基于AT89C51单片机的电加热炉温度控制系统的设计说明

1、. . . . 1 / 55机电系统控制与测试课程设计机电系统控制与测试课程设计报告名称：电加热炉温度控制系统的设计报告名称：电加热炉温度控制系统的设计院院 级：机电工程学院级：机电工程学院 20112011 级级专业班级：机械电子工程专业班级：机械电子工程 1 1 班班姓姓 名：冬冰名：冬冰学学 号：号：8 8指导教师：梁坚指导教师：梁坚完成日期：完成日期：20142014 年年 6 6 月月 2222 日日. . . . 2 / 55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

2、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与上下限报警几个模块组成，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

3、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. . . . 目 录1 1 绪论绪论 1 11.1 课题背景与国外研究概况 11.2 自动控制理论与其发展 21.3 课题的建立以与本文完成的主要工作 32 2 总体方案设计总体方案设计 4 42.1 总体方案的确定 42.2 系统组成 53 3 单片机技术和单片机技术和 PIDPID 算法算法 6 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 93.2 PID 算法介绍 103.2.1 PID 算法的数字化 103.2.

4、2 PID 算法的运用 113.3 小结 124 4 系统硬件设计系统硬件设计 14144.1 系统概况 144.2 功能模块 144.2.1 单片机控制模块 144.2.2 数据转换与采集模块 A/D0808154.2.3 按键选择模块 164.2.4 显示模块 164.2.5 报警模块 174.2.6 输出模块 174.3 总体方案的实现和元器件清单 184.3.1 系统的整体设计 184.3.2 元器件清单 194.4 小结 195 5 系统软件设计系统软件设计 21215.1 PROTUES7 软件概况 215.2 WAVE6000 软件简介 235.2.1 软件概况 235.2.2

5、程序界面 235.3 子程序设定 235.4 程序流程 245.5 程序仿真调试 315.5.1 WAVE6000 仿真调试 31. . . . 1 / 555.5.2 软硬连调 315.6 小结 326 6 课题特点课题特点 33336.1 单片机技术应用 336.2 PID 算法的运用 336.3 软件的调试仿真 337 7 结论结论 3434参参考考文文献献 3535附录附录 3737致致5050. . . . 1 / 55电加热炉温度控制系统的设计1 绪论1.1 课题背景与国外研究概况温度控制系统在国各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日

6、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”控制与常规的 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与加入 WTO，我国政府与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，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

7、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一样；产品的工艺不同，控制温度的精度也不一样。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不一样。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围大，由于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，神经网络与遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制

8、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。. . . . 2 / 551.2 自动控制理论与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

9、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与船用自动驾驶仪，火

10、炮定位系统，雷达跟踪系统以与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

11、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，. . . . 3 /

12、 55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、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

13、，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，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。 为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控

14、制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。 在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。1.3 课题的建立以与本文完成的主要工作本文主要包括以下容：1以单片机为核心，建立自动控制系统，构建按键、采样、显示以与输出等外围电路，实现整个系统的搭建，建立电加热炉系统的仿真图；2画出软件流程图，根据流程图编写程序，并对其进行调试，使其符合系统的具体要求；3将所编写的程序下载到单片机中去，对系统进行整体调试，进而实现系统的整个功能，设计出符合实际要求的系统。. . . .

15、4 / 552 总体方案设计2.1 总体方案的确定由于温度控制系统的控制对象具有惯性大，连续性的特点。因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制，一般来说可以采用以下几种控制方案：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

16、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、允许被控量在一定围变化的系统。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

17、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。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。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、. . . . 5 / 55控制品质要求又很高的控制系统。结合本例题设计任务与要求，由于温度系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要

18、求。但从以上对控制方法的分析来看，PID 控制方法最适合本例采用。另一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。因此本系统可以采用 PID 的控制方式，以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。2.2 系统组成就控制器本身而言，控制电路可以采用经典控制理论和常规模拟控制系统实现温度的自动调节。但随着计算机与超大规模集成电路的迅速发展，以现代控制理论和计算机为基础，采用数字控制、显示、A/D 与 D/A 转换，配合执行器与控制阀构成的计算机控制系统，在过程控制过程中得到越来越广

