毕业设计（论文）-电阻炉模糊PID温度控制系统的设计.doc

共43页第1页装订线第一章绪论1引言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。模糊PID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，经过模糊PID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。本设计运用MCS-51系列单片机集中的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。本设计主要介绍模糊PID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。全文共分四章。第一章绪论介绍相关技术发展，系统设计概述及设计要求，方案论证。第二章硬件电路的设计介绍主控电路核心MCS-51单片机AT80C51的基本结构和配置以及一些子模块的设计。第三章典型芯片的介绍MAX6675包括了A/D采样技术和数字滤波技术。第四章软件设计介绍以模糊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。2单片机技术现状与发展单片机又称为微控制器（Microcontroller），是把中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、定时器/计数器、I/O接口电路等部件集成在一块芯片上的微型计算机。自问世以来，性能不断提高和完善，加之具有控制能力强、体积小、功耗小；成本低、开发周期短、集成度高；速度快，指令周期为S级；功能强，有丰富的内置资源；易于商品化，多数厂商提供配套外围借口芯片；抗干扰能力强等优点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算机、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统，数字单片机的位数越来越多，精度也越来越高。另外，在需要极高响应速度的控制场合，共43页第2页装订线还出现了模糊单片机，它是专门执行模糊逻辑信号的器件，具有极高的模糊推理速度。今天，还出现了不少高级语言的开发工具，这些系统经过仿真可在更高的开发平台上进行快速的开发，为单片机的广泛应用铺平了道路。所以，在未来的社会主义工业化建设中，单片机无疑会发挥更大的作用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。3系统设计概述及设计要求采用单片机为控制核心器件，选择合适的传感器对电阻丝加热炉温度进行测量，并采用模糊PID控制算法使其保持在某一设定的温度值。温度值可由键盘设定，并在LED显示器上显示。具体要求如下：1）温度范围为50015002）系统有必要的保护和报警3）温度值有显示4）误差范围14方案论证4.1总体方案比较与论证方案一：采用CPLD作为主控制器控制外围电路进行温度测量、键盘和LED控制、报警控制。方案二：采用AT89C51单片机来实现系统的控制。AT89C51内部自带程序存储器，采用Intel8279键盘/显示器的控制，K型热电偶（镍铬-镍硅）作为测温传感器,AD574芯片作数模量转换芯片,用继电器对电阻炉加热进行控制。采用PID控制算法对温度进行控制，此系统硬件简洁，将复杂的硬件功能用软件实现，因此系统控制灵活，能很好地满足本题的基本要求和扩展要求。比较以上两种方案的优缺点：方案一逻辑电路复杂，且灵活性较低，不利于各种功能的扩展，而且开发成本很高。方案二简洁、灵活、可扩展性好，能完全达到设计要求。通过大量的资料的查找与对比采用第二种方案较好。故采用方案二。共43页第3页装订线4.2典型模块电路的设计方案与比较4.2.1温度检测方案方案一：利用热释电红外传感器（探测器）进行非接触式红外测温的原理、红外测温系统结构和信号处理电路的组成，目的是实现对移动物体的非接触式温度测量。以此为基础，组装了一套微机红外测温实验装置，用该装置测定了目标表面温度变化规律。在大约190测量精度达到最高，其残差为9.5。但是在测定高温时误差大，而且系统的造价高。方案二：选用K型热电偶（镍铬镍硅），具有线性度好、测温范围适中、输出电动势大、价格便宜等特点。另外，为保证检测精度，采用补偿导线法对热电偶进行冷端补偿。4.2.2键盘显示方案方案一：采用独立按键按口，这种方式是各种按键相互独立，每个键各按一根输入线，一根输出线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。所以通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个键按下。独立式按键电路配置灵活、软件简单，但是每个键占一根输入口线，在按键数较多时需要较多的输入口线且电路结构简单，故使用于按键少，操作速度高的场合。它直接与单片机I/O相接，通过读I/O口，判断各个I/O口线电平状态，即可识别出按下键盘。方案二：采用3*3矩阵键盘输入，这种接口方式适用于按键数量较多场合，由行、列线组成，行列分别连接到按键两端。按键位于行列交叉点，行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键按下时，行处于高电平，而当按下时行电平将由此与此电平相连的列线电平决定。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列电平，所以各按键彼此将相互影响，所以必须将行列信号配合起来并做适当处理才能决定闭合键位置。方案三：采用Intel8279键盘/显示电路，该接口电路设计新颖，结构简单，稳定性强，可靠性高，编程容易，具有很强的使用性。4.2.3显示模块的选择方案一：采用数码管显示。数码管亮度高、体积小、重量轻，但其显示信息简单、有限，在本题目中应用受到很大的限制。方案二：采用液晶显示。液晶显示功耗低、轻便防震。由于本题显示信息比较复杂，采用液晶显示界面友好清晰，操作方便，显示信息丰富。共43页第4页装订线第二章硬件设计1系统的硬件总体设计AT89C51电阻炉温度控制系统是以AT89C51单片机为核心，采用模糊PID控制的方法，使电阻炉的温度得到较为理想的控制。