7易文杰-20110530答辩稿

PAGEPAGE4高温烧结炉温度控制系统的设计系别：机电与自动化学院专业班：电气工程及其自动化0703班姓名：易文杰学号：20071131133指导教师：陈静教授2011年6月高温烧结炉温度控制系统的设计DesignofTemperatureControlSystemofHigh-temperatureSinteringFurnacePAGE25摘要温度是工业中主要的被控参数，特别是在冶金、化工、建材、机械制造等各类工业中，广泛使用的加热炉、反应炉、烧结炉等。在日常生活中，人们也常用到电烤箱、烘烤箱、微波炉等需要进行温度检测与控制的家用电器。而温度控制在工业控制中一直是富有新意的课题，对于不同的控制对象，有着不同的控制方式和模式。温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。本文以高温烧结炉为控制对象，研究温度控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。采用单片机来实现温度的检测与控制，不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量。本文以AT89S52单片机为控制核心，温度信号经输入模数转换器ADC0809，转换后的数字量输入到单片机。单片机采用PID控制算法对测量数据和设定数据进行处理，处理后的数据通过由光耦和继电器组成的控制电路来控制输入电压，使温度稳定于设定值。文章研究包含硬件和软件两个方面，硬件方面实现的功能有：电源设计、控制电路设计、驱动电路设计等部分；软件方面实现的功能有：按键控制模块设计、温度显示模块设计、A/D转换模块设计等部分。文章有侧重地介绍了系统所用芯片的结构、工作原理、性能特点，给出了系统组成框图、硬件电路图、软件流程图。本课题经过理论分析和系统调试，控制系统性能稳定，可靠性佳，实现了既定的功能，达到了设计指标的要求。关键词：单片机温度控制系统PID控制AbstractThetemperature，amaincontrolledparameteronvariousindustriesespeciallyinmetallurgy，chemicalengineering，buildingmaterials，machinemanufacturingetc，extensivelyappliestooperationofheatingfurnaceandreactorstove.Indailylife，peoplefrequentlyusehouseholdelectricalappliancessuchaselectricoven，dryingovenandmicrowaveovenetc，whichrequiredetectionandcontrolfortemperature.Temperaturecontrolisatopicfullofnewmeaningsinindustry，todifferentcontrolobject，therearedifferentmethodsandmodes.Butitisdifficulttocontrolwellbecauseofcharacteristicsofthetemperatureitself，suchasitsgreatinertia，serioustime-lagandthedifficultytoestablishanaccuratemathematicalmodeoftheobject.Adutyinthisthesisistostudyakindofcontrolmethodtothetemperatureofthehigh-temperaturesinteringfurnace.Its’technologyrequirementsare:regulatingtimemustbeshort，overshootmustbesmallandthecontrolsystemmustbestable.Forthedetectionandcontroloftemperature，theuseofmicroshiptechnology，notonlyhassomeadvantagesincontrol，suchasconvenience，simpleandflexibilityetc，butalsoimprovestechnicalindexofcontrolledtemperature，thusenhancesthequalityofproduction.ThispapertakesthesinglechipmicrocomputerofAT89S52asthecentralcontroller，andthetemperaturesignalisinputtedintotheA/DConverterADC0809，thentheconverteddigitalsignalisimportedintotheSingleChipMicrocomputer