电加热炉控制系统

1、大连理工大学城市学院 本科生毕业设计（论文）学 院：电子与自动化学院专业：自动化学生：孙启轩指导教师：吕攀完成曰期：2015年5月26日资大连理工大学城市学院本科生毕业设计（论文）电加热炉控制系统设计总计毕业设计（论文）63页表格1个插图15幅电加热炉控制系统设计实际上的意义就是对于工业用的电加热炉的 温度进行智能控制的手段。而温度又是工业领域里最为重要的几个模拟 量参数之一。因此，对于温度的控制也是在过程控制领域中的一个重要 的步骤。电加热炉作为特种工业炉，其优点在于高效节能而且安全性相比于 传统的工业用锅炉更高。其核心为导热油以及热油泵，也就是所谓的电 加热导热油系统，通过它们从而提供高效

2、的热量。导热油在电加热炉工作系统中扮演着介质这样一个角色。加热元件 通电后产生热量，热量通过导热油传递给用热设备。而导热油的循环是 通过循环泵的工作，热量因此被传递出去。综上所述，电加热炉在工业领域有着举足轻重的地位，其特点大致 可以总结为以下几点：(1) 运行控制完备齐全，达到自动化控制(2) 在压力较为低的环境中依旧可以工作，且工作温度同样很高(3) 工作效率高、控制精度高(4) 空间小，结构简单，安装简便电加热炉自身有着如此大的优势，而在控制的过程当中，较为难加 以控制的当属于某些控制对象的时滞性以及非线性，这些原因则往往来 自于加热的过程的不同，以及加热的对象的构造成分上的差异，因此，

3、 而产生难以建立数学模型的结果。然而，伴随着社会的不断进步，工业领域对于温度的控制也极大地 不同。传统老套的PID控制的策略方法显然已经难以适应高新技术的浪 潮的席卷。而新型的数字式PID或者更为先进的嵌入式微控制器则可以 更好地完成对于温度的调控。嵌入式微控制器的使用已经越来越接近于工业领域的发展需求，使 用嵌入式微控制器来调控电加热炉的温度则是简单且灵活，而且，嵌入 式微控制器还有成本低的优势，构造及操作也相对于其他的调控方式更 为简单，温度调控的技术指标也可以得到大幅度的提升。有了以上所叙 述的优点的支持，也会使得电加热炉产品无论是在数量上还是在质量上 同样会有大幅度的提升。在众多的嵌入

4、式微控制器中，AT89C51单片机无论是从兼容性上还 是从配置上都符合要求。而且AT89C51也满足了简单灵活，且成本较为 低廉的优点。AT89C51单片机的编程方式及语言和开发也是更为简便。汇编语言 更是可以有效且严谨的控制每一步工作流程。从而提高了系统在工作状 态下的自动化水平。关键词：电加热炉；微控制器；电加热导热油系统；AT89C51资料.AbstractThe electric heating furnace control system design is actually the sigrdficance of intelligent control method for ind

5、ustrial use of electric heating furnace temperature. While the temperature is the most imports nt industrial fields in one of several an alog parameters. Therefore, the temperature control is also in the field of process control in an imports nt step.The electric heating furnace as a special industr

6、ial furnace, the utility model has the advantages of high efficiency and energy saving and safety compared to the traditional industrial boiler is more high The core of heat conducting oil, hot oil pump. which is called the electrical heating oil system, through which to provide efficient heat.Oil p

7、lays a medium in the system of electric heating furnace in such a role The heati ng element is energized after heat, heat thro ugh the heat con ducting oil tran sfer to heat equipme nt While con ducti ng oil circulating through the circulation pump is working so the heat is delivered To sum up, the

8、electric heating furnace has play a decisive role position in the industrial field, its characteristies can be summarized as follows:(1) Operation control is complete, to achieve automatic control(2) Can still work under pressure is low in the environment, and the working temperature is also high(3)

9、 High working efficiency, high con trol preci si o n(4) Small space, simple structure, convenient installationThe electric turn ace itself has such a big advantage, while in the control process, the more difficult to control when the control object belongs to a certain time lag and nonlinear process

