基于单片机的电阻炉炉温控制系统解析
基于单片机的电阻炉温度控制系统设计
基于单片机的电阻炉温度控制系统设计一、引言电阻炉是一种广泛应用于工业生产中的加热设备，其温度控制的准确性对于工艺过程的稳定和产品质量的保证至关重要。
本文将基于单片机设计一个电阻炉温度控制系统，通过采集温度传感器的信号，用单片机控制加热器的工作状态，实现对电阻炉温度的精确控制。
二、系统结构设计本系统由四个模块组成：温度采集模块、温度控制模块、显示模块和控制模块。
1.温度采集模块：使用一个高精度的温度传感器，如PT100，将电阻炉内部的温度转化为电压信号。
该信号经过模拟转数字转换器（ADC）转换为数字信号，传输给单片机。
2.温度控制模块：根据温度采集模块传输的信号，单片机通过PID算法计算出控制值，并输出PWM信号控制加热器的工作状态。
PID算法可根据实际情况进行参数调整，以达到系统稳定的控制效果。
3.显示模块：采用数码管或液晶显示器显示当前电阻炉的温度值，方便操作员实时监测电阻炉的运行状态。
4.控制模块：可以通过按钮或者触摸屏等方式进行设定和调整控制参数，例如设定温度范围、PID参数调节等。
三、系统工作原理1.系统初始化：单片机启动后，进行相应的外设初始化和参数设定，包括温度采集模块的配置、PID参数的设定、显示模块的显示等。
2.温度采集与转换：通过温度传感器采集电阻炉内部的温度信号，将其转化为模拟电压信号。
利用ADC将模拟信号转换为数字信号，并传输给单片机进行处理。
3.PID算法计算：单片机根据采集到的温度值，通过PID算法计算出控制值。
PID控制算法通常包括比例系数（P）、积分系数（I）和微分系数（D）三个参数的调整，根据实际情况进行调节以达到控制精度和稳定性要求。
4.PWM输出控制：根据PID算法计算得到的控制值，单片机输出对应的PWM信号。
该信号通过驱动电路控制加热器的工作状态，调整和维持电阻炉的温度。
5.温度显示：单片机将当前的温度值通过显示模块进行显示，使操作员能够实时监测到电阻炉的温度。
基于单片机的电阻炉温度控制系统
基于单片机的电阻炉温度控制系统基于单片机的电阻炉温度控制系统是一种应用于工业领域的温度控制系统，它能够实时监测电阻炉的温度，并根据设定的温度范围进行自动控制，以保持电阻炉的温度稳定在设定值附近。
本文将详细介绍该系统的设计原理、硬件设计和软件设计等方面。
1.设计原理电阻炉温度控制系统的基本原理是通过采集电阻炉的温度信号，然后与设定温度进行比较，最后通过控制电阻炉的加热元件来实现温度的控制。
系统的主要部件包括温度传感器、模拟信号处理电路、ADC转换模块、单片机、继电器等。
2.硬件设计硬件设计主要包括电路原理图设计和PCB设计，其中电路原理图设计包括电源部分、传感器接口部分、显示部分、通信接口部分和控制部分。
PCB设计是将电路原理图转化为PCB布局和制作过程。
3.软件设计软件设计是整个系统的核心部分，它主要包括单片机程序设计和人机界面设计。
单片机程序设计主要包括温度采集、温度比较、控制算法和输出控制等功能代码的编写。
人机界面设计是通过LCD显示屏、按键和喇叭等组件来与用户进行交互，包括温度设定、温度显示和报警等功能。
4.系统调试和优化系统调试是在硬件和软件设计完成后进行的一系列测试和优化工作，包括电路板的组装和连接、功能的测试和调试等。
对于系统的稳定性和准确性进行优化和改善，如增加滤波电路来提高温度信号的稳定性、使用PID控制算法来提高温度控制的精度等。
5.系统应用该系统可以广泛应用于电子厂、化工厂、冶金厂等工业领域，用于实现电阻炉的精确温度控制。
通过控制电阻炉的温度，可以保证产品质量和生产效率，避免过热或过冷对生产过程的影响。
总结：基于单片机的电阻炉温度控制系统是一种应用广泛的温度控制系统，通过实时监测电阻炉的温度，并根据设定的温度范围进行自动控制，可以稳定地保持电阻炉的温度在设定值附近。
该系统的设计原理、硬件设计和软件设计都有较为详细的介绍和说明，为实现电阻炉的精确温度控制提供了可行的方案。
如有兴趣，欢迎了解。
毕业设计基于单片机的电阻炉温度控制系统设计
基于单片机的电阻炉温度控制系统设计摘要电阻炉作为工业炉窑中的一种常用加热设备被广泛应用于工业生产中。
对电阻炉温度控制精确与否将直接影响到产品的质量和生产效率。
电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。
本文将PID控制算法引入到传统的电阻炉控制系统中，借此提高其控制效果。
设计一个控制精度高、运行稳定的电阻炉温度控制系统是很有必要的。
本设计是以电阻炉为被控对象，单片机为核心设计的一种控制系统。
其中以K型热电偶作为温度传感器，STC89C52单片机为控制核心，PID运算规律作为控制算法。
文中详细介绍了该控制系统的硬件电路设计、软件设计及PID控制算法。
在对电阻炉温度控制系统的研究之后，本设计主要完成温度控制系统的总体方案设计、硬件原理图的绘制、信号调理电路的设计、固态继电器的应用及温度控制电路的设计同时也完成了系统程序设计，并通过软件完成了对温度的控制功能。
关键词：电阻炉；温度控制；PID算法；单片机The design of resistor furnace temperature control systembased on singlechipAbstractResistance furnace was widely used in industrial production, the effect of the temperature control of Resistance furnace has a direct impact on product quality and productivity.Therefore, the design of a high-precision control and stable operation of the resistance furnace temperature control system has a high application value.In this design , the resistance furnace as a controlled object, singlechip as the design of a control unit.Which type of thermocouple temperature sensor as K, STC89C51 microcontroller as control core and PID control algorithm for operation rule. This paper introduces the control system of the hardware circuit design, software design and the PID control algorithm.On the resistance furnace temperature control system, the design of the main completed the