电阻炉智能温度控制系统1

辽 宁 工 业 大 学

计算机控制技术 课程设计（论文）题目：电阻炉智能温度控制系统

院 （系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间：

辽宁工业大学课程设计（论文）任务书

院（系）： 教研室： 学 号 设计题目 设 计 技 术 参 数 设 计 要 求 学生姓名 专业（班级） 电阻炉智能温度控制系统 1、电阻炉的温度范围是0～1000℃； 2、温度控制误差2℃； 3、温度超出预置温度5℃时发出声音报警。 1、以AT89C52 单片机为核心，控制算法采用模糊PID算法设计电阻炉智能温度控制系统。 2、确定电阻炉智能温度控制系统的结构及组成，完成输入、输出通道的设计。 3、绘制系统的原理图、流程图以及根据模糊PID算法编写部分程序。 4、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。 5、按学校规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。 1、对系统功能进行分析； 2、进行系统的硬件电路设计； 3、进行系统的软件设计； 4、撰写、打印设计说明书。 1、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天） 2、对系统功能进行分析（1天） 3、系统硬件电路设计（3天） 4、系统软件设计（3天） 5、撰写、打印设计说明书（2天） 于海生 《微型计算机控制技术》 清华大学出版社 2006年 梅丽凤 《单片机原理及接口技术》清华大学出版社 2004年 教研室主任签字 工 作 量 工 作 计 划 参 考 资 料 指导教 师签 字 目 录

第一章 课程设计方案的论证 ............................................................................. 1

1.1概述 ........................................................................................................... 1 1.2设计要求 ................................................................................................... 1 1.3整体设计及系统原理 ............................................................................... 2 第二章 硬件电路的设计 ........................................................................................ 4

2.1器件介绍 ................................................................................................... 4 2.2温度检测电路 ........................................................................................... 7 2.3温度显示和报警电路 ............................................................................... 8 2.4整体设计电路 ......................................................................................... 10 第三章 软件设计 ...................................................................................................11

3.1数据采样流程图 ......................................................................................11 3.2主程序的设计 ......................................................................................... 12 3.3模拟自整定PID控制 ............................................................................. 13 3.4 程序设计 ................................................................................................ 17 第四章 课程设计总结 ........................................................................................ 19 参考文献 ................................................................................................................ 20

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 第一章 课程设计方案的论证

1.1概述

K 型热电偶作为一种主要的测温元件， 具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点，但也存在非线性、冷补偿、数字化输出等问题。在许多热工实验中， 往往面临多点温度同时检测的问题，而且测点一般较分散，不管是采用恒温补偿法（ 冰点补偿法） 还是电桥补偿法，都会带来实验费用较高、实际的检测系统较复杂。难以达到实时测量、接口转换电路复杂等问题。为了满足用户选择 K型热电偶的要求，又能克服上述缺点，本系统选择了K 型热电偶温度转换芯片 MAX6675。

电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后 、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。本文介绍的温度控制系统的主要技术指标有：温控范围：300℃～1000℃；控制精度： ±１℃； 1.2设计要求

1、电阻炉的温度范围是0～1000℃； 2、温度控制误差2℃；

3、温度超出预置温度5℃时发出声音报警

4、以AT89C52 单片机为核心，控制算法采用模糊PID算法设计电阻炉智能温度控制系统。

5、确定电阻炉智能温度控制系统的结构及组成，完成输入、输出通道的设计。 6、绘制系统的原理图、流程图以及根据模糊PID算法编写部分程序。 7、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。

8、按学校规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。

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辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 1.3整体设计及系统原理

系统构成如图 1-1 所示。系统以单片机 AT89S51为核心，包括温度检测电路、键盘显示及报警电路、时钟电路、温度控制电路等部分组成。其中温度采集是通过 K 型热电偶和热电偶数字转换器芯片 MAX6675 实现的。系统中采用了新型元件，功能强、精度高、硬件电路简单

时钟电路 键盘 数码管显示 报警电路 AT89S52 单片机 温度检测 电路 传感器 电 阻 炉 温度检测

图1-1 整体设计及系统原理

在系统中， 利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过液晶显示器显示温度并判断是否报警，同时将温度与设定温度比较，根据设定的PID 算法计算出控制量， 根据控制量通过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， 以实现对炉温的控制。该系统中的时钟电路可以根据要求进行准确计时。

MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：单片机使CS置为低电平，并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。CS变低将停止任何转换过程，CS变高将启动一个新的转换过程。将CS变低在SO端输出第一个数据，一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读16个输出位，第1个输出位是D15，是一伪标志位，并总为0；D14位到D3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；D2位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使接地点尽可能接近GND脚；D1位为低以提供MAX6675器件身份码，D0位为三态标志位。

MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图1-2所示。

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图1-2MAX6675 SO端输出温度数据的格式

MAX6675的CS端接单片机的P1.0脚，CS低电平停止转换，MAX6675准备将数据输出；SCK引脚接单片机的P2.0脚，为传输数据提供时钟。无数据传输时，SCK应置为低电平；SO引脚接单片机的P2.1脚，用于传输数据。单片机的P1.3脚作为温度超限报警口，报警时输出低电平，驱动蜂鸣器

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辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 第二章 硬件电路的设计

2.1器件介绍

（1） K 型热电偶的测温原理

热电传感器是利用转换元件的参数随温度变化的特性，将温度和与温度有关的参数的变化转换为电量变化输出的装置。两种不同的导体或半导体组成的闭合回路就构成了热电偶，热电偶两端为两个热电极，温度高的接点为热端、测量端或自由端；温度低的接点为冷端、参考端或自由端。测量时，将工作端置于被测温度场中，自由端恒定在某一温度。热电偶是基于热电效应工作的，热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。

（2） MAX6675 的工作原理及特点。

MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构如图2所示。主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。

其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为（41μV/℃），电压可由如下公式来近似热电偶的特性。

U1=（41μV/℃）×（T-T0） （1-1） 上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。 在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。

U2=（41μV/℃）×T0 （2-2） 在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量，即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理如图2-1所示。

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图2-1 MAX6675内部结构图

MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成Ｋ型热电偶变换器，测温范围0℃～1024℃，主要功能特点如下：

 内部集成有冷端补偿电路；  带有简单的 3 位串行接口；

 可将温度信号转换成 12 位数字量， 温度分辨率达 0。25℃；  内含热电偶断线检测电路。

 简单的SPI串行接口与单片机通讯。  12位A/D转换器、0。25℃分辨率。  单一+5V的电源电压。  热电偶断线检测。

 工作温度范围-20℃～+85℃

（3） MAX6675的引脚排列及内部结构。MAX6675 芯片的引脚排列如图2-2 所示， 各引脚的功能：

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图2-2MAX6675引脚图

T- 为热电偶负极（ 使用时接地）； T+ 为热电偶正极； SCK为串行时钟输入；

CS 为片选信号（ CS 为低电平时， 启动串口）； SO 为串行数据输出； Vcc 为电源端； GND 为接地端； N．C 为悬空， 不用。

它主要由热电偶模拟信号放大电路、冷端补偿信号产生电路、A/D 转换器以及数字控制电路等组成。

（4）MAX6675数据读取时序图2-3

图2-3数据读取时序图

（6）热电偶的选择

热电偶是常用的测温元件，它利用不同材料的导体一端紧密连接在一起产生的热电势效应将温度信号转换为电势信号。本设计采用K型热电偶——镍络-镍硅（线性度较好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性较好，抗氧化性强，价格便宜）对温度进行检测，参比端温度为20℃。由以下公式可以计算出K型热电偶分别在100℃，200℃，

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辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 300℃，400℃，500℃时候的输出电势：

E（100，20）=E（100，0）-E（20，0）=4。096mV-0。798 mV=3。298 mV E（200，20）=E（200，0）-E（20，0）=8。138mV-0。798 mV=7。34 mV E（300，20）=E（300，0）-E（20，0）=12。209mV-0。798 mV=11。411 mV E（400，20）=E（400，0）-E（20，0）=16。397mV-0。798 mV=15。599 mV E（500，20）=E（500，0）-E（20，0）=20。644mV-0。798 mV=19。846 mV 2.2温度检测电路

本系统采用的K 型（镍铬- 镍硅）热电偶，其可测量1312℃以内的温度，其线性度较好，而且价格便宜。K 型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU 通信。传统的温度检测电路采用“传感器- 滤波器- 放大器- 冷端补偿- 线性化处理- A/D 转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。在本系统中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675 来完成“热电偶电势-温度”的转换，不需外围电路、I/O 接线简单、精度高、成本低。MAX6675 是MAXIM公司开发的K 型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器等，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将K 型热电偶输出的电势直接转换成12 位数字量，分辨率0。25℃。温度数据通过SPI 端口输出给单片机，其冷端补偿的范围是- 20～80℃，测量范围是0～1023。75℃。图2-4为MAX6675 的引脚功能图。

引脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 名称 GND T- T+ VCC SCK /CS SO NC 功能 接地端 热电偶负极（使用时接地） 热电偶正极 电源端 串行时钟输入端 片选信号 数据串行输出端 悬空不用 2-4 MAX6675的引脚功能图 图2-5为本系统中温度检测电路。

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辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 3 5 2 6 MAX6675 1 7 4 8 P2.0 P2.1 AT89C52 P2.2

图2-5 温度检测电路

2.3温度显示和报警电路

当P2.5 为低电平且P2.4 口产生时钟脉冲时，MAX6675 的SO脚输出转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3 为相应的温度转换数据。当P2.5 为高电平时，MAX6675 开始进行新的温度转换。在应用MAX6675 时，应该注意将其布置在远离其它I/O 芯片的地方，以降低电源噪声的影响；MAX6675 的T- 端必须接地， 而且和该芯片的电源地都是模拟地，不要和数字地混淆而影响芯片读数的准确性。

本系统采用串行LED数码管温度显示系统，由单片机I/O 口控制，系统中将扩展芯片74HC164的连接单片机串行端口P31和P32，可进行实时显示炉温等。报警电路是将单片机的I/O 口与蜂鸣器报警系统相连接。当温度达到上限值时单片机I/O输出控制信号使蜂鸣器报警系统进行声音报警如图2-6和图2-7。

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图2-7 显示电路

图2-6 报警电路 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 9

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 2.4整体设计电路

10 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 第三章 软件设计

3.1数据采样流程图

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辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 人口 选通MAX6675 读D15 Y 读高四D14-D11 位N 计数器=0？ Y 读低八位 N 计数器=0？ 读断偶标志位 返回

3.2主程序的设计

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辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 开始 系统初始化设输入及炉温设置 炉温测量及显Y降温 炉温=下限温度？ N加热 炉温=上限温度？ N PID算法控制炉温 等于目标温度并稳定 N炉温测定并显Y结束

3.3模拟自整定PID控制

常规PID控制的特点是当模型准确时系统的稳态精度较高，甚至可以完全消除静差，但动态特性不是很好，并且如果参数选取不当则容易造成系统的不稳定；模糊控制的特点是系统动态特性较好，但由于不具有积分调节作用而存在静差。针对电阻炉模型复杂，很难获得准确数学模型的实际情况，而模糊控制又无法满足系统精度的要求，故在本系统中考虑采用基于模糊推理的PID参数自整定方法进行系统控制器的设计。 （1） 输入模糊化

首先根据模糊控制控制器的输入输出变量选取相应的语言变量。与基本论域相对应，取语言变量E代表误差、EC代表误差变化率；ZKp、ZKi、ZKd分别代表PID3个参

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辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 数的调整量。

其次，确定模糊语言变量的论域。其中，取e的论域为[-5， +5]； ec的论域为[-5， +5]；ΔKp，ΔKi，ΔKd的论域均取为[-3， +3]。

第三，确定各语言变量在论域内的模糊集。即确定语言变量在论域内的取值。这里，模糊变量E，Ec，ZKp、ZKi、ZKd在论域内的模糊集均取为7个，即PB（正大）、PM （正中）、PS（正小）、Z（零）、NS（负小）、NM （负中）、ND （负大）。

第四，确定论域中语言变量各值所对应模糊子集的隶属函数。输入输出隶属度函数如图3.1所示。

图3.1输出隶属度函数

（2） 建立模糊控制规则表

由于模糊控制器是以E和EC作为输入语言变量，以ZKp、ZKi、ZKd作为输出语言变量，因此该模糊控制的控制规则就是分别对参数ZKp，ZKi，ZKd进行调整的规则（以ZKp为例）。针对电阻炉的特性，由参数整定原则和专家的经验，可以列出响应的参数整定规则图3-2。

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辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） EC NB NM NS Z PS PM PB E NB NB NB NM NS PM PB PB NM NB NM NS NS PS PM PB NS NM NS NS Z PS PM PB Z PM PM Z Z Z PM PB PS PM PS PS Z NS NM NM PM PB PM PS NS NM NM NB PN PB PB PM NS NM NB NB 图3-2 ZKp控制规则表 （3）模糊推理与模糊决策

在输入模糊化之后，应该进行模糊推理。模糊推理多采用“ifA and B then C”的条件语句。若已知输入为A和B时有输出C，则输入与输出的关系R为：

R = （A×B）T×C

如果有新的输入A1和B1，则由下式求出输出C1： C1= （A1×B1）T°R

对于表1中Kp的调节规则可以写成7×7=49 条模糊条件语句如下：

1） ifE=NB and EC=NB thenZKp=ZKp1=NB 2） ifE=NM and EC=NB thenZKp=ZKp2=NB 3） ifE=NS and EC=NB thenZKp=ZKp3=NM „„

