基于单片机的加热炉炉温控制系统设计

目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2发展现状 2
1.3研究主要内容 3
第2章加热炉炉温控制系统总体方案设计 4
2.1总体方案的确定 4
2.2加热炉炉温控制系统组成 5
第3章加热炉炉温控制系统技术和算法介绍 6
3.1 AT89C51简介 6
3.1.1单片机的引脚介绍 6
3.1.2单片机的存储结构 8
3.2 PID算法介绍 10
3.2.1 PID算法的数字化 10
3.2.2 PID算法的运用 11
第4章加热炉炉温控制系统硬件设计 13
4.1加热炉炉温控制系统概况 13
4.2功能模块 13
4.2.1单片机控制模块 13
4.2.2数据转换与采集模块A/D0808 14
4.2.3按键选择模块 15
4.2.4显示模块 15
4.2.5报警模块 16
4.2.6输出模块 16
4.3总体方案的实现和元器件清单 17
4.3.1加热炉炉温控制系统的整体设计 17
4.3.2元器件清单 18
第5章加热炉炉温控制系统软件设计 19
5.1 Protues7软件概况 19
5.2 WAVE6000软件简介 21
5.2.1软件概况 21
5.2.2程序界面 21
5.3子程序设定 22
5.4程序流程 22
5.5程序仿真调试 29
5.5.1 WAVE6000仿真调试 29
5.5.2软硬连调 29
总结 31
参考文献 32
附录 33
致谢 47
第2章加热炉炉温控制系统总体方案设计
2.1总体方案的确定
由于炉温控制加热炉炉温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，对自动控制加热炉炉温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加热炉炉温控制系统对控制精度的要求。因此，这种控制方案一般在大惯性加热炉炉温控制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加热炉炉温控制系统。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，但加热炉炉温控制系统的稳定性降低。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加热炉炉温控制系统，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加热炉炉温控制系统。
结合本例题设计任务与要求，由于温度加热炉炉温控制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加热炉炉温控制系统对控制品质的要求。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加热炉炉温控制系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。因此本加热炉炉温控制系统可以采用PID的控制方式，以最大限度地满足加热炉炉温控制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加热炉炉温控制系统组成
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加热炉炉温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加热炉炉温控制系统，在过程控制过程中得到越来越广泛的应用。
由于本例是一个典型的检测、控制型应用加热炉炉温控制系统，它要求加热炉炉温控制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炉温控制的全过程。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加热炉炉温控制系统，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加热炉炉温控制系统（DDC）。