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 system
based on singlechip
Abstract
Resistance 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。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。在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。随着工业的不断发展，对温度的测控精度要求越来越高，测温范围越来越广，在很多生产过程中，温度的测量和控制与生产安全、产品质量、生产效率、能源节约等重大技术经济指标紧密相连。因此各个领域对温度控制的精确度、稳定性、可靠性等要求也越来越高，温度控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。因此温度测控技术的研究是一个重要的研究课题。
在工业电阻炉控制中温度的测控是十分重要的。温控过程要严格按照事先设定的温度曲线运行，如果意外掉电导致加热终止或控温精度降低，都会导致工业加热的失败。因此研究以工业电阻炉为控制对象，以单片机为控制工具的温控系统具有一定的实际应用价值。在高新技术的推动下，作为工业主要技术工具的测控仪表正跨入真正的数字化、智能化、网络化时代。不仅各类测控设备是数字化的，而且可通过网络将分散的控制装置和各类智能仪表连接起来，实现工业生产过程的集散监控管理[1]。
温度控制技术发展经历了三个阶段：1、定值开关控制；2、PID控制；3、智能控制。定值开关控制方法的原理是若所测温度比设定温度低，则开启控制开关加热，反之则断开控制开关。其控温方法简单，没有考虑温度变化的滞后性、惯性，导致系统控制精度低、超调量大、震荡明显。PID控制温度的效果主要取决于P、I、D三个参数，对于控制大滞后、大惯性、时变性温度系统，控制品质难以保证。电阻炉是由电阻丝加热升温，靠自然冷却降温，当电阻炉温度超调时无法靠控制手段降温，因而电阻炉温度控制具有非线性、滞后性、惯性、不确定性等特点。目前国内成熟的电阻炉温度控制系统是以PID控制器为主，PID控制对于小型实验用的电阻炉控制效果良好，但对于大型工业电阻炉就难以保证电阻炉控制系统的精度、稳定性等。智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动智能机械而实现其目标的自动控制，随着科学技术和控制理论的发展，国外的温度测控系统发展迅速，实现对温度的智能控制。应用广泛的温度智能控制方法有模糊控制、神经网络控制、专家控制等，具有自适应、自学习、自协调等能力，保证了
控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。
1.2国内外研究概况及发展趋势
电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置炉内的电热元件利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。随着工业技术的高速发展和社会进步，对热处理的要求越来越高，高精度、全自控、低污染、节能型的热处理炉已成为发展方向。20世纪70年代以来，发达国家随着机械制造技术的高速发展，以及新材料和控制技术的应用，热处理技术的传热理论、高温材料、炉体结构及控制手段都有了彻底变化，形成了专门的工程技术，从而又促进了整个工业技术的发展。鉴于电阻炉炉温特性的复杂性，其炉温的测量和控制显得更为重要和复杂。随着计算机、智能控制理论技术的飞速发展，炉温参数的测量和控制己进入了微机化、智能化的新时代。其主要特点是新型的、现代化的测温技术不断出现；温度信号的转换与处理趋于数字化、微机化、智能化；智能控制理论与技术日渐成为温度控制的基本理论与技术；炉温控制己进入了智能化的新时代。
目前，我国的电阻炉控制系统与国外发达国家相比还比较落后。占主导地位的是仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确；控制精度依赖于实验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置；操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低，这些都影响了企业的效益。
1.3智能温度控制技术的发展
所谓智能控制就是指能够模仿人的智能行为的一种控制技术，它由多学科相结合，并利用计算机技术实现的一门技术科学[2]。按智能控制水平的高低可分为初级智能控制、中级智能控制、高级智能控制。按智能控制构成的原理进行分类，按控制算法大致可分为以下几类[5]: (1)PID控制系统(2)仿人智能控制系统；(3)模糊控制系统；(4)神经网络控制系统；(5)专家控制系统；(6)集成智能控制系统；(7)综合智能控制系统。
1.3.1 PID控制
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论是应用自
动控制的关键，在做出正确的测量和比较后，为了更好的纠正系统而引入了PID 算法。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。PID 控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。PID 控制，实际中也有PI 和PD 控制。
PID 控制器由比例单元（P ）、积分单元（I ）和微分单元（D ）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为公式（1.1）： ])()(1)([)(?++=dt
t de T dt t e T t e K t u d i P [4] （1-1） 传递函数为公式（1.2）：
)11()()()(s TD s
TI Kp s E s U s G ?+?+== [4] （1-2） 其中Kp 为比例系数； TI 为积分时间常数；TD 为微分时间常数
PID 控制器根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P ）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分（I ）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D ）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存
在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。
由于PID用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
再次，PID控制器在实践中也不断的得到改进。
基于PID的以上特点，PID运算规律已经是当今工业控制中的主要控制算法。在工业生产中得到了极为广泛的应用。
1.3.2 模糊控制
模糊控制是基于模糊逻辑描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直
觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。模糊控制不需要装置的精确模型，仅依赖于操作人员的经验直观判断，非常容易应用。对温度误差采样的精确量模糊化，经过数学处理输入到计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成精确量去驱动执行机构，调整输入从而达到调节温度，使之稳定的目的。同传统的PID控制比较，模糊控制响应速度快，超调量小，参数变化不敏感[6]。
1.3.3 模糊自整定PID控制
模糊自整定PID控制是在一般PID控制的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改的一种自适应控制系统，以误差和误差变化作为输入，来满足不同时刻的误差和误差变化对参数自整定的要求。
