基于单片机的炉温温度控制系统设计说明.doc
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1、摘要在工业生产过程中,往往需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉的温度进行检测和调节,因此需要一种合适的系统对其温度进行精确控制。由于单片机具有低功耗、高性能、可靠性好、易于产品化等特点,因此采用单片机对温度进行控制不仅节约成本,控制方法灵活多样,并且可以达到较高的控制精度,从而能够大大提高产品的质量,因此单片机被广泛应用在中小型控制系统中。自动控制技术尤其是温度控制技术在国外得到广泛的应用和发展。时滞效应始终困扰着其实际应用,为此人们发明了多种控制方法来解决时滞问题,例如比例控制方式、DDC控制方式。本文将针对一种温度控制方式进行学习,并设计一个以AT89S52单片机为核心、利用新型集成化智能1
2、-Wire总线数字温度传感器DS18B20实现的温度采集控制系统,同时还阐述了直接数字控制(DDC)控制算法。本系统按照模块化程序设计思想,完成了对系统软件部分的设计,给出了各个功能模块的设计思想和流程图。温度采集控制系统不但能够准确地进行温度数据的采样转换,稳定进行升温、恒温的控制过程,而且可以记录温度时间对应关系,并以现今广泛使用的液晶显示器作为输出设备,使数据读取更加直观。现场仿真表明,该系统在测试过程中工作稳定,满足设计要求。本设计采用以8位AT89S52单片机作为系统的CPU。使用电加热器升温,配合键盘输入,液晶显示器显示。具有硬件结构简单、人机界面友善、管理功能健全、系统可靠性高、
3、记录数据准确、使用维护方便等优点。关键字:温度采集系统; 单片机; DS18B20; 温度控制The Design of Furnace Temperature Control System Based on Single Chip MicrocomputerAbstractIn the industrial production process, often require various types of furnace, heat treatment furnace, reactor temperature detection and regulation, so it needs a
4、proper system of precise control of its temperature. as low power consumption single chip, high performance, reliability, easy-to-market commodity and so on, so to control the temperature using SCM not only save on cost, control method of flexible and diverse, and can achieve higher precision, which
5、 can greatly enhance the quality of the product, so SCM is widely used in the Small control system. The automatic control technique is a temperature particularly controls technique at domestic and international get the extensive application with develop. Time postpone effect perplex always in fact o
6、n the occasion of applied, for this person invents various controls method to resolve the problem of Time postpone. This paper introduces a design of temperature data acquisition system based on single-chip AT89S52. The system collects temperature data through 1-Wire Digital Thermometer DS18B20, and
7、 the control algorithm of DDC parameters is presented.This system according to mold a design for turning procedure design toughing, completing to system software part of designs, giving each function mold piece thought with flow chart. A function temperature control system can proceed accurately the
8、 data adopts the kind converts, stabilizing the proceeding heat, the control process of the constant temperature, and can satisfy completely to the request of the system accuracy. and can show them to the operators by the way of the Liquid Crystal Display. This system used the present the usage the
9、LCD and actions output equipments, make data kept the view more. The results of the simulation show that the system works stably and meets the expected design requirements.The temperature data acquisition and control system adoption with 8 bit AT89S52 single a machine for system CPU. The usage elect
10、ricity heating apparatus heats, matching with the keyboard importation, displays with the LCD. It has simple structure, high system reliability, and the data recorded are reliable and the operation and maintenance are convenient.Key words: temperature data acquisition system; single-chip; DS18B20; t
11、emperature control 19 / 65目录1 绪论11.1 课题背景11.2 选题的目的和意义21.3 炉温控制的国外研究现状与发展趋势21.4 本系统的任务和本文的主要容42 系统总体分析与设计52.1 系统方案选择52.1.1 主控芯片单片机的选型52.1.2 温度传感器的选择52.2 系统的组成和工作原理62.3 系统主要元件介绍72.3.1 AT89S52单片机简介72.3.2 1602液晶显示器102.3.3 DS18B20数字温度传感器142.3.4 固态继电器182.4 本章小结193 硬件系统设计203.1 单片机的最小应用系统203.2 温度采集转换系统213.