19、泛的应用。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求。另外，单片机的使用也为实现温度的智能化控制以与提供完善的人机交互界面与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。所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统（DDC） 。. . . . 6 / 553 单片机技术和 PID 算法3.1 AT89C51 简介微型计算机是指由微处理器加上采用大规模集成电路制成的程序存储器和

20、数据存储器，以与输入输出设备相连接的 I/O 接口电路，微型计算机简称 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上，称为单片微型计算机，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、部寄存器规、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 字节部 RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片振荡器与时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持

21、两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口与中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.1.1 单片机的引脚介绍其引脚图如图 1 所示. . . . 7 / 55图 1 单片机引脚图其各引脚的功能如下VCCVCC：供电电压。 GNDGND：接地。 P0P0 口口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在 FIASH

22、 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须接上拉电阻。 P1P1 口口：P1 口是一个部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为低八位地址接收。 P2P2 口口：P2 口为一个部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，

23、P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 . . . . 8 / 55P3P3 口口：P3 口管脚是 8 个带部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的

24、缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 各管脚备选功能 P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RSTRST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROGALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁

25、存地址的低位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令时ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器

26、时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。 XTAL1XTAL1：反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。 XTAL2XTAL2：来自反向振荡器的输出。. . . . 9 / 553.1.2 单片机的存储结构存储器是组成计算机的三大部件之一，其功能是存储信息（数据和程序） 。存储器按其存储

27、方式可分为两大类：一类为随机存储器（RAM） ；另一类为数据存储器（ROM） 。CPU 在运行时可对 RAM 随时进行数据的的写入和读出，但在关闭电源时，RAM 中所存的信息也会丢失，所以 RAM 只能用来存放暂时性的输入/输出数据、运算中的结果等。RAM 也因此常被称为数据存储器。而 ROM 是一种写入数据后不能改写只能读出的存储器。在断电后，ROM 中的信息保留不变，所以 ROM 用来存放固定的程序或数据。ROM 因此也常被称为程序存储器。MCS-51 单片机的存储器配置比一般的微机配置复杂，其具体配置是多种存储器的交叠。这种交叠不仅反映在存储器的种类上，而且还体现在存储器的地址空间上。M

28、CS-51 单片机存储器可分为 5 类：1片程序存储器；2片外程序存储器；3片数据存储器；4特殊功能存储器；5片外数据存储器。MCS-51 单片机存储器的地址空间可分为 3 个，在访问 3 个不同的地址空间时采用不同形式的指令： 1片片外统一编址的 64K 的程序存储器地址空间（16 位地址 0000H-FFFFH） ；2片数据存储器与特殊功能存储器统一编址的 256B 部数据存储器地址空间（8 位地址 00H-7FH，80H-FFH） ；364KB 片外数据存储器地址空间（16 位地址 0000H-FFFFH） 。89C51 部 RAM 共有 256 个单元，这 256 个单元共分为两部分。

29、其一是地址从 00H7FH 单元（共 128 个字节）为用户数据 RAM。从 80HFFH 地址单元（也是 128 个字节）为特殊寄存器（SFR）单元。从图 2 中可清楚地看出它们的结构分布。. . . . 10 / 55图 2 存储器结构图单片机的部数据存储器共有 128 个字节，地址围是 00H-7FH，分成工作寄存器区、位寻址区、通用 RAM 区三部分。3.2 PID 算法介绍PID 调节是 Proportional（比例） 、Integral（积分） 、Differential（微分）三者的缩写，是连续系统术最成熟、行之有效、应用最广泛的一种调节方式。PID 调节的实质就是根据输入的偏

30、差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活地改变 PID 的结构，取其中的一部分环节构成控制规律，如比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例积分微分（PID）调节等。尽管凭着单片微机的优势，计算机数字控制系统取代了模拟控制系统，但是，在长期生产实践中，模拟 PID 控制算法所积累的经验并未被人们遗忘，而是被广泛地应用到计算机控制系统中来，形成一种新型 PID 控制方式，称之为数字 PID 控制。3.2.1PID 算法的数字化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