如图1.1所示系统中，反映炉温的热电偶输出电势经冷端补偿放大后由A/D转换电路转换成与炉温相应的数字量，此数字量经数字滤波、线性化处理、标度变换，通过LED数码管显示炉温。当采样周期到达，与设定温度进行比较，由比较后的误差大小来决定控制系统的控制方式，再作运算。根据运算结果，计算机通过I/O口来改变控制脉冲宽度，也即改变了可控硅在一个固定控制周期TC内的导通时间，这样电阻炉的温度就随着电阻炉的平均输入功率的变化而变化，也即达到了控温目的。
图1.1 模糊自整定PID电阻炉温度控制系统框图
用模糊自整定PID控制来提高电阻炉煅烧零件控制精度的方法，改善了系统的响应，使系统具有比较理想的稳态品质，温度控制精度在±5℃以内；当被控过程参数发生变化时，控制系统仍能保持较好的适应能力和鲁棒性；对保温加热工艺、保证产品质量、节约能源，提高炉子生产率和加热效率都有十分重要的意义。
1.3.4 神经网络控制系统
神经网络控制以其高度的非线性映射，自组织，自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模，将BP神经网络控制策略（最常用的神经网络就是BP网络，也叫多层前馈网络。BP是back propagation的所写，是反向传播的意思）引入到电阻炉的
炉温控制系统中,通过神经网络模拟实现PID控制器参数在线调整[7]。在电阻炉炉温控制系统中,将温度的影响因素如气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，随实验与研究的进行与深入，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的。
利用BP神经网络对PID的三个参数快速拟合，建立参数kp，ki，kd自学习的PID 控制器，不需要根据模型或工程实验方法选取控制器参数，克服了传统PID控制器操作的困难，提高了系统的智能化程度。
1.3.5 专家控制系统
专家系统通过某种知识获取手段，把人类专家的领域知识和经验技巧移植到计算机中，并且模拟人类专家的推理、决策过程，表现出求解复杂问题的人工智能。因而，专家系统是一种人工智能的计算机程序系统，这些程序软件具有相当于某个专门领域的专家的知识和经验水平，以及解决专门问题的能力。专家系统在结构上有两个基本要素：一、知识库——存储有某个专门领域中经过事先总结的按某种格式表示的专家水平的知识条目。二、推理机制——按照类似专家水平的问题求解方法，调用知识库中的条目进行推理、判断和决策。专家控制是将专家系统的理论和技术同控制理论方法和技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制，是具有获得反馈信息并能实时在线控制的系统。专家控制系统的结构如图1.2所示，其工作原理为：特征识别模块对控制对象输出的性能指标进行识别，通知推理机制；性能识别模块对输入的信息进行识别，也传输给推理机制；推理机制根据所得信息计算出实际性能指标，并与期望的性能指标相比较，作出决策，判断是否进行参数调整；若需要，推理机制则根据采集的信息判断响应类型，告知知识库，启动相应的调整规则，计算出新的量化因子数值，使控制特性能向期望的性能逼近。其中，r为输入，y为输出，e为误差，ec为误差变化率，Ke为误差输入量化因子，Kec为误差变化输入量化因子，Ku为控制量比例因子[8][9]。控制系统具有下述特点：（1）高可靠性及长期运行的连续性。（2）在线控制的实时性。（3）优良的控制性能和抗干扰性。（4）使用的灵活性及维护的方便性[10]。
图1.2专家控制系统结构图
随着智能控制的蓬勃发展，目前正在兴起和研究形式有很多种，其中主要有1、分级递阶智能控制2、专家系统控制3、模糊控制4人工神经元网络控制5、各种智能控制方法的交叉和结合6各种智能控制方法与传统控制理论方法的交叉和结合。
与传统控制区别主要在于：1智能控制研究的对象是整个任务和整个系统的运行。2 智能控制方法是人工智能技术、传统控制理论以及运筹学和信息论相结合的控制方法。
3 智能控制是控制理论、人工智能、运筹学、信息论等学科的交叉，并利用计算机作为手段向工程使用全面深入的发展[24]。
传统的PID控制及改进型PID控制原理简单、工作稳定、可靠性高、鲁棒性强，曾在电阻炉温度控制系统中得到了普遍的采用，其缺点是必须预先建立控制对象的数学模型，因而其对于一些大滞后、多输入、时变性电阻炉系统，控制效果难以满意。
总体上说，智能控制不仅是科学技术和生产发展的推动和需要，而且也是科学发展的必然趋势；智能控制在温度控制系统中的应用越来越广泛。目前，国外已研制出商品化、智能化、精度高、小型化的智能温度控制系统，开发出成熟的智能控制算法和控制软件。相比较而言，国内智能控制技术的应用要落后于国外，目前国内成熟的温度控制系统以常规PID和各种改进PID控制为主，商品化的智能控制系统少，在智能控制算法和控制软件的开发方面投入人力、物力也较少。
第二章电阻炉温度控制系统总体方案设计
2.1基于虚拟仪器的电阻炉温度控制
LabVIEW是一种强大的图形化编程虚拟仪器软件开发平台，通过此法实现电阻炉温度控制系统，可以将整个系统分解为两个部分：温度信号采集系统和PID控制器。温度信号采集系统由硬件和软件两个部分组成。其中硬件部分完成温度信号的输入；软件部分完成对硬件的驱动与控制，数据显示、处理与存储、超温报警及人机交互操作界面的生成。控制器可以采用PID控制器，运用Matlab编程语言编写相应的程序，其控制系统框图如图2.1所示。
图2.1控制系统框图
2.2基于PLC的电阻炉温度控制
由于PLC具有编程方便,使用方便可靠,性价比高,抗干扰能力好、扩展功能强等优点,已经在各个工业领域得到广泛的使用。在工业控制中,通常除了开关量以外,还经常遇见模拟量,要对模拟量进行控制,就必须首先采集模拟量,进行A/D转换后,PLC才能进行处理。主要要实现如何利用PLC实现模拟量的采集。目前PLC厂商众多,最具有竞争力的主要有西门子公司、三菱公司的产品。
电阻炉温度控制系统的模拟量主要为温度。温度的检测有很多种方法,常用的有热电阻法、热电偶法等等。它们的原理都基本相似,主要是将温度信号转换为电压或电流信号,如果转换的信号大小不在模拟量转换模块输入范围内,可以通过精密放大器将信号进行处理。但通常温度与转换的数字量与默认的比例关系不相符合时,则需要对偏移量和增益量进行设置。所谓偏移量指的是数字量为“0”时对应的温度值。增益量指的是数字量为1000时对应的温度值。例如我们测温范围为0~800℃,采Pt100作为热敏电阻,在输入PLC
前将电阻的变化转换为电压信号,温度在0~800℃范围内对应的电压为1~8V,温度与电压成线性关系。可以选用的数字量范围为0~2000,若数字量为“0”时,对应的电压为1V,则偏移量为1V;数字量为2000时,对应的电压为8V,则数字量为1000时,对应的电压为4.5V,所以增益量为4.5V。
利用PLC实现模拟量采集,可以使PLC摆脱只能处理逻辑量的限制,从而能够应用在更加广泛的领域。例如应用三菱FX-2N系列PLC利用FX-2N-4AD转换模块实现电阻炉温度控制系统的模拟量采集方法,为模拟量的控制打下了基础。
在整体设计的过程中包括软件和硬件设计两部分设计。电阻炉温控系统工作原理框图如图2.2所示, 用PLC控制的温控系统工作原理框图如图2.3所示[29]。
图2.2电阻炉温控系统工作原理框图
图2.3 PLC控制的温控系统工作原理框图
2.3单片机与FPGA综合实现电阻炉的温度控制
随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。而单片机的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可能。但在实时性要求高和数据量大的情况下，由于单片机对数据处理能力的限制，其实时性仍不能满足高密度信号环境的要求。随着大规模的现场可编程门阵列（FPGA—Field
Progrnunaable Gate Array）的出现，利用FPGA对高密度数据信号实时处理已成为可能。FPGA具有通用的特点并可以实现并行运算，无论是作为独立的数字信号处理器，还是作为单片机和DSP的协处理器，这都是目前比较活跃的研究领域[11]。而且使用FPGA具有很大的灵活性，可以针对不同的要求进行修改。采用FPGA和单片机综合实现对电阻炉温度的控制，把大量的数字信号处理任务都交给FPGA进行处理，既可以利用FPGA对数据信号强大快速的处理能力，又可以减轻单片机的负担，让单片机有充分的时间做其它的运算。这样，使得系统大大简化，其灵活性更强。
