基于单片机的炉温自动检控系统

摘 要本文介绍了电阻炉炉温单片机控制系统的控制原理，硬件结构和软件设计。该系统以单片机 89C51 为核心，以加 热炉为智能模糊控制系 统控制对象，深入研究了规则自寻优的模糊控制算法。论文中主要完成了对以单片机为控制中心的炉温控制系统的基本框图，工作原理，程序设计和系统的抗干扰措施的设计与仿真，该系统可对电阻炉温度进行控制，且工作稳定可靠，可实现控制精度的要求。仿真结果表明，该系统控制效果好，稳态精度高，超调量小，达到了控制系统的各种指标要求。关键字：单片机，电阻炉，模糊控制Temperature Control System of Heating Furnace Based on Single Chip ComputerAbstractThe paper presents control principle,hardware structure and software design of the resistance furance temperature system controlled by single-chip computer.Based on single chip computer 89C51,a temperature fuzzy control system of heating furnace is presented .The rule self-seeking-optimization fuzzy control algorithm is also studied in this paper.The article introduces a new electric cooker,s tempture controlled system.It has also told the systems basic construct,working-principles and procedure design,including its measures to eliminate disturbs. The system has been testified .it works steady and reliable . its precision has also been reached. The simulated results show that this system has high static accuracy and small overshoot.Key words：Single-Chip Computer,Resistance Fumace, Fuzzy Control目 录1 绪论 .12 国内外炉温检控系统的发展现状 .12.1 国外炉温检控系统的发展现状 .12.2 国内炉温检控系统的发展现状 .13 硬件电路的设计 .23.1 传感器部分 .43.2 A/D 转换部分 .43.3 89C51 单片机 .53.4 键盘输入电路 .63.5 LED 显示 电路 .74 固态继电器控制方法 .84.1 固态继电器的内部结构 .84.2 PWM 控制原理 .94.3 控温接口电路 .95 控制算法的选择 .105.1 模糊控制算法概述 .115.2 控制规则 .116 辅助电路 .126.1 复位电路 .126.2 报警电路 .137 软件的设计 .137.1 系统应用系统的组成 .147.2 模糊运算程序流程图 .147.3 主程序流程图 .158 抗干扰措施 .159 结束语 .16致谢 .16参考文献 .17附录 .181 绪论电力资源的匮乏是制约我国经济快速健康发展的一个突出问题，在现存资源有限的情况下，为了避免 对资源的过度开发。我 们 只有提高资源的使用效率，才能缓解这一问题，取得经济 效益与资源保护的双丰收。电加热炉是工业生产中一种重要的必不可少的设备，然而在一些企业特别是一些小型企业和作坊式企业，由于技术落后，在利用电加热炉时，不仅不能精确地 满足加热工艺曲线的要求，而且对电力资源造成了巨大的浪费。 导致这种局面的原因主要由以下两点：一 基于 PLC 或计算机控制的电加热系统造价昂贵，很多小型企业不愿接受。