电阻炉模糊PID温度控制系统的设计.docx

第一章绪论1引言随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。模糊PID单片机温度控制系统，是利用单片机作为系统的主控制器，测量电路中的温度反馈信号经A/D变换后，送入单片机中进行处理，经过模糊PID算法后，单片机的输出用来控制可控硅的通断，控制加热炉的输出功率，从而实现对温度的控制。本设计运用MCS-51系列单片机集中的8051单片机为主控制器，对加热炉的温度进行智能化控制，最终通过软件设计来实现人机对话功能，实现对加热炉的温度控制。本设计主要介绍模糊PID单片机温度控制系统，内容主要包括：采样、滤波、键盘显示、加热控制系统，单片机MCS-51的开发及系统应用软件的开发等。全文共分四章。第一章绪论介绍相关技术发展，系统设计概述及设计要求，方案论证。第二章硬件电路的设计介绍主控电路核心MCS-51单片机AT80C51的基本结构和配置以及一些子模块的设计。第三章典型芯片的介绍MAX6675包括了A/D采样技术和数字滤波技术。第四章软件设计介绍以模糊PID为主的温度控制算法及系统加热控制系统。第五章主要是系统软件编程。2单片机技术现状与发展单片机又称为微控制器（Microcontroller），是把中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、定时器/计数器、I/O接口电路等部件集成在一块芯片上的微型计算机。自问世以来，性能不断提高和完善，加之具有控制能力强、体积小、功耗小；成本低、开发周期短、集成度高；速度快，指令周期为μS级；功能强，有丰富的内置资源；易于商品化，多数厂商提供配套外围借口芯片；抗干扰能力强等优点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算机、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统，数字单片机的位数越来越多，精度也越来越高。另外，在需要极高响应速度的控制场合，还出现了模糊单片机，它是专门执行模糊逻辑信号的器件，具有极高的模糊推理速度。今天，还出现了不少高级语言的开发工具，这些系统经过仿真可在更高的开发平台上进行快速的开发，为单片机的广泛应用铺平了道路。所以，在未来的社会主义工业化建设中，单片机无疑会发挥更大的作用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。3系统设计概述及设计要求采用单片机为控制核心器件，选择合适的传感器对电阻丝加热炉温度进行测量，并采用模糊PID控制算法使其保持在某一设定的温度值。温度值可由键盘设定，并在LED显示器上显示。具体要求如下：温度范围为500℃—1500℃系统有必要的保护和报警温度值有显示误差范围≤1℃4方案论证4.1总体方案比较与论证方案一：采用CPLD作为主控制器控制外围电路进行温度测量、键盘和LED控制、报警控制。方案二：K型热电偶（镍铬-镍硅）作为测温传感器,AD574芯片作数模量转换芯片,用继电器对电阻炉加热进行控制。采用PID控制算法对温度进行控制，比较以上两种方案的优缺点：方案一逻辑电路复杂，且灵活性较低，不利于各种功能的扩展，而且开发成本很高。方案二简洁、灵活、可扩展性好，能完全达到设计要求。通过大量的资料的查找与对比采用第二种方案较好。故采用方案二。4.2典型模块电路的设计方案与比较4.2.1温度检测方案方案一：利用热释电红外传感器（探测器）进行非接触式红外测温的原理、红外测温系统结构和信号处理电路的组成，目的是实现对移动物体的非接触式温度测量。以此为基础，组装了一套微机红外测温实验装置，用该装置测定了目标表面温度变化规律。在大约190℃测量精度达到最高，其残差为9.5。但是在测定高温时误差大，而且系统的造价高。方案二：选用K型热电偶（镍铬－镍硅），具有线性度好、测温范围适中、输出电动势大、价格便宜等特点。另外，为保证检测精度，采用补偿导线法对热电偶进行冷端补偿。4.2.2键盘显示方案方案一：采用独立按键按口，这种方式是各种按键相互独立，每个键各按一根输入线，一根输出线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。所以通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个键按下。独立式按键电路配置灵活、软件简单，但是每个键占一根输入口线，在按键数较多时需要较多的输入口线且电路结构简