2.4基于单片机的电阻炉温度控制系统
电阻炉温度控制系统是以单片机为核心实现的电阻炉温度控制器，因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。电阻炉温度控制器以PID温度控制器为主要控制算法。但是，常规PID温度控制器必须由工程人员根据经验，手动进行PID参数的调节。这对于需要经常对PID参数进行调整的用户十分不方便，限制了控制器的应用。基于单片机电阻炉温度控制仪器硬件部分主要由单片机主控模块、前向通道模块、后向通道模块、人机接口模块和接口扩展模块等组成。本温度控制系统以STC89C52单片机为核心，键盘输入、显示和超温报警装置等外围电路实现的。电炉的温度由K型热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压-电流变换后以4~20mA的标准信号形式传送出去，接收端的I/V变换及放大电路将4~20mA的标准信号变换放大至0-5V电压，再经有源低通滤波器滤波后，由A/D转换器转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度变换后，一方面将电炉温度经人机面板上的LCD显示出来；另一方面将该温度值与被控制值(由键盘输入的设定温度值)进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制算法进行运算，最后采用PWM调功方式，控制固态继电器在控制周期内的通断占空比（即控制电阻炉平均功率的大小），进而达到对电炉温度进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围，单片机就会向报警装置发出指令，从而进行超温报警。根据温度控制仪表的工作原理，简单描述电阻炉控制系统的模型，可得本系统的模型图如图2.4所示。
图2.4单片机炉温控制系统模型图
电阻炉炉温控制广泛的应用于工业生产中，在生产过程中起着至关重要的作用，它的精确度和灵敏度直接影响工业生产过程中的产品质量。究其原理基本都基于下述原理。
本设计所完成的电阻炉温度控制系统由以下几部分组成STC89C52单片机、被控对象即电阻炉、K型热电偶、放大电路、固态继电器、人机接口（键盘和显示部分）为了提高控制精度及显示的精确性本设计还设置了报警部分和冷端补偿硬件。其原理图如下图2.5所示。
图2.5电阻炉温度控制系统原理图
本设计主要以STC89C52单片机为核心部件，外加固态继电器电路及其驱动程序等组成。由K型热电偶、运算放大电路等构成温度检测通道；由固态继电器电路构成输出控制通道。工作时，利用K型热电偶测得电阻炉的实际温度并经过冷端温度补偿和放大电路，转换成0-5V电压信号，该电压信号直接与ADC0832的CH0引脚相连接，转换成与炉温相对应的数字信号，经单片机进行数据处理后，通过LCD将温度显示，同时该温度与其设定值比较，根据选定的PID算法计算出控制量，根据控制量来控制固态继电器的导通和关闭，从而控制电阻丝的导通时间以及电阻炉的平均输入功率，以实现对电阻炉炉温的控制。
单片机以其价格低廉，完全可以满足生产要求的优点被广泛的应用于工业生产当中，本设计正是基于单片机的这些优点而设计的一款温度控制器。
第三章硬件电路设计
3.1温度检测电路
随着微电子技术、通信技术、计算机网络技术的发展，自动检测显的尤为重要。在本设计中温度的检测也是相当重要的一步，温度检测准确与否直接影响对炉温的控制精度。所以需要选择适合的温度传感器，即要与所测量的温度范围相适宜。
3.1.1 温度传感器
温度传感器即用于将温度转换为电量的一类传感器。目前常用的传感器可分为接触式和非接触式两类。接触式又可分为热电阻和热电偶两类传感器。[35]
热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度变化的特性制成的。它的测温范围主要在中、低温区域（-200℃~650℃）。
热电偶传感器则是利用热电效应将温度变化转换为电势的变化一类传感器。在工业生产中，热电偶是应用最广泛的测温元件，它主要优点是测温范围广，可以在1K~2800℃范围内使用，且其精度高，性能稳定，结构简单，动态性能好，把温度转换为电势信号便于处理和远距离传输。
由于本设计所测量的温度是电阻炉温，测量值较大，测温范围大致在0~1200度左右，因此本设计选用K型热电偶（镍铬－镍硅）作为温度检测元件，它可长期使用用于0~1300℃范围内，正好符合本设计要求。它是一种使用面十分广泛的廉价金属热电偶，热电丝直径一般为 1.2—2.5mm。它具有线性度好、测温范围适中、输出电动势大、价格便宜等特点。由于热电极材料具有较好的高温抗氧化性，可在氧化性或中性介质中长时间地测量1000℃以下的温度。因为K型热电偶具有复现性好、产生的热电势大、而且线性好、价格便宜等优点，虽然测量精度偏低，但完全能满足一般工业测量要求。这种热电偶的主要缺点是不可用于还原性介质中。
热电偶的工作原理是热电效应，即两种不同的导体(或半导体)A、B组成闭合回路时(如图3.1所示)，当A、B相连接的两个接点温度不同时，即t>t0时，则在回路中产生一个热电势E AB℃(t,t0)。这两种不同导体(或半导体)的组合称为热电偶，每根单独的导体(或半导体)称为热电极，两个接点中一端称为工作端(也叫测量端和热端)，如图3.1中
t端[36]。
左端t，另一端称为自由端(冷端)，如图3.1中的
t
to
to
图3.1 热电偶原理图
当热电偶的材料一定时，热电偶的热电势为
00(,)t t AB AB AB E t t E E （）-（）
（3-1） 式中，0(,)AB E t t ——热电偶的热电势；
t AB E （）
——温度为t 时的热电势； 0t AB E （）
——温度为0t 时的热电势； 3.1.2 冷端温度补偿
从热电偶的测温公式可以看出，热电偶产生的热电势只与t ，t 0有关。只有当冷端温度t 0恒定时才能通过测量热电势的大小得到冷端温度。然而在实际测温中，冷端所对应的热电势要随冷端温度（环境温度）的变化而变化。如果不进行冷端温度补偿就会使测量值与实际值产生较大的误差。所以对冷端温度补偿是非常有必要的。从热电偶测温的公式可以看到热电偶产生的热电势，对热电偶来说只与工作端温度t 和自由端温度t 0有关。
为了测量准确必须考虑冷端温度补偿，而在某种程度上，测量精度很大程度上取决于冷端温度。只有当热电偶冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。根据国际温标规定，热电偶分度表是以 0t =0℃ 作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，自由端温度0t 往往不能维持在0℃，那么工作端温度为t 时在分度表中所对应的热电势与热电偶实际输出的电势值之间存在一个误差，因此需要对热电偶非0℃的冷端进行处理，即冷端温度补偿。
热电偶冷端温度补偿的方法有硬件补偿法和软件补偿法。硬件补偿法常用的有补偿导线法、热电偶冷端温度恒温法、计算修正法、冷端补偿电桥法。其优点是：速度快、外围电路简单、不需要调整、成本低。
3.2 放大电路
由于传感器所测量的信号均是微弱的信号不能直接送给ADC0832进行AD 转换，
必须进行放大后再进行AD转换。当然热电偶的测量信号也是很微弱的信号，它是mv 级的信号也不能直接送给ADC0832进行处理，必须经过放大后才可进行处理。为了很好的完成处理就必须加一个放大电路。放大电路有多种仪用放大电路、三运放放大电路等。较典型的测量放大电路有同相放大电路、反相放大电路、差动放大电路、高共模抑制比放大电路、电桥放大电路、低漂移、高输入放大电路、电荷放大电路、增益调整放大电路。高共模抑制比放大电路有可分为双运放高共模抑制比放大电路和三运放高共模抑制比放大电路。在实际中常用到三运放高共模抑制比放大电路，在实际应用中三运放放大电路如图3.2。该放大电路优点：当T1和T2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模电压有关而其共模输出、失调即漂移均在W1两端相互抵消，因此具有良好的共模抑制能力，同时不要求外部电阻匹配。
