电阻炉温度

电阻炉温度控制系统的设计答辩人：张超指导老师：沈钰1绪论1.1课题研究背景和意义随着社会，科技的发展，自动调节电阻炉温度系统已被广泛应用。微型计算机及其应用已成为高科技的一个重要组成部分，在国民经济的各个领域签署了正在发挥显著作用。及时，准确和及时的控制，在许多工业应用中的温度信息是一个非常重要的方面，水的温度自动改变影响的各种系统的不同的控制系统的操作中，合适的温度始终是一个范围内。超过这个范围时，系统将停止运行或损坏，所以我们必须让水的温度的实时变化。过高会发生报警。温度控制技术已经经历了三个阶段：1，设置开关控制;2，PID控制;3，自动化和控制。设置开关控制这个方法比较简单，但它也有它的缺点，更强大的冲击，控制精度低，因为没有考虑到温度变化滞后。在PID的P，I，D三个非常重要的参数，它决定了温度的影响。所以，现在的PID温度控制对于大多数电阻炉温度控制系统，它控制的效果是非常好的，因此得到广泛应用。随着技术的创新和发展，一些更先进的自动化控制，无需人工干预，可控制的。2系统总体设计2.1系统总体设计本章主要论述了基于单片机的温度控制系统和项目演示。该系统由单片机、温度信号采集及A/D转换、人机交互、报警电路、电源系统这五个部分组成。在设计之前，还要做一个很重要的事情，那就是进行方案论证，因为设计必须要考虑系统性能和成本。方案论文会让设计达到高效实用的目的。系统设计原理图如图所示：单片机：整个系统的控制数据处理核心。温度信号采集与A/D转换：检查温度变化信号，利用A/D转换器将模拟量转换为数字量供单机进行处理.人机交互：实现外界与机器内部的互动，来提高系统的实用性和可用性。包括按键输入、输出显示。电源系统单元：为单片机和其他电源提供适当的工作电源，电源电压+5V。3硬件设计本节介绍了核心嵌入式单片机AT89S51单片机多通道温度采集与控制系统硬件计数。功能是DS18B20采集温度信号,发送到单片机进行处理,然后发送JDL162A处理显示，键盘设置系统参数将被发送到单片机I/O端口,再把控制信号送到执行单元,就可以执行命令,并做出适当的行动。3.1系统结构框图该系统中，温度信号采集与转换单元是DS18B20传感器；数据处理和控制单元是AT89S51单片机；数据输出显示单元JDL162A；按键为系统参数设置单元，控制执行单元是继电器，蜂鸣器为超温报警单元。硬件结构框图，如图所示：人机交互设计其主要职能是协助人机交互控制，方便调试。在今天的各种实时自动控制和智能仪表的人机交互是不可缺少的一部分。在一般情况下，人机交互是由一个外部设备的系统配置确定完成后，其以两种方式实现：一种是通过MCU的I/O端口驱动ASIC实现，诸如键盘和显示控制芯等。，实现人机交互功能。另一个特点是MCU本身带动它通过直接利用数据总线和控制信号的存取记忆体存取的一种或多种形式的I/O设备控制键盘和LCD实现人机交互。独立式按键，正如它的名字所暗示的，彼此独立的关键，各由一个单一的按的按钮占用的I/O线相互独立。每个按钮开关需要使用一个上拉电阻是为了确保当按钮关闭时，每个I/O具有一定的高度。当输入端口线有一个内部上拉电阻，外部上拉电阻器的电路可以省略。优点：配置灵活，结构简单。缺点：资源，结构复杂。因此，这种键盘的按键不太适合的场合。在这个设计中，需四个按钮，所需按钮的数量比较少，所以使用独立式键盘的结构比较合适。4软件设计4.1流程图本系统要完成温度信号的采集和控制，需要实现温度信号的采集与A/D转换、数据处理、数据显示等基本功能。从功能上可将其分为温度信号采集及A/D转换、数据处理、人机交互、温度控制四大部分，软件系统框图。如图所示：温度信号采集子程序由传感器初始化、单片机给传感器写命令、单片机给传感器写数据、单片机从传感器读数据等部分组成。它需要完成温度信号采集与A/D功能，从而为后面的工作做好铺垫数据处理子程序，处理有温度传感器传来的一系列数据，主要进行数据的进制转换。人机交互子程序作用是完成系统参数的设置，由两部分组成，即按键子程序、LCD显示子程序。执行子程序，作用是比较按键子程序设置的温度限定值和经过数据处理子程序处理过的数据，而比较的结果决定单片机I/O口输出的状态。I/O口的高低电平控制继电器闭合达到控制大功率设备的目的。温度采集子程序1-wire单总线采用单根信号线，它既能传输时钟又能传输数据。