二 现行的炉温自动控制系统往往具有算法复杂，要求操作人员具有一定的自动控制技术。所以，要想改善这种状况，必 须要设计出一种操作 简单，控制精确，造价便宜的炉温自动控制系统。单片机是典型的嵌入式系统，从体系结构到指令结构都是按照嵌入式应用特点专门设计的，能最好地 满足对控制对象， 应用系 统的嵌入现场的可靠运行以及非凡的控制品质要求。特 别是 89C51 单片机内部具有 4KB 的闪速 E2PROM。基于单片机控制的温控系统就是：利用单片机控制器与传感器调度原理，结合一定的控制算法，根据加热工艺曲线的要求，及 时 准确地判断和控制加热炉的升温或降温。不仅可以更好地 满足加热工艺曲线的要求，而且具有造价低廉，操作简便的优点。 2 国内外炉温检控系统的发展现状2.1 国外炉温检控系统的发展现状当前，随着电气信息技术在加热炉系统中的应用， 发达国家如美国、德国、日本、澳大利亚等成功开发 了一系列用途广泛、功能极强的温度控制器，随着 电力资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发具有自主知识产权的炉温控制系统不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。国外在炉温自动控制技术和设备的研究上发展迅速，美国微型电子计算机普及和单片机的应用使自动化系统发生了根本的变化，因而达到了较高的自动化程度。现在已有许多由单片机控制的仪器设备，使电阻丝 加热和温度控制完全自动连续的进行。德国是世界上炉温控制技术最先进的国家之一，加热炉系统实现了高度的自动化，都由单片机或 PLC 控制。2.2 国内炉温检控系统的发展现状在我国，节约电力资源的潜力非常大。据有关国 际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国的 4 倍左右。由于我国人口基数大，所以人均占有资源量相对很少。在我国一方面电力供应紧张，而另一方面， 电的浪费十分严重。特别是用于传统工业电热炉加热方面对电力资源的利用极为不合理。在对目前几种传统电加热方式做比较后我们发现，它们各有优缺点：（1）电磁继电器控制，即操作人员通过电磁继电器来控制加热炉电源开关的闭合来控制加热炉的加热过程。它要求操作人员对加热炉温度和工作状态实行实时检测。 这种方式开关速度慢，温度变化惯性大，控制效果不理想。不仅效率低浪费大量的人力资源和电力资源，而且不能实现对温度的精确控制。这种方式的优点是系统可靠性高。（2）常规智能控制系统 目前应用比较广泛的是在以单片机或 PLC 为核心的控制系统中采用常规算法（如 PID 算法）来实现对炉温的智能控制。这种系统自动化程度较高。然而由于加热炉具有大惯性纯滞后等非线性以及时变的特点，炉门的开关及电网电压等都影响着控制过程。而基于精确数学模型的常规控制难以满足加热工艺曲线的要求。纵观国际和国内炉温自动控制技术的发展状况，国外在炉温自动控制技术方面的研究比较深入，凭借雄厚的科技实力、先 进的生 产工艺、 严格的质量控制和对产品质量的刻意追求和先进的技术、因地制宜的解决方案、丰富的工业知识，其产品遍布世界几十多个国家和地区。国外一些温控系统设备结构复杂，控制的量比较多，成本较高，安装、维护过程都很复杂很不适合在我国 乡镇企业使用。而我国国内制造的加热设备，成本相对低廉，所控制的量比较少，能 实现基本量的控制，但是由于绝大多采用是的普通的继电器控制系统，调试、 维护困难，灵敏度不够高，不能实现定时 精确控制，而且 产品先天性不足，使用寿命短，其产品市场占有率很低。本文采用的基于单片机的自动化控制加热系统是将自动控制与电加热系统有机地结合起来，使加热系统在无人干预的情况下通过控制器按规定的程序或指令实现对电加热炉的自动控制。以单片机为核心的小型自控系统具有造价低廉，可靠性高，适用于各种环境条件下运行等优点，并且在系 统硬件组成不变的情况下通过更改软件设置来适应多种运行方式的需要，是传统继电器控制的理想替代品。尤其在中小规模工业生产中实现无人值守或半无人值守具有广阔的应用前景和使用价值。