单片机的PID炉温控制系统的设计
目录
一、引言 1
（一）课题背景 1
（二）研究意义 1
二、炉温控制系统软硬件总体方案 1
（一）炉温控制系统软硬件总体方案 1
（二）单片机炉温控制系统总体设计 2
（三）PID控制的介绍 2
三、模拟输入输出通道的设计 2
（一）模拟输入输出通道的介绍 2
（二）模拟量输入通道的介绍 3
四、单片机炉温控制系统硬件设计 3
（一） 单片机炉温控制体系主机体系的设计 5
（二） 模拟输入通道硬件设计 6
五、单片机炉温PID控制系统软件程序设计 7
（一） 单片机炉温控制体系主机体系的设计 9
（二）温度控制主程序和时间继电器的子程序设计 10
六、 结束语 16
参考文献 17
致谢 18
第一章 一、引言
（一）课题背景
温度是产业生产中重要被控参数之一，温度控制自然是生产的重要控制历程。工业出产中温度很难控制，对于严酷的场所，温度太高或太低将严重影响工业出产的产质量及出产效力，下降出产效益。这就必要设计一个杰出温度控制器，随时向用户显示温度，并且可以较好控制温度。单片机具备和通俗计算机近似的壮大数据处理本领，而PID程序控制可大大进步控制效率，进步出产效益。
以前温度控制一直都是人们难题，人们都想了各种办法来合理并安全的控制温度，都没有取得良好的效果。刚开始的时候，人们用电阻丝为发热体来进行设计，这种的设计大多数都是用仪表测量温度的，并通过温度控制的交流接触器的闭合时间比例来进行控制加热功率。
1.这种仪表测量温度的设计没有什么稳 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
定性，很容易被一些外在的条件所影响，所以，实验的测量精度差。
2.利用交流接触器闭合时间比例来进行控制加热功率，这样大大减少交流接触器寿命，实验的成本高，无法长时间测量温度。
现在科技的发展，单片机的功能增大，我这次的设计是由于单片机MCS-51单片机的8031作为CPU，这种设计可以实现按温度控制程序设定的升温曲线升温和故障自诊断功能，提高温度控制检测的质量，大大减少人力的劳动成本，节约能源。这次设计比以前测量温度更加的智能，这次设计不但对于用户来说有很大的意义，对于社会来说也有较大的意义。
这次设计大大的加深我对于专业知识的认识，也大大提升我的动手能力和思考与解决问题的能力，对于我未来的成长有很大的帮助。
（二） 研究意义
随着数字控制技术的成长，使咱们在控制器的设计上有了更大的灵活性，改进型 PID 控制的钻研，可以改良体系品质，满足不同控制系统的需要。而在设计过程当中，可以把所学的工具用于实践，进一步升华理论知识。
二、炉温控制系统软硬件总体方案
（一）炉温控制系统软硬件总体方案
1.炉温控制系统简述
炉温控制技术的控制工具为电加热炉，输出的控制信号用于控制电加热炉的两头电压，被控量为电加热炉内的温度。控温范围为0~100摄氏度。控制使命是经由过程PID的输出信号来控制晶闸管的导通角来控制炉温。如图2-1所示。
图2-1炉温控制系统
（二）单片机炉温控制系统总体设计
1.模拟量输入通道的组成
模拟量输入通道一般由信号调理电路、多路转换开关、放大器和模/数转换器等组成。与微机连接还有相应的控制电路。典型组成框图如图2-2所示。
图2-2 模拟量输入通道的组成
模拟量输入通道各部分电路作用如下：
(1)传感器：将过程量转换为电信号。
(2)信号调理电路：对微弱的电信号进行放大。
(3)多路转换开关：将多路模拟信号按要求分时输出。
(4)S/H采样保持：对模拟信号进行采样，在模/数转换期间保持采样信号不变。
(5)A/D转换：即模/数转换，将模拟信号转换为二进制数字量。
(6)接口电路：提供模拟输入通道与计算机之间的控制信号和数据传送通路。
2.传感器的选择
传感器为检测元件，对于工作对象某一特性敏感，对应输出信号。根据输出信号的不同，传感器可以分为两大类：一类为模拟量输出，如热电偶、热电阻、应变片、流量计及各种气敏元件等；另一类为开关量，如各种感应开关。现已有成品的工业标准集成电路功能模块。
在选择传感器时，要注意考虑下列几点：工作范围、环境条件、灵敏度与精度和可靠性。
3.放大器的选择