31、程。在模拟系统中，PID 算法的表达式为：)1(10dtdeTedtTeKudip(3-1). . . . 11 / 55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。控制点目前包含三种比较简单的 PID 控制算法，分别是：增量式算法，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，位置式与增量式控制对整个闭环系统并无本质区别。增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。3.2.2PID 算法的运用由于

32、计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此，在计算机控制系统中，必须首先对式（3-1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和与增量式表达。对温度的控制算法，采用技术成熟的 PID 算法，对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化，因此用数字 PID 完全可以得到比较好的控制效果。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

33、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：010)1(udtdeTedtTeKudip(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. . . . 12 / 55算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后

34、，PID 的调节规律可以通过数值公式010)(ueeTTeTTeKuiiijdjiip(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：211iiipiiieDeIeKuuuu(3-4)把ei = ei - ei-1,2 ei=ei -ei-1带人上式（3-4）得：)2()(2111iiiiiipieeeDeIeeKuu(3-5)式中 ei=WYi，W 为设定值，Yi为第 i 次实际输出值，Kp为比例系数，积分系数I=T/Ti，微分系数 D=Td/T，T 为采样周期，以(3-5)式来编程比较方便。用 PID 控制算法实现温度控制是这样

35、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 Kp、Kd和 Ki的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。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 ei，然后分两种情况进行计算控制变量：1ei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。2ei小于设定的设定的偏差 e 时，正常的分别计算 Pi、Pd

36、和 Pp，然后根据算法公式计算出控制变量。. . . . 13 / 553.3 小结本章对单片机控制技术，以与 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，以与 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。. . . . 14 / 554 系统硬件设计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，通过温度传感器采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过 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。总体设计方案见如图 3

37、 所示。看门狗报警提醒通信接口LED 显示键盘微型控制机AT89C51温度检测PT100驱动执行机构8 路 D/A转换器DAC0832测量变送8 路 A/D转换器ADC0809加热电阻温度图 3 系统设计方案图4.2 功能模块4.2.1 单片机控制模块A/T89C51 是整个系统的控制核心，将采集来的数据与设定值进行比较，利用 PID算法得出结果并送输出。整个控制系统的程序就下载到单片机中去。看门狗测量变送. . . . 15 / 55A/T89C51 仿真图如图 4 所示。图 4 单片机仿真4.2.2 数据转换与采集模块 A/D0808AD0808 是 CMOS 的 8 位模/数转换器，采用

38、逐次逼近原理进行 A/D 转换，芯片有模拟多路转换开关和 A/D 转换两大部分，可对 8 路 05V 的输入模拟电压信号分时进行转换。模拟多路开关由 8 路模拟开关和 3 位地址锁存译码器组成，可选通 8 路模拟输入中的任何一路，地址锁存信号 ALE 将 3 位地址信号 ADDA、ADDB、ADDC 进行锁存，然后由译码电路选通其中的一路，被选中的通道进行 A/D 转换。A/D 转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器（SAR） 、256R 电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等。另外 ADC0809 输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可直接连到 CPU 数据总线上。实时温度经过传感器的检测并通过

39、变送器将其转换成模拟的电压信号，而 A/D0808则用来采集电压信号并将其转换为数字信号存储在单片机中，以便后续对数据的处理。其硬件仿真图如图 5 所示。. . . . 16 / 55图 5 A/D0808 仿真图4.2.3 按键选择模块系统采用了两个按键用来进行温度的设定，一个进行温度加，一个进行温度减。每按下一次，温度就相应的加一或减一。按照设计要求，温度的设定围为 50-150 度，其仿真如图 6 所示。图 6 按键示意图4.2.4 显示模块显示模块采用两个 7 段共阴极数码管，一个用来显示实时温度，一个用来显示设定温度。并用 74LS04 来驱动数码管。其仿真图如图 7 所示。. .

