毕业设计加热炉参数检测和炉温控制系统设计.doc

毕业设计（论文）题目：加热炉多参数检测和炉温控制技术学院：电气与电子信息工程学院专业名称：应用电子技术学号：0630210110学生姓名：王有敏指导教师：胡蔷2009年5月10日摘要在工业生产中，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。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行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。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机广泛用于现代工业控制中。本论文侧重介绍“单片机温度控制系统”的软件设计及相关内容。论文的主要内容包括：采样、滤波、键盘、LED显示系统，加热控制系统，单片机MCS-51的开发以及系统应用软件开发等。作为控制系统中的一个典型实验设计，单片机温度控制系统综合运用了微机原理、自动控制原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识，是对所学知识的一次综合测试。关键词：MCS-51；8051；温度控制；PIDABSTRACTWithscientificconstantprogress,inindustrialproduction,electriccurrent,voltage,temperature,pressurearemainlycommonlyused.especiallyintheheattreatmentindustry,theaccuratetestandcontrollingoftemperatureisveryimportant.Inalotoffields,forexample:Inmetallurgicalindustry,chemicalproduction,powerengineering,machinemanufactures,foodprocessing,familyandindustryheatetc.peopleneedtoheatingfurnace,heat-treatmentfurnaceandallkindsofresponsestoveandboilertemperaturemeasureandcontrol,throughsoftwaredesign,toreachtheintelligentcontrolfinallyandrealizetheinteractivefunction.AdoptSingle-ChipMicrocomputerisitcontrolconvenient,simple,flexibilityadvantagesuchasbeingheavytohavenotmerelytocontroltogoontotemperaturetocome,andcanraisebytechnicalindicatornottoaccuseoftemperaturebyalargemargin,thuscanbigimprovementqualityandthequantityofproducts.SothecontrolproblemtothetemperatureofSingle-ChipMicrocomputeristhecontrolproblemconstantlybeabletoencounterintheindustrymanufacture.Thisthesisintroducesthedesignanddebuggingof“thetemperaturecontrolsystembymicrocomputer”.Asatypicalexperimentaldesignincontrolsystem,itusesmuchcontrolknowledgeandcomprehensivelytestsstudentsabilityincontrolsystem.Thecontentofthisthesismainlyincludes:introduces,filteringware,keyboard,man-computerdialoguesupportedbyLEDindication,heatcontrolmethod,thedevelopmentofmicro-computerMCS-51andsystemicappliedsoftware.Keywords：MCS-51,8051,temperaturecontrol,PID目录第一章绪论11.1概述11.2课题分析11.3设计思路2第二章MCS-51单片机的基本知识42.1MCS-51单片机的结构42.28051存储器配置52.3定时器及其应用82.4本章小结9第三章采样与滤波103.1采样103.1.1ADC0809的主要功能103.1.2逐次逼近式转换原理113.2数字滤波113.2.1硬件滤波器113.2.2数字滤波器123.3可控硅143.3.1可控硅的结构143.3.2可控硅的基本特性143.4本章小结15第四章控制系统的算法164.1PID控制的离散化164.2PID位置式算法174.3PID的增量式算法184.4PID算法的改进184.4.1积分分离PID控制算法194.4.2不完全微分PID算法204.4.3微分先行PID算法214.4.4带死区的PID控制224.5PID控制器的参数整定224.6Smith预估器的补偿原理264.7数字Smith预估系统284.8本章小结30第五章系统程序设计315.1主程序315.2键盘扫描及显示程序325.3T0中断服务程序335.4子程序345.4.1采样子程序SAMP345.4.2数字滤波子程序FILTER365.4.3PID计算子程序365.5系统调试375.5.1硬件调试375.5.2软件调试385.6本章小结39结束语40参考文献41致谢42第一章绪论1.1概述随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。1.2课题分析单片机温度控制系统，是利用单片机作为系统的主控制器，测量电路中的温度反馈信号经A/D变换后，送入单片机中进行处理，经过一定的算法后，单片机的输出用来控制可控硅的通断，控制加热炉的输出功率，从而实现对温度的控制。本单片机温度控制系统的具体指标要求是，对加热器加热温度调整范围为6001000，温度控制精度小于3，系统的超调量须小于15%。软件设计须能进行人机对话，考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟环节，且温度调节范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可以实现对数字信号的处理和控制。本设计运用MCS-51系列单片集中的8051单片机为主控制器，对加热炉的温度进行智能化控制，最终通过软件设计来实现人机对话功能，实现对加热炉的温度控制。本论文主要介绍单片机温度控制系统，内容主要包括：采样、滤波、键盘显示、加热控制系统，单片机MCS-51的开发及系统应用软件的开发等。全文共分五章。第一章绪论介绍课题背景、目的、意义及设计的总体思路。第二章介绍主控电路核心部分MCS-51单片机8051的基本结构和配置。第三章介绍A/D采样技术和数字滤波技术。第四章介绍以PID为主的温度控制算法及系统加热控制系统。第五章主要是系统软件编程。