各个引脚含义如下：+INP、-INP为输入信号端，可以接热电偶输出信号或其它传感器输出的毫伏信号，经E1、C1滤波以消除高频干扰，W1为放大电路的调零电位器，W2为放大电路的调满电位器，可根据需要将放大电路的输出电压+V、-V调至2V或5V，该电路具有高输入阻抗和高共模抑制比的特点，差动输入，差动输出；调零和调满相互独立，互不干扰。这样既可减少电路调节的工作量，又可提高调节精度。在具体应用时，放大器选用具有低温漂、低失调电压、低偏置电流的，考虑到5V的电压输出，放大器的电源采用±8V，W1、W2选用精密多圈电位器，电阻也精心挑选，特别是R3、R4、R6、R7要一致，以确保高共模抑制比。下图中个参数均为经验值。[33]
+5V
图3.2通用放大电路
3.3 ADC0832简介
3.3.1ADC0832引脚如图
ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V 之间。芯片转换时间仅为32μS，具有双数据输出。可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
本设计是将经温度传感器信号送入ADC0832进行AD转换。由于双通道可以有两个输入信号输入，具体选择那个可以由软件来实现。芯片是由+5V直流供电。GND需要接地。DI/DO分时使用，可共同选择一个单片机接口P3.7口，时钟由单片机提供可选择P3.6口。其各个引脚功能如下图3.3所示。
图3.3 ADC0832引脚图
. CS_ 片选使能，低电平芯片使能。
· CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
· CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
· GND 芯片参考0 电位（地）。
· DI 数据信号输入，选择通道控制。
· DO 数据信号输出，转换数据输出。
· CLK 芯片时钟输入。
· Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。
3.3.2单片机对ADC0832 的控制原理
在正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS 、CLK 、DO 、DI 。但由于DO 端与DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO 和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS 输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D 转换时，须先将CS 使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用DI 端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲下沉之前DI 端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI 端应输入2 位数据用于选择选择通道功能，其功能见下表3.1、3.2。
初始化
键盘扫描
程序
子程序
固态继电器
输出 表3.2 ADC0832Differential MUX Mode
结束程序AD 采样
子程序固态继电器输出
如资料所示，当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2
位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3 个脉冲的下沉之后DI 端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI 端则开始利用数据输出
基于PLC的锅炉温度控制系统 作者姓名xxx 专业自动化 指导教师姓名xxx 专业技术职务讲师
目录 摘要 (1) 第一章绪论 (3) 1.1课题背景及研究目的和意义 (3) 1.2国内外研究现状 (3) 1.3项目研究内容 (4) 第二章 PLC和组态软件基础 (5) 2.1可编程控制器基础 (5) 2.1.1可编程控制器的产生和应用 (5) 2.1.2可编程控制器的组成和工作原理 ··············错误！未定义书签。 2.1.3可编程控制器的分类及特点 (7) 2.2组态软件的基础 (8) 2.2.1组态的定义 (8) 2.2.2组态王软件的特点 (8) 2.2.3组态王软件仿真的基本方法 (8) 第三章 PLC控制系统的硬件设计 (9) 3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 (9) 3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 (9) 3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤 (9) 3.1.3 PLC程序设计的一般步骤 (10) 3.2 PLC的选型和硬件配置 (11) 3.2.1 PLC型号的选择 (11) 3.2.2 S7-200CPU的选择 (12) 3.2.3 EM235模拟量输入/输出模块 (12) 3.2.4 热电式传感器 (12) 3.2.5 可控硅加热装置简介 (12) 3.3 系统整体设计方案和电气连接图 (13) 3.4 PLC控制器的设计 (14) 3.4.1 控制系统数学模型的建立 (14)
3.4.2 PID控制及参数整定 (14) 第四章 PLC控制系统的软件设计 (16) 4.1 PLC程序设计的方法 (16) 4.2 编程软件STEP7--Micro/WIN 概述 (17) 4.2.1 STEP7--Micro/WIN 简单介绍 (17) 4.2.2 计算机与PLC的通信 (18) 4.3 程序设计 (18) 4.3.1程序设计思路 (18) 4.3.2 PID指令向导 (19) 4.3.3 控制程序及分析 (25) 第五章组态画面的设计 (29) 5.1组态变量的建立及设备连接 (29) 5.1.1新建项目 (29) 5.2创建组态画面 (33) 5.2.1新建主画面 (33) 5.2.2新建PID参数设定窗口 (34) 5.2.3新建数据报表 (34) 5.2.4新建实时曲线 (35) 5.2.5新建历史曲线 (35) 5.2.6新建报警窗口 (36) 第六章系统测试 (37) 6.1启动组态王 (37) 6.2实时曲线观察 (38) 6.3分析历史趋势曲线 (38) 6.4查看数据报表 (40) 6.5系统稳定性测试 (42) 结束语 (43) 参考文献 (44) 致谢 (45)
燕山大学 本科毕业设计（论文）开题报告 课题名称：温度传感与温度过程控制研究 学院（系）：里仁学院电气工程系 年级专业：07仪表2班 学生姓名：饶佳新 指导教师：程淑红 完成日期：2011.3.15
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1.国内外研究动态 温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升。温度控制器是一种温度控制装置，它根据用户所需温度与设定温度之差值来控制加热器运作，从而达到改变用户所需温度的目的。近百年来，温度控制器的发展大致经历了以下阶段： (1)模拟、集成机械式温度控制器； (2) 电子式智能温度控制器。目前，国际上新型温度控制器正从模拟式向数字式、电子式由集成化向智能化、网络化的方向发展。 现今基于单片机的温度控制系统在生产、安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近年来，国内基于单片机的温度控制系统在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长，进入21世纪后，智能的温控系统正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温控器和网络温控器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。但是比起国外，我们仍处于起步晚，高度低，技术创新能力薄弱的状况，技术密集型产品明显落后于发达工业国家，自主研发产品少，缺乏核心技术是硬伤。就单片而言，以欧美和日韩的技术最为成熟，他们几乎霸占了智能市场，并制定了相关的行业标准，在技术方面不断的革新使产品不断的更新换代，使之功能、精度、安全性等都不断得到新的提升。在这方面我们做的还远远不够，与发达国家的差距还很大。我们在研究新技术的同时还要加强产业结构的调整，在产品的科技含量上下功夫，不断地提高产品的科技附加值，使产品向着更加智能化、的方向发展，努力缩小同发达国家之间的差距。 2.选题的依据和意义 在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系，在冶金、化工、建材、