12、3 升温驱动控制系统223.4 键盘显示系统233.5 报警系统253.6 系统电源模块263.7 本章小结274 软件系统设计284.1 软件总体设计284.2 系统初始化函数294.3 控制函数304.4 读温度子程序314.5 键盘显示函数324.6 时间函数334.7 本章小结345 系统的调试与仿真355.1 软件调试355.2 硬件调试365.3 本章小结376 结论38致39参考文献40附录11附录2181 绪论1.1 课题背景与时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制,在许多工业场合中都是重要的环节。温度的变化影响各种系统的自动运作,例如冶金、机械、食品、化工各类工业中,广泛使
13、用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等,对工件的处理温度要求严格控制1。对于不同控制系统,其适宜的温度总是在一个围。超过这个围,系统或许会停止运行或遭受破坏,所以我们必须能实时获取温度变化。对于,超过适宜围的温度能够报警。同时,我们也希望在适宜温度围可以由检测人员根据实际情况加以改变。单片机对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法。从1976年Intel公司推出第一批单片机以来,80年代单片机技术进入快速发展时期,近年来,随着大规模集成电路的发展,单片机继续朝快速、高性能方向发展。单片机主要用于控制,它的应用领域遍与各行各业,大到航天飞机,小至日常生活中的冰箱、彩电,单片机都可以大显其能。单片机
14、将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路,本身即是一个小型化的微机系统2。单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以与数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合,使得单片机的应用非常广泛。同时,单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管理和控制,使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、部配线少、成本低、制造、安装、调试与维修方便3。随着电视监视器材、计算机技
15、术的日益发展,图形监视系统在电视系统或监控场所得到了广泛地应用。用图形来实时显示被控对象(摄像机、终端设备等)在操作过程中的状态,具有清晰明了、形象直观且可以与时处理反馈信息。它比数字仪表包含的信息量大得多,因此使现场监控人员的工作方式得到了改进,效率也由此得到了很大的提高。现场电视监控系统由实时控制系统、监视系统与管理信息系统组成。实时控制系统完成实时数据采集处理、存储、反馈的功能;监视系统完成对各个监控点的全天候的监视,能在多操作控制点上自动或手动切换多路图像,能遥控前端设备,能使摄像镜头自动对焦等;管理信息系统完成各类所需信息的采集、接收、传输、加工、处理,是整个系统的控制核心。目前的图
16、形实时监控软件通常用VC或VC+开发,它具备编译各种可视化程序的功能,可以使计算机通过监控界面达到对被控对象的各种实时操控4。电炉是把炉的电能转化为热量对工件加热的加热炉,同燃料炉比较,电炉的优点有:炉气氛容易控制,甚至可抽成真空;物料加热快,加热温度高,温度容易控制;生产过程较易实现机械化和自动化;劳动卫生条件好;热效率高;产品质量好;且更加环保对与日趋严重的环境问题是一个很好的产品等。冶金工业上电炉主要用于钢铁、铁合金、有色金属等的熔炼、加热和热处理5。19世纪末出现了工业规模的电炉,20世纪50年代以来,由于对高级冶金产品需求的增长和电费随电力工业的发展而下降,电炉在冶金炉设备中的比额逐
17、年上升。电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备,它在机械、冶金等行业的生产中占有十分重要的地位6。对电阻炉温度控制的好坏直接影响工艺要求的温度水平和加热质量,以致直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标,所以本文研究电炉炉温的控制。1.2 选题的目的和意义随着社会的发展,科技的进步,以与测温仪器在各个领域的应用,智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。温度测试控制系统,控制对象是温度。温度控制在日常生活与工业领域应用相当广泛,比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视,其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外7。温度是生产过程和科学实验中非常普遍