3 硬件电路的设计本系统主要由 89C51 单片机， 键盘，显示电路，温度检测电路，过零检测及触发电路等几大部分组成。本文是基于先进的单片机控制技术，在低耗能下可实现对炉温的精确控制。.点加热炉控制的技术路线如下：计算机定时对炉温进行测量（即温度采样），把测量的温度经放大送到模数转换芯片，换算成相应的数字量后送入到计算机，按预定的控制规律进行判别和运算，从而得到控制量，该控制信号经过驱动电路作为可控硅的门触发信号，用来控制可控硅的功率，以达到炉温控制曲线的要求，完成生产的预期指标。当炉温超出设置的上下限温度时，控制系统发出相应的报警信号，使操作者及时进行调整，保 证生产顺利进行。该系统具体的工作原理是这样的：单片机定时对炉温进行检测，经 AD 转换后得到相应的数字量，送到 计算机， 计算机依据给 定的控制规则算法进行判断和运算，得到应有的控制量去控制加热系统，从而 实现对温度的控制。 选用89C51 单片机 实现。技术指 标：(1) 控制温度可设定；(2)精度为2；(3)实时显示被测温度；(4)故障 报警。温度智能控制系统的原理方框图如下所示。计算机通过程序实现对被控对象- 电热炉的控制。图 1 温度模糊控制器的硬件框图计算机输出脉冲触发电路，通过过零触发电路去驱动双向可控硅，从而控制电阻炉的加温电阻的功率， 这就是前向通道。同 时，由 测温传感器测量出电阻炉的温度，经滤波、放大和 A/D 变换器后，转换为数字量反馈给计算机，形成反馈通道，并使系统构成闭环。本系统主要完成数据采集、温度显示、炉温控制、故障检测以及报警功能，智能模糊控制器由单片机完成，采用规则自寻优的控制算法进行过程控制。加热炉采用双向可控硅控制，由 单片机 输出通断率控制信号， 产生可控硅的过零触发脉冲。89C51键盘给定故障检测报警电路数码显示光耦双向可控硅模数转换过零触发加热炉热电偶温度变送单元3.1 传感器部分目前测量温度通常采用热电式传感器，其中将温度量转换为电动势大小的热电式传感器叫热电偶，它是由两种不同的导体(或半导体)A、B 组成的闭合回路。如图 2 所示： AB图 2 热电偶传感器原理图热电势由接触电势和温差电势两部分组成。导体 A B 之间形成的电位差称为接触电势，其大小取决于两种不同导体性质和接触点温度，而与几何形状、尺寸无关。温差电势是指同一 导体的两端，因其两端温度不同而产生的一种热电动势。由于温差电势比接触电势 小得多，故可略去。由 热电偶测量原理可知，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电偶才是被测温度的单值函数 1。在应用中，常采用补偿导线法、冷端温度校正法、冰浴法及补偿电桥法等四种方法保持冷端温度恒定。在该设计中采用冷端温度校正法。对于冷端温度的测量，该设计采用的是 AD590JH 温度转换器。它具有灵敏度高、体积小、重量轻、 热惯性小、寿命长的优点，应用十分广泛。它是一种三引脚器件：正、负电源端和电 流输出端。 电压输入范围 ：+4 一+30V ，温度范围：-55 - +155。电流 输出：1 A K。AD590JH 在炉温测量仪中测内部工作温度，可以把输出电流转换为电压值，使其正好补偿冷端温度变化引起热电势值的变化。3.2 A/D 转换部分串行模数转换器 MAX187 具有 12 位分辨率， 由单一+5V 电源供电，可以接受 05V 的模拟输入。它有一个 8.5 us 逐次逼近 ADC、一个快速(1.51 s)跟踪保持电路、一个片内时钟 以及高速 3 线串行接口。图 3 为 MAX187 的引脚图，其中，vdd 为+5V5 的电源电压；Ain 为采样范围 0VVref 的模拟输入端；3管脚为电平关断信号输入端。 3 管脚拉低，关 闭 MAX187，电流下降到 l0A 以下。在丽丽拉高或悬空情况下，都可正常运行。对于 MAX187，3 管脚拉高使内部基准源起作用，悬空则使内部基准源不起作用，井允 许 使用外部基准源；REF 为基准电压端，以确定模拟电压 范围和功能。 对使用内部基准源 MAX187，作为4.096V 基准电压的输出。REF 也可输入 4-2.5VVDD 的电压，作为 MAX187(内部基准源不起作用)的精确基准源。