加热炉多参数检测和炉温控制系统.doc

目录 第一章 绪论 1 1.1 概述 1 1.2 MCS-51单片机的结构 4 1.3键盘及其显示器方式 9 第二章 采样与滤波 17 2.1 采样系统 17 2.2 数字滤波 18 2.3关于温度控制的PID算法 24 第三章 系统设计 31 3.1硬件电路模块 31 3.2软件系统设计 33 第四章 总结和展望 38 4.1引言 38 4.2 PID 控制 38 致谢 50 参考文献 51 湖北师范学院学士学位论文（设计）评审表 53 加热炉多参数检测和炉温控制系统 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。 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600℃—1000℃，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。 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Ⅱ。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。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（﹣200℃～﹢1000℃）适用于0℃—1000℃的温度测量范围，相应输出电压为0mV—41.32mV。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0mV—41.32mV变换成0 mA—10 mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0 mA—10 mA电流变换成0 V—5V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600℃～1000℃之间，温度误差要求在3℃左右，系统超调量不超过10%，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，89C51还要有8279﹑DAC0832﹑和ADC0809等芯片接口电路。其中8279用于键盘/LED显示器接口，DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成，主要用于将最终输出电压值的数字信号转换成模拟信号。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