10、, these reasons are often different from heating and differences, structural components of heating on the object and therefore, it is difficult to establish mathematics the results of the model.However, with the progress of society, the industrial field for temperature control is also greatly differ

11、ent. The traditional method of old PID control strategy is obviously already difficult to adapt the sweeping wave of high-tech. The new digital PID or more advaneed embedded micro controller can better achieve the temperature regulatio n.The development needs to use the embedded micro controller is

12、more and more close to the industnal field. the use of embedded micro controller to control the temperature of the electric heating furnace is simple and flexible, and the embedded micro controller and, the advantages of low cost, construction and operation is also relative to the regulation of othe

13、r more simple, technical index and temperature control can also be has been greatly enhanced. The advantage of the above described support, will make the electric heating fumace products both in quantity and quality can also be greatly improvedIn many of the embedded micro controller AT89C51 mi croc

14、 on troller, either from the compatibility or from the configuration to meet the requirements. But AT89C51 also meet the advantages of simple and flexible, and the cost is relatively low.AT89C51 mi croc on troller programmi ng language and development and is also more convenient. Assembly Ianguage i

15、s more rigorous and effective control of every step of the work process. In orderto improve the level of automation in the working condition of system.Keywords: electric heating furnace; micro controller; electrical heating oil system;AT89C51资料.I AbstractIll第一章：弓I言11丄选题的背景情况以及国内国外的研究概况11.2自动化控制理论的简介

16、及其发展21.3课题的建立以及本文完成的主要工作5第二章：方案设计62丄方案介绍62丄1方案确定62丄2系统组成72.2控制器介绍7221 AT89C51 简介7222引脚简介8第三章：PID算法103丄PID算法数字化1032 PID算法的应用1033小结12第四章：硬件设计134丄系统概况134.2功能模块13421单片机控制模块13422数据转换与采集模块A/D080814423按键选择模块15424显示模块16425报警模块17426输出模块184.3系统设计.18431系统的整体设计18432所需元器件清单一览表204.4小结21第五章：系统软件设计215.1 Protues7 软件

17、概况225.2 WAVE6000 软件简介.23521软件概况23522程序界面235.3子程序设定245.4 程序流程245.5程序仿真调试34551 WAVE6000 仿真调试34552软硬连调345.6小结35结论36致谢37参考文献38附录39第一章：引言1.1选题的背景情况以及国内国外的研究概况温度控制是工业领域的重中之重n温度对于工业的影响也是巨大的。 举个例子来说，可能1C。温度的偏差就有可能导致整个工程的崩溃。工业 温度控制在我国的发展同样是飞速的，中国作为世界上有名的工业大国 当然不会忽视这些。只是，相比于美国、德国或者是曰本这些发达国家 来讲，我们和他们在温度控制领域上还是

18、有着不小的差距的。工业锅炉的工作环境为高温高压，这也就意味着锅炉内水温可能不 止于传统定义的1OOC°这一标准值，换言之，水温会高于1OOC0。可往往 有些时候我们又不需要那么高的温度，较为低一些的温度同样可以达到 我们所需要的效果。几十度甚至于更低的温度。这也就意味着我们在工 业领域对于与锅炉水温的调节是在一个范围内所变化的，而这个范围又 是确定的，往往在工业上，由于高压的环境，锅炉水温被控制在50-150C。 这之间。PID控制是工业温度控制的灵魂，而点位控制又是温度控制的重点所 在。当最为常规的PID控制遇上了点位控制，也就构造出了一个较为成 熟的温度控制系统。但是它们只能适应

19、一般温度系统控制，对于智能化 水平更高的温控平台亦或者是自适应控制仪表，我们国内的技术还不是 十分的成熟，能够形成商品化并且应用广泛的控制仪表还是较少的。我 国经济的发展尤其是在近几年是飞速的。早些年前，随着中国加入世界 贸易组织（WTO）之后，我国政府及企业对此都是非常的重视，也重组 了相关的，一些国家和企业的研发中心也相继被建立，开展出创新性的 研究。由此，我国的仪表工业也得到了飞速的发展。由于社会的发展，时代的进步，我国的科技腾飞向上。近年来，嵌 入式微控制器的发展也是十分的迅速，各个企业逐渐放弃了庞大的控制 器集群，一个以微型控制器为主的革命浪潮正在逐步发展壮大，嵌入式 微控制器的应用