若用内部基准源则用 4.71pF 旁路电容，若不用则用 0.1pF 电容旁路；GND 为模拟和数字地；DOUT 为串行数据输出端。在SCLK 的下降沿，数据改 变状态；7 脚为片选端，低有效。在下降措启动转换。当7 为高时，DOUT 为高阻抗；SCLK 为串行时钟输入端。数据输出速率可达5MHz。图 3 MAX187 封装图MAX187 的采样速率为 75kbps，外部 时钟从串行接口访问数据，这个接口可与多数数字信号处理器和微控制器直接连接而不需要外部电路。优越的交流特性和极低的功率消耗易于使用以及很小的封装体积，使得这些转换器适合用于远程数字信号处理和传感器，或用于便携式数据记录仪。当电源首次接通时若 丽 没有拉低，则 20ms 后 MAX187 随时可以进行转换。为启动一次转换，要拉低 在西的下降沿TH 进入其保持状态，并且启 动一次 转换，在内部定 时的 8.5gs转换周期后，转换结束(EOC)由 DOUT 变为高电平标识。DOUT 进出顿先的高电平后，下一个时钟下降沿进 出转换结果的 MSB，随之是其余的各位。3.3 89C51 单片机ATMEL,PHILPS 和 SST 等公司生产的与 80C51 兼容的低功耗高性能 8 位89C51 单片机具有比 80C31 更丰富的硬件资源， 给单 片机的开发及应用带来了很大的方便。它采用了 CMOS 工艺和高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令都与 MCS-51 兼容；片内的 Flash ROM 允许在系统内改编程序或用非易失性存储器编程器来编程 2。因此，89C51 是一种功能强，灵活性高，且价格合理的单片机，近年来得到了及其广泛的应用。一片 89C51 单片机等于 80C31，373 和 2732 功能的 总和。为了确保炉温 监控系统工作的稳定性和可靠性，本系统中决定采用 89C51 作为其核心控制器件。 这样不仅提高了系统的整体性能，而且降低了成本。图 4 温度采集电路3.4 键盘输入电路键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备，操作人员可以键盘输入数据或命令，实现简单 的人机通信。按 键是一种常开型按钮开关。平 时（常态时），按 键的两个触点处于断开状态，按下 键时它们 才闭合（短路）。本系 统采用44 的十六位非编码键盘 ，其中 0 9 为数字键，A（设置）、B（炉温显示或炉温设定）、C（停止）、D（运行）为功能键，E、 F 键未用。判断闭合的键是否释放，键闭合一次仅进行一次键功能操作。当判断有键按下时， 则 取键值， 键值 N = 行号+ 列号。取得键值后，判断它是否大于 9.若大于 9 则说明 该键是功能键， 经过散转，转向相应的功能处理程序。否 则， 转为数字键处理程序。系统采用的是中断扫描方式的一种简易的键盘接口。其电路结构如下：图 5 键盘接口电路该键盘直接由 89C51 单片机的 P1 口构成。键盘的列线与 P1 口低四位相接。键盘的行线通过二极管接到 P1 口的高 4 位。因此，P1.4P1.7 行输出线，P1.0P1.3 作扫描输 入线。其中，四输入与门是为中断扫描方式而设计的，其输入端分别与各列线相连，输出端接 单片机外部中断输入#INT1。初始化时，使键盘行输入口全部为 0，当有键按下 时， INT1 端为低电平，向 CPU 发出中断请求，进入中断服务程序，执行扫描式键盘输入子程序。3.5 LED 显示 电路单片机应用系统中使用的显示器主要是发光二极管显示器，简称 LED。LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。本系统中采用静态显示方式。静态显示器就是当显示器显示某个字符时，相应的段（发光二极管）恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止。例如，7 段显示器的 a.b.c 段恒定导通，其余段和小数点恒定截止时显示 7；当要显示 8 时，显示器的 a、b、c、d、e、f、g 段恒定导通， dp 截止。LED 显示器工作于静态工作方式时，各位的共阴极接地；若为共阳极，公共端则接+5V 电源。