49） ifE=PB and EC=PB thenZKp=ZKp49=NB

对应每一条语句，都有相应的模糊关系即R1、R2、R3、„„、R49，当给定输入E， EC后对应每一个模糊关系都可根据模糊推理的合成运算求得相应的控制量ZKp1、ZKp2、ZKp3、„、ZKp49

49控制器的ZKp=ZKp1∨ZKp2∨ZKp3∨„∨ZKp49=V=1Zkpi i1由上述推理过程得出的控制器输出是一个模糊量，它反映控制语言变量不同取值的

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辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 一种组合。即输出为ZKp论域上的模糊子集。它包含控制量的多种信息。但是，实际系统的控制量要用具体的数值ΔKp去修正。由模糊输出ZKp确定修正量ΔKp的过程称为模糊判决，它完成由模糊量到精确量的转换。通常采用加权平均法（又称重心法），即：

控制器的输出 KP=KP′+ΔKp×qp

式中，K′P是根据临界等方法求出的PID参数初值，qp是修正参数因子。PID控制器的其他出Ki和Kd也可同理求得。

为了进一步验证模糊PID控制算法的合理性，采用MATLAB软件工具进行仿真。被控系统模型为：

Gs e80s11.979sPID控制参数初始值就是经过修正后的Kp′、Ki′和K d′，其取值分别是2.7， 0.03和4.8，调整参数qp，q和q取值分别为0.07， 0.008， 0.3，进行仿真，得到仿

id真结果如图3-3所示。

图3-3 仿真结果

从系统输出响应仿真图中可以看到，与PID控制相比，模糊自整定PID控制的上升时间略有缩短，超调量从2%下降到0.5%，能够达到较为理想的控制效果。

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3.4 程序设计

ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT1 ORG 0013H LJMP INT2 ORG 0200H MAIN： CLR EA MOV A MOV DPTR MOVX @DPTR MOV A MOV DPTR MOV @DPTRMOV A MOV DPTR MOV @DPTRSJ： CLR A

MOV DPTR MOVX @DPTR DEC DPTR

CJNE DPTR MOV A MOV @88H MOV A MOVX @B8H SETB EA

， #90H ， #3FFFH

， A ；置8255工作方式0，且A口为输入，B，C为输出 ， #10H

， #DFFFH ；置8279工作方式，8个字符显示，右端送入；， A ； 编码扫描键盘，双键锁定；

， #14H

， #DFFFH ；置827时钟； ， A ； ， #9000H ， A ， #8000H， SJ ， #05H

， A ；置中断为边沿触发方式 ，#04H

， A ；置中断优先级 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） SETB TR0 SETB TR1

DENDAI：ACALL XIANSHI ；调用显示子程序 JC DENDAI RET

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辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 第四章 课程设计总结

单片机课程设计终于完成了，其中包含着快乐，也有辛酸。做了之后，才发现设计电路好像很简单，可到了程序设计时才明白，对很多知识的理解还不够深刻，不能灵活的运用，以至于很长时间都没有思路，这次课程设计是我发现了自己的许多不足，应该在以后的学习和工作中加以改正，这次课程设计不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，增加了自己的知识，同时也拓展了自己的知识面，使自己有了不小的进步。通过这次课程设计也使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，自己在学校所学的都是单片机方面的理论知识，应用到实践中去还比较少，它锻炼了我们自己思考和创新的意识，为今后的学习和工作打下了良好的基础。

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辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 参考文献

1 梅丽凤，单片机原理及接口技术，北京：清华大学出版社，2004：19-48，81-93 2 张红润，单片机应用设计200例，北京：北京航空航天大学出版社，2006： 3 李齐雄，单片机原理及应用实例，北京：北京航空航天大学出版社，2005： 4 何立民,单片机应用系统设计,北京：北京航空航天大学出版社 1990年： 5李华 . MCS51系列单片机实用接口技术. 北京： 北京航空航天大学出版社 1993 6詹树仁等译 . XICOR 非易失性器件使用手册. 武汉：武汉力源电子股份有限公司 1996 7MAX6675 Data Sheet . Maxim公司

8 杨树兴，李 擎. 计算机控制系统. 北京：机械工业出版社，2006

9 窦振中，模糊逻辑控制技术及其应用. 北京：北京航空航天大学出版社, 1995 10刘金琨,先进PID控制. 北京：电子工业出版社，2004

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