20、已经渗透到了大到航空航天，小到软件开发的各个行业 当中去。传统的温度采集方法过于繁琐不说，更重要的是浪费时间资源 和人力资源，而且精度还无法保证满足需求，嵌入式微控制器的出现和 介入使得温度数据的挖掘、采集以及数据的处理问题能够得到很好的解 决办法。在之前我们已经提到过，温度是工业领域中的一个非常非常重 要的被控参数。但是我们有多种测量温度的方法，对于测量温度的元器 件的选择也是多样的，由于产品工艺的各不相同，控制温度的精度也不 相同，对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统老旧的温度 控制技术显然已经被高速发展的科技浪潮所淘汰。例如：表面温度接触 器，其最大的缺点是温度测量结果不准确，

21、上下波动的范围较大，其工 作原理大致为控制接触器的通断时间比例被控制，从而来达到加热功率 被改变的最终目的，但是其通断的频率是非常低的，原因是仪表本身的 误差和交流接触器的寿命。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方 式如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技 术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更 好降低了产品的成本，提高了生产效率。本系统要求有数据处理，显 示功能等，被控对象为一阶惯性环节和一阶积分环节的组合，惯性时间常 数为2s,开环增益k二10,温度控制范围为50150C。之前提到过的嵌入式微控制器又被简称为“单片机”。在今天的工业领 域中

22、常用的品牌有西门子、摩托罗拉等等°型号多见为AT89C51或者是 STM32等等。本设计采用51单片机为基础。51单片机兼容因特尔8031指令系统，而且高度集成、形状简便以及 应用广泛。1.2自动化控制理论的简介及其发展所谓自动控制理论，字面上的理解可以定义为工业控制的高度自动 化，从而解放人力资源，大力开发机械以及电力资源。人类在发展，科学在进步。伴随着人类社会的不断前行的步伐，自 动化控制技术不仅仅是在工业领域。其他的在各个应用领域中也被广泛 的使用。生产流水线从原来的人力手工生产变成了今天的高度自动化的 生产，劳动生产率和产品质量被大大提高，劳动条件得到充分改善。自动控制（au

23、tomatic control）,顾名思义，就是指即使是在没有看 守的情况之下，设备依旧可以正常工作，而且质量、数量或者是测量精 度等等指标均符合标准。自动控制是现代企业共同追求的目标，企业不会再和以前一样的大 肆使用人力资源，而应当充分发挥机械的才能。让它们按照想实现的目 标状态来自我按照规律运行。自动控制理论（又称经典控制理论）是建立在自动控制规律性上面 的一门科学技术研究。，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。其最 早的形成和后来的发展就是经典控制理论的雏形。早在19世纪，当时的英国爆发了著名的第一次工业革命，这便是经 典控制理论的由来，瓦特蒸汽机使得人类的双脚被解放。到了第二次工 业

24、革命，“自动”两个字的体现也许就更为明显了许多。再到第二次世界大 战，各式各样的飞机，战船的制作过程中都体现了自动控制的身影，更 值得一提的是，英国人在二战期间首次使用了雷达技术。这一切其实都 是建立在以经典控制理论为基础之上的。自动控制理论的发展历程如下：1 40年代-60年代初由于社会动荡，连年的战争较多（主要有第二次世界大战、朝鲜战 争、越南战争），资源需求较大，许多经历过第二次世界大战的国家都需 要战后重建，但是又要尽可能降低人力资源的使用，因此，出现了较为 低级的自动控制系统。又称单机自动化控制系统。机床就可以看作是那 个年代的自动控制系统产物。2 60年代中-70年代初期社会趋近于

25、平稳，各个国家开始集中精力发展自己的工业。因此出 现了不可避免的竞争加剧等情况，还包括更新换代加快等等。此时，人们更看重的时质量而不是曾经的数量n在一些国家出现了 此前从未出现过的自动化生产流水线。加大数量的同时又可以提高质量。除此之外，人们开始使用软件和硬件结合的方法使得机床等自动控 制装置得到了又一轮的升华。3 70年代中期-至今70年代之后，时代又向前迈进了一大步。美国和苏联当时两个世界 霸主在各个领域都是那个时代的领先者。包括1979年中国实行了改革开 放。中国也从此走上了工业大国之路。市场环境因为上述的众多原因又一次发生了不小的变化。人们开始对自动控制进行了新一轮的探讨，对自动的含义