本设计中一级运放选用OP07，二级运放选用741。OP07作为低漂移高精度前置放大器，对几十uV变化信号测量比较精确，其放大倍数可根据需要设计。其中，OP07的1，7，8端与RW1构成调零电路。前置放大器的输出为mV级信号，再接一级由运放741构成的续接放大器就可将mV级信号放大到需要的幅度，如0-5V。其放大倍数可根据需要设计。741的1，4，5端与RW2构成调零电路。
放大器的特点:
① 低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P (0.1Hz ～ 10Hz)
② 极低的输入失调电压—10μV
③ 极低的输入失调电压温漂—0.2μV/ ℃
④ 具有长期的稳定性—0.2μV/MO
⑤ 低的输入偏置电流—±1nA
⑥ 高的共模抑制比—126dB
⑦ 宽的共模输入电压范围—±14V
⑧ 宽的电源电压范围—±3V ～±22V
4.光电耦合器的选择
选用光电隔离器件为了实现现场总线与被测温度的工业设备之间完全的电隔离以消除一些外在因素和电源的干扰，从而使设备和计算机系统可靠地工作。
（1）光电隔离的方法。
光电断绝的方式是采用光传递信息举行电气断绝。因为光断绝的电气绝缘性极其杰出，而且不容易受外界的影响，所以是一种比力抱负的断绝方式，这类方式在计算机控制方面普遍的利用。
常见的光电断绝本领有光电断绝器，光电开关，光缆及光触发可控硅，模拟信号光电断绝装配等。由于光电隔离结构简单，工作可靠，功率小等优点，所以在目前的计算机控制系统中总是优先考虑采用光电隔离的方法。
（2）光电耦合器的特点
输入，输出回路绝缘电阻高，耐压超过1kV。
由于光的传输是单向的，以是输入信号不会反馈和影响输入端。如图2-3所示。
图2-3 光电耦合器的原理
5．硬件系统总体结构
硬件系统总体结构是由I/O接口电路、CPU、放大器、AD转换器等组成。能清楚的了解各个模块的作用。如图2-4所示。
（1）74LS240是三态输出缓冲器。
（2）每个74LS240内有两个缓冲器。
（3）当/E1=1时，输出为高阻抗，74LS240的输出电流为24ml.
子程序清单如下：
一、引言 1
（一）课题背景 1
（二）研究意义 1
二、炉温控制系统软硬件总体方案 1
（一）炉温控制系统软硬件总体方案 1
（二）单片机炉温控制系统总体设计 2
（三）PID控制的介绍 2
三、模拟输入输出通道的设计 2
（一）模拟输入输出通道的介绍 2
（二）模拟量输入通道的介绍 3
四、单片机炉温控制系统硬件设计 3
（一） 单片机炉温控制体系主机体系的设计 5
（二） 模拟输入通道硬件设计 6
五、单片机炉温PID控制系统软件程序设计 7
（一） 单片机炉温控制体系主机体系的设计 9
（二）温度控制主程序和时间继电器的子程序设计 10
六、 结束语 16
参考文献 17
致谢 18
第一章 一、引言
（一）课题背景
温度是产业生产中重要被控参数之一，温度控制自然是生产的重要控制历程。工业出产中温度很难控制，对于严酷的场所，温度太高或太低将严重影响工业出产的产质量及出产效力，下降出产效益。这就必要设计一个杰出温度控制器，随时向用户显示温度，并且可以较好控制温度。单片机具备和通俗计算机近似的壮大数据处理本领，而PID程序控制可大大进步控制效率，进步出产效益。
以前温度控制一直都是人们难题，人们都想了各种办法来合理并安全的控制温度，都没有取得良好的效果。刚开始的时候，人们用电阻丝为发热体来进行设计，这种的设计大多数都是用仪表测量温度的，并通过温度控制的交流接触器的闭合时间比例来进行控制加热功率。
1.这种仪表测量温度的设计没有什么稳 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
定性，很容易被一些外在的条件所影响，所以，实验的测量精度差。
2.利用交流接触器闭合时间比例来进行控制加热功率，这样大大减少交流接触器寿命，实验的成本高，无法长时间测量温度。
现在科技的发展，单片机的功能增大，我这次的设计是由于单片机MCS-51单片机的8031作为CPU，这种设计可以实现按温度控制程序设定的升温曲线升温和故障自诊断功能，提高温度控制检测的质量，大大减少人力的劳动成本，节约能源。这次设计比以前测量温度更加的智能，这次设计不但对于用户来说有很大的意义，对于社会来说也有较大的意义。