本系统所要控制的电阻炉加热功率1500W，使用电压范围0220V（AC），升温速度0.3/min，控制精度±1，控制温度范围为500-1500度。控制系统的结构框图如图1所示。图2-1系统组成基本框图整个系统由3部分组成，即由单片机AT89C51构成的单片机应用系统；由K型热电偶、运算放大电路和A/D转换电路构成的温度检测通道；由双向可控硅构成的输出控制通道。工作时,温度由K型热电偶检测温度值，经过冷端温度补偿运算放大器和A/D转换，将温度信号送入单片机；单片机将温度信号进行数字滤波，标度变换后，由LED显示。同时与系统设定值进行比较，按照模糊PID控制算法进行运算，通过输出信号去控制双向可控硅的通断，从而控制电阻炉的平均输入功率，实现电阻炉炉温的控制。并可直接显示。热电偶将炉温变换为模拟电压信号，经MAX6675芯片转换为数字量送单片机。同时，热电偶的冷端温度也由IC温度传感器变为电压信号，经放大和转换后送单片机。标度变换程度根据温检测值求得实际炉温。数字调节器程序根据恒温给定值。与的偏差A0，按积分分离的PID控制算法得到输出控制量i。数字触发器程序根据c控制电阻炉子的导通时间，调节炉温冷端处的温度值的变化使之与给定恒温值一致。键盘显示报警89C51A/D放大热电耦电阻炉双向可控硅光偶共43页第5页装订线导通时间长，输出功率大，温度升高快；导通时间短，输出功率小，温度升高变慢。显示与恒温判断程序完成炉温与恒温时间显示、恒温开与恒温完成判别、恒温完成时给出声光指示信号。断偶判断程序根据温度检测值判断温度传感是否开路，若开路，则给出断偶报警信号。2温度检测设计采用热电偶传感器。热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽(通常可由一5O度到+1600度)及反应快速的优点。热电偶传感器输出的电压信号较为微弱(只有几毫伏到几十毫伏)，型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，目前，在以型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机的嵌入式系统。中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。在电阻炉温度检测中，采用MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速、准确。2.1MAX6675电阻炉温度控制系统的型热电偶温度采集电路如图2.1-1所示。其微控制器采用ATMEL公司的FLASH单片机AT89C51，该微控制器具有4K内部可擦写程序存储器和32个输入/输出端口，满足本系统中液位测量、数据显示、温度测量、数据通讯、看门狗电路的需要。作为一款廉价的通用型单片机，AT89C51没有SPI接口。因此采用I/O口线模拟SPI串行口来对MAX6675读取数据。MAX6675的CS端接单片机的P1.0脚，CS低电平停止转换，MAX6675准备将数据输出；SCK引脚接单片机的P1.1脚，为传输数据提供时钟。无数据传输时，SCK应置为低电平；SO引脚接单片机的P1.2脚，用于传输数据。单片机的P1.3脚作为型热电偶探头断线报警口，报警时输出低电平，驱动故障指示LED显示。在单片机的上述4个引脚各接一个10K的上拉电阻，保证数据的可靠传送。由于MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感，为降低电源噪声影响，在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1F陶瓷旁路电容。在印刷电路板的设计中，采用大面积接地技术来降低芯片自热引起的测量误差，提高温度测量精度。共43页第6页装订线P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETRXDTXDINT0INT1T0T1WRDRXTAL2XTAL1GNDP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7PSENALE/PROGEA/VppP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0VCC89C51cs6T+3T-2VCC4GND1scx5so7dc8max667512热电偶C10.1uFVCCR1010KR1110KR1210KR1310KVCCR151KDVCCP2.3P2.2P2.1P2.0RESETP1.0P1.1P1.2P1.3P3.4P3.5P3.6P3.7P1.4图2.1-1AX6675与AT89C51单片机组成的热电偶温度采集电路AX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构如图二所示。主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为(41V/)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。U1=(41V/)×(T-T0)上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。U2=(41V/)×T0在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。其内部结构图如图二所示共43页第7页装订线2.2MAX6675的特性与MAX6675引脚功能MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成型热电偶变换器，测温范围01024，主要功能特点如下：直接将热电偶信号转换为数字信号具有冷端补偿功能简单的SPI串行接口与单片机通讯12位A/D转换器、0.25分辨率单一+5V的电源电压热电偶断线检测工作温度范围-20+85MAX6675采用SO-8封装形式，有8个引脚，脚1（GND）接地，脚2（T-）接热电偶负极，脚3（T+）接热电偶正极，脚4（VCC）电源端，脚5（SCK）串行时钟输入端，脚6（CS）片选端，使能启动串行数据通讯，脚7（SO）串行数据输出端，脚8（NC）未用。在VCC和GND之间接0.1F电容。MAX6675的引脚如图一所示2.389C51