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1、-计算机控制系统课程设计说明书电烤箱温度控制系统设计DESIGNOF ELECTRICOVENTEMPERATURECONTROL SYSTEM学生*周泽民学院名称信电工程学院*班级12电气1专业名称电气工程及其自动化指导教师曹言敬2015年7月10日. z.-摘要本次温度控制系统设计整体而言完全可以实现对电烤箱温度闭环恒定控制。但是不当之处在所难免。当热电阻检测出当前电烤箱所处温度时，不能和预置温度一起以数字形式很直观的对比显示出来。及操作者无法同时看到电烤箱当前所处温度和预置温度。鉴于此种情况，应再外接一个数码显示器以软件程序来实现，将电烤箱当前所处温度和预置温度同时显示出来；在实际使用过
2、程中，由于电烤箱加热时有一定得温度缓冲，即当电烤箱断电时，加热并不是立即停止，而是过一段时间后温度才慢慢停下来以致开始下降。这样就使得我们控制很不准确，会出现严重超温或者低温现象。鉴于此种情况，我们应在电烤箱温度接近我们要求的温度时，由连续加热或连续降温改为断续加热或断续降温。关键词 单片机；温度；电烤箱；控制目 录1 绪论11.1 技术指标11.2控制方案11.2.1 控制系统的建模11.2.2 PLC系统21.2.3 单片机系统3选择最优方案32硬件部分设计52.1 C51单片机简介52.1.1 中央处理器CPU52.1.3 AT89C51单片机引脚功能62.1.4 AT89C51单片机时
3、钟电路及时序82.1.5 AT89C51单片机复位电路92.2 温度检测电路设计92.2.1 温度传感器92.2.2 变送器102.2.3 A/D转换102.3 温度控制电路设计122.4 键盘电路设计142.5 数码管显示电路设计153控制程序设计183.1 工作流程183.2 功能模块183.3 资源分配模块183.4 软件功能设计183.4.1 键盘管理183.4.2 显示管理193.4.3 温度检测模块203.4.4 温度控制模块21主程序模块223.5 基于SIMULINK的PID仿真22结论25致谢26参考文献27附录28附录128附录229. z.-1 绪论1.1 技术指标温度控
4、制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。根据温度变化快慢的特点，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。电烤箱的具体指标如下： （1）电烤箱为一封闭长方体结构， （2）烤箱内尺寸：0.8m0.6m0.4m。 （3）加热器件为一1kw（220v）电热丝。 （4）从室温开始升温到100系统调节时间ts5分钟，超调量1
5、0%。 （5）控制温度*围为50200连续可调。 （6）显示实时温度，显示精确到1。1.2控制方案1.2.1 控制系统的建模本文的被控对象为*公司生产的型号为0.8m0.6m0.4m的电烤箱，其工作频率为 50HZ，总功率为1kW，工作*围为50200。设计目的是要对它的温度进行控制，达到调节时间短、超调量10%的技术要求。在工业生产过程中，控制对象各种各样。理论分析和实验结果表明：电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述。然而，对于二阶不振荡系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型。所以电烤箱模型的传递函数为： 式(1
6、.1)式中 K对象的静态增益； T对象的时间常数；对象的纯滞后时间。目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号，测取过程对象的阶跃响应，然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。具体用科恩-库恩（Cohn-Coon）公式确定近似传递函数。给定输入阶跃信号 200，用温度计测量电烤箱的温度，每半分钟采一次点，实验数据如下表2-1：表2-1 烤箱模型的温度数据时间t(m)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0温度T()20315278104126148168182198200Cohn-Coon公式如下： 式(1.2)式中 M系统阶跃输入； C系统的输出响应； t0.2
7、8对象飞升曲线为0.28C时的时间（分）； t0.632对象飞升曲线为 0.632C时的时间（分）。从而求得K=0.92, T=144S , =30S 所以电烤箱模型为： 式(1.3)1.2.2 PLC系统（1）PLC的定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。他采用了可编程序的储存器，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术操作的面向用户的指令，并通过数字化或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。（2）PLC的特点现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。1. 可靠性高，抗干扰能力强：PLC用软件取代了继电器控制系统中
8、打量的仲坚继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因为触点接触不良造成的故障。2. 硬件配套齐全，使用方便，适应性强：PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置。3. 编程方法简单易学：梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。4. 系统的设计，安装，调试工作量少：PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作大大减少。PLC
9、的梯形图程序可以用顺序控制设计方法来设计。这种设计方法很有规律，容易掌握。可以在实验室模拟调试PLC的程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少得多。5. 功能强，性能价格比高：一台小型德尔PLC内有成千上百个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。6. 维修工作量小，方便维修:PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地
10、查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。1.2.3 单片机系统（1)单片机的定义单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器、RAM、只读存储器、ROM多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算系统。（2）单片机的特点1.有优异的性价比。2.集成度高，体积小，可靠性好。3.控制能力强。4.低功耗，低电压，便于生产便携式产品。5.易拓展。目前，应用广泛的主流机型是80C51系列8位单片机。该机型具有性能价格比高；芯片功能能够适用；有众多芯片制造厂商加盟，可广泛选择等优点，这次我们采用美国
11、intel公司生产的AT89C51单片机，其中包括CPU、存储器、I/O接口电路及时钟电路等。1.2.4选择最优方案通过比较单片机和PLC的性价比，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。产品的工艺不同，控制温度的精度也不同，因而采用的控制算法也不同。就温度控制系统的动态特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温控的线性性能要求较高时，多采用PID算法来实现温度控制。本系统是一个典型的闭环控制系统。从技术指标可以看出，
12、系统对控制的精度要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，即当烘干箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降低到低于*值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。2硬件部分设计系统的硬件部分包括单片机的电路设计、传感器设计、放大电路设计、键盘以及显示电路设计五个部分。图2-1 电烤箱温度控制结构2.1 C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存
13、储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.1.1 中央处理器CPU中央处理器CPU是单片机的核心。是计算机的控制指挥的中心。同一般微机的CPU类似。AT89C51单片机内部CPU包括控制器和运算器。2.1.2 运算器AT89C51运算器电路以算术逻辑单元ALU为核心。有累加器ACC、寄存器B、暂存器1、暂存器2、程序状态寄存器PSW和布尔处理机共同组成。它主要完成数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。运
14、算结果的状态由程序寄存器PSW保存。A. 算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B算术逻辑单元ALU不但能完成8位二进制的加、减、乘、除等算数的运算。而且还能对8位变量进行逻辑“与”“或”“异或”循环位移等逻辑的运算。累加器ACC(简称累加器A) 为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁寄存器。专门存放操作数或运算结果。B程序状态寄存器程序状态寄存器PSW是一个8位的状态寄存器。用于存放标志的寄存器。用于存放指令执行后的状态，以供程序查询和判别。PSW各位的状态通常是在指令执行的过程中自动设置。但可以由用户根据需要指令加以改变。状态寄存器共有进位标志位CY、辅助进位标志位（或称半进位）AC、用户自定义标志位F0、工作寄存器组选择位RS1、RS0、溢出标志位OV、奇偶标志位P.C. 控制器控制部件是单片机的神经中枢。它包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器和定时器控制电路。它先以主振频率为基准发出CPU的时序对指令进行译码，然后发出各种控制信号。完成一系列定时控制微操作。用来协调单片机各部分的正常工作1。2.1.3 AT89C51单片机引脚功能AT89C51系列单片机的封装形式有两种：一种是双列直插方式的封装；另一