18、而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中,为了高效地进行生产,必须对生产工艺过程中的主要参数,如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制,其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例8。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。如冶金工业的加热炉、电力工业的锅炉、化学工业的反应炉等设备,通过对温度的监控,保证产品的质量;即使日常生活中的微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器也同样需要温度监控。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域,所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的8。因此,本课题以电炉炉温为研究对象,以单片机为主要硬件平台,编制基于智能化的温控软件,对电机上的
19、绝缘漆进行烘干的电阻炉温度实时监视控制系统,以提高控制精度,达到控制要求,从而提高企业效益。1.3 炉温控制的国外研究现状与发展趋势电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备,它在机械、冶金等行业的生产中占有十分重要的地位。对电阻炉温度控制的好坏直接影响工艺要求的温度水平和加热质量,以致直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标,所以国外关于电阻炉自动控制的研究一直备受重视,发展比较快,也取得了较为丰硕的成果。总的来说,电阻炉温度控制技术的发展可分为以下几个阶段9:(1)经典控制技术阶段。第一阶段时间为20世纪4060年代,称之为“经典控制”时期。在60年代以前,一些设备齐全的大型工业电阻炉除了配置
20、一些监测仪表外,还设置PID调节器,以经典控制理论为依据,实现单个参量的自动调节。(2)现代控制技术阶段。第二阶段时间为20世纪6070年代,称之“现代控制技术”时期。国际上,主要采用系统辨识、最优控制、自适应控制等控制技术对炉温进行控制,如美国Conshohochen厂在六七十年代曾在轧机控制中,引入在线参数估计机制和离散化模型,通过运用广义最小方差控制策略建立相应的冶金加热炉自适应控制系统。(3)智能控制技术阶段。第三阶段时间为20世纪70年代末至今。七十年代末,电阻炉温度控制技术已经基本成熟,逐渐向“智能控制”和“复杂系统控制”的方向发展。近20年来,模糊控制技术、神经网络控制、遗传算法
21、等智能控制技术发展较快,并且在炉温控制系统中都有所应用。如日本三菱电机公司在1998年开发了MACTUS 210系列的模糊PID自校正调节器。这类控制器用模糊控制规则和推理,去优化PID控制器的参数,有较强的适应性,但调节过程复杂。日本山武、霍尼韦尔公司在1995年开发出了商品化的SDC30系列智能型数字调节器,由人工神经元和模糊控制来整定PID控制器参数10。由于我国改革开放的发展,国引进和生产了一些比较先进的控制设备,但是从整体上讲,我们的电阻炉温度控制技术比国外发达国家要落后四、五十年,一些中小型企业的控制技术仍以模拟仪表系统控制为主导地位,这种系统的控制参数由人工选择,需要配置专门的仪
22、表调试人员,费时、费力且不准确,一旦生产环境发生变化就需要重新设置。控制不方便,控制精度不高,从而造成产品质量低、废品率真高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低等,这些都缩减了企业的效益。随着微机控制技术的发展,用微机构成构成计算机控制系统,具有较高的可行性和经济价值。但是,目前国的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统,且大多硬件均是国外进口的,投资成本很高。所以,我们要好好学习先进控制技术,争取早日赶超国外那些发达国家。要达到控制要求,提高控制精度,保证产品质量,降低废品率,从而增加企业效益。1.4 本系统的任务和本文的主要容a.本系统所要完成的任务是:(1)能够实时、准确的采样
23、温度值的变化。采样温度围是-55+125。(2)能够以DDC控制方式,进行升温、恒温过程。升温是要用固态继电器控制加热,控制对象是电机绝缘漆的烘干温度,所以恒温控制在一百度。(3)更加人性化的设计。上、下限温度能够用户输入并显示。声音、警报灯的报警功能等。初始的上限和下限分别是是30和10。b.本文的主要容是:(1)温度控制系统硬件的设计炉温控制系统硬件设计主要包括AT89S52单片机、温度传感器温度采集模块、温度控制模块、显示模块、按键输入设定模块、声光报警模块的介绍。(2)温度控制系统软件的设计借助Keil C51开发工具,以C语言为开发语言,开发了单片机系统的温度检测与控制程序模块、对温
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