.Single-chipMicrocomputerusePIDcontrolalgorithmtoprocessthedatameasurementanddatasettings，andtheprocesseddatawillcontrolimportedvoltagebycontrollingcircuitconsistedofrelayandoptocouplertomaketemperaturestabilityinthesettings.Bothhardwareandsoftwareareshowninthispaper.Hardwaredesignincludespowersupply，governorcontrolcircuit，drivingcircuit．Softwaredesignincludeskeycontrolmodule，temperaturedisplaymodule，A/Dconvertmodule．Thispapermainlydescribesconstruction，workprincipleandfunctioncharacteristicsofchipinthesystem.Furthermore，italsoprovidesblockdiagramofsystem，hardwareelectricdiagram，flowdiagramofsoftwareandoriginalprogram.Bytheoreticalanalysisandsystemdebugging，thecontrolsystemisstableandreliable．Thedesiredfunctionsaredesignindicesareachieved．Keywords:SingleChipMicrocomputerTemperatureControlSystemPIDControl

目录摘要 IAbstract II绪论 11高温烧结炉温度控制系统特性研究 21.1课题的意义及发展状况 21.2高温烧结炉的结构概况 21.3高温烧结炉的温度特性描述 41.4温度控制模型的研究 52PID控制系统 82.1控制策略研究 82.2PID控制基本理论 82.3PID控制算法参数整定 102.4PID控制程序编程思路 123高温烧结炉温度控制系统的硬件 133.1系统总体方案设计 133.2硬件电路设计 143.2.1单片机的选择与电路设计 143.2.2温度检测电路设计 153.2.3小信号放大电路设计 163.2.4A/D转换电路设计 163.2.5键盘电路设计 163.2.6显示电路设计 173.2.7控制电路设计 174高温烧结炉温度控制系统的软件 194.1控制系统软件设计思想 194.2主程序和中断服务子程序 194.3键盘管理模块 194.4模数转换模块 214.5显示模块 224.6PID温度控制算法程序 23结论 26致谢 28参考文献 29绪论温度是工业对象中主要的被控参数之一，如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的温度处理要求严格控制，单片机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。温度控制无论是在工业生产过程中，还是日常生活中都起着非常重要的作用。在控制系统中，过低的温度或过高的温度都会使资源失去应有的作用，从而造成资源浪费。特别是在当前全球资源极度缺乏的情况下，更应该掌握好对温度的控制，把身边的资源好好地利用起来。高温烧结炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性、大延迟的特点，而且伴有非线性、强耦合等复杂特点，所以很难建立起精确的数学模型来实现高温烧结炉的精确的控制。本课题就是基于温度控制的复杂性，烧结炉温度控制的研究对工业生产的重要性的背景下展开研究。本设计选用KXXX系列1000℃箱式烧结炉为控制对象，以AT89S52单片机为控制核心，进行一系列的运算和处理。系统由K型电偶、放大电路和A/D转换电路构成温度检测通道，由光耦和继电器构成输出控制通道。工作时，温度K型热电偶检测温度值，经过运算放大器和A/D转换，将温度信号送入单片机；单片机将温度信号进行数字滤波，标度变换后，由LED显示。同时与系统设定值进行比较，按照PID算法进行运算通过输出数据控制光耦和继电器构成的控制电路进而控制烧结炉的温度。