40、. . 17 / 55图 7 显示示意图4.2.5 报警模块当实时温度高于或低于设定温度 5 度以上时，系统就会报警，报警指示灯红灯亮。如图 4-6 所示。图 4-6 报警示意图4.2.6 输出模块经过数据的运算，单片机通过 P3.4 口的高低电平来控制加热系统的通断，通过导通时间的长短来控制加热的强度，以达到精确控制的效果。当温度在设定温度的正负 5 度之时，系统进行 PID 运算控制；当高于设定温度 5 度时，停止加热；当低于设定温度 5度时，全功率加热。由于仿真软件自身条件的原因，使用绿色的 LED 灯代替，当绿灯亮时，表示正在加热，不亮时，停止加热。仿真图如 4-7 所示。图 8 加热

41、示意图. . . . 18 / 554.3 总体方案的实现和元器件清单4.3.1 系统的整体设计系统的整体设计图如图 9 所示。图 9 系统设计方案图其中：1单片机采用的是 MCS-51系列的89C51，其集成了中央处理器 CPU、随机存储器RAM、程序存储器 ROM 或 EPROM、定时器/计数器、中断控制器与串型和并行 I/O 接口等部件。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以与对应用对象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。单片机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。2实时的温度测量由于条件的限制直接用模拟电

42、压来代替传感器与变送器，用0808来采样和转换温度。. . . . 19 / 554.3.2 元器件清单系统所需的元器件清单如表4-1所示。表4-1系统配置清单表序号部件名称所属类数量1AT89C51Microprocessor ICs12A/D0808Data Converters137SEG-MPX4-CCOptoelectronics24BUTTONSwitches&Relays35LED-GREENOptoelectronics16LED-REDOptoelectronics1774LS373TTL 74LS series18RESPACK-8 Resistors1974LS0

43、4 TTL 74LS series810NOTSimulator Primitives111NORSimulator Primitives212POT-HGResistors113电容Capacitors214CLOCKSimulator Primitives215CRYSTALMiscellaneous116电阻Resistors117INPUT终端418GROUND终端719VSOURCESimulator Primitives14.44.4 小结系统硬件是设计的基础，在设计软件程序之前，要对系统的结构有个深入的了解，本章详细介绍了整个系统的硬件结构和各模块的选型，介绍了系统的概况，使读者

44、对总. . . . 20 / 55体的设计有个大致了解。. . . . 21 / 555 系统软件设计5.1Protues7 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与数字、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。它是目前最好的仿真单片机与外围器件的工具。 虽然目前国推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真

45、正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和 MSP430 等，2010 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译。其程序界面如图 10 所示。. . . . 22 / 55图 10 Protues7 工作界面PROTUES 软件的功能特点介绍如下：1原理布图 2PCB 自动或人工布线 3SPICE

46、 电路仿真 革命性的特点： 1互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如 RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件。 2仿真处理器与其外围电路。可以仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示与输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues 建立了完备的电子设计开发环境。同时它还具有 4 大功能模块：智能原理图设计（ISIS） ，完善的电路仿真功能（Prospice） ，独特的单片机协同仿真功能（VSM） ，实用的 PCB 设计平台。.

47、 . . . 23 / 55Protues 提供了丰富的资源：1Protues 可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有 30 多个元件库。 2Protues 可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI 调试器、I2C 调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。3除了现实存在的仪器外，Protues 还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽

48、可能减少了仪器对测量结果的影响。 4Protues 可提供的调试手段 Protues 提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。5.2 WAVE6000 软件简介5.2.1 软件概况WAVE6000 是伟福公司的单片机开发编译软件，采用中文界面。用户源程序大小不受限制，有丰富的窗口显示方式，能够多方位、动态地展示程序的执行过程。其项目管理功能强大，可使单片机程序化大为小，化繁为简，便于管理。另外，其书签、断点管理功能以与外设管理功能等为 51 单片机的仿真带来极大的便利。5.2.2 程序界面WAVE6000 界面如图 11 所示。. . . . 24 / 55

49、图 11 WAVE6000 界面5.3 子程序设定本设计使用了较多的子程序，命名皆以其功能作用为名，目的是增加程序的可读性。总程序见附录。5.4 程序流程控制系统的程序主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定与修改。其中控制算法采用数字 PID 调节，应用增量型控制算法，并对积分项进行改进，以达到更好的控制效果。根据课题要实现的功能与要求，WAVE6000 软件的独立控制部分设计。各个程序的流程图如下。1主程序流程图主程序主要实现了对系统的初始化，并通过调用子程序实现将运算结果与极限值. . . . 25 / 55进行比较，从而确定跳转方向，实现系

