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1、湖南科技大学本科生毕业设计论文摘 要随着社会的发展，自动控制越来越成为人们关注的焦点,自动调节电阻炉温度系统也备受关注-。其中微机及其应用已经成为高、新科学技术的重要内容和标志之一，它在国民经济的各个领域正在发挥着引人注目的作用。微机控制的电阻炉温度控制系统实际上就是一个智能控制系统，是一种能耗相对来说比较低的温度控制系统。本人采用AT89C51单片微机对电阻炉的加热过程进行控制。使用热电偶作为温度传感器把热信号转变成电信号，电信号再经过放大，经过模数转换再输入到CPU。控制器采用PID控制算法，温度控制的原理是通过调整晶闸管的导通时间来调节加热主回路的有效电压,从而达到温度控制的目的。系统由
2、AT89C51单片微机、温度传感器、A/D转换器、键盘及显示电路、晶闸管触发电路等组成的控制器和被控对象电阻炉构成一个闭环控制系统1。系统控制程序采用模块化设计结构，主要包括主程序、中断服务子程序、控制算法子程序等。系统采用过零触发等技术，省去了传统的D/A转换元件，简化了电路，并且提高了系统的可靠性。同时，系统可以实时控制电阻炉的实际温度。关键词 ：AT89C51； 热电偶； 晶闸管； PIDIIABSTRACTWith the development of the society，the autocontrol becomes more and more important.The aut
3、ocontrol of the resistance furnace is highly anticipated.Microcomputer and its application has become one of the most important contents and signs in the field of High-scientific technology and new scientific technology, which plays an attractive role in every field in our national economy.As a matt
4、er of fact, Resistance Temperature Control System which is operated by microcomputer is an Intellectual Control System.In other words，it is a Temperature Control System which consumes less than others.The AT89C51 single microcomputer is adopted to control the heating process of resistance，use as a t
5、emperature transducer to turn the heating single into electing single，enlarge the electrical single，transformed through simulate numbers，then input CPU.Controllers use PID control calculation.The principle of temperature control is to adjust and heat the effective voltage of the main circuit through
6、 regulate the diversified time of transistor，therefore，it carries out the purpose of controlling the temperature.System as controlled resistance makes up an cycle control system.Control procedure of system adopts the structure of designing module，including main procedure，subsiding of suspending serv
7、es and subsidiary of control calculation etc.System adopt A.C、passes through zero etc technologies，omit traditional D/A transform components，simplify the circuit，and improve the dependability of system.Meanwhile，system also can control the real temperature of resistance at the right moment.Keywords：
8、 AT89C51； thermocouple； thyristor； PID 目 录第一章 绪论11.1课题研究的背景及意义1 1.2 国内外研究现状2 1.3 本文的主要内容3 第二章 电阻炉温度控制系统总体设计方案4 2.1系统原理4 2.2方案比较5 2.3 系统方案的论证.6第三章 系统硬件设计83.1 温度检测电路83.1.1 热电偶冷端温度补偿93.1.2 测量放大电路93.1.3 保护电路103.2 单片机的选型10 3.3 EEPROM存储器的扩展设计11 3.4 A/D转换电路设计133.4.1隔离放大器的设计 14 3.4.2 DAC7521数模转换接口15 3.5 键盘及
9、显示电路设计163.5.1 键盘接口电路设计163.5.2 显示电路设计 17 3.6 可控硅调功控温 18 3.6.1 过零触发调功器的组成18 3.6.2 可控硅调功主要电路介绍 193.7 与上位机通信模块20 3.7.1 通信接口MAX48521 3.7.2 下位机通信接口电路 22 3.8 掉电检测与保护电路23 3.9 晶闸管过零检测与触发电路.23 3.10 看门狗电路的设计24第四章 控制算法研究274.1 传统的PID算法27 4.2 积分分离PID算法28 4.3 系统仿真分析 29 第五章 系统软件设计315.1 系统主程序设计 315.2 系统的控制程序335.3 积分
10、分离PID控制345.4 采样子程序 35结论37 致谢38参考文献 39 附录40第一章 绪论热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。近年来随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，这样加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术，促使人们更加积极地研究控制热加工工艺过程的方法。电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。因此本文将积分分离PID控制算法引入传统的加
11、热炉控制系统，构成智能控制系统。1.1课题研究的背景及意义电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能并借助辐射与对流的传热方式加热工件。热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织，以获得所要求的力学性能，通过热处理可以提高制件的使用效能或寿命。目前，我国电阻炉控制设备的现状是一小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。整体上，我国的电阻炉控制系统与国外发达国家相比还比较落后。占主导地位的是仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费
12、力且不准确。控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低，这些都影响了企业的效益。近年来 ，虽然引进了国外的一些控制器，如日本岛电的R四3型40段(步)可编程PID调节器，全部操作窗口按功能分为6个窗口群，共95个子窗口，其设置仍然繁杂。随着先进制造技术的迅速发展，热处理设备的控制精度越来越重要，而温度对热处理工件质量具有重要影响，因此炉温控制显得尤为重要。由于一般的炉温控制系统是参数时变、非线性、大滞后系统，在许多应用实例中已证明，与传统
13、的PID控制相比，采用Fuzzy控制有较快的响应和更小的超调，非线性因素的影响小，具有很好的鲁棒性。但控制精度不够高，在大滞后系统中还可能出现不稳定现象。因此，我们设计了一种带积分分离的PID控制器，既考虑了抗扰性又考虑到跟踪性，获得了良好的控制效果。1.2国内外研究现状自1980年以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化、性能优异的温度控制仪表，并在各行业广泛应用。其
14、特点是适应于大惯性、大滞后等复杂温度测控系统，具有参数自整定功能和自学习功能，即温控器对控制对象、控制参数及特性进行自动整定，并根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。目前，国外温度控制仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。微处理技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，在控制领域出现的一系列新的技术课题之一的被控对象动静态参数、控制系统结构、参数发生较大范围变化的情况下，控制系统仍能满足给定的品质指标，这是自适应控制的最基本特征， 自适应PID 控制可以在线不断整定参数，克服干扰，跟踪系统的时变特性，使
15、控制对象达到一定的目标2。同时，随着现代控制理论（诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等）研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径，逐步弱化或取消了对受控对象数学模型结构不变的限制。电阻炉温度控制技术发展日新月异，从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制，在发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中，PID和模糊控制应用最多，也最具代表性。目前我国在测控仪表研究与生产应用中，总结了很多经验，但从国内生产的温度控制器及测温仪表来说，总体发展水平仍然不高。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，只能适应一般温度系统测控，难以控制复杂的大滞后时变温度系统。目前，我国在温度测控仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面:（1） 行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。（2） 商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。（3） 仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例如:在仪表控制参数的自整定方面，国外