26、又一次的 加深，开始了纵向的深入研发。这一时代的显著提升就是计算机的高度 融合使得自动化控制系统更加的实至名归。软件和硬件的搭配变得更加 完美无缺、天衣无缝。进入新的时代之后，也就是我们所谓的计算机时代之后计算机技 术和现代应用数学形成了完美的结合。为适应新型的自动化控制过程的 发展，自动控制理论（经典控制理论）也被时代的浪潮带入了一个新的 阶段现代控制理论。研究的对象具有了更高的性能，更高的精度。 变量和参数也从之前的单一性变成了今天的多样性。控制达到最优的水 准。状态空间法是现代控制理论的基础，它以状态的为基础。目前，现 代控制理论仍然处于继续发展的状态，正向的以控制论，信息论，仿生 学论

27、等等为基础。智能控制理论慢慢地深入。控制的任务是一个复杂的过程，实现的方法如下。首先，控制任务有开环有闭环，开环就是首尾相连成一条直线，闭 环则是形成一个或者多个环路。两种形式都会最终组成一个范围广大的 总体，从此形成了自动控制系统的主干。在自动化控制系统中，被控制 对象的输出量是绝对要严加控制的，因此，可以说输出量是非常重要的 物理量。被控制对象的输出量可以是保持恒定不变的，例如气压、速度、 加速度等等；对被控制对象加以控制作用的装置机构的集合总体就是之 前提到过的控制装置，它对控制对象的控制方式和控制原理的选择是多 种多样的。但是，反馈控制系统是所有方式的基础所在，该方法是基于 反馈控制原

28、理而产生的。反馈控制伴随着不断地修正，因为正是不断地修正才可以使的结果 的偏差被不断的减小。被控制的对象是要受到控制装置的影响的。反馈 值正是从此而来。1.3课题的建立以及本文完成的主要工作1 -以嵌入式微控制器为核心基础，自动化控制系统的建立，按钮的 构建、数据挖掘、滤波、水温测量结果的显示以及输出电路的外围构造, 整个系统的搭建的实现方式方法，以及电加热炉控制系统的设计仿真图 的建立；2 软件流程图构思以及最后的定型，编写程序源代码（根据软件流 程图），调试以及编辑，知道其可以满足设计的需求。3 源代码确认无误后进行编译并下载到嵌入式微控制器中，根据功 能的实现，对符合实际情况的系统进行最

29、终的设计。4.确认设计的具体对象是工业锅炉的水温，设定的水温波动范围为 50-150C°o5确认整个系统以AT89C51嵌入式微控制器为中心，看门狗定时器、 键盘电路以及通信接口和LED发光二极管作为控制模块。8路A/D转换 器和温度传感器构成水温采集模块。8路D/A转换器和驱动装置以及共 阴极LED数码管显示屏构成了显示模块。6 D/A转换后得到的模拟信号不仅仅是为共阴极LED显示屏（显示 模块）所用，由于系统可以根据需求自动调节温度，实现“调节”二字的装 置就是同样需要模拟信号支持的加热电阻。加热电阻会根据不同的模拟 信号而做出不同的动作，从而达到不同的效果。资料.第二章：方案设

30、计2.1方案介绍2.11方案确定1 输出开关量控制对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。这种 方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通 断，因此控制过程十分简单，也容易实现。但由于输出控制量只有两种 状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易引起反 馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为 输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。因此，这种控 制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采 用。2 .比例控制（P控制）比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏 差之间有对应关系。当

31、负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过 程始终存在余差。因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允 许被控量在一定范围内变化的系统。使用时还应注意经过一段时间后需 将累积误差消除。3 比例积分控制（PI控制）由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积 分的作用使得过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。虽然加大 比例度可以使稳定性提高，但又使过渡时间加长。因此，PI控制适用于 滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统，它是工程 上使用最多、应用最广的一种控制方法。.资4 比例积分加微分控制（PID控制）比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏

