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毕业设计(论文)-电阻炉模糊PID温度控制系统的设计.doc毕业设计(论文)-电阻炉模糊PID温度控制系统的设计.doc -- 6 元

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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MCS51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MCS51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MCS51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μS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500℃1500℃2)系统有必要的保护和报警3)温度值有显示4)误差范围≤1℃4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33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0~220V(AC),升温速度0.3℃/min,控制精度±1℃,控制温度范围为5001500度。控制系统的结构框图如图1所示。图21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θ。数字调节器程序根据恒温给定值θ。与θ的偏差A0,按积分分离的PID控制算法得到输出控制量μi。数字触发器程序根据μc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θ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,K型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器,目前,在以K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K型热电偶温度采集电路如图2.11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K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0.1μF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/VppP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0VCC89C51cs6T3T2VCC4GND1scx5so7dc8max667512热电偶C10.1uFVCCR1010KR1110KR1210KR1310KVCCR151KDVCCP2.3P2.2P2.1P2.0RESETP1.0P1.1P1.2P1.3P3.4P3.5P3.6P3.7P1.4图2.11AX6675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41μV/℃,电压可由如下公式来近似热电偶的特性。U141μV/℃TT0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。U241μV/℃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K型热电偶变换器,测温范围0℃~1024℃,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℃~85℃MAX6675采用SO8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0.1μF电容。MAX6675的引脚如图一所示2.389C51
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