vq基于AT89C51单片机的电加热炉温度控制系统的设计.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流vq基于AT89C51单片机的电加热炉温度控制系统的设计.精品文档.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院 级:机电工程学院2011级专业班级:机械电子工程1班姓 名:郑冬冰学 号:201110834138指导教师:梁坚完成日期:2014年6月22日摘 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
2、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 温度控制目
3、 录1 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21.3 课题的建立以及本文完成的主要工作32 总体方案设计42.1 总体方案的确定42.2 系统组成53 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93.2 PID算法介绍103.2.1 PID算法的数字化103.2.2 PID算法的运用113.3 小结124 系统硬件设计144.1 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
4、.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 系统软件设计215.1 Protues7软件概况215.2 WAVE6000软件简介235.2.1 软件概况235.2.2 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315.5.2 软硬连调315.6 小结326 课题特点336.1 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 结论34参考文献35附 录37致 谢50电加热炉温度控制系统的设计
5、1 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,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
6、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
7、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.
8、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
9、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
10、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
11、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)
12、。 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
13、的总体,它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制,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 课题的建立以及本文完成的主要工作本文主要包括以下内容:1以单片机为核心,建立自动控制系统,构建按键、采样、显示以及输出等外围电路,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
14、整个功能,设计出符合实际要求的系统。2 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
15、反馈回路产生振荡,对自动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、允许被控量在一定范围内变化的系统。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
16、性降低。虽然加大比例度可以使稳定性提高,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、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求。但从以
17、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泛的应用。由于本例是一
18、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及提供完善的人机交互界面及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)。3 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数据存储器,以及输入输出设备相连接的I/O接口电路,微型计
19、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、内部寄存器规范、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字节内部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,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持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
20、行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,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所示图1 单片机引脚图其各引脚的功能如下VCC:供电电压。 GND:接地。 P0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。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能
21、接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的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,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。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,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其
22、特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,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
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