32、差变 化的速度成正比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果n在比例基础 上加上微分作用，使稳定性提高.再加上积分作用，可以消除余差。因 此，PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的 控制系统2.1.2系统组成系统的组成大方面讲就是软件和硬件组成，本系统中，硬件包括温 度检测模块、A/D转换模块，嵌入式微控制器模块、D/A转换模块、显示 模块等等。由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从 温度检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现温度 控制的全过程。因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机 应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要

33、求。另外，单片机的使 用也为实现温度的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯 接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑电路中往往是难以实现或 无法实现的综合以上所述情况，我们采用以嵌入式微控制器为核心的 DDC方式（直接数字控制系统）。2.2控制器介绍2.2.1 AT89C51 简介微型计算机是指由CPU （微处理器）以及大规模集成电路所制成的 ROM （程序存储器）和RAM （数据存储器），以及I/O接口电路（与输入 和输出紧密相关的电路），微型计算机（Micro computer）简称为MC。如果将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版 ±,称为单片微

34、型计算机，简称单片机。本次设计选用的是AT89C51,是MCS-51单片机系列的一种。其结 构体系完整、指令系统功能完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成 熟、具有高可靠性和高性价比。它提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM, 32个I/O 口线，2组16位的定时计数器，1组5向量两级中断结构，1 组全双工串行通信接口，片内振荡器以及时钟电路。2.2.2引脚简介P1.P1P1.3 P1.4P1 5P 1 .GP1.712 3 4 5 6 7O 9 8 7 6 5 44333333(RXD> (TXD> (INTO， (INTi (T0> (T1&

35、gt; (W R (HIT)TO1 2 34567 -33333333 RPPPPPPPPXTAL2 XTAL1 GND32109676543213333 2 22 2 22 2 22nLJrlnrmnLJnn o o o o Op p p pp PP P0 (ADO)1 (AD1 )2 (AD2>3 (AD3)4 (AD4)5 (ADS6 (AD6)7 (AD7>A LE/PROGPS E NP2.7P2.6P2.54 3 2 10 -2 2 2 2 2 p p p p P(A 15) (A14) <A13) (A12) (A11) (A10) (A9) (A8)图2-1

36、AT89C51嵌入式微控制器引脚分布图其各引脚的功能如下VCC :电源，12VoGND :地端。P0 口 ：双向输入/输出接口，使用时必须在外部接出上拉电阻。P1 口 ：双向输入/输出接口，不同于P0的是P1 口的内部自带了上拉 电阻，因此，无需再外接上拉电阻。P2 口 ：双向输入/输出接口，端口内部自带上拉电阻。资料.P3 口 ：双向输入/输出接口，端口内部自带上拉电阻。P3 口也可以 作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：各管脚备选功能P3.0 RXD （串口输入）P3.1 TXD （串口输出）P3.2 /INTO （外部中断0）P3.3 /INT1 （外部中断1）P3.4 T0

37、 （计时器0的外部的输入端口）P3.5 T1 （计时器1的外部的输入端口）P3.6/WR （选通通道，外部的RAM写）P3.7/RD （选通通道，外部的RAM读）P3 （同时还是校验以及闪烁编程的控制信号）RST:复位。如果该引脚的持续高电平信号高于2个机器周期，那么 嵌入式微控制器的内部振荡器就会被复位。ALE/PROG :地址锁存允许。/PSEN :选通信号。低电平有效，外部程序存储器读。/EA/VPP :如果程序存储器（ROM）选择当EA为高电平的时候，中 央处理器会执行内部内部程序存储器（ROM）的程序。一旦程序过大超 出了内部ROM的范围大小，则继续执行外部ROM的程序。如果EA为

38、低电平的时候，则中处理器直接执行外部ROM的程序。XTAL1 :晶振 loXTAL2 :晶振 2。141第三章：PID算法3.1 PID算法数字化PID调节即为比例积分微分调节，是连续系统中技术最成熟、行之有 效、应用最广泛的一种调节方式。PID算法的数字化，其实质就是将连续形式的PID微分方程式转化为 离散形式的PID差分方程。在模拟系统中，PID算法的表达式为：1 pideu = Kp (w + eclt + Td )(3-D式中，u(t)-调节器的输出信号；e(t)-调节器的偏差信号，等于给定值与测量值之差；Kp-调节器的比例系数；Ti-调节器的积分时间；Td-调节器的微分时间。控制点目