每位的段选线分别与一个 8 位锁 存器的输出口相连，显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应所存的输出将维持不变，正因为如此，静态显示器的 显示亮度较高。 这种显示方式编程容易，管理也 较简单，所以本系统选用这种显 示方式。其 电路结构如下： 图 6 LED 显示电路原理图上图给出了四位共阴性数码管的静态显示应用电路。电路采用 MC14495 作为每位 LED 的驱动接口，MC14495 是 BCD7 段十六进制锁存译码驱动芯片。P0.7P0.4 用于输出段码 ，P0.2 控制 2-4 译码器的使能端，低电平有效；P0.0P0.1为位选码输出。工作中，在需要改变显示数据时，单 片机才通过 P0 口送出相应的数据，平时不需要刷新。4 固态继电器控制方法控制电阻炉的温度，只需控制电阻炉电流的大小而不必考虑电流方向。控温采用可控硅电路，它的任务 是通过调压来实现交流调功。通常，用可控硅 实现交流调压的方式有两种：一是改变负载电压波形的导通角，称为调相；另一个是负载电压波形不变而改变其电压波形在时间段内的出现次数，称为脉冲调功。就触发方式而言，调相调功采用移相触发，脉冲 调功采用 过零触发。 过零触发就是指当可控硅的门级接收到有效控制信号后，可控硅总是在交流电源为零电压附近导通，这 种触发方式不对电 网造成严重污染和干扰其它用电设备，是应用较为广泛的一种方法。4.1 固态继电器的内部结构交流固态继电器为四端元件，两个输出端，两个 输入端。输入输出之间采用光电隔离，没有电气联系，控制电路和输出电路之间 不会互相干扰 3。其输入端仅要求很小的控制电流，输 出回路采用双向可控硅来通断负载电源。内部结构如图 7 所示，其工作原理为：当有效控制信号从 1、2 端 输入时，光耦 GD 的二极管导通，通 过光电耦合的作用，GD 的三极管导通，造成 T1 截止，T1 的集电极输出高电平。此 时 SCR 的工作还取决于 T2 的状态，T2 在这里是负载电源的零点检测，负载电压通过电桥加在 R4 和 R5 上，只要 R5、R4 的分压超过 T2 的 BE 级的压降，T2 将饱 和导通， 则 SCR 的控制级被箝位为低 电平，SCR 不导通。图 7 固态继电器内部结构图T1 和 T2 组成的是与门电路，与门的输出端为 SCR 的控制级，只有当有效控制信号加入，T1 截止，同 时负载电压又处于零电压附近，来不及使 T2 进入饱和导通，此 时 SCR 的门级才能注入控制电流而导通，使得双向可控硅 BCR 的控制级得到触发脉冲，双向可控硅 BCR 导通，负载接通 电 源。当输入的控制信号撤除之后，GD 的三极管截止，T1 饱和，SCR 截止，双向可控硅保持导通直到负载电流随外部电压减小到小于双向可控硅的维持电流为止，此时，双向可控硅才截止，负载断开电源。4.2 PWM 控制原理可以由单片机输出一个周期固定、脉宽可调的脉冲信号(PWM) 来作为固态继电器的控制信号。控制原理 如图 8 所示，在控制脉冲的高电平期间，固 态继电器接通电阻炉电源，电阻炉加 热；在控制脉冲的低电平期问，固态继电器断开电阻炉电源。通过调节 PWM 的占空比，可以调节控制脉冲的高电平持续时间，即调节脉冲周期内电阻炉上的交流电压周波的个数，从而调节电阻炉在一个脉冲周期内的电压的平均值，达到 调温的目的 4。 图 8 PWM 控制固态继电器的电压波形图4.3 控温接口电路执行元件选用交流过零触发型固态继电器（SSR），控制方法采用过零触发，当控制信号输入后， SSR 在交流电源为零电压附近 导通。控温电路框图如下所示：图 9 控温电路框图由AT89S51的P2.0 引脚输出控制脉冲信号，脉冲周期为1S，经反相器光电隔离，功率放大后加到双向可控硅上，通过控制采样周期 T内的可控硅导通的周波个数，也就是n值，从而达到控制电阻丝的加热功率的目的。