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1、摘 要 随着国民经济的发展，人们对生活质量的要求越来越高，各种电子产品开始进入人们的生活并成为人们生活不可或缺的一部分，因此对电子产品的自动化控制的要求也越来越高，本设计正是选用了其中具有代表性的电加热炉作为研究对象。本设计以单片机为核心对电加热炉的温度进行监测和控制，采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。为了实现高精度的温度控制，本单片机系统采用 PID 算法控制，通过控制双向可控硅改变电炉和电源的接通、断开，从而用改变加热时间的方法来实现对温度的控制。本系统由按键显示和温度采样控制以及上下限报
2、警几个模块组成，通过模块间的通信完成温度设定、实际温度和测量温度的显示等功能。本文对系统的硬件、选型、软件中流程控制的实现均有较为详细的阐述，对使用的编程软件也有描述，对于本系统的控制特点也进行总结说明，比较详尽地叙述了整个系统的相关事宜。关键词 单片机 PID 算法 温度控制AbstractAlong with the development of national economy, the people to the requirements of the quality of the life more and more high, all kinds of electronic pro
3、ducts began to enter into the peoples life and become an integral part of life, so the requirements of electronic products of automation control also become more and more high, this design is just choose the electric heating which one is representative as the research object.This design with the sin
4、gle chip processor as the core to monitoring and control electric heating temperature, Using the monolithic control has not only to control convenient, simple and flexible and other advantages, and can greatly increase the specifications of temperature, which can greatly improve the quality and quan
5、tity of products.In order to realize high precision temperature control, the SCM system adopts PID control algorithm, through controlling the on and off of the Bidirectional controllable silicon and the method of changing the heating time to achieve the control of the temperature. The system is comp
6、osed of button display and temperature sampling control and upper alarm several modules, through the communications of the module to realize temperature set, and the display function of the actual temperature and measuring temperature.This article is detailed in hardware, selection, software process
7、 control realization of the system, and also describes the programming software , control characteristic and also summarizes that more exhaustive account of the system related issues.Key words Microcontroller Temperature control PID algorithm目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题背景及国内外研究概况11.2 自动控制理论及其发展11.3 课题的建立以及本
8、文完成的主要工作3第 2 章 总体方案设计 .42.1 总体方案的确定42.2 系统组成5第 3 章 单片机技术和 PID 算法 .63.1 AT89C51 简介 63.1.1 单片机的引脚介绍 63.1.2 单片机的存储结构 83.2 PID 算法介绍 93.2.1 PID 算法的数字化 93.2.2 PID 算法的运用 .103.3 小结.11第 4 章 系统硬件设计 124.1 系统概况.124.2 功能模块.124.2.1 单片机控制模块 .124.2.2 数据转换与采集模块 A/D0808 .134.2.3 按键选择模块 .144.2.4 显示模块 .144.2.5 报警模块 .14
9、4.2.6 输出模块 .154.3 总体方案的实现和元器件清单.154.3.1 系统的整体设计 .154.3.2 元器件清单 .164.4 小结.16第 5 章 系统软件设计 185.1 PROTUES7 软件概况185.2 WAVE6000 软件简介 195.2.1 软件概况 .195.2.2 程序界面 .205.3 子程序设定.205.4 程序流程.205.5 程序仿真调试.275.5.1 WAVE6000 仿真调试 275.5.2 软硬连调 .275.6 小结.28第 6 章 课题特点 296.1 单片机技术应用.296.2 PID 算法的运用 .296.3 软件的调试仿真.29第 7
10、章 结论 30致 谢 31参考文献 32附 录 33电加热炉温度控制系统的设计第 1 章 绪论1.1 课题背景及国内外研究概况温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入 WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心
11、，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式已不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于
12、它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。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=10，温度控制范围为 50150。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便
13、等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统使用 AT89C51 单片机，使温度控制大为简便。1.2 自动控制理论及其发展随着科学技术的进步，自动控制技术在各个应用领域中的应用已日渐广泛，不但使得生产设备或生产过程实现自动化，大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，还在人类征服大自然，改善居住条件等方面发挥了非常重要的作用。自动控制（automatic control）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地
14、按预定规律运行。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常系统的分析和设计问题。自动控制理论的发展历程如下：140 年代-60 年代初需求动力：市场竞争,资源利用，减轻劳动强度，提高产品质量，适应批量生产需要。主要特点：此阶段主要为单机自动化
15、阶段，主要特点是:各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用和向纵深方向发展。典型成果和产品：硬件数控系统的数控机床。 260 年代中-70 年代初期需求动力：市场竞争加剧，要求产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。主要特点：此阶段主要以自动生产线为标志，其主要特点是：在单机自动化的基础上，各种组合机床、组合生产线出现，同时软件数控系统出现并用于机床，CAD、CAM 等软件开始用于实际工程的设计和制造中，此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工。典型成果和产品：用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。 370 年代中期-至今需求动力：市场环境的变化，使多品种、中小批量生产
16、中普遍性问题愈发严重，要求自动化技术向其广度和深度发展，使其各相关技术高度综合，发挥整体最佳效能。主要特点：自 70 年代初期美国学者首次提出 CIM 概念至今，自动化领域已发生了巨大变化，其主要特点是：CIM 已作为一种哲理、一种方法逐步为人们所接受；CIM 也是一种实现集成的相应技术，把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。所谓哲理，就是企业应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”，从而实现不断提高实力、竞争力的思想策略；而作为实现集成的相应技术，一般认为是:数据获取、分配、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、软件的规范、标准等。同时，并行工程作为一种经营哲理和工作模式自 80 年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域，并将进一步促进单元自动化技术的集成。典型成果和产品：CIMS 工厂，柔性制造系统(FMS)。 随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应自动控制、宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段现代控制理论。主要研究具有高性能，高精度的多变量多参数的最优控制问题，主要采用的