39、前包含三种比较简单的PID控制算法，分别是：増量式算 法，位置式算法，微分先行。这三种PID算法虽然简单，但各有特点， 基本上能满足一般控制的大多数要求。实际上，位置式与増量式控制对整个闭环系统并无本质区别。増量 型算法仅仅是就是方法的改进，而没有改变位置型算法的本质。153.2 PID算法的应用简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精 确.为了消除比例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积 分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果在误差不变 的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节器相当于 能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器

40、虽然能消除 静差，但使系统响应速度变慢。进一步改进调节器的方法是通过检测信 号的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在PI调节器的 基础上再加上微分调节器.组成比例、积分、微分(PID)调节器，微分调 节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快 了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能。其控 制规律为：u K.p (<? + J cdt + Td j) + wo(3-2)单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变 量.不能直接计算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后. PID的调节规律可以通过数值公式T i Tdu =

41、 Kp ei H丁g(e e-i) + “oTi)=() T(3-3)计算，如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连 续过程十分接近。我们变换上式(3-3)得：U = m - Hi = M - I + Kp © + / e + D A(3-4)把g = es - eeFAei -带人上式(3-4)得:资料.ii = in - Kp © e -1) +1 e + D (e 2e - + a - 2)(3-5)式中ei二WX, W为设定值，X为第i次实际输出值，Kp为比例系数, 积分系数I二T打“微分系数D二TS； T为采样周期.以(3-5)式来编程比较 方便。用P

42、ID控制算法实现温度控制是这样一个反馈过程：比较实际温度 和设定炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节电加 热炉的加热功率，从而实现对炉温的控制，由于电阻炉一般都是下一阶 段对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中心、Ka和Ki的选择取决于电阻 炉的响应特性和实际经验。问本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度T比较，计算出偏差然 后分两种情况进行计算控制变量：1 &大于等于设定的偏差e时，由于积分控制器使系统响应速度变 慢，不采用积分控制器调节，直接使用PD调节，获得比较快的动态响应, 计算Pd和Pp,最终得到控制量获得比较快的动态响应。2 . &小于设定的设定的偏差e时

43、，正常的分别计算Pi、Pd和Pp, 然后根据算法公式计算出控制变量。3.3小结本章对单片机控制技术，以及PID控制算法进行了深入分析，着重 阐述了单片机结构和指令系统，以及PID算法的使用，为设计提供了硬 件基础与软件资源，为下一步的设计做好准备.第四章：硬件设计4.1系统概况本系统是采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，首先,温 度传感器先对温度进行采集，并将采集的结果传给变送器，变送器将温 度转换为电压信号模拟量通过A/D转换器0808将其转换为数字信号，送 入单片机与给定值进行比较，通过运用PID算法得出控制结果，送显示 并进行控制。具体的模块分布如图4-1所示。图4-1电加热

44、炉水温控制系统模块理想汇总图4.2功能模块4.2.1单片机控制模块由电容、电阻、晶振以及复位按键和接地终端所构成的控制模块就 是系统中嵌入式微控制器的控制模块电路。电路中除了有接地终端外， 对于复位按键来说，还要有直流电压为期提供至少要超过2个机器周期 的高电平电压才能将复位完成。具体的控制模块电路如图4-2所示。C2XIAU24RST4.7Ka-rcorm El sa RXl 'F/T -PSEN ALEPO.WADOPO 1/A01P0.2/A02 F0 3/A03 WA05 PO.WADD P0 77AD7PBJOfRXP P3 1/TXD P3；IN70 P今估丿币

45、彳 F3.4n0 FO5/T1 P”近FO7JRDF2O/A0P2.1/AS P2.2；A10 PZ,3；A11 P2.AJA12P2j5/AUP2fiJA<4P2.7/A152OpF<TFAT>C3IP1.0 pi 1P1.2P1S PQ4P4 5PQ8 |P"图4-2 AT89C51嵌入式微控制器的控制模块4.2.2数据转换与采集模块A/D0808A/D0808的本质就是一组8位的模/数转换器，可以将模拟信号转换 成数字信号。其内在是CMOS管。而其进行转换的原理是建立在逐次逼 近原理上的。CPU总线则是直接和ADC0808的输出端的三态锁存缓冲区 相连接。模拟