电热丝的功率和n关系可描述为：式中：P一负载输入功率N采样周期T内的周波数(本系统取T=2秒， 则N=100)n一采样周期T内导通的周波数R一负载电 阻(本系统采用的电热丝额定功率为2KW)I一在采样周期T 内电流全 导通时流过R的电流有效 值对于电阻炉，额定功率为P，额定电压为U，则额定电流为：P=2KW，U=220V选用的SSR 的最大 输入电压应 2U=440V，额定输出电流应高于电热丝额定电流30以上，本系统采用的SSR是TOSHIBA的TSS16J41S，它的参数如下表所示：表2 TSS16j41s的参数表输入参数名称 参数符号 参数值 单位最大输出电压 Udrm 600 V额定输出电流 I(rms) 16 A控制输出电压 Vf(in) 5 Mv控制输入电流 If(in) 60 Ma工作频率 F 45-65 HZ工作温度 Top -30-80 接通时间 Ton 1/2 周期关断时间 Toff 1/2 周期5 控制算法的选择本课题的目的是进行炉温控制，模糊算法在温度控制上有许多成功的例子，取得效果良好，借鉴这些成功的经验，所以本 课题在炉温控制中采用模糊控制算法来完成。一个模糊控制系统一般可以分为四个组成部分：模糊控制器、输入， 输出接口装置、对象和传感器。本课题模糊控制器的控制 对象是炉温，采用 测温电路对被控对象进行观测，由控制器(单片机)将观测到的实际温度与给定温度比较，求出偏差，并按一定的控制规则作出响应，将控制量送给执行元件。5.1 模糊控制算法概述热处理加热炉具有大惯性、纯滞后等非线性以及时变的特点，炉门的开关、加热材料、 环境温度以及电 网电压等都影响着控制过程，基于精确数学模型的常规控制( 如 PID 控制)难以满足加热工艺曲线的要求。作为非线性控制的一大分支，模糊控制在上述温度控制系统中可以得到较好的应用。模糊控制是智能控制的分支之一，它具有以下特点：它是一种非线性控制方法，工作范围宽，适用范 围广，特别适合于非线性系统的控制 5；它不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，可以利用人的经验知识来设计模糊控制器，从而完成控制任务，而不象传统的控制方法那 样需要已知被控对象的数学模型才能设计控制器；它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性变化不敏感，模糊控制器的设计参数容易选择调整；算法简单、执行快、容易 实现、不需要很多的控制理论知识。5.2 控制规则 本系统的对象热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，用基于精确数学模型的常规控制难以满足加热工艺曲线的要求 6。为此，选用模糊控制算法中的规则自寻优算法。 规则自寻优算法采用由解析表达式描述的控制规则，它简单方便，易于处理。二维控制规则自寻优算法可以用解析表达式概括为：U= aE(1a) 其中：E、 C、U 为经过量化和模糊化的模糊变量。相应的论域分别为误差、误差变化率及控制量。a 为调整因子。由上式描述的控制 规则可看出，控制作用取决于误差及误差变化率，且通过调整 a 的大小，可以改变对误差和误差变化的不同加权程度，a 值一旦确定，在整个控制过程中就不再改变。图 10 加热炉模糊控制系统的原理图模糊控制规则的设计原则是：当误差E较大时，控制量U 的变化应使误差E 迅速减小为目的；当误差E较小时，应当在消除误差E的同时考虑系统的稳定性，预防超调甚至振荡。例如：当 误差为正大或正中时，如果误差变化为正， 说明误差正在不断地增大，为了使误差迅速减少，应将控制量迅速减少，取负大。当误差E为正而误差变化EC为负，说 明系统本身已经有减少误 差的趋势，为尽快消除误差E且又不超调，应取较小的控制量。例如：若误差为正大 时误差的变化为负小， 说明误差正在慢慢减小，应保持 误差继续减小，控制量适当取负中；若此时误差变化为负中或负大时，说明误差正在快速减小，为了预防超 调，控制量不宜 变化，取零。当误 差为正小时，系统接近稳态，若误差变化也 为正，选择控制量变化为正中来抑制误差向正的方向变化；若误差变化为负时，系统本身有消除正小误差的趋势，控制量取正小。当误差为正小时，系统接近稳态 ，若误差变化也为正，选择控制量变化为正中来抑制误差向正的方向变化；若误差变化为负时，系统本身有消除正小误差的趋势，控制量取正小。