电路23
3.11DAC7521数模转换接口24
3.12隔离放大器的设计25
3.13可控硅调功控温26
3.13.1过零触发调功器的组成25
3.13.2主要电路介绍27
3.14单片机开关稳压电源设计28
第4章系统软件设计30
4.1主要程序的框图30
4.1.1主程序框图30
4.1.2显示子程序31
4.1.3键盘中断服务子程序32
4.1.4恒温及升温测控子程序33
4.1.5降温测控子程序34
4.2模糊自整定PID控制算法35
参考文献38
设计总结38
致谢40
附录41
第1章绪论
1.1引言
工业生产中使用的热处理设备种类繁多，如窖炉、鼓风炉、烘炉、退火炉、锅炉等。
如果按加温方法分类，可将热处理设备分为两大类
1．电热炉这类设备通过电热元件通电发热而升温，调节加入炉子的电功率则改变炉内的温度。
电功率调节一般采用接触器通断控制、晶闸管移相触发或通断控制。
这一类设备在工厂占有相当大的比例。
2．燃料炉这类设备通过燃烧燃料发热而升温，调节加入炉子的燃料量则改变炉内的温度。
如锅炉、焦炉等。
常用燃料有煤、煤气、重油等。
燃料量的调节通常利用阀门、翻板等实现。
这类设备在工厂中也占有较大比例
热处理设备虽然种类繁多，控制方法各有差异，但对他们采用微机控制时，控制原理和方法是基本相同的。
电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能,借助辐射与对流的传热方式加热工件。
通常可用以下公式定性描述
（1-1）
式中 X——电炉内温升（指炉内温度与室温温差）
K——放大系数
t——加热时间
T——时间系数
V——控制电压
τ0——纯滞后时间
但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着K、T、τ0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性。
温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。
控制精度直接影响着产品质量的好坏。
根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。
1.2控制器发展现状
1.2.1PID控制器的发展现状
在过去的50年，调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。
其中有利用开环阶跃响应信息，如Coon-Cohen响应曲线法；还有使用Nyquist曲线法的，如Ziegler-Nichols连续响应法。
然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。
随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整PID参数。
这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定PID控制技术的发展。
自整定技术可追溯到50年代自适应控制处于萌芽时期，60年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。
80年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，PID控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。
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，再发展到智能控制，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控制和模糊控制应用最多，也最具代表性。
1.2.2模糊PID控制
模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zaden首先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。
模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。
但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。
而PID控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。
在文献中介绍了多种能提高PID控制精度的模糊PID混合控制方案，例如：
引入积分因子的模糊PID控制器；混合型模糊PID控制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应PID控制、神经网络模糊PID控制等。
1.2.3模糊自整定PID控制
模糊自整定PID控制是在一般PID控制系统的基础，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改的一种自适应控制系统。
它以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。
它将模糊控制和PID控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有PID控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。
图1-1模糊自整定PID控制
1.3电炉采用模糊自整定PID控制的可行性
在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。
电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。
另外对于PID控制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。
自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。
但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。