而且数据传输是双向的。它的优点有很多，结构简单、成本低廉、便于总线扩展等。它能够很好地控制一个或多个从机设备，当只有一个从机位于总线上时，系统可按照单节点系统操作，而当多个从机位于总线上时，系统则按照多节点系统进行操作。由于DS1820有着严格的通信协议，所以在编程时，要想读取比较完整和正确的结果，一定要按照既定的读写顺序。软件系统可分为命令序列、信号方式、信号类型和时序。根据DS18B20的通信协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：首先是初始化，然后是ROM操作，最后是功能命令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。温度采集子程序流程图如图所示：温度控制子程序温度控制是工业生产过程中很重要的一种控制。就控制系统本身的动态特性来说,基本上都属一阶纯滞后环节,具有大惯性、大延时的特点。讨论的电炉这类热工对象的动态性能复杂多变，加之外界干扰因素多。介绍的自校正PID控制系统，将自适应控制与经典的PID控制相结合，很好地解决了在系统模型不能精确确定情况下，这类大惯性、大延时系统，在外界干扰严重情况下的控制问题。在外界干扰参数的变化，调整PID控制参数使系统达到期望的输出，以提高系统的稳定性、响应速度以及控制精度。系统由PID控制器和被控对象组成。PID控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规律。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，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，设计采用PID归一整定法把对控制台三个参数（Kc、Ti、Td,）转换为一个参数，使问题明显简化。以达到控制器的特性与被控过程的特性相匹配，满足某种反映控制系统质量的性能指标。由于电阻炉一般是属于一阶对象和滞后的一阶对象，式中KP、KD、KI的选择取决于电热丝的阶跃响应曲线和实际经验，设计采用Ziegler-Nichols提出的PID归一调整法，调整参数，主要是减少在线整定参数的数目，人为假定约束条件，以减少独立变量的个数，令：T=0.1TU，T1=0.5TU，TD=0.125TU，式中TU称为临界周期。PID计算的程序流程图如图所示。结论这篇论文文介绍了一种基于AT89S51单片机的多路温度采集控制系统设计，它采用了单总线数字传感器DS18B20，对环境温度信号进行采集，并将采集到的温度值转换成数字信号送到单片机进行处理，用LCD对当前温度信号值进行显示，并且根据数据处理的结果，使用单片机控制继电器，实现对电机的控制，最终达到温度调节的目的。本设计采用数字温度传感器DS18B20，省掉了很多温度采集方面的调试，同时也提高了温度值的准确度。实时温度采集与显示电路的设计，使温度信息更迅速，更直观的显示出来。系统在硬件自动测试，键盘操作，实时显示方面工作正常。整个系统硬件简单、可靠，系统成本低。虽然最后的设计的结果还不是很完善，但总体上完成了期望的目标，当然也还有一些问题没有解决，例如：未对温度数值统计处理、存储及没有采用多次采集结果取平均值的方法。到现在21世纪之后，智能温度传感器将会向一个非常好的前景发展，它的功能愈来愈多，精度越来越高，更加安全可靠。不仅如此，它们将会所有核心东西集中在一起，自动化更高，成本更低。参考文献[1]侯国章．测试与传感技术．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000：122-124.[2]张志良．单片机原理与控制技术．北京：机械工业出版社，2002：78-81.[3]贾振国．DS1820及高精度温度测量的实现.电子技术应用，2000（1）：58-59.[4]余永权．单片机原理及应用．北京：电子工业出版社，1997：146-169.[5]曲新贵．电子元件材料手册．北京：电子工业出版社，1989：422-430.[6]喻萍，郭文川．单片机原理与接口技术．北京：化学工业出版社，2006：195-197.[7]何宏，田志宏.单片机原理与接口技术．北京：国防工业出版社，2006：294-299.谢谢大家！