文献综述 题目基于单片机的温度控制 系统设计 学生姓名 X X X 专业班级自动化07-2 学号20070x0x0x0x 院（系） xxxxxxxxxxxxxxxx 指导教师 x x x 完成时间 2011年06月10日
基于单片机的温度控制 系统设计文献综述 1．前言 温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量。而且随着现代工业的发展，人们需要对工业生产中有关温度系统进行控制，如钢铁冶炼过程需要对刚出炉的钢铁进行热处理，塑料的定型及各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行实时监测和精确控制。而有很多领域的温度可能较高或较低，现场也会较复杂，有时人无法靠近或现场无需人力来监控。如加热炉大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制, 存在控制精度低、超调量大等缺点, 很难达到生产工艺要求。且在很多热处理行业都存在类似的问题，所以，设计一个较为通用的温度控制系统具有重要意义。这时我们可以采用单片机控制，这些控制技术会大大提高控制精度，不但使控制简捷，降低了产品的成本，还可以和计算机通讯，提高了生产效率. 单片机是指芯片本身，而单片机系统是为实现某一个控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统，这是单片机应用系统。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，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。 2．历史研究与现状 在工业生产温控系统中采用的测温元件和测量方法不相同，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。 通常由位式或时间比例式温度调节仪控制的工业加热炉温度控制系统，其主回路由接触器控制时因为不能快速反应，所以控温精度都比较低，大多在几度甚至十几度以上。随着电力电子技术及元器件的发展，出现了以下几种解决的方案： （1）主回路用无触点的可控硅和固态继电器代替接触器，配以PID或模糊逻辑控制的调节仪构成的温度控制系统，其控温精度大大提高，常在±2℃以内，优势是采用模糊控制与PID 控制相结合，对控制范围宽、响应快且连续可调系统有巨大的优越性。 （2）采用单片机温度控制系统。用单线数字温度传感器采集温度数据,打破了传统的热电阻、热电偶再通过A/D 转换采集温度的思路。用单片机对数字进行处理和控制,通过RS - 232 串口传到PC 机对温度进行监视与报警,设置温度的上限和下限。其优势是结构简单，编程不需要用专用的编程器,只需点击电脑鼠标就可以把编好的程序写到单片机中,很方便且调试、修改和升级很容易。 （3）ARM(Advanced RISC Machine)嵌入式系统模糊温度控制。利用ARM处理器的强大功能，通过读取温度传感器数据，并与设定值进行比较，然后对温度进行控制。通过内嵌的操作系统μCLinux获得极好的实时性，并且通过TCP/IP协议能与PC机
计算机控制课程设计 报告 设计题目：电阻炉温度控制系统设计 年级专业：09级测控技术与仪器 化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本设计就是利用单片机来控制高温加热炉的温度，传统的以普通双向晶闸管（SCR）控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产
生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。 1.1电阻炉组成及其加热方式 电阻炉是工业炉的一种，是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化元件或物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成，炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加
热方法也不同;由于工艺不同，所要求的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，对控温精度要求不同，因而控制系统的组成也不相同。电气控制系统包括主机与外围电路、仪表显示等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，因炉种的不同而各异。电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件， （4）电阻炉温度按预定的规律变化，超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性; （5）具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±1℃; （6）具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。
目录 1.原理电路的设计 (1) 1.1总体方案设计 (1) 1.1.1简单原理叙述 (1) 1.1.2设计方案选择 (1) 1.2单元电路的设计 (3) 1.2.1温度信号的采集与转化单元——温度传感器 (3) 1.2.2电压信号的处理单元——运算放大器 (4) 1.2.3电压表征温度单元 (5) 1.2.4电压控制单元——迟滞比较器 (6) 1.2.5驱动单元——继电器 (7) 1.2.6 制冷部分——Tec半导体制冷片 (8) 1.3完整电路图 (10) 2.仿真结果分析 (11) 3 实物展示 (13) 3.1 实物焊接效果图 (13) 3.2 实物性能测试数据 (14) 3.2.1制冷测试 (14) 3.2.2制热测试 (18) 3.3.3性能测试数据分析 (20) 4总结、收获与体会 (21) 附录一元件清单 (22) 附录二参考文献. (23)
摘要 本课程设计以温度传感器LM35、运算放大器UA741、NE5532P及电压比较器LM339N 为电路系统的主要组成元件，扩展适当的接口电路，制作一个温度控制系统，通过室温的变化和改变设定的温度，来改变电压传感器上两个输入端电压的大小，通过三极管开关电路控制继电器的通断，来控制Tec制冷片的工作。这样循环往复执行这样一个周期性的动作，从而把温度控制在一定范围内。学会查询文献资料，撰写论文的方法，并提交课程设计报告和实验成品。 关键词：温度；测量；控制。
Abstract This course is designed to a temperature sensor LM35, an operational amplifier UA741， NE5532P and a voltage comparator LM339N circuit system of the main components. Extending the appropriate interface circuit, make a temperature control system. By changing the temperature changes and set the temperature to change the size of the two input ends of the voltage on the voltage sensor, an audion tube switch circuit to control the on-off relay to control Tec cooling piece work. This cycle of performing such a periodic motion, thus controlling the temperature in a certain range. Learn to query the literature, writing papers, and submitted to the curriculum design report and experimental products. Key words: temperature ; measure ;control