46、多路开关还有三位地址锁存译码器以及8路模拟输入也是 该转换器的构成的重要部分。其中8路模拟输入当中的任何一路都是可 以被选通的。实时温度经过传感器的检测并通过变送器将其转换成电压（模拟信 号），而A/D0808数模转换器的工作就是将采集到的电压模拟量进行转换 后得到的数字信号存储在嵌入式微控制器当中以方便对于后续数据的挖 掘处理。下图就是转换电路示意图。从图中可知，温度传感器（热电偶） 资料.对水温进行采集，通过变送器将采集到的模拟电压信号传送到A/D0808 的输入端，经过转换后便得到了相应的数字信号。而数据采集这一过程 是由温度传感器来完成的。由于我们所设计的系统是对工业锅炉的水温进行温度

47、控制，我们当 然就要对水温或是蒸汽温度进行测量，而测量的最好方式在之前我们已 经提到过，就是接触式测温。对于接触式测温，最好的温度传感器当属 热电偶或者是热电阻。在本设计当中，本人所采用的温度传感器是铜-康铜热电偶。该种类 的热电偶其可测量的范围在-270-350C0之间，尤其是在-170-200C0之间 测温性能可以到达“优”级别。冋热电偶实物图如图4-3所示。具体数据采 集转换电路如图4-4所示。图4-3铜-康铜热电偶实物图n r1D2 -©go k snrARtrUUUUUUUU 兗T幕VRCf OMP P入 ad o a ADD CALE料.图4-4温度的采集和转换电路4.2

48、.3按键选择模块由于我们是要对工业锅炉的水温进行温度的控制，也就是说系统要 满足以下功能，当水温满足既定范围（50-150C。）的时候，系统可以对 水温进行调控。我们知道，在工业锅炉的系统当中，热能被充分的发挥.水在整个 系统当中是以一个热能中间承载者的身份而存在的。因此，对水温进行 调控就可以理解为对人热能的调控。所设计的按键模块电路是由2组按 键所构成。我们知道，温度只有升高或降低两种动作，因此两组按键分 别执行对温度的升高和降低，变化的量的大小以1C。为基准。每当按键被 按下一次的时候，锅炉内的水的水温就会相应的提升或者降低1C%具体的按键选择模块电路如图4-5所示。图4-5按键选择模块

49、电路424显示模块对于系统中使用的显示装置本人所选用的时共阴极LED数码管，共 选用2组，由于我们要进行温度的对比从而进行温度的调控，因此除了 我们本身设计需要的采集温度值之外，还需要有一个来显示我们所设定 的温度值。通过比较得出误差。由于LED数码管所需要的信号是模拟信号，而嵌入式微控制器给出 的信号是数字信号，毫无疑问，系统电路必须做出一次D/A转换，将嵌 入式微控制器给出的数字信号转变成LED所需要的模拟信号。LED数码管的驱动作用在本设计中由74LS04反相器芯片来完成。具体如图4-6所示。图4-6同样可以理解为是一个D/A转换电路。图4-6显示电路（D/A转换电路）4.2.5报警模块

50、所谓报警，就是系统在超出或不满足需求的情况下工作，所发出的 提示。我们可以选用红色的LED发光二极管作为系统温度超出上限值或者 低于下限值的时候发出的报警信号。系统设定的温度范围是50-150C。，当采集的实际温度不在设定范围 内，红色LED会被点亮，发出报警信号。如图4-7所示。图4-7报警LED显示灯4.2.6输出模块除了上述的红色LED发光二极管之外，本设计中还有另外一个LED 的存在。代表加热电阻工作状态的绿色LED发光二极管。其亮与灭的根 据是加热电阻是否工作，工作时点亮，不工作时熄灭。之前的部分我们已经提到，D/A转换后所得的模拟信号不仅仅是提 供给显示LED的，还有调控温度所用的