1高温烧结炉温度控制系统特性研究1.1课题的意义及发展状况烧结炉，是一种在高温下，使陶瓷生坯固体颗粒的相互键联，晶体长大，空隙（气孔）和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体的炉具。主要应用于金刚石锯片的烧结，也可用于铜材，钢带退火等热处理，目前广泛应用在陶瓷、冶金、钢铁、医药、化工、电子、电器、食品、塑料、印刷、标牌、复合材料等领域。而高温烧结炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有非线性，强耦合等复杂特点，所以很难建立起精确的数学模型来实现高温烧结炉温度的精确的控制。烧结炉自动控制系统是过程控制，生产控制，数据管理的核心系统，其控制效果直接影响到生产成本和产品质量。如果能使系统按照给定的温度曲线，在误差允许的范围内升高温度，就能提高产品的质量，提高经济效益；否则，给生产造成很大的损失。因此，研究一种最佳的控制方法对提高系统的经济性，稳定性具有重大的意义。从国内外相关文献来看，对于烧结炉温度控制的研究较少，大部分是对电阻炉、锅炉、窑炉等加热炉温度控制的研究。大型工业加热炉温度控制，国外已采用计算机控制，且将各种先进的智能控制方法应用于温度控制。特别是模糊控制技术、专家控制技术，在炉温控制中取得了良好的控制效果。在大型分布式计算机控制系统中大多采用具有各种智能控制算法和通信功能温度控制单回路调节器实现。在国内，加热炉的温度控制也取得了许多成果。其中，采用智能控制技术相关的研究应用成果较多。针对烧结炉非线性、大滞后、时变等特点以及很难用数学方法建立精确的数学模型，黄浩，申群泰[9]提出采用参数自调整的模糊控制技术，通过在线调整参数改善模糊控制系统的响应速度，对真空烧结炉进行温度控制。1.2高温烧结炉的结构概况烧结工序是硬质合金生产工程中最后一道主要程序，也是一道关键工序。所谓烧结就是将粉末压坯加热到一定的温度，并保持一定时间，然后冷却，从而得到所需的制品。烧结的目的是使多孔粉末压坯变为具有一定的组织和性能的合金。根据课题要求，高温烧结炉的设计指标为：最高温度是1800℃、常用温度是1650～1750℃、温度稳定度为±3℃、温度均匀度为±20℃以及工作气氛是、；高温烧结炉应既有的功能高温烧结炉结构图如图1-1所示，某箱式高温烧结炉外形图如图1-2所示。图1-1高温烧结炉结构图图1-2某箱式高温烧结炉外形图可以将高温烧结炉整体分为若干单元：炉体、温度控制、气路、工艺过程控制、升降机构及机架、水冷系统。被控对象的特点[10]：（1）动态特性具有大惯性、大延迟的特点，而且伴有非线性，强耦合等复杂特点，故很难建立精确的数学模型来实现高温烧结炉的精确控制。（2）烧结炉系统的工作温度跨度大，最高温度达到一千三百多摄氏度，其耐火和保温材料所构成的炉壁在如此高温下不能起到很好的绝缘隔热作用。造成整个系统在高温区和常温区运行时的控制模型差异极大。（3）根据某些特殊材料烧结工艺的要求，在整个生产过程中，包括升温过程和保温过程（尤其是800～900℃间），系统误差不超过±10（4）高温烧结炉地的执行机构只有加热装置，没有制冷装置，例如水冷循环装置，或者风冷循环装置等。1.3高温烧结炉的温度特性描述通常，高温烧结炉烧结过程分为3部分：升温、保温、降温。大致过程为：送→抽本底→送→升温→加湿→保温→去湿降温→停送→结束。升温过程的温度一般控制在200℃到1600℃；保温程的温度一般控制在1600℃到1700℃；降温过程即为冷却阶段，烧结对象处于散热过程中，温度降到不到图1-3烧结工艺时序图1.4温度控制模型的研究温度控制单元的原理图如图1-4所示。可控硅调压器变压器温控仪记录仪～380V热偶偶可控硅调压器变压器温控仪记录仪～380V热偶偶图1-4温度控制单元原理图根据原理图建立数学模型，这在控制系统的设计中是很重要的一环。我们知道，受控对象是高温烧结炉，在烧结过程中炉温是一个连续变化的量，因而可把烧结炉，看作是一个线性控制系统的元件。在生产过程中，烧结炉基本上是密封加温的，并且没有扰动因素，由能量守恒定律，可得到：（1-1）式中：——为电加热器供给的能量；——晶体原料本身吸收的热量；——通过炉体散失的热量。其微分方程为：（1-2）式中：——为环境温度；——热阻；——热容量；——炉温。上式两边取拉式反变换：（1-3）式（1-3）即是烧结炉作为一个系统的传递函数。由于烧结炉本身具有热惯性，即当加热器开始加热时，炉内温度不能立刻上升。这一点可以从图1-3烧结工艺时序图中可看出。即，炉内温度与电加热器控制之间有一个滞后环节。据此，可写出电加热器的方程式：（1-4）两边取拉式变换：（1-5）结合式（1-3）、式（1-4）这样一个有纯滞后延迟的惯性受控对象，可以用一阶传递函数表示为：（1-6）式（1-6）即为温度控制系统的数学模型。=；=；为纯滞后时间。

2PID控制系统2.1控制策略研究通过上一章对高温烧结炉的结构和温度控制系统模型的研究确定出PID控制方案，PID控制是经典控制理论中最典型的控制方法，对工业生产过程的线性定常系统，大多采用经典控制方法，它结构简单，可靠性强，容易实现，并且可以消除稳定误差，在大多数情况下能够满足性能要求。2.2PID控制基本理论PID控制在生产过程中是一种被普遍采用的控制方法，是一种比例、积分、微分并联控制器[13]。常规PID控制系统原理框图如图2-1所示。图2-1基本PID控制系统原理图理想的PID控制器根据给定值与实际输出值构成的控制偏差=－（2-1）将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。