50、统的报警功能与运算功能。主程序流程图如图 12 所示。Ui(k)UminT1 中断加热报警显示Ui(k)=UmaxUi(k)Umax报警停止加热Ui(k)=Umin加热不报警停止加热不报警设置对栈指针请标志和暂存单元清闲时缓冲区采样滤波温度转换扫描键盘NNNNYYYYUi(k)=UmaxUi(k)UmaxUi(k)=UminUi(k)(2DH)?(2CH)和(2DH)互换(2DH)(2EH)?(2DH)(2EH)?(2CH)(2EH)?(2EH)(2CH)?(2CH)送 2AH返回(2EH)送 2AH(2EH)送 2AH(2DH) 送 2AH(2DH) 送 2AHN图 14 滤波子程序流程图4

51、显示子程序流程图实时温度和设定温度分别存在 51H 和 50H 中，显示子程序将这两个温度转换成BCD 码见其存在 70H-75H 中，通过查表的方法将其转换成对应的段码，最后运用动. . . . 28 / 55态显示的方法将其显示出来。显示子程序流程图如图 15 所示。N开始将待显示数送显示缓冲区送扫描控制字 将待显示数送显示缓冲区 送显示缓冲区数据转换为七段码 将待显示数送显示缓冲区 送显示缓冲区断码送 P1 口 将待显示数送显示缓冲区 送显示缓冲区调用延时程序 将待显示数送显示缓冲区 送显示缓冲区指向下一地址 将待显示数送显示缓冲区 送显示缓冲区送扫描控制字 将待显示数送显示缓冲区 送显

52、示缓冲区6 位显示完？扫描控制字左移一位 将待显示数送显示缓冲区 送显示缓冲区子程序返回 将待显示数送显示缓冲区 送显示缓冲区Y图 15 显示子程序流程图5按键选择流程图通过延时程序判断按键是否按下，从而进行条件转移，改变设定值。设定值的围是 50-150 度，当温度超过这个围是时，按键将不起作用。按键选择流程图如图 16 所示。. . . . 29 / 55YYYNNYYA=150调 TRAST131HB32HA开始调延时温度加 1A=150A1A温度加按下?温度加按下?A=150?温度减按下?温度减按下?调延时AA1A=50?A150?清 C返回A1AA50?清 C温度减 1A50NNNN

53、NN图 16 按键选择流程图6PID 控制子程序流程图根据 PID 算法公式，PID 算法程序运用双字节加法程序，双字节求补程序，双字节无符号乘法程序，双字节有符号乘法程序实现了 PID 公式的程序化。. . . . 30 / 55PID 控制子程序流程图如图 17 所示。根据 E(K)=Ur-Ui(K) 计算 E(K)计算 KpE(K)- E(K-1)计算 KiE(K)计算 KpE(K)- E(K-1)+ KiE(K)计算 KpE(K)- E(K-1)+ KiE(K)+KdE(K)- 2E(K-1)+ E(K-2)计算 P(K)返回开始图 17 PID 算法程序流程图7T1 中断程序流程图当

54、中断到来时，关闭计数器，清 F0 标志位，返回主程序。T1 中断程序流程图如图 19 所示。. . . . 31 / 55中断到来关计数器 T1清 F0 标志位清 P3.4中断返回图 19 T1 中断子程序流程图5.5 程序仿真调试5.5.1WAVE6000 仿真调试通过 WAVE6000 软件分别对每个子程序进行便携机调试，调试成功后，在编写主程序，将每个子程序联系起来，进行整体的调试。调试成功后，下载到单片机中，进行仿真。程序设计示例如图 20 所示。图 20 程序样图5.5.2 软硬连调系统的整体仿真图如图 21 所示。. . . . 32 / 55图 21 仿真示意图本次设计采用的是