摘要 在日常生活及工农业生产中，对温度的检测及控制时常显得极其重要。因此，对数字显示温度计的设计有着实际意义和广泛的应用。本文介绍一种利用单片机实现对温度只能控制及显示方案。本毕业设计主要研究的是对高精度的数字温度计的设计，继而实现对对象的测温。测温系数主要包括供电电源，数字温度传感器的数据采集电路，LED显示电路，蜂鸣报警电路，继电器控制，按键电路，单片机主板电路。高精度数字温度计的测温过程，由数字温度传感器采集所测对象的温度，并将温度传输到单片机，最终由液晶显示器显示温度值。该数字温度计测温范围在-55℃~+125℃，精度误差在±0.5℃以内，然后通过LED数码管直接显示出温度值。数字温度计完全可代替传统的水银温度计，可以在家庭以及工业中都可以应用，实用价值很高。 关键词：单片机：ds18b20：LED显示：数字温度. Abstract In our daily life and industrial and agricultural production, the detection and control of the temperature, the digital thermometer has practical significance and a wide range of applications .This article describes a programmer which use a microcontroller to achieve and display the right temperature by intelligent control .This programmer mainly consists by temperature control sensors, MCU, LED display modules circuit. The main aim of this thesis is to design high-precision digital thermometer and then realize the object temperature measurement. Temperature measurement system includes power supply, data acquisition circuit, buzzer alarm circuit, keypad circuit, board with a microcontroller circuit is the key to the whole system. The temperature process of high-precision digital thermometer, from collecting the temperature of the object by the digital temperature sensor and the temperature transmit ted to the microcontroller, and ultimately display temperature by the LED. The digital thermometer requires the high degree is positive 125and the low degree is negative 55, the error is less than 0.5, LED can read the number. This digital thermometer could
温度控制系统设计 题目: 基于51单片机的温度控制系统设计姓名: 学院: 电气工程与自动化学院 专业: 电气工程及其自动化 班级: 学号: 指导教师:
2015年5月31日 摘要： (3) 一、系统设计 (3) 1.1 项目概要 (3) 1.2设计任务和要求： (4) 二、硬件设计 (4) 2.1 硬件设计概要 (4) 2.2 信息处理模块 (4) 2.3 温度采集模块 (5) 2.3.1传感器DS18b20简介 (5) 2.3.2实验模拟电路图 (7) 2.3.3程序流程图 (6) 2.4控制调节模块 (9) 2.4.1升温调节系统 (9) 2.4.2温度上下限调节系统 (8) 2.43报警电路系统 (9) 2.5显示模块 (12) 三、两周实习总结 (13) 四、参考文献 (13) 五、附录 (15)
5.1原理图 (15) 摘要： 在现代工业生产中，温度是常用的测量被控因素。本设计是基于51单片机控制，将DS18B20温度传感器实时温度转化，并通过1602液晶对温度实行实时显示，并通过加热片（PWM波，改变其占空比）加热与步进电机降温逐次逼近的方式，将温度保持在设定温度，通过按键调节温度报警区域，实现对温度在0℃-99℃控制的自动化。实验结果表明此结构完全可行，温度偏差可达0.1℃以内。 关键字：AT89C51单片机；温控；DS18b20 一、系统设计 1.1 项目概要 温度控制系统无论是工业生产过程，还是日常生活都起着非常重要的作用，过低或过高的温度环境不仅是一种资源的浪费，同时也会对机器和工作人员的寿命产生严重影响，极有可能造成严重的经济财产损失，给生活生产带来许多利的因素，基于AT89C51的单片机温度控制系统与传统的温度控制相比具有操作方便、价价格便宜、精确度高和开展容易等优点，因此市场前景好。
温度测控仪设计 学生：XXX 指导教师：XXX 容摘要：本文主要介绍了智能温度测量仪的设计，包括硬件和软件的设计。先对该测量仪进行概括性介绍，然后介绍该测量仪在硬件设计上的主要器件：“Pt100热电阻”、AT89C51单片机和LCD显示器以及描述测量仪的总体结构原理。在本设计中，是以铂电阻PT100作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D 转换器进行温度信号的采集。总体来说，该设计是切实可行的。 关键词：温度 Pt100热电阻 AT89C51单片机 LCD显示器
Design of and control instrument Abstract: This paper describes the design of the intelligent temperature measuring instrument, including hardware and software design. Be the first general description of the measuring instrument, and then describes the hardware design of the measuring instrument's main device: "Pt100 thermal resistance", AT89C51 microcontroller and LCD display, and describe the principle of measuring the overall structure. In this design, as is the PT100 platinum resistance temperature sensor, temperature measurement using constant current method, through the microcontroller to control, amplifier, A/D converter for temperature signal acquisition. Overall, the design is feasible. Keywords:temperature Pt100 thermal resistance AT89C51 microcontroller LCD monitor .