（2-2）式中：—控制器的输出；—控制器的输入，给定值与被控对象输出值的差，即偏差信号；—比例系数；—积分时间常数；—微分时间常数。在图2-1的基础上分析一下PID控制器各校正环节的作用：，（1）比例环节，比例环节的引入是为了及时成地反映系统的偏差信号，以最快的速度产生控制作用，使偏差向最小的方向变化。随着比例系数的增大，稳定误差逐渐减小，但同时动态性能变差，振荡比较严重，超调量增大。（2）积分环节，积分环节的引入主要用于消除静差，即当闭环系统处于稳定状态时，则此时控制输出量和控制偏差量都将保持在某一个常值上。积分作用的强弱取决于积分时间常数，时间常数越大积分作用越弱，反之越强。随着积分时间常数的减小，静差在减小；但过小的积分常数会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。（3）微分作用，微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度，它可以预测将来，能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加速系统的动态速度，减少调节时间。在计算机直接数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和量化后，变成数字量，才能进入计算机的存储器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。PID控制规律在计算机中的实现，也是用数值逼近的方法。当采样周期T足够短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，即可作如下近似变换：（2-3）式中：T—采样周期。将描述连续PID算法的微分方程，变为描述离散时间PID算法的差分方程，为书写方便，将简化为，即为数字PID位置型控制算法，如式（2-4）所示。（2-4）或（2-5）式中，k为采样序号，k=0,1,2…；为第k次采样时刻计算机输出值；为第k次采样时刻输入的偏差值；为第(k-1)次采样时刻输入的偏差值；为积分系数，；为微分系数，。由（2-5）式可得（2-6）式（2-6）中＝，即为增量式PID控制算法，由第k次采样计算得到的控制量输出增量。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了、、，只要使用前3次的测量值偏差，即可求出控制量的增量。增量式与位置式控制算法在本质上是一致的，只是它需要使用有附加积分环节作用的执行机构。但它也有一下一些优点：（1）由于计算机只输出控制增量，故机器故障时影响较小。（2）手动—自动切换时，由于执行机构（如步进电机）有积分保持作用，故意切换时冲击较小，能够平稳过渡。（3）算式只与最近几次采样值有关，不需要进行累加，不易引起误差积累。根据对高温烧结炉温度控制模型的研究，为保证误差精度，本设计采用增量式PID控制算法。2.3PID控制算法参数整定首先应确定调节器的结构，保证被控对象的稳定，并尽可能消除误差。因此，对于有自平衡性的对象来说，应选择包含有积分环节的调节器；对于无自平衡性的对象，则应选择不包含积分环节的调节器。对某些有自平衡性的对象，也可选择比例或微分调节器，但这时会产生静差，如果选择合适的比例系数，可以使系统静差保持在允许范围之内。对于具有纯滞后性质的对象，则往往应加入微分环节。调节器的设计，可以用理论方法，也可以通过实验。使用理论方法设计调节器的前提是要有被控对象的准确模型，在工业控制中一般很难确定准确的数学模型，而且系统的结构和参数都在随着时间变化。因此在工程上，PID调节器的参数常常通过实验确定。（1）凑试法确定PID调节参数凑试法是通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试，以达到最佳控制效果。增大比例系数，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，如果比例系数过大，系统将会有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将会变慢。增大微分时间，亦有利于加快系统的响应，使超调量减少，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。（2）经验法确定PID调节参数通常有临界比例法和阶跃曲线法，在在数字PID控制中，采样周期比对象的时间常数小得多，所以准连续控制系统仍然可以采用连续PID调节参数的整定方法。临界比例法适用于有自平衡性的对象。首先，将调节器选为比例调节器，形成闭环，改变比例系数，使系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态，记录比例系数，临界振荡的周期，根据Ziegle-Nichols提供您的经验公式，可由这两个基准参数得到不同类型调节器的调节参数。然后，根据控制过程准连续性的程度，扩充临界比例法。