overall scheme of the temperature control system design, hardware circuit principle diagram, the signal of circuit, the application of solid state relays and temperature control circuit design of the system，meanwhile finish the program design, through the software control to complete the function of temperature control.Key words: resistance furnace; temperature control; PID control;single-chip microcomputer目录摘要 (I)Abstract (II)目录 ...................................................................................................................................... I II 第一章绪论 (1)1.1课题研究的背景及意义 (1)1.2国内外研究概况及发展趋势 (2)1.3智能温度控制技术的发展 (2)1.3.1 PID控制 (2)1.3.2 模糊控制 (4)1.3.3 模糊自整定PID控制 (5)1.3.4 神经网络控制系统 (5)1.3.5 专家控制系统 (6)第二章电阻炉温度控制系统总体方案设计 (8)2.1基于虚拟仪器的电阻炉温度控制 (8)2.2基于PLC的电阻炉温度控制 (8)2.3单片机与FPGA综合实现电阻炉的温度控制 (9)2.4基于单片机的电阻炉温度控制系统 (10)第三章硬件电路设计 (12)3.1温度检测电路 (12)3.1.1 温度传感器 (12)3.1.2 冷端温度补偿 (13)3.2 放大电路 (13)3.3 ADC0832简介 (15)3.3.1ADC0832引脚如图 (15)3.3.2单片机对ADC0832 的控制原理 (16)3.4 STC89C52单片机 (18)3.4.1单片机简介 (18)3.4.2管脚说明 (19)3.4.3单片机的复位电路 (21)3.4.4单片机的晶振电路 (22)3.5人机接口电路 (22)3.5.1 LCD液晶显示 (22)3.5.2 键盘 (26)3.6温度控制电路固态继电器及应用 (27)3.7报警电路 (29)第四章软件设计 (30)4.1主程序设计 (30)4.2 子程序设计 (31)4.2.1 A/D采样子程序 (31)4.2.2线性化 (31)4.2.3标度变换 (32)4.2.4键盘子程序 (34)4.2.5显示子程序 (34)4.2.6 PID子程序 (35)4.2.7 PWM控制子程序 (38)第五章系统调试 (41)总结 (44)参考文献 (45)附录A 硬件原理图 (47)附录B 源程序 (48)致谢 (60)第一章绪论1.1课题研究的背景及意义随着社会的发展，自动控制越来越成受到人们关注,自动调节电阻炉温度系统得到了广泛的应用。
基于单片机的电阻炉温度控制系统的设计
基于单片机的电阻炉温度控制系统的设计一、本文概述Overview of this article本文主要探讨基于单片机的电阻炉温度控制系统的设计。
随着工业自动化的不断发展，电阻炉作为常见的加热设备，其温度控制精度和稳定性对生产效率和产品质量具有至关重要的影响。
传统的电阻炉温度控制方法往往存在精度低、稳定性差等问题，难以满足现代工业生产的需求。
因此，设计一种基于单片机的电阻炉温度控制系统，具有重要的实用价值和应用前景。
This article mainly explores the design of a temperature control system for a resistance furnace based on a microcontroller. With the continuous development of industrial automation, resistance furnaces, as common heating equipment, have a crucial impact on production efficiency and product quality due to their temperature control accuracy and stability. Traditional temperature control methods for resistance furnaces often have problems such as low accuracy and poor stability, making it difficult to meet the needs of modernindustrial production. Therefore, designing a temperature control system for a resistance furnace based on a microcontroller has important practical value and application prospects.本文将首先介绍电阻炉温度控制系统的基本原理和要求，包括温度控制的重要性、温度控制方法的分类和特点等。
基于单片机的电阻炉温度控制系统设计
关键词：单片机；温度传感器；可控硅；温度控制
Design
Abstract
Various types of furnace, heat treatment furnace, reactor temperatureare detected and regulatedin the industrial production processes,sotheyneed a proper system of precise controlfortheirtemperature.The single chip microcontroller(SCM)havemany advantages, suchas low power consumption, high performance, reliability, easy-to-market commodity and so on. Sothe temperaturecontrolled bySCMhas lowcost,flexible and diversecontrol method and higher precision, which can greatly enhance the quality of the product.
Keywords:SingleChipMicrocontroller;Temperaturesensor;Silicon-controlledrectifier;Temperature control