人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息（如评价指标、初始PID参数等）作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对PID参数的最佳调整。
从以上的分析可知模糊自整定PID控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。
大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定PID控制电炉温度是一非常好的解决方法。
它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度。
因此在温度控制器设计中，采用PID参数模糊自整定复合控制，实现PID参数的在线自调整功能，可以进一步完善PID控制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。
第2章方案简介
2.1课题背景与意义
在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
例如，在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等许多领域中，人们都需要对各类设备如电冰箱、热处理炉中的温度进行监测和控制。
工业控制中希望对原有系统的技术进行改造，从而提高生产过程的自动化水平。
并在此基础上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后的管理方式，使管理工作规范化，提高温度控制系统流程的业务管理水平。
由于工厂原有的温度控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础上进行，设计一套温度自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便，从而降低了能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低温控的人力、财力成本和提高生产管理水平的目的。
传统的控制系统主要由测量电路和控制电路组成，所具备的功能较少，也比较弱，而且结构很复杂。
计算机技术的迅速发展，使得传统的控制系统发生了根本性的变革，即采用微机作为控制系统的核心，代替传统的控制系统的传统的电子线路，从而成为新一代的微机化控制系统。
将微机技术引入控制系统中，不仅可以解决传统控制系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高控制精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本、易于升级和维护。
因此，现代控制系统设计，特别是高精度、高性能的控制系统，目前已大多数采用计算机技术了。
计算机技术的引入，可以为控制系统带来以下一些新特点和新功能。
（1）自动调零功能在每次采样前对传感器的输出值自动清零，从而大大降低因控制系统漂移变化造成的误差。
（2）数字滤波功能利用计算机软件对测量数据进行处理，可以抑制各种干扰和脉冲信号。
（3）数据处理功能利用计算机技术可以实现传统仪器无法实现的各种复杂的处理和运算功能。
（4）复杂控制规律利用计算机技术不仅可以实现经典的PID控制，还可以实现各种复杂的控制规律，例如，自适应控制、模糊控制等。
（5）自我诊断功能采用计算机技术后，可对控制系统进行监测，一旦发现故障则立即进行报警，并可显示故障部位或可能的故障原因，对排除故障的方法进行提示。
微机化的控制系统是以微机为核心、测量控制一体化的系统，这种系统对被控对象的控制是依据对被控对象的测量结果决定的。
因此，它实质上是一种闭环控制系统
2.2系统方案概述
单片机温度控制系统是数控系统的一个简单应用。
在冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各类工业中，广泛使用着加热炉、热处理炉、反应炉等，因此，温度是工业对象中一个主要的被控参数。
由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同，例如煤气、天然气、油、电等;由于工艺不同，所需要的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，控制温度的精度也不同，因而对数据采集的精度和所采用的控制算法也不同。
单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。
本系统所使用的加热炉为电加热炉，炉丝功率为2kw，系统要求炉膛恒温，误差为士VC,超调量可能小，温度上升较快且有良好的稳定性.
单片机温度控制系统是以MS-5l单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。
其系统结构框图可表示为:
系统采用单闭环形式，其基本控制原理为:
将温度设定值（即输入控制量）和温度反馈值同时送入控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上，电炉因此达到一定的温度。
图1-1控制电路的设计
2.3系统设计方案
系统设计要求：
该系统为温度控制系统，在整个工业生产系统中起着关键性的作用，在工业生产中，温度是一个最重要的物理量。
对其进行测量和控制必须有严格的要求，故本系统对温度检测、采样和控制都具有严格的要求标准。
按照系统的设计功能要求，本温度控制系统采用单片机系统进行设计，利用自行编写的软件系统来完成被测温度的采集、计算，以及显示等等功能。
同时，控制各种外围的设备，使整个系统能高效准确的运行，以达到温度控制的目的。
基于此，系统的大致要求有以下两点：
1）要有一定的控制精度和转换精度（一般采用数字式PID控制）。
2）要求设计一个清晰明了的整体方案，各个芯片的选用要具体，具有良好的扩展技术和接口技术。
系统设计总体方案：
本设计的主要解决的问题是通过单片机控制系统,实现对温度的智能控制。
具体设计方案如下：
采用温度传感器完成对温度的数据采集，并把温度值转换为电压值，经过放大、A/D转换为数字量进入单片机控制系统，与单片机中预置的参量进行比较后，得到误差量，并与上一次采集的误差量进行比较，得到误差的变化量，把误差量和误差的变化量作为模糊PID控制器的输入，经过软件进行处理，输出控制量，经过D/A转换后控制驱动电路，得到加在电炉上的平均电压。