引入控制度，所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将DDC控制效果与其相比较，控制效果的评价函数通常采用误差平方的积分。2.4PID控制程序编程思路在设计PID程序时，需考虑以下问题。（1）数据的表示方法PID算式中，有多个常数参数，它们一般为整数或混合小数。例如=1s，=10s，=2s，=1s，而其它参数有小数出现。PID计算中的变量，取决于实际控制对象。例如，在温度控制系统中，，设定值，温度值均为温度值，它们也为整数和混合小数，控制量一般为输出电压，也为整数和混合小数。在微机控制中，以上数据可以采用定点数表示，也可以采用浮点数表示。具体关于整数、小数、负数、浮点数表示方法及注意，可以查阅有关单片机教材。（2）输出限幅对常规的PID运算，在设定值突变时，计算结果可能大于执行机构的极限。当PID的计算结果大于执行机构的极限时，必须限幅，只能输出最大输出值，否则会损坏设备和降低控制品质。另外，如果计算机的输出幅度达幅度变化，是不利于安全操作和系统稳定的。因此，除了算式中应想法消除可能预期输出幅度突变的措施（如防止干扰的影响，使用给定值突变时的改进算法），对要求稳定的温度范围可进行输出变化较平缓的模糊分级，控制还应对前后两次计算的增量根据安全操作规定和控制经验加以限制。

3高温烧结炉温度控制系统的硬件硬件是一个工程设计项目的主要组成部分，它支撑并构成一个完整的系统骨架，缺少这一骨架，就只能纸上谈兵，虚无缥缈。因此，系统的硬件设计是设计中的首要考虑对象。3.1系统总体方案设计控制系统总体方案设计是本课题的一项重要工作，制定一个好的总体方案能为系统的详细设计提供良好的指导，是研究工作顺利完成的保证。AT89S52键盘显示A/D放大热电偶AT89S52键盘显示A/D放大热电偶光耦和继电器高温烧结炉图3-1系统总体方案设计框图高温烧结炉控制为闭环控制工作状态。本课题选用KXXX系列1000℃

3.2硬件电路设计3.2.1单片机的选择与电路设计（1）单片机AT89S52介绍本控制系统选择以AT89S52单片机作为核心器件。AT89S52是一种低功耗、高性能COMS8位微控制器，具有8KB系统内部可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash存储器允许存储器ISP可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，用有灵巧的8位CPU和可ISP编程的Flash存储器，使得AT89S52为众多嵌入式应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8KBFlash存储器，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时针电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；掉电保护模式下，RAM内容被保护，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。（2）复位电路单片机的第9脚RST为硬件复位端，只要将该端持续4个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，复位电路图如图3-2所示。图3-2复位电路图（3）时钟电路设计单片机必须在时钟的驱动下才能工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。时钟电路如图3-3所示。图3-3时钟电路一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容C1，C2的作用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。C1，C2的典型值为30PF。单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数，常用fosc表示。图中时钟频率为12MHz，即fosc=12MHz，则时钟周期为1/12µs。3.2.2温度检测电路设计本次温度系统使用的是镍铬—镍硅热电偶检测元件，其分度号为K，它是一种能测量较高温度的廉价热电偶。它的价格便宜，重复性好，产生的热电势大，约为0.041mv/度，因而灵敏度很高而且它的线性很好。虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业常用的热电偶。其可测温度范围为270℃-1370℃，测温电路如图3-4图3-4测温电路3.2.3小信号放大电路设计在高温烧结炉内通过热电偶采集的电压信号为小电压信号，电压信号频率较低，电压弱，所以需要经过放大电路进行信号放大，然后才进入模数转换电路。具体电路设计如图3-6所示。3.2.4A/D转换电路设计A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。