本科学年论文（设计） 蔬菜大棚温控系统设计 系别信管系专业电子信息工 程 届别2012级班级12级电子信息工程 学生姓名唐姣学号2012550525 指导教师刘超群职称副教授 二O一五年六月
摘要 温度控制是蔬菜大棚最重要的一个管理因素，温度过高或过低，都会影响蔬菜的生长。主要介绍一种基于ST89C52单片机的温室蔬菜大棚温度控制系统，系统利用DS18B20温度传感器实现对温室大棚温度的测量，通过按键设置需要报警的上下限值。实验证明，该系统具有性价比高，使用寿命长等优点，具有一定实用价值。 【关键词】温度控制；继电器；温度检测
Abstract Temperature control is the most important vegetable greenhouse management factor, the temperature is too high or too low, will affect the growth of vegetables. Mainly introduces a control system based on the temperature in of the vegetable greenhouses in SCM st89c52, system using DS18B20 temperature sensor to realize the greenhouse temperature measurement, through the key set to alarm limit value. Experiments prove that the system has the advantages of high performance ratio, long service life, etc., and has some practical value. [Keywords]Temperature control; Relay; Temperature detection
基于单片机的温度控制系统设计 1.设计要求 要求设计一个温度测量系统，在超过限制值的时候能进行声光报警。具体设计要求如下： ①数码管或液晶显示屏显示室内当前的温度； ②在不超过最高温度的情况下，能够通过按键设置想要的温度并显示；设有四个按键，分别是设置键、加1键、减1键和启动/复位键； ③DS18B20温度采集； ④超过设置值的±5℃时发出超限报警，采用声光报警，上限报警用红灯指示，下限报警用黄灯指示，正常用绿灯指示。 2.方案论证 根据设计要求，本次设计是基于单片机的课程设计，由于实现功能比较简单，我们学习中接触到的51系列单片机完全可以实现上述功能，因此可以选用AT89C51单片机。温度采集直接可以用设计要求中所要求的DS18B20。报警和指示模块中，可以选用3种不同颜色的LED灯作为指示灯，报警鸣笛采用蜂鸣器。显示模块有两种方案可供选择。 方案一：使用LED数码管显示采集温度和设定温度； 方案二：使用LCD液晶显示屏来显示采集温度和设定温度。 LED数码管结构简单，使用方便，但在使用时，若用动态显示则需要不断更改位选和段选信号，且显示时数码管不断闪动，使人眼容易疲劳；若采用静态显示则又需要更多硬件支持。LCD显示屏可识别性较好，背光亮度可调，而且比LED 数码管显示更多字符，但是编程要求比LED数码管要高。综合考虑之后，我选用了LCD显示屏作为温度显示器件，由于显示字符多，在进行上下限警戒值设定时同样可以采集并显示当前温度，可以直观的看到实际温度与警戒温度的对比。LCD 显示模块可以选用RT1602C。
3.硬件设计 根据设计要求，硬件系统主要包含6个部分，即单片机时钟电路、复位电路、键盘接口模块、温度采集模块、LCD 显示模块、报警与指示模块。其相互联系如下图1所示： 图1 硬件电路设计框图 单片机时钟电路 形成单片机时钟信号的方式有内部时钟方式和外部时钟方式。本次设计采用内部时钟方式，如图2所示。 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为此放大器的输入端和输出端，其频率范围为~12MHz ，经由片外晶体振荡器或陶瓷振荡器与两个匹配电容一 起形成了一个自激振荡电路，为单片机提供时钟源。 复位电路 复位是单片机的初始化操作，其作用是使CPU 和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，以防止电源系统不稳定造成CPU 工作不正常。在系统中，有时会出现工作不正常的情况，为了从异常状态中恢复，同时也为了系统调试方便，需要设计一个复位电路。 单片机的复位电路有上电复位和按键复位两种形式，因为本次设计要求需要有启动/复位键，因此本次设计采用按键复位，如图3。复位电路主要完成系统 图2 单片机内部时钟方式电路 图3 单片机按键复位电路
题目基于51单片机智能温度控制器设计与实 现 本题目要求设计者以智能温度控制器为对象，完成硬件系 统和软件设计并实现其功能。 1.熟悉任务，分析课题要求，熟悉温度控制器的原理, 进行方案设计； 2.熟悉硬件设计技术基础、单片机应用系统设计要领， 根据本课题的特点选择相应器件； 3.搜集素材，优选素材，整理素材； 4.完成所硬件电路的装配和调试，编写程序实现其功 能； 5.撰写毕业设计论文。 6.参加毕业设计论文答辩。
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可
以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和
温度控制系统设计 目录 第一章系统方案论证错误！未指定书签。 总体方案设计错误！未指定书签。 温度传感系统错误！未指定书签。 温度控制系统及系统电源错误！未指定书签。 单片机处理系统（包括数字部分）及温控箱设计错误！未指定书签。 算法原理错误！未指定书签。 第二章重要电路设计错误！未指定书签。 温度采集错误！未指定书签。 温度控制错误！未指定书签。 第三章软件流程错误！未指定书签。 基本控制错误！未指定书签。 控制错误！未指定书签。 时间最优的控制流程图错误！未指定书签。 第四章系统功能及使用方法错误！未指定书签。 温度控制系统的功能错误！未指定书签。 温度控制系统的使用方法错误！未指定书签。 第五章系统测试及结果分析错误！未指定书签。 硬件测试错误！未指定书签。 软件调试错误！未指定书签。 第六章进一步讨论错误！未指定书签。 参考文献错误！未指定书签。 致谢错误！未指定书签。 摘要：本文介绍了以单片机为核心的温度控制器的设计，文章结合课题《温度控制系统》，从硬件和软件设计两方面做了较为详尽的阐述。 关键词：温度控制系统控制单片机 : . : 引言： 温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本文设计了以单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用改进的数字控制算法，显示采用静态显示。该系统设计结构简单，按要求有以下功能： ()温度控制范围为°; ()有加热和制冷两种功能 ()指标要求： 超调量小于°；过渡时间小于；静差小于℃；温控精度℃ ()实时显示当前温度值，设定温度值，二者差值和控制量的值。 第一章系统方案论证 总体方案设计 薄膜铂电阻将温度转换成电压，经温度采集电路放大、滤波后，送转换器采样、量化，量化后的数据送单片机做进一步处理；
引言 温度是工业生产中常见的被控参数之一。从食品生产到化工生产，从燃料生产到钢铁生产等等，无不涉及到对温度的控制，可见，温度控制在工业生产中占据着非常重要的地位，而且随着工业生产的现代化，对温度控制的速度和精度也会越来越高。近年来，温度控制领域发生了很大的变化，工业生产中对温度的控制不再局限于近距离或者直接的控制，而是需要进行远距离的控制，这就产生了远程温度控制。 远程温度控制的通信方式有多种，如通过网络，无线电等等。每一种方式都有其优点和缺点。利用无线电通信，方便、灵活，而且经济。它不需要像网络控制耗费巨大的通信资源，也不受网络速度的影响。 在温度控制的方法上，传统的控制方法(包括经典控制和现代控制)在处理具有非线形或不精确特性的被控对象时十分困难。而温度系统为大滞后系统，较大的纯滞后可引起系统不稳定。 在温度采集方法上，通常是利用热电偶把热化为电信号，再通过A/D转换得到温度值。这种方法速度慢，而且精度不是很高。综合上面的考虑以及自己的爱好，设计了基于无线电通信的远程温度控制系统。本文详细的介绍了系统的硬件设计，软件设计，以及调试等，希望它能给初级电子制作爱好者带来一些无线电通信和温度控制的基本常识，以及应该注意的一些事项。 1、温度控制的发展及意义 在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎%80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。 现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。 2 总体设计与可行性分析 2.1 设计任务 1、利用所学的知识设计远程温度控制系统。电烤箱温度可在一定范围内由人工设定，温度信号检测方案自行确定，用单片机采用PID控制算法实现温度实时控制，静态误差1度，超调量〈2.5%，系统温度调节时间ts〈4分钟。控制输出采用脉冲移相触发可控硅来调节加热有效功率。控制温度范围室温--125℃，用十进制数码显示箱内的温度。
