基于数字pid电热炉温度控制系统设计

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1、计算机控制技术课程考查报告题目基于数字PID电热炉温度控制系统设计1系统方案设计1.1课题要求与内容本次设计：加热炉温度控制系统的设计，正是运用单片机和温度传感器对温度进行控制。本次设计的内容为：以89C51单片机为核心，运用PID控制算法，设计加热炉温度控制系统，用于进行金属的热处理。工业中金属的热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却，通过改变金属材料表面或内部的组织结构来控制其性能的一种工艺。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整

2、体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。而进行金属热处理最主要的设备为加热炉。因此，本次设计的温度控制器主要应用于热处理加热炉。根据工艺要求，系统需实现如下功能和指标：1.加热炉的温度控制范围为50～350℃。2.键盘输入预定温度值并实时显示当前温度值，保留一位小数。3.设定温度上下限，并有越限报警功能。4.控制参数可随时修改。5.温度控制误差±1℃。6.采用温度检测装置

3、，对加热炉内温度进行实时检测。7.采用PID控制算法，满足温度控制要求。1.2总体方案设计根据加热炉的功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用89C51单片机为主控机。通过连接外围控制电路，实现对加热炉温度的测量和控制。1.2.1系统结构该系统以89C51单片机为核心，由温度传感器、运算放大器、A/D转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘、LED显示电路共同组成。在系统中，温度的设置、温度值及误差显示、控制参数的设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。温度传感器把测量的电阻炉温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低

4、通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器，转换成数字信号输入89C51单片机。下图为加热炉温度控制系统框图：单片机键盘显示电压同步信号驱动器光电隔离晶闸管加热器加热器单片机A/D转换器运算放大器温度传感器图1-1加热炉温度控制系统框图1.2.2具体设计考虑具体设计如下：1、由于温度测量范围为50～350℃，温度控制精度要求高，温度控制范围大，因此采用K型热电偶温度传感器进行温度测量。并选用K型热电偶信号放大器MAX6675对热电偶检测的温度信号进行放大。2、温度显示由四路LED显示电路组成，实时显示加热炉内温度值并能显示

5、温度给定值及各种参数值。进行各种操作时有必要的声、光提示。3、本系统通过改变双向可控硅的导通角实现对温度的控制。4、温度设定值及温度控制的各种参数由键盘输入。5、采用PID控制算法实现对温度的控制。6、利用X5054作为本系统的看门狗。7、为了提高系统的抗干扰能力，采用MOC3021对执行原件与单片机进行光电隔离。8、出于系统安全考虑，需设定温度上下限，温度上下限由键盘输入，并可随时进行修改，并有越限报警功能。1.3硬件和软件功能划分1.硬件系统应包括以下电路：A、测量电路，应包括温度传感器、放大器、AD转换及接口。B、温度控制电路，包括

6、开关量输出和电阻丝的驱动。C、温度给定电路,主要通过键盘输入。D、温度显示电路。由4位LED显示电路组成。E、报警电路。2.软件功能应包括：A、温度检测，应包括定时采样和软件虑波。B、温度控制的实现，即根据温度给定值和采样值的大小，决定电阻丝的通断，从而影响加热温度。C、利用定时器定时，以满足采样周期的要求。D、显示温度。E、输出报警信息。2系统硬件的设计2.1微处理器本次设计的温度控制系统精度较高，需要的I/O接口也比较多，因此采用AT89C51单片机作为本系统的微处理器。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，40个引脚，

7、32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。因此此单片机完全能满足温度控制系统的要求。2.2温度检测电路设计根据要求，本系统的温度检

8、测电路主要由温度传感器、运算放大器及A/D转换器组成。经固定周期T对加热炉内温度进行检测，实现加热功能，并使系统安全稳定。1温度传感器的选择由于本次设计的加热炉温度范围为：50℃