本系统要求温度控制误差≤±2℃温度传感器将温度信号转换为电信号经放大后输入模数转换器ADC0809，转换后的数字量输入到单片机AT89S52中，单片机AT89S52与模数转换器ADC0809的接口电路如图3-5所示。图3-5ADC0809与单片机AT89S52的接口电路3.2.5键盘电路设计键盘是人机对话中最常用的输入设备。本控制器采用单键输入式按键，即每个按键单独占有一个I/O线，每根I/O口上的按键工作状态不会影响其它I/O线的工作状态。+5V电压串接1K欧上拉电阻保证了按键未按下时，I/O口线有确定的高电平，当按键按下时，I/O口变为低电平。键盘采用软件消除抖动，输入方式采用中断方式进行工作。键盘设置4个功能键，分别是启动、“百位+”、“十位+”、“个位+”建，由P1口低四位作为键盘接口。利用+1按键可以分别对预置温度的百位、十位、个位进行加1设置，并在LED上显示当前值。连续按动相应位的加1键可实现0℃～999℃的温度设置。按键电路图如图3-图3-6按键电路3.2.6显示电路设计数码管显示器采用串行显示，由74LS164驱动显示。本设计显示电路图如图3-7所示。图3-7显示电路3.2.7控制电路设计高温烧结炉温度控制采用继电器来实现，烧结炉的加热器串接在回路中。单片机的P1.7口通过光电隔离和驱动电路送到继电器的控制箱，由P1.7口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制加热器的通电加热时间。温度控制电路图如图3-8所示。图3-8温度控制电路图

4高温烧结炉温度控制系统的软件温度控制系统的软件设计是整个控制系统设计的核心，硬件要在软件的配合下才能完成预先确定要实现的各种功能。硬件设计具有通用性，而软件设计的大部分工作是针对某一特定对象，可以完成硬件不能完成的功能。软件设计具有充分的灵活性，可以根据系统的要求而变化。4.1控制系统软件设计思想单片机的智能功能要由软件来完成，温度控制系统软件在程序设计时采用了模块化设计方法，将控制器所要完成的功能分别编写和调试，所有模块调试成功以后，将各个模块连接，构成单片机软件系统。这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于调试、维护和升级。整个系统由三部分组成：系统主程序、各功能子程序、中断程序。系统主程序负责任务调度，子程序实现系统各个子功能，中断程序负责处理系统的中断事件。主程序在完成系统初始化后，顺序执行各子模块程序，而中断发生时或预定义的时间到时（例如控制时间到），系统执行中断服务程序，处理完毕后程序回到中断发生前的状态，主程序继续执行。4.2主程序和中断服务子程序主程序采用中断嵌套方式设计，各功能模块可直接调用。主程序完成系统的初始化，温度预置及其合法性检测，预置温度的显示及定时器0设置。定时器0中断服务子程序是温度控制体系的主体，用于温度检测、控制（包括A/D转换、读入采样数据、数字滤波、输出控制等）。中断由定时器0产生，根据需要每隔15s中断一次，即15s采样一次。主程序和中断服务子程序流程图分别如图4-1和4-2所示。4.3键盘管理模块上电复位后系统处于键盘管理状态，其功能是监测键盘输入，接收温度预置和启动键。键盘管理子程序流程图如图4-3所示。定义堆栈区定义堆栈区定时器0、软定时器、各数据缓冲区、各标志位初始化调用键盘管理子程序启动键闭合时返回开定时器0中断等待定时中断开始重装定时器0初值软定时器减1重置软定时器初值调用温度检测子程序当前温度显示缓冲区调显示子程序调用温度控制子程序YN保护现场中断返回15s到图4-1主程序流程图图4-2中断服务子程序流程图预置温度预置温度→显示缓冲区预置温度合法检查调用显示子程序调用显示子程序延时去抖返回启动加热100→A10→A1→AA+预置温度→预置温度数据区NYNYNYNNNYYYYAAP1.1=0P1.2=0P1.3=0P1.0=0键释放N有键闭合有键闭合图4-3键盘管理子程序流程图4.4模数转换模块启动ADC0809对模拟输入信号进行转换通过判断EOC来确定转换是否结束，若EOC为0，则继续等待；若EOC为1，则把EOC置位，将转换完成的数据存储，完成模拟信号到数字信号的转换。ADC0809CLK接89C52的ALE，即要求从ALE输出CLK信号供ADC0809使用，因此用软件来产生CLK信号。A/D转换子程序流程图如图4-4所示。选A/D通道选A/D通道启动A/D转换等待转化结束读A/D结果开始显示读到的结果图4-4A/D转换子程序流程图4.5显示模块显示子程序采用静态扫描的方法实现四位数码管的显示。测量数值放在相应存储单元中，在显示时需要经过转化为BCD码并存储，在循环显示出来。显示子程序流程图如图4-5所示。图4-5显示子程序流程图4.6PID温度控制算法程序在第1章1-4节中我们已建立温度控制数学模型：（4-1）对于这样一个大惯性、具有延滞环节的一阶系统，我们完全可以用计算机来模拟连续调节系统中的PID控制算法，组成数字控制器，来达到设计要求，这样的系统，参数可以在线调整，PID算式可得到改造而更加完善。根据第2章PID控制系统的研究，本系统采用增量式PID控制算法，其算式可参见第2章（2-6）算式。