课题名称

基于单片机的加热炉炉温控制系统设计

课题来源

    自选

课题类型

   EY

指导教师

学生姓名

学    号

专业班级

 11自动化3班

本课题的研究目的及意义、研究现状

随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；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。传统的控制方式已不能满足高精度，高速度的控制要求，如炉温控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它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炉温控制方式，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。本加热炉炉温控制系统要求有数据处理，显示功能等,被控对象为一阶惯性环节和一阶积分环节的组合，惯性时间常数为2s，开环增益k=10，炉温控制范围为50～150℃。

本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本加热炉炉温控制系统使用AT89C51单片机，使炉温控制大为简便。

本课题的研究内容

1．以单片机为核心，建立自动控制加热炉炉温控制系统，构建按键、采样、显示以及输出等外围电路，实现整个加热炉炉温控制系统的搭建，建立电加热炉加热炉炉温控制系统的仿真图；

2．画出软件流程图，根据流程图编写程序，并对其进行调试，使其符合加热炉炉温控制系统的具体要求；

3．将所编写的程序下载到单片机中去，对加热炉炉温控制系统进行整体调试，进而实现加热炉炉温控制系统的整个功能，设计出符合实际要求的加热炉炉温控制系统。

本课题研究的实施方案、进度安排

实施方案：

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。

进度安排：

第1周：了解系统设计要求

第2到第7周：研究单片机的原理。

第8周：方案设计。

第9到第12周：研究系统的硬件组成和功能，完成整体硬件设计

第13到16周：编写系统的相关程序。

已查阅的主要参考文献:

[1]  范立南，李雪飞，尹授远．单片微型计算机控制加热炉炉温控制系统设计．人民邮电出版社，2004(3)：245-255、325-328．

[2]  房小翠，王金凤．单片机使用加热炉炉温控制系统设计技术．国防工业出版社，1999：131-138、220-224．

[3]  胡汉才．单片机原理及加热炉炉温控制系统设计．清华大学出版社，2002(1)，26(8)：532-545．

[4]  先锋工作室．单片机程序设计实例．2003(1)：107-114、251-253．

[5]  马淑华，高原．电子设计自动化．北京邮电大学出版社，2006(9)，95-131．

[6]  宋丽蓉．自动控制原理．机械工业出版社，2005，34(6)：1-7．

[7]  李广弟．单片机基础．北京航空航天大学出版社，2001．

[8]  赖寿宏．微型计算机控制技术．北京：机械工业出版社，2003．

[9]  王毓银主编．数字电路逻辑设计．北京：高等教育出版社，1999．

[10] 清源计算机工作室编著．Protel 99原理图与PCB及仿真．北京：机械工业出版社，2008．

[11] 索雪松等．传感器与信号处理电路．北京：中国水利水电出版社，2008．

[12]  Yuan N ,Yeo T S ,Nie X C ,Li L W,et al . Analysis of Sca -ttering f rom Composite Conducting and Dielect ric Target susing the Precorrected - FFT Algorithm[J].Elect romagn.Wave and Appl , 2003.

[13]  St reet M Q1 . The microelect ronics and computer systems laboratory [J] . Microelect ronics Journal , 1993. 

指导教师意见

指导教师签名：

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