1.3设计思路根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。硬件电路见附录。分析硬件电路主要包括：加热及控制电路部分，数据采集和模/数（A/D）转换处理部分，键盘和显示器部分，单片机与各部分的接口处理部分。这些可用一个方框图来表示，如图1-1所示，显然，这是一个典型的单反馈控制系统。图1-1单片机温度控制系统框图从框图上我们可以看出，整个系统也可划分为控制电路部分、加热电路部分和测量电路三部分。控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号，发出相应的指令来控制可控硅，是系统的核心。8051对温度的控制是通过可控硅调功能电路实现的。在给定的周期T内，8051只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率，从而达到调节温度的目的。而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8051用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。过零同步脉冲是一种50HZ交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中，另一方面还作为计数脉冲加到8051的T0和T1端。加热电路用来实现对系统的升温加热达到预定的温度。当温度没有达到要求，控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理。主要由温度检测和变送器组成。温度检测元件和变送器的类型选择和被控温度及精度等级有关。镍络/镍铝热电偶（2001000）适用于01000的温度测量范围，相应输出电压为0mV41.32mV。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热点偶输出的0mV41.32mV变换成0mA10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0mA10mA电流变换成0V5V范围内的电压。为了提高测量精度，变送器可以进行零点漂移。本次设计的温度控制范围为6001000之间，温度误差要求在3左右，系统超调量不超过15%，采用8位转换器ADC0809就可以使温度误差保持在±2.34以内，满足设计要求。除上述电路，8051还要有81552732和ADC0809等芯片接口电路。其中8155用于键盘/LED显示器接口，2732可以作为8051的外部ROM存储器，ADC0809为温度测量电路的输入接口，用于把连续变化的信号进行离散化。最终再通过控制电路中的键盘显示器电路实现人机对话功能。软件设计主要由温度控制的算法和温度控制程序组成。软件设计主要为控制器部分，即温度控制系统，采用PID算法，其原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，而后对偏差值处理而获得控制信号去调节加热炉的加热功率，以实现对炉温的控制。PID基本可满足系统要求。程序设计是本次设计的核心部分。整个程序包括管理程序和控制程序两部分。管理程序是对显示LED进行动态刷新，控制指示灯，处理键盘的扫描和响应，进行掉电保护，执行中断服务程序等。控制程序是用来对被控进行采样，数据处理，根据控制算法进行计算和输出等。第二章MCS-51单片机的基本知识AT89C2051单片机简介AT89C2051是美国ATMEI公司生产的低电压，高性能的8位单片机，片内含2kbytes的可反复电擦除FLASH程序存器和128bytes的随机存取的数据存储器RAM。器件采用ATMEI公司高密度、非易失性存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统及产品引脚兼容，但去除了P0口、P2口和ALE、PSEN、RD、WR引脚，所以不能并行扩展总线，为非总线型单片机。其主要的内部资源有：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容2k字节可重擦写FLASH闪速存储器全静态操作：024MHZ2级加密程序存储器128×8字节内部RAM2个精密模拟比较器15个可编程I/O口线2个16位定时/计数器5个中断源1个可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式AT89C2051的引脚图如图3-1所示，其引脚定义如下：1、Vcc：，电源电压。2、GND：接地。3、P1口：P1口是一个8位双向I/O口。其中P1.0、P1.1是片内精密模拟比较器的同相输入端和反向输入端，P3.6固定用于该比较器的输出端（P3.6对外无引脚，不可作I/O口访问）。当不用该模拟比较器时，P1.0、P1.1经外接上拉电阻后，也可作为普通I/O口使用。P1.2P1.7为普通I/O口，内部已接上拉电阻。4、P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。但由于P3.6口固定用作片内精密模拟比较器的输出端，对外无引脚，所以真正可作为I/O口用的只有7个。除了作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下所示：5、RST：复位输入，当振荡器工作时，RST引脚出现两个周期以上高电平将使单片机复位。6、XTAL1、XTAL2：晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路时外接石英晶体；外振荡输入时，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡脉冲。单片机系统结构单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。MCS-51单片机芯片内部逻辑结构通过MCS-51单片机内部的逻辑结构图掌握单片机内部的逻辑结构及各个部件的功能与特点。即：中央处理器（CPU）、内部数据存储器、内部程序存储器、定时器/计数器、并行I/O口、串行口、中断控制系统、时钟电路、位处理器、总线。MCS-51单片机的内部存储器MCS-51单片机芯片内部有数据存储器和程序存储器两类存储器，即所谓的内部RAM和内部ROM。同学重点要掌握内部数据存储器的结构、用途、地址分配和使用特点。一是内部数据存储器的低128单元，它包括了寄存器区、位寻址区、用户RAM区，要掌握这些单元的地址分配、作用等。二是内部数据存储器高128单元，这是为专用寄存器提供的，地址范围为端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P1.01P1.12P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/Vpp9RXD/P3.010TXD/P3.111INT0/P3.212INT1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515WR/P3.616RD/P3.717P1.23XTAL118XTAL219Vss20ALE/PROG30P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29P2.021EA/Vpp31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039Vcc40图3-1AT89C52引脚图