控制模块工作过程为：单片机每隔固定时间将现场温度与设定目标温度的差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定加热器功率大小。如现场温度与目标温度的偏差大则电压导通个数多，加热器功率大，使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则电压导通个数小，加热电路加热功率减少，直至目标值与实测值相等，形成一个闭环系统。PID温度控制算法程序流程图如图4-6所示。被被控对象A/D光耦和继电器从A/D读取数据求计算控制增量将将控制量输出给控制电路为下一时刻做准备yy(k)△u(k)否程序初始化采样时间到？图4-6PID温度控制算法程序流程图增量式PID控制子程序如下：typedefstructPID{doubleSetPoint;//设定目标DesiredValuedoubleProportion;//比例常数ProportionConstdoubleIntegral;//积分常数IntegralConstdoubleDerivative;//微分常数DerivativeConstdoubleLastError;//Error[-1]doublePrevError;//Error[-2]doubleSumErrors;//SunsofErrors}PID;doublePIDCalc(StructPID*pp，doubleNextPoint){doubledError,Error;Error=pp->SetPoint-NextPoint;//偏差pp->SumError+=Error;//积分dError=pp->SumError-2*pp->LastError+pp->PrevError;//当前微分pp->PrevError=pp->LastError;pp->LastError=Error;return(pp->Proportion*Error//比例项+pp->Integral*pp->SumError//积分项+pp->Derivative*dError//微分项﹚；｝

结论高温烧结炉温度控制作为过程控制的典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有非线性。目前国内高温烧结炉的控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。采用这些控制方法的系统稳定性不好，超调量大，同时对外界环境变化响应慢，实时性差。另外，频繁的开关切换对电网产生很大的冲击，降低了系统的经济效益，减少了锅炉的使用年限。本文采用单片机为控制核心，不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标。在深入研究了高温烧结炉控制系统的特点后，针对原有控制系统的硬件设备和软件程序的不足，提出了一套智能化的温度控制策略，全程跟踪温度的变化。结合经典的PID控制算法，将操作人员感性的、模糊的操场过程数字化、模块化，设计出完整的PID温度控制程序。在课题研究期间，本人在该课题的研究过程中主要完成以下几个方面的工作：（1）阅读了大量的相关文献，在分析了高温烧结炉特点和特性后，我详细研究烧结炉的温度控制模型，最后建立了数学模型，为确定控制策略选择打下基础。而且我通过参考现在流行的各种烧结炉的控制方式，最后选择单片机AT89S52结合经典PID来完成该控制的研究。（2）本文对深入探讨了PID控制系统，详细介绍了PID控制策略，结合控制系统的数学模型，确定采用增量式PID控制算法，并且查找资料对PID算法进行编程处理。除此外，我花费大量时间去研究整个系统的硬件设计。整个系统硬件包括：温度检测、信号放大、AD转换、按键控制、数码显示、控制电路。其中温度检测和控制电路的设计是第一探讨。特别是如何利用光耦和继电器来控制输出，我进行了认真思考，在查找大量资料基础上，完成它的硬件设计。对于软件设计方面，我把重点放在从未涉及的PID算法的编程。在起初，我很模糊，不知如何下手。但经过不断专研，我逐步掌握PID算法的编程。我在查阅关于烧结炉温度控制系统的设计资料时，发现了本设计仍然存在许多不足之处可以改进：（1）由于高温烧结炉温度控制模型是一个大惯性大延迟而且伴有非线性的系统，因此，仅采用经典PID并不能很好完成控制任务，甚至出现比较大的误差。如此若采用模糊PID复合控制，效果会更好。模糊PID控制是以模糊集合化、模糊语言和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，从线性控制到非线性控制的角度分类，它属于非线性控制；从控制器的智能性看，它属于智能控制范畴。它不需要用精确的公式来表示传递函数或状态方程，而是利用具有模糊化的语言控制规则来描述控制过程。实际应用中，最重要的是建立合理的模糊决策控制表，即将输入量通过模糊化的方法变为输入变量模糊子集的隶属函数值，然后根据模糊控制规则进行模糊推理，得出输出变量模糊子