55、Protues 软件来进行系统的仿真，同时通过 WAVE6000 软件来对程序进行编译和调试，最后添加到单片机中去，成功实现了对系统的仿真，达到了设计的要求。5.6 小结程序部分的设计是整个系统的核心部分，其中包含了系统的核心算法，即 PID 算法，它确定了电加热炉的控制精度，使得本次设计能够满足要求。程序部分相当于一个人的大脑，它控制了整个系统的运作。本章从软件的概况、各控制程序的流程等方面详细做了介绍，在保证了功能实现的同时，尽量增加程序的可读性，方便在需要时进一步改进。. . . . 33 / 556 课题特点6.1 单片机技术应用在计算机控制领域，单片机控制凭借其快速计算、灵活多样的逻

56、辑判断和高效的信息加工能力，提高了生产过程的自动化程度，减少了人工干预，并不断地完善和满足工农业生产和国防科技日益增长的需要。结合许多成功例子，使得单片机的应用于自动控制系统有了强大的保障。伴随更多人的关注，单片机技术会有更大的发展。本系统采用的单片机是计算机控制技术的水平发展到一个崭新的阶段，这就注定了在今后的使用当中，有这更多的拓展的空间和进行进一步提高性能的基础。6.2 PID 算法的运用由于对系统有较高的精度要求，这就要求控制围宽、响应快且连续可调，所以我选用 PID 进行控制，并将模糊控制应用于 PID 的参数整定。对电加热炉控制系统的控制取得了满意的效果。在温度围过冲小于 5时，则

57、采用 PID 调节，当温度偏差大于 5时全功率加热，当温度偏差小于 5时，停止加热。在此系统中实现了逐点连续调控，与单纯的 PID 调节相比，调节时间减小，稳定精度减小，超调量变小，系统的动态特性曲线有明显改善，该系统对希望超调量小，稳定度高的电加热炉系统有很好的实用价值。6.3 软件的调试仿真本次设计中运用了 WAVE6000 对程序进行了编译和调试，使我更容易找到程序的错误和不合理的地方，通过仿真软件对实际系统的建模与仿真为我们在实际系统中更好掌握其动向并发现问题予以解决奠定了良好的基础。. . . . 34 / 557 结论现代工业生产过程中，用于热处理的加热炉，需要消耗大量的电能，而且

58、温度控制是纯滞后的一阶大惯性环节。现有企业多采用常规仪表加接触器的断续控制，随着科技进步和生产的发展，这类设备对温度的控制要求越来越高，除控温精度外，对温度上升速度与下降速度也提出了可控要求，显而易见常规控制难于满足这些工艺要求。随着微电子技术与电力电子技术的发展，采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置控制加热炉已成为现实。采用单片机来对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量，比过去单纯采用电子线路进行 PID 调节的控制效果要好的多。微机控制系统的快速计算、灵活多样的逻辑判断和高效的信息加工能力使自动控

59、制进人了更高一级的领域，提高了生产过程的自动化程度，减少了人工干预，并不断地完善和满足工农业生产和国防科技日益增长的需要。随着微机和单片机的推广使用，实现信息自动化与过程控制相结合的分级分布式计算机控制，使计算机控制技术的水平发展到一个崭新的阶段。论文在自动控制技术的基础上，详细阐述了其在电加热炉温度控制系统的应用。同时，采用单片机进行控制也表现出了强大的优势：1对单片机控制技术，以与 PID 算法的应用进行了深入分析，着重阐述了它在现代控制领域的重要地位，并根据单片机自身的特点与优点，确定了单片机在控制系统的应用；2在了解了本系统的控制要求基础上，详细分析了各硬件模块的选用，同时，出于对系统

60、精度要求考虑，对整个系统均采用 PID 控制；3对电加热炉控制系统软件 WAVE6000 进行了软件设计，详细列出了主程序与各子程序的流程图，本部分也是作者本人所做设计的核心部分；4介绍了 Protues 软件在进行硬件仿真的使用方法；5最后对整个控制系统的特点与优势进行了总结。电加热炉控制系统是现代自动控制技术在实际应用中的代表之一，在控制中要求有高的精度，而本设计中的采用单片机作为控制核心，PID 为核心算法，使得对自动控制的高要求等到保证。更灵活的控制方式，更方便的操作方式自动控制中突显了其高效、. . . . 35 / 55高质的优点。也决定了单片机在在控制领域不可或缺的地位。. . . .