1
1.1
及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，水温的变化影响各种系统的自动运行，例如冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的水处理温度要求严格控制。对于不同控制系统，其适宜的水质温度总是在一个范围。超过这个范围，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水温变化。对于超过适宜范围的温度能够统设计
毕业设计---基于单片机的电阻炉温度控制系统
摘要随着社会的发展，自动控制越来越成为人们关注的焦点,自动调节电阻炉温度系统也备受关注--。
其中微机及其应用已经成为高、新科学技术的重要内容和标志之一，它在国民经济的各个领域正在发挥着引人注目的作用。
微机控制的电阻炉温度控制系统实际上就是一个智能控制系统，是一种能耗相对来说比较低的温度控制系统。
本人采用AT89C51单片微机对电阻炉的加热过程进行控制。
使用热电偶作为温度传感器把热信号转变成电信号，电信号再经过放大，经过模数转换再输入到CPU。
控制器采用PID控制算法，温度控制的原理是通过调整晶闸管的导通时间来调节加热主回路的有效电压,从而达到温度控制的目的。
系统由AT89C51单片微机、温度传感器、A/D转换器、键盘及显示电路、晶闸管触发电路等组成的控制器和被控对象电阻炉构成一个闭环控制系统［1］。
系统控制程序采用模块化设计结构，主要包括主程序、中断服务子程序、控制算法子程序等。
系统采用过零触发等技术，省去了传统的D/A转换元件，简化了电路，并且提高了系统的可靠性。
同时，系统可以实时控制电阻炉的实际温度。
关键词：AT89C51；热电偶；晶闸管； PIDABSTRACTWith the development of the society，the autocontrol becomes more and more important.The autocontrol of the resistance furnace is highly anticipated.Microcomputer and its application has become one of the most important contents and signs in the field of High-scientific technology and new scientific technology, which plays an attractive role in every field in our national economy.As a matter of fact, Resistance Temperature Control System which is operated by microcomputer is an Intellectual Control System.In other words，it is a Temperature Control System which consumes less than others.The AT89C51 single microcomputer is adopted to control the heating process of resistance，use as a temperature transducer to turn the heating single into electing single，enlarge the electrical single，transformed through simulate numbers，then input CPU.Controllers use PID control calculation.The principle of temperature control is to adjust and heat the effective voltage of the main circuit through regulate the diversified time of transistor，therefore，it carries out the purpose of controlling the temperature.System as controlled resistance makes up an cycle control system.Control procedure of system adopts the structure of designing module，including main procedure，subsiding of suspending serves and subsidiary of control calculation etc.System adopt A.C、passes through zero etc technologies，omit traditional D/A transform components，simplify the circuit，and improve the dependability of system.Meanwhile，system also can control the real temperature of resistance at the right moment.Keywords：AT89C51；thermocouple；thyristor；PIDII目录第一章绪论 (1)1.1课题研究的背景及意义 ............................................................. - 1 -1.2 国内外研究现状 ........................................................................ - 2 -1.3 本文的主要内容 ........................................................................ - 3 - 第二章电阻炉温度控制系统总体设计方案 .......................................... - 4 -2.1系统原理 ..................................................................................... - 4 -2.2方案比较 ..................................................................................... - 6 -2.3系统方案的论证 (6)第三章系统硬件设计 (8)3.1 温度检测电路 (8)3.1.1 热电偶冷端温度补偿 (9)3.1.2 测量放大电路 (9)3.1.3 保护电路 (10)3.2 单片机的选型 .......................................................................... - 10 -3.3 EEPROM存储器的扩展设计 ..................................................... - 11 -3.4 A/D转换电路设计 (13)3.4.1隔离放大器的设计 ....................................................... - 14 -3.4.2 DAC7521数模转换接口 ............................................... - 16 -3.5 键盘及显示电路设计 (16)3.5.1 键盘接口电路设计 (16)3.5.2 显示电路设计 .............................................................. - 18 -3.6 可控硅调功控温 ...................................................................... - 18 -3.6.1 过零触发调功器的组成 .............................................. - 19 -3.6.2 可控硅调功主要电路介绍 .......................................... - 19 -3.7 与上位机通信模块 .................................................................. - 21 -3.7.1 通信接口MAX485 ......................................................... - 21 -Ⅲ3.7.2 下位机通信接口电路 .................................................. - 22 -3.8 掉电检测与保护电路 .............................................................. - 23 -3.9 晶闸管过零检测与触发电路…………………………………….23-24 -3.10 看门狗电路的设计 (24)第四章控制算法研究 (27)4.1 传统的PID算法 ...................................................................... - 28 -4.2 积分分离PID算法 .................................................................. - 29 -4.3 系统仿真分析 .......................................................................... - 30 - 第五章系统软件设计 (31)5.1 系统主程序设计 ...................................................................... - 32 -5.2 系统的控制程序 (33)5.3 积分分离PID控制 (34)5.4 采样子程序 .......................................................................... - 36 -35 结论 .......................................................................................................... - 38 - 致谢 (38)参考文献 .................................................................................................. - 40 - 附录 (40)Ⅲ第一章绪论热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。
基于单片机的电阻炉温度控制系统
基于单片机的电阻炉温度控制系统1 引言PID控制是应用最广泛的基本控制方式。
但PID参数的整定一般根据经验丰富的工程技术人员的实际经验来完成，精确性很差，而且实际系统的是各不相同的，滞后以及非线性等因素，使PID参数的整定难以准确实现，许多PID 控制器因此不能很好的工作，导致系统无法工作在令人满意的状态，为此提出了自整定PID控制器。
模糊控制是一种基于语言规则与模糊推理的智能控制，它模仿人类带有模糊性的控制行为，将操作人员自然语言式经验总结成控制规则，并基于这些规则，进行模糊推理等过程，生成控制量。
但是模糊控制对输入变量的处理是离散的，且没有积分环节，控制精度不如PID控制，而将模糊控制与常规PID控制相结合，利用模糊推理判断思想，根据不同的e和ec对PID的参数KP、KI、KD 进行在线自整定，就可以兼顾两者优点，这就是基于模糊推理的自整定PID控制器。
2 模糊自整定PID控制器的硬件结构模糊自整定PID控制器硬件电路原理框图如图1所示:图1 控制器系统硬件电路原理框图图1中AT89C52为主控制器件，AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能COMS 8位单片机，片内含有8K bytes的可反复檫写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取器(RAM)。
本系统扩展64K的数据存储器RAM6264，选用并行接口电路8155A芯片扩展键显，A/D转换器0809以及MAX232实现RS-232C标准接口通信电路，同时为了防止程序跑飞，加设了看门狗电路。
本系统的主要工作过程是单片机定时采集从温度传感器传来的电压信号，经过数据处理，显示温度值并将温度值送入上位机，单片机对计算值进行模糊推理，得出控制值，由单片机向执行机构发送控制信号。
3 模糊自整定PID控制原理模糊自整定PID是在常规PID算法的基础上，通过计算当前系统偏差e和偏差变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，进行在线自整定参数KP、KI、KD，其结构如图2所示:图2 自整定PID控制器系统框图选择偏差的绝对值及偏差变化绝对值的语言变量和作为输入语言变量，由于考虑到本系统的控制精度，选择和的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。
基于单片机的电阻炉温度控制系统的设计
硕士学位论文
基于单片机的电阻炉温度控制系统的设计
丁敏
导师姓名职称
巨永锋 教授
申请学位级别 工 学 硕 士 学科专业名称 交通信息工程及控制