51、加热电阻。实现对加热电阻的控 制的端口是嵌入式微控制器上的P3.4端口，该端口提供相应的数字信号, 经过D/A转换后得到相应的模拟信号，从而达到对加热电阻的控制。换 言之，P3.4决定了水温的升高和降低。系统对于锅炉内水温的调节波动范围是5C%如果温度在允许的波动 范围内，那么系统的工作将正常运行，PID运算继续进行。一旦超出了波 动范围，则加热电阻就停止一切工作，水温降低。一旦低于波动范围， 则加热电阻全力工作，水温因此得到提升。如图4-8所示。.wTEXTa .图4-8工作状态LED显示灯4.3系统设计上述的各个模块的电路进行拼接，就形成了设计系统的整体电路。4.3.1系统的整体设计将整体

52、电路中，核心部分毫无疑问是嵌入式微控制器，它就像整个 系统的大脑一样，通过各个通信端口向外部发送各种指令，指令以数字 信号的形式被发出。这些指令的基础来源于温度传感器的数据挖掘。铜-康铜式热电偶作为接触式温度传感器，对于待测的水温数据进行 挖掘，采集数据后经变送器和A/D转换器进入嵌入式微控制器。“大脑” 经过分析后才会向外发送指令。整体电路图如图4-9所示。图4-9系统整体电路图1 CPU （中央处理器）、存储器（数据存储器RAM和程序存储器ROM） 以及I/O接口构成了微型计算机，嵌入式微控制器也不例外。以上三种是 料.s构成嵌入式微控制的必备品。除此之外，嵌入式微控制器还包括中断控 制器

53、和定时计数器等等。2 .嵌入式微控制器的重心是在“智能”二字上有所体现。其功能是要 是对于工业信号的检测。优点繁多，不能尽录。嵌入式微控制器可以看 做是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。3 实时的温度测量由于条件的限制直接用模拟电压来代替传感器及 变送器，鉴于此使用0808进行采样和转换。4.3.2所需元器件清单一览表通过图4-9,总结出该系统硬件电路所需元器件。 系统所需的元器件清单如表4-1所示。表4-1系统配置清单表部件名称所属类型数量AT89C51嵌入式微控制器Micrcomputer1输入终端终端4输出终端地终端7电阻（包括上拉电阻）电阻10时钟脉冲Simulato

54、r Primitives2逻辑或非Nor2逻辑非Not1电容Capacitors2晶振Miscella neous1发光二极管（红、绿）LED2按键Switches&Relays3共阴极数码管Optoelectro nics2A/D0808数模转换器1锁存器74LS3731反相器74LS048电源电压Simulator Primitives1热电偶温度传感器14.4小结硬件系统通俗点讲就是承载软件的承载体，软件的执行是建立在硬 件的基础之上的。因此，任何系统的设计总是应该硬件在先，软件在后。 最起码要先了解系统的构造之后才能针对于此来进行程序的编辑。根据上述的几个小节的内容，这一章节主

55、要就是简介系统概况以及 硬件模型和硬件的构造。资料.第五章:系统软件设计5.1 Protues7软件概况PROTUES是一种基于标准仿真殷勤SOICE3F5的混合电路仿真工具, 既可以仿真模拟电路，又可以仿真数字电路以及数字、模拟混合电路， 其最大特色在于能够仿真基于控制器的系统。其程序界面如图5-1所示。EE UhTTlTLED - ISIS Prof«»ion«l|海斛祐 ia s at a © 0 asI 八I “ I I ORe 如 6i 1zxhh第/丈件(F)xacn 吸rt(D)茫 33(G).53(5)0512(B) M(L) rtlWlM) 列瞰X«fc(H)图5-1 Protues7工作界面PROTUES软件的功能以及其特点介绍如下：可以根据所设计程序功能进行画图和布线自动生成PCB电路板.亦可以人工布线 SPICE电路仿真更深层的特点：电路仿真的高性能处理，除了常见的原件，我们甚至可以把程序 存储器、数据存储器、发光二极管、键盘等等元器件都进行仿真。高性能的处理器以及在外部设置的仿真电路。嵌入式微控制器得 到了被仿真的机会。除了我们最常见的51系列嵌入式微控制器之外，其 他常用的例如ARM STM32嵌入式微控制器同样被纳入了仿真的行列之 中。除此之外