通过模糊决策、去模糊化后得到控制表和输出量表如下：表3 模糊控制表-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6-6 6 6 6 6 6 6 6 4 2 2 0 0 0-5 6 6 6 6 6 6 6 4 2 2 0 0 0-4 6 6 6 6 6 6 6 4 2 2 0 0 0-3 6 6 6 6 6 6 6 4 4 4 -2 -2 -2-2 4 4 4 5 4 2 2 1 0 0 -2 -2 -2-2 4 4 4 5 4 4 4 1 0 0 -2 -2 -2-1 4 4 4 5 4 0 2 1 3 3 -3 -2 -10 4 4 4 2 2 3 5 3 6 4 -4 -4 -41 2 2 2 2 5 4 2 2 2 2 -4 -4 -42 1 2 1 2 5 6 1 2 4 3 -4 -4 -43 0 0 0 0 -4 -4 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -64 0 0 0 -2 -4 -4 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -65 0 0 0 -2 -4 -4 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -66 0 0 0 -2 -4 -4 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -66 辅助电路一个完整的单片机系统除了需要上述各功能电路以外，还需要时钟信发生电路，复位电路等辅助电路，本系统中还需要加入报警 电 路，以确保系 统的稳定性及安全性。6.1 复位电路 复位电路是单片机中必不可少的。所谓的复位就是将单片机重新启动，这时单片机内部的所有寄存器都回到初始状态。复位电路有上电自动复位和手动复位两种方式，本系统中采用手动复位。图 11 手动复位电路6.2 报警电路为了保证系统的稳定性及安全性，我们必须要对电阻炉的温度有一个上下限温度的设定。当系统检测 出炉温高于或低于其上下限设定值时，系统立即向操作人员发出报警信号，以便能 够及时地采取应对措施。该系统中采取了简单可靠的声光报警电路，其结构如下：图 12 报警电路当炉温越过设定的上下限时，单片机 P1.2 口输出低电平，使三极管导通，有电流通过扬声器，即起到了 报警的作用。7 软件的设计软件包括两个方面：一是初始化系统；二是数据采集并对采集到的数据进行处理。这 两方面的操作分别 在主程序和中断处理服务程序中来进行。程序采用模块化的结构，这样程序结构清楚，易编程和易读性好，也便于调试和修改。模糊控制器的主程序包括初始化、键盘管理及控制模块和显示模块的调用。软件的主要流程是：利用89C51单片机的定时器T0和软件计数 产生采样周期，周期到，程序就转入控制模块，调AD 转换、数字 滤波及标度转换 模块得到炉温的反馈信号。根据偏差和偏差的变化率计算控制量，输出脉冲信号控制过零触发器。启动、停止以及输入给定值皆通过键盘利用外部中断产生，有按键输入时则调用中断服务程序。7.1 系统应用程序组成温度控制程序的设计应考虑如下问题：(I)键盘扫描，键盘识别，温度显示；(2)炉温采样，数字滤波；(3)越限报警和处理；(4)模糊控制程序，温度标度转换。通常，符合上述功能的温度控制程序由主程序和中断服务程序组成。图 13 控制系统软件结构总图7.2 模糊运算程序流程图图 14 加热炉模糊控制程序流程图主程序中断服务程序 数据采样程序 数据滤波程序 温度显示程序 模糊算法程序 键盘扫描程序开始采样实际温度数字滤波与标度变换计算偏差与偏差变化率输出结束7.3 主程序流程图模糊控制器的程序固化在89C51内部的flash存储器中，分为主程序和若干个子程序。主程序的功能是系统初始化，管理和 调用各个子程序。其流程图如下：停止启动启动停止图 15 主程序流程图8 抗干扰措施为防干扰，在系统中还采用：(1)用光电耦合器把各种模拟负载与数字信息源隔离开来，也就是把模拟地和数字地断开，杜绝强电脉冲通过1O口串人单片机。(2)阻容滤波网 络来除去常态高频干扰，同时在程序里还加人数字滤波程序。