这次设计大大的加深我对于专业知识的认识，也大大提升我的动手能力和思考与解决问题的能力，对于我未来的成长有很大的帮助。
（二） 研究意义
随着数字控制技术的成长，使咱们在控制器的设计上有了更大的灵活性，改进型 PID 控制的钻研，可以改良体系品质，满足不同控制系统的需要。而在设计过程当中，可以把所学的工具用于实践，进一步升华理论知识。
二、炉温控制系统软硬件总体方案
（一）炉温控制系统软硬件总体方案
1.炉温控制系统简述
炉温控制技术的控制工具为电加热炉，输出的控制信号用于控制电加热炉的两头电压，被控量为电加热炉内的温度。控温范围为0~100摄氏度。控制使命是经由过程PID的输出信号来控制晶闸管的导通角来控制炉温。如图2-1所示。
图2-1炉温控制系统
（二）单片机炉温控制系统总体设计
1.模拟量输入通道的组成
模拟量输入通道一般由信号调理电路、多路转换开关、放大器和模/数转换器等组成。与微机连接还有相应的控制电路。典型组成框图如图2-2所示。
图2-2 模拟量输入通道的组成
模拟量输入通道各部分电路作用如下：
(1)传感器：将过程量转换为电信号。
(2)信号调理电路：对微弱的电信号进行放大。
(3)多路转换开关：将多路模拟信号按要求分时输出。
(4)S/H采样保持：对模拟信号进行采样，在模/数转换期间保持采样信号不变。
(5)A/D转换：即模/数转换，将模拟信号转换为二进制数字量。
(6)接口电路：提供模拟输入通道与计算机之间的控制信号和数据传送通路。
2.传感器的选择
传感器为检测元件，对于工作对象某一特性敏感，对应输出信号。根据输出信号的不同，传感器可以分为两大类：一类为模拟量输出，如热电偶、热电阻、应变片、流量计及各种气敏元件等；另一类为开关量，如各种感应开关。现已有成品的工业标准集成电路功能模块。
在选择传感器时，要注意考虑下列几点：工作范围、环境条件、灵敏度与精度和可靠性。
3.放大器的选择
本设计中一级运放选用OP07，二级运放选用741。OP07作为低漂移高精度前置放大器，对几十uV变化信号测量比较精确，其放大倍数可根据需要设计。其中，OP07的1，7，8端与RW1构成调零电路。前置放大器的输出为mV级信号，再接一级由运放741构成的续接放大器就可将mV级信号放大到需要的幅度，如0-5V。其放大倍数可根据需要设计。741的1，4，5端与RW2构成调零电路。
放大器的特点:
① 低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P (0.1Hz ～ 10Hz)
② 极低的输入失调电压—10μV
③ 极低的输入失调电压温漂—0.2μV/ ℃
④ 具有长期的稳定性—0.2μV/MO
⑤ 低的输入偏置电流—±1nA
⑥ 高的共模抑制比—126dB
⑦ 宽的共模输入电压范围—±14V
⑧ 宽的电源电压范围—±3V ～±22V
4.光电耦合器的选择
选用光电隔离器件为了实现现场总线与被测温度的工业设备之间完全的电隔离以消除一些外在因素和电源的干扰，从而使设备和计算机系统可靠地工作。
（1）光电隔离的方法。
光电断绝的方式是采用光传递信息举行电气断绝。因为光断绝的电气绝缘性极其杰出，而且不容易受外界的影响，所以是一种比力抱负的断绝方式，这类方式在计算机控制方面普遍的利用。
常见的光电断绝本领有光电断绝器，光电开关，光缆及光触发可控硅，模拟信号光电断绝装配等。由于光电隔离结构简单，工作可靠，功率小等优点，所以在目前的计算机控制系统中总是优先考虑采用光电隔离的方法。
（2）光电耦合器的特点
输入，输出回路绝缘电阻高，耐压超过1kV。
由于光的传输是单向的，以是输入信号不会反馈和影响输入端。如图2-3所示。
图2-3 光电耦合器的原理
5．硬件系统总体结构
硬件系统总体结构是由I/O接口电路、CPU、放大器、AD转换器等组成。能清楚的了解各个模块的作用。如图2-4所示。
（1）74LS240是三态输出缓冲器。
（2）每个74LS240内有两个缓冲器。
（3）当/E1=1时，输出为高阻抗，74LS240的输出电流为24ml.
子程序清单如下：
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