从而控制电炉的温度，实现温度的自动调节，使得温度稳定在设定值附近。
第3章系统硬件和电路设计
3.1引言
电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，其本身是一个较为复杂的被控对象，虽然可用以下模型定性描述它
（3-1）
式中 K－－放大系数
T－－时间系数
τ－－纯滞后时间
但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性（加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素），使得上述数学模型偏离实际情况相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定PID控制器基础上设计一个炉温控制系统，以期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。
3.2系统的总体结构
控制系统组成框图如图3-1所示。
图3-1电炉温度控制系统
火炉的温度经温度传感器转换成mv级电信号，经放大电路变换成0～5V的电压信号，通过多路开关送到A/D转换器变换成数字量送单片机。
单片机首先对它进行标度变换，得支它所示、表示的温度值。
然后根据给定工艺参数和温度反馈值，按预定控制算法进行调节运算，确定输出控制量。
控制量由D/A转换成模拟电压，经功率放大后驱动执行机构控制火炉的进气量，使炉子的温度按规定的工艺曲线变化
3.3温度检测电路
温度检测是温度控制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。
在微机温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压转换为数值量送计算机。
其一般结构如图3-2所示。
图3-2温度数字检测的一般结构
3.3.1温度传感器
温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为mV级，需要放大为满足模/数转换要求的电压值。
微机通过控制把电路电压送到模/数转换器进行模/数转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的实际温度值。
温度传感器种类繁多，但在微机温度控制系统中使用得传感器，必须是能够将非电量变换成电量得传感器，此次设计中选用的是热电偶传感器，热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器，具有精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优点。
热电偶是由两种不同材料得导体A和B连接在一起构成得感温元件，如图3-3所示。
A和B得两个接点1和2之间存在温度差时，回路中便产生电动势，形成一定大小得电流，这种现象称为热电效应，也叫温差效应。
热电偶就是利用这个原理测量温度的。
图3-3热电偶测温原理图
3.3.2测量放大器的组成
测量放大器的基本电路如图3-4所示。
图3-4测量放大器的原理图
测量放大器由三个运算放大器组成，其中A1、A2两个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在A1、A2的同相输入端从而具有高抑止共模干扰的能力和高输入阻抗。
差动放大器A3为后级,它不仅切断共模干扰的传输,还将双端输入方式变换成单端输出方式,适应对地负载的需要。
测量放大器的放大倍数用下面公式计算
（3-2）
式中，
为用于调节放大倍数的外接电阻，通常
采用多圈电位器，并靠近组件，若距离较远，应将联线胶合在一起，改变
可使放大倍数在1～1000范围内调节。
3.3.3热电偶冷端温度补偿方法
用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在0℃的环境中。
若冷端温度不是0℃，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。
冷端补偿方法较多，在本次的设计中我们采用的冷端温度补偿为电桥式冷端补偿。
对与冷端温度补偿器，在工业上采用如图3-5所示补偿电桥的冷端补偿电路。
图3-5热电偶冷端温度补偿电桥
图中所示的补偿电桥桥臂电阻R1、R2、R3和RCu通常与热电偶的冷端置于相同的环境中。
取
，用锰铜线绕成；RCu是用铜导线绕制成的补偿电阻。
RS是供桥电源E的限流电阻，RS由热电偶的类型决定。
若电桥在20℃时处于平衡状态。
当冷端温度升高时，RCu补偿电阻将随之增大，则电桥a、b两点间的电压Vab也增大，此时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降如果Vab的增加量等于热电偶温差电势的减小量，则热电偶输出电势VAB的大小将保持不变，从而达到冷端补偿的目的。
3.4多路开关的选择
在本次的设计中，我们的温度传感器有1个，因此，我们采用了一种16的多路开关，以实现对温度传感器的巡回检测。
CC4067是单片.CMOS.16通道.模拟多路转换器。
该电路包括16选1的译码器和译码器的输出分别控制的16个CMOS双向开关，通道的输出状态由电路外部输入的地址A.B.C.D所决定。
CC4067可用模拟信号或数字信号去控制模拟开关的接通或断开，具有低的导通电阻和高的断开电阻，所控制的模拟信号最大峰值为15V，而数字信号的幅度3V-5V.
CC4067芯片具有禁止端inh。
当禁止时，inh=1，这时所有的双向开关均不接通，在公共端呈现高阻抗。
1、主要性能
CMOS工艺制造；直接驱动DTL/TTL/CMOS电平；单路、16选1模拟多路转换器；具有双向转换功能；单电源供电；标准24引脚DIP封装；功耗：
1.5mW；开关接通电阻：
180欧（typ）;开关接通时间：
1.5us（max）;开关断开时间：
1us（max）.
2、CC4067引脚图示与图3-6。
图3-6CC40
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