论文提交日期 2011 年11 月2 日 论文答辩日期 2011 年 12 月25 日
学位授予单位
长安大学
答辩委员会主席
最后对系统进行调试及仿真，结果表明该系统运行稳定、控制效果好、性价比高， 具有良好的应用前景。
关键词：电阻炉，温度控制，单片机，自适应控制
i
Abstract
Resistance furnace is applied extensively in industry production ． The control result of temperature control system will directly affect quality of products and efficiency of production so the exact precision is demanded．At present conventional PID control method is used usually by most domestic resistance furnace in industries．The temperature control for resistance furnace has many characteristics such as non—linearity, big inertia, great lag．It is difficult to establish its accurate mathematic model so we can't obtain the satisfied result using the conventional PID control method．Therefore，it is very valuable to design the temperature control system which has exact precision and steady operation．
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1.1课题背景及研究意义…………………………………………………….………3
随着工业技术的不断发展，传统的控制方式以不能满足高精度，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，由于他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。
结束语…………………………………………………………………………………....….35
致谢………………………………………………………………………………………….36
参考文献……………………………………………………………………….…………...37
附录1电路图……………………………………………………………………………..38
The design of temperature control system of the resi chip microcomputer
Abstract:Mainly with 51 series single chip microcomputer for the unit of nucleus heats to the control of The resistance furnace,the tallest temperature is 1000℃.And the temperature of keyboard input is constant,LEDdigitron displays the function of temperature point.
3.1温度控制的算法…………………………………………………………..………..18
3.2温度控制的程序………………………………………………………..…………..20
第4章对于抗干扰的探究……………………………………………………….…..34
4.1抗干扰的措施………………………………………………………………….…...34
2.3A/D转换电路……………………………………………………………..…………10
2.4温度控制电路………………………………………………………………..……..14
2.5部分接口电路…………………………………………………………………..…..16
第3章温度控制的算法和程序..……………………………………………………18
单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高，而本文则以单片机为核心、PID算法为控制方式而设计的电阻炉温度控制系统。
附录2英文专业文摘及翻译………………………………………………………….39
基于单片机的电阻炉温度控制系统设计
摘要：主要以51系列单片机为核心对电阻炉炉温进行控制，使其温度稳定在某一个值上。最高温度为1000℃,并且有键盘输入给定温度值,由LED数码管显示温度值的功能.
关键词:单片机;电阻炉;温度控制
1.2计算机在炉温控制中的应用
以前，人们是通过模拟仪表对炉温进行控制，采用人工手动操作，依据个人的工作经验和控制系统返回的数据来调节相应的设备，控制效果不太理想，生产也不稳定。到了50年代，随着计算机的出现，人们开始在工厂、实验室或其它测试环境中用计算机进行数据采集和处理。此时的计算机只起到 “离线”的应用，且计算机与过程装置之间没有任何物理上的连接。随着计算机技术的进一步发展，提供了计算机与过程装置之间的接口，人们开始用直接连接方法，使计算机与变送器和执行部件之间的信号双向传递无需人工干涉。1962年，英国帝国工业公司安装了Ferranti Argus计算机控制系统，替代全部模拟控制仪表，即模拟技术由数字技术代替，而系统功能保持不变，计算机控制系统应用真正开始，经历多年研究和改进，到70年代中期进入了集散控制系统的发展时期，炉温控制也随之进步，方式不断更新，算法也不断深入技术日益成熟。
1.2计算机在热处理炉炉温控制中的应用………………………………….………3
第2章系统硬件设计…………………………………………….……………………8
2.1温度检测及变送器……………………………………………………………….….8
2.2控制机构………………………………………………………………………….….9
Key words:single chip microcomputer;the resistance furnace;temperature control system
第一章引言
1.1课题背景及研究意义
近几年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油电等。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、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；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control），推理控制等。