基于单片机的电阻炉温度控制系统设计武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 概 述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 1 整体设计及系统原 理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 2 硬件设 计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 2.1温度检测电 路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 2.2键盘控制和显示电 路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 2.3加热控制电 路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 3 心得体 会. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 参考文 献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书
引言 前言：电阻炉在国民经济中有着广泛的应用，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素。一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制，都没有取得很好的控制效果。起先由于电阻炉的发热体为电阻丝，传统方法大多采用仪表测量温度，并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率。电阻炉微机自动程序温度控制系统就是通过单片机对加热炉的升、降温速率和保温时间进行严格控制的装置，它将温度变送、显示和数字控制集于一体，以微机控制为基础，以A/D转换器为核心，并配以适当的外围接口电路，实现对电阻炉温度自动控制。 摘要：自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。 1.电加热炉温度控制系统的特性 温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图1.1所示。 图1.1 被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器，其具体的电路图如图1.2所示。如图1.3
所示，设周期T c 内导通的周期的波数为n，每个周波的周期为T，则调功器的输 出功率为P=n×T×P n /T c ，P n 为设定周期T c 内电压全通过时候装置的输出功率。 图1.2 图1.3 执行器的特性：电炉的温度调节是通过调节剂(供电能源)的断续作用，改变 电炉丝闭合时间T b 与断开时间T k 的比值α,α=T b /T k 。 调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管是导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期T c 内导通的电压周波。 2.电炉的电加热原理及方式 当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：Q＝0．2412Rt，Q代表热能，单位卡；I代表电流，单位安9；R代表电阻，单位欧姆；t代表时间，单位秒。 按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。 在电热技术上按l千瓦小时＝860千卡计算。电炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地用来加热指定的工件，并保持高的效率。 电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。
湖南科技大学潇湘学院 毕业设计（论文） 题目单片机温度控制系统 作者 系部信息与电气工程系 专业电气工程及其自动化 学号 指导教师 二〇一年月日
湖南科技大学学院 毕业设计（论文）任务书 信息与电气工程系电气工程及其自动化教研室 教研室主任:（签名）年月日 学生姓名: 学号: 专业: 电气工程及其自动化 1 设计（论文）题目及专题：单片机温度控制系统 2 学生设计（论文）时间：自年月日开始至年月日止 3 设计（论文）所用资源和参考资料： (1)单片机温度控制系统流程图(2)单片机程序设计基础 (3) protel se 99软件(4) 单片机使用接口技术 (5) 单片机程序设计基础(6)网上有关技术资料 4 设计（论文）应完成的主要内容： (1) 基于单片机温度控制系统的发展及应用 (2) 单片机温度控制系统设计包含的基本内容 (3) 单片机温度控制系统技术 (4) 单片机温度控制系统实现 (5) 全文总结 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求： (1) 程序。要求：编译通过，基本能运行。 (2) 毕业论文。要求：正确，规范，通顺。 (3) 可供发表的研究论文（可选）。要求：规范，新意 均需提交电子版和纸质版。 6 发题时间：年月日 指导教师：（签名） 学生：（签名）
湖南科技大学学院 毕业设计（论文）指导人评语 指导人：（签名） 年月日指导人评定成绩：
湖南科技大学学院 毕业设计（论文）评阅人评语 评阅人：（签名） 年月日评阅人评定成绩：
湖南科技大学学院 毕业设计（论文）答辩记录 日期： 学生：学号：班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料： 1 设计（论文）说明书共页 2 设计（论文）图纸共页 3 指导人、评阅人评语共页 毕业设计（论文）答辩委员会评语： 答辩委员会主任：（签名） 委员：（签名） （签名） （签名） （签名）答辩成绩： 总评成绩：
基于模糊控制算法的温度控制系统的毕业设计 第1章绪论 温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。将模糊控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。 1.1 课题背景 1965年,美国著名控制论学者L.A.Zadeh发表了开创性论文,《FUZZY SETS》首次提出了一种完全不同于传统数学与控制理论的模糊集合理论。在短短的30年里,以模糊集理论为基础发展而来的模糊控制策略已经成功为将人的控制经验纳入自动控制策略之中。在现今的模糊控制领域中，经典模糊控制理论已经在很多方面取得了一大批有实际意义的成果（如90年代日本家电模糊控制产品和工业模糊控制系统）。此外经典模糊控制也得到了相应的改善，如模糊集成系统、模糊自适应系统、神经模糊控制等。 现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。 温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位，如在钢铁冶炼过程中要对出炉的钢铁进行热处理，才能达到性能指标，塑料的定型过程中也要保持一定的温度［2］。
随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与自适应能力的要求越来越高，被控对象或过程的非线性、时变性、多参数点的强烈耦合、较大的随机扰动、各种不确定性以及现场测试手段不完善等，使难以按数学方法建立被控对象的精确模型的情况[3]。对于这些系统来说采用传统的方法包括基于现代控制理论的方法往往不如一个有实践经验的操作人员的手动控制效果好，而模糊控制理论正是以人的经验为重要组成部分。这就使模糊控制在一般情况下比传统控制方法更有效、更安全。 将模糊控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重的滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。 模糊控制是基于模糊数学上发展起来的一门新的控制科学[3]。其运算过程中有很多都要用到矩阵运算，但控制其级别很少的时候可以进行离线计算，很方便的完成矩阵运算。这样一来模糊控制就已经简化了，甚至比一般的PID运算还更简单。运用一般的处理机，如单片机就能完成。 1.2 设计指标 设计一个基于模糊控制算法的温度控制系统具体化技术指标如下。 1. 被控对象可以是电炉或燃烧炉，温度控制在0~100℃，误差为±0.5℃； 2. 恒温控制； 3. LED实时显示系统温度，用键盘输入温度; 4. 采用模糊算法，要求误差小，平稳性好。 1.3 本文的工作 详细分析课题任务，对模糊控制和温度控制的历史和现状进行分析，并对模糊控制和温度控制的原理进行了深入的研究，并将其综合。然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件，并进行访真调试。