电阻炉温度控制系统设计(4)

四川理工学院本科毕业（设计）论文

1.3.2 系统硬件方案分析

目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路和微控制器两种形式。 模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路优势得不到体现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。

微控制器是把中央处理单元CPU(CentralproeessingUnit)、随机存取存储器RAM(RandoAcceSSMemory)、只读存储器ROM(ReadonlyMemory)、定时/计数器以及I/0(InPut/OutPut)输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是:功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用微控制器设计控制系统，不仅可降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。

从控制性能，降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用微控制器实现温度控制系统是比较经济实用的。目前，市面上的微控制器不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。AT89S51微控制器是ATMEL公司出品的与MCS-51系列兼容的低电压、高性能CMOS 8位微控制器。本系统选择AT89S51为核心器件组成的控制系统。

1.3.3 系统软件方案分析

目前，MCS51微控制器的开发主要用到两种语言:汇编语言和C语言。与汇编语言相比，C语言具有以下的特点:

（1）具有结构化控制语句

结构化控制语言的显著特点是代码和数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护及调试；

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(2)适用范围大和可移植性好

同其他高级语言一样，C语言不依赖于特定的CPU，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的CPU和常见的MCU都有C编译器。加之集成开发环境KEIL编译生成的代码效率很高(仅比汇编语言生成的代码效率低10%～15%)。所以，本系统的软件选择使用C语言开发。

由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，故要求整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软件结构。

温度控制算法方面，结合本温控系统的要求采用了经典的PID控制算法，这主要是由于PID控制相对来说算法简单、鲁棒性好和可靠性高。此外，在设计PID控制器时，依靠经验和试验的方法在系统调试时确定PID控制器的参数KP、

KI、KD，然后用代码实现了算法。

1.4 本文主要工作及章节安排

本文主要工作：

(l)在对温度控制发展现状、系统控制要求进行研究的基础上，选择了整个控制系统的控制方案；

(2)完成系统的硬件设计，包括温度检测电路、微控制器运行电路、控制电路等等的设计；

(3)完成该系统的软件设计，包括主程序模块、控制运算模块、数据输入输出及处理模块等一些子功能模块的设计；

(4)研究了该系统的控制策略。在建立温度控制系统数学模型的基础之上，通过对PID控制的分析设计了系统控制器；

本论文由以下几部分组成:

第一章绪论主要介绍本文的背景知识及系统的总体设计方案，以及本文所成的主要工作；

第二章硬件设计主要介绍系统各部分的硬件组成和特点，包括信号输入输出电路、微控制器系统等等；

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第三章控制算法着重介绍温度控制系统电阻炉的数学模型的确立及PID算法原理和控制仿真；

第四章软件设计介绍了系统软件各主要功能模块的设计； 第五章结论是全文工作的总结。

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第2章 电阻炉控制系统的硬件部分

2.1 系统硬件总体结构

本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几个部分:微控制器主控模块、输入通道、输出通道、人机对话通道等组成，硬件总体结构框图如图2-1所示。具体是由AT89S51微控制器、K型热电偶、晶闸管、键盘及显示电路等组成。其功能是把传感器送来的温度信号，一方面将电阻炉的温度通过控制面板上的数码管显示出来，另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制算法进行运算，最后通过控制双向晶闸管控制周期内的通断占空比(即控制电阻炉加热平均功率的大小)，进而达到对电阻炉温度进行控制的目的。

图2-1 硬件总体结构框图

2.2 主控模块器件选型及设计

2.2.1 微控制器的选用

对于明确的应用对象，选择功能过少的微控制器，无法完成控制任务；选择功能过强的微控制器，则会造成资源浪费，使产品的性能价格比下降。目前，市面上的微控制器不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不同。在实际应用中，针

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对不同的需求要选择合适的微控制器，选择微控制器时要注意下几点:

(1)微控制器的基本性能参数，例如指令执行速度，程序存储器容量，中断能力及I/0口引脚数量等；

(2)微控制器的增强功能，例如看门狗，双串口，RTc(实时时钟)，EEPROM，CAN接口等；

(3)微控制器的存储介质，对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP(一次性可编程)存储器相比较，最好是选择Flash存储器；

(4)芯片的封装形式，如DIP封装，PLCC封装及表面贴附封装等。选择DIP封装在搭建实验电路时会更加方便一些；

(5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级，如果设计户外产品，必须选用工业级芯片；

(6)微控制器的工作电压范围，例如设计电视机遥控器时，使用2节干电池供电，至少选择的微控制器能够在1.8 V～3.6 V电压范围内工作；

(7)微控制器的抗干扰性能好；

(8)编程器以及仿真器的价格，微控制器开发是否支持高级语言以及编程环境要好用易学；

(9)供货渠道是否畅通，价格是否低廉，是否具有良好的技术服务支持。 根据上面所述的原则，结合本系统实际情况综合考虑，本系统选用ATMEL公司生产的AT89系列微控制器中的AT89S51作为核心芯片。AT89S51微控制器DIP封装的引脚如图2-2所示[2]。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

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