(3)AD数据采集采取 10次算术平均，有效地防止了误读数。(4)为提高精度 还对热电偶进行冷端温度补偿，对变送器进行了零点偏移。(5)程序模块功能划分明确，硬件部件相对独立工作，系统工作时各部分之间相互干扰降到最低程度。实验表明：该方案满足控制要求，系统工作稳定，抗干扰能力强，效果 满意。 初始化开始启动，停止命令吗控制算法模块数据线是模块启动，停止命令吗停机状态9 结束语接到毕业课题以后，我首先收集和查阅了国内外炉温控制系统的相关资料，仔细地分析了各种现行的温控系统的优点与不足。并且在结合我国内地实际情况的基础上，专门针对在中小企业或家庭式作坊应用比较普遍的电加热炉设计了以套基于单片机的炉温自动检控系统。考虑到该系统主要是为一些不具备自动化专业知识的人员设计，那么该系统不仅要成本低廉，而且要具有较高的工作稳定性， 拥有人性化的简易的人机交互平台。在综合了各方面因素后，该系统决定以 89C51 单 片机为核心，采用智能模糊控制算法。本文系 统地介绍了用单片机实现的热处理加热炉温度控制系统，由于控制对象是一种具有纯滞后的大惯性环节，采用智能模糊控制器可以达到理想的控制效果。 实验运行结果表明，系 统具有以下特点：1.控制方案合理，稳态精度高，超 调 小。 2.结构简单，调试方便，抗干扰强， 鲁棒性好。然而该系统并不适用于要求高度自动化的成产过程，系统本身有很多需要改进的地方。首先它没有与 计算机通信的端口，不能对加热过程的温度进行记录和分析。其次，该系统的灵活性较差，不能一次 设定加 热过程不同阶段的不同温度。这些无疑在很大程度上降低了它的智能化水平。致谢本文是在指导老师的悉心指导下完成的。指导老师具有严谨的治学态度，丰富的实践经验，在治学及做人方面使我受益匪浅。衷心感谢老师对我的关心指导和帮助。通过这次毕业设计 ，让我们把理论与实际联 系起来， 对平时所学的单片机、传感器以及电子技术，将这些学科有机的联系起来，进行了本次设计。这次设计使我们将大学这几年所学的知识做了一次很好的总结，也使我们明白了学习不再是单一的学习，而是横向纵向的去学习，去考虑问题， 这为我们以后的工作和学习提供了很好的思路和方法，也打下了坚实的基础。在本次设计中，同样碰到了好多的问题。指 导老师在这些问题上，不在是象答疑一样的帮助我们去解决问题，而是引导我们， 给 我们一个思路，剩下的具体的工作都要自己去进行理解和设计，这让我们学会了自己去进行一定范围内的创作，同 样，我们在学科之间交叉上，存在不少的盲点，通过这次设计，使这些学科都能进行联系，在遇到不懂的问题，也学会了自己去图书馆和网络上找资料，使我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。鉴于作者的水平有限，难免存在一些错误和不当之处，望各位专家批评指正，在此对大家表示衷心的感谢。参考文献1 杨宏丽， 基于单片机的加热炉温度模糊控制系统J.电 子工程，2005,04：56-582 许丽佳，MS-51 单片机炉温控制设计方法J.信息技术 ，2004,11：34-363 凌云，基于单片机的真空炉温控系统J .测控自动化， 2004,07：16-194 潘永雄，新编单片机原理与应用.西安:西安电子科技大学出版社, 20035 李平，周育才，吴奇志，热电偶检定炉炉温模型参考自适应控制的研究J.控制系统，2006,07：26-286沙占友等，单片机外围电路设计（第二版） . 北京：电 子工业出版社，20067 余永权，曾碧单片机模糊逻辑控制M北京：北京航空航天大学出版社，19958 诸静，模糊控制原理及应用M.北京：机械工业出版社，1995 9卜云峰，检测 技术 M. 机械工业出版社， 200510于海生，微型 计算机控制技 术M .清华大学出版社， 200611李朝青，单 片机原理及接口技 术 M.（第三版），北京航空航天大学出版社，200712 美Brian WKemighan Rob Pike 著裘宗燕译程序设计实践北京：机械工业出版社，2000,813Mallat S G. 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