温度控制系统设计方案

温度控制系统设计方案

１引言

温度是工业过程控制中主要的被控参数之一，在冶金、化工、建材、食品、石油等工业中，工艺过程所要求的温度的控制效果直接影响着产品的质量。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同，随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。越来越显示出其优越性。

随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。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，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，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。在工业生产中，如用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，都用到了电阻加热的原理。

鉴于单片机技术应用的广泛性和优越性，温度控制的重要性，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本文就是根据这一思想来展开的。

1.1 系统设计的目的和任务

1.1.1 系统设计的目的

通过本次毕业设计,主要想达到以下目的：

1. 增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解。

2. 掌握单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O口等。

3. 了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后工作中设计和实现单片机应用系统打下基础。

4. 熟悉闭环控制系统的组成原理及单片机ＰＩＤ算法的实现方法。

1.1.2 系统设计的任务

1．查阅资料，弄清楚所要解决的问题的思路，确定设计方案。

2．系统硬件电路设计。

3．系统相关软件设计。

4．仿真实现温度参数设定、转换、显示等功能。

5．依据对象模型设计控制器参数，

6．系统调试与分析；并依据调试结果予以完善。

1.2毕业设计论文安排

1.论证系统设计方案，设计系统原理图。

2.系统硬件设计与测试。

3.绘制软件设计流程图，设计软件功能模块并调试。

4.系统仿真与调试。

5.系统调试，并依据调试结果完善设计。

2 系统方案的论证与原理图设计

2.1系统方案论证

方案一：采用8031芯片作为控制核心，以ADC0809做模数转换，采用LED显示当前的温度和设定的温度，经过一定的算法来控制输出，从而来控制炉温。此方案的缺点是8031芯片内部没有程序存储器，在硬件设计中需要外扩展程序存储器，这样硬件电路比较复杂。在软件设计时的读取数据比较麻烦。

方案二：采用AT89C51芯片作为控制核心，以ADC0809做模数转换，并用LED显示当前的温度和设定的温度，设置复位键和设定温度键，通过PID算法来控制输出，从而达到控制炉温的目的。此方案的优点是系统简明扼要，硬件电路比较简单；缺点是所测的温度精度不高。

方案三：采用PLC西门子300来作为控制核心，并用LED显示当前的温度和设定的温度，经过一定的算法来控制输出，从而达到控制炉温的目的。此方案的优点是硬件电路简单，系统稳定；缺点是所设计的系统成本比较高。

综上所述，并结合我们学校实验室的具体情况，选择第二种方案。

2.2系统设计原理框图

本系统采用典型的反馈式温度控制系统，系统组成见图2.1。图中数字控制器的功能由AT89C51单片机实现；由热敏电阻、电桥、A/D转换器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号，其中热敏电阻选用mf12-26型号，它将温度信号转变为阻值变化信号再经电桥变为0~5v标准电压信号，以供A/D转换用；转换后的数字量与炉温的给定值数字化后进行比较，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差；炉温的设定值由键盘输入。由单片机构成的数字控制器按最小拍进行计算，计算出所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给由p3.0通过t0调制的PWM波送至SSR，从而改变电阻炉单位时间内电压导通的百分比,从而控制电阻炉加热功率，起到调温的作用。

图2.1 温度控制系统组成原理框图

3 硬件电路的设计

3.1 温度控制器的选择

控制器选择目前市场上最流行的也是笔者最熟悉的atmel公司的AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.1.1 AT89C51的主要特性

·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

寿命：1000写/擦循环

数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

3.1.2 AT89C51的管腿图

所选用的AT89C51芯片的管腿图如图3.1所示；单片机对外呈现3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用为数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引腿组成控制总线。由于是16位地址线，因此，可使片外存储器的寻址范围达到64KB。其P3口还具有第二功能，如表3.1所示。