MCS-51单片机智能温度控制系统设计

摘 要

　　　单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在热处理炉温度控制中的应用，对温度控制模块的组成及主要所选器件进行了详细的介绍。并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。
　　温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。本文研究的电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。

关键词：单片机；热处理温度控制；模糊 PID。

Abstract
　　　
　　　The single slice of microcomputers emerges with development of very large scale integration technology, because it has small , the function is strong , high characteristic of cost performance, applies the one-chip computer to temperature control, adopt the one-chip computer to do the top management unit, control contactlessly , can finish the requisition for collection and control of temperature . So apply to such a great deal of fields as electronic instrument , household appliances , energy-conservation fitting , the robot , industrial control ,etc. extensively, make the products miniaturized , intelligented , has already improved the function and quality of the products, have lower costs again, has simplified and designed. This text introduces the application of the one-chip computer in the temperature control of heat-treatment furnace mainly, composition and selecting to introduce the detailed one with device mainly of the temperature control module . And has written the suitable software procedure originally designed according to the concrete demand this text.
　　Temperature in heat treatment craft is very important. Control precision effect directly the quality of the product. The electric stove is a kind pure great inertia system, and the traditional heat control system is based on some certain model, so is hard to satisfy the technological requirement.This paper will adopt fuzzy control algorithm to build a intelligent fuzzy control system.
　　
Keyword：SCM；Temperature control；Fuzzy PID.

第1章 绪论

1.1 引言

　　工业生产中使用的热处理设备种类繁多，如窖炉、鼓风炉、烘炉、退火炉、锅炉等。如果按加温方法分类，可将热处理设备分为两大类
　　(1) 电热炉 这类设备通过电热元件通电发热而升温，调节加入炉子的电功率则改变炉内的温度。电功率调节一般采用接触器通断控制、晶闸管移相触发或通断控制。这一类设备在工厂占有相当大的比例。
　　(2) 燃料炉 这类设备通过燃烧燃料发热而升温，调节加入炉子的燃料量则改变炉内的温度。如锅炉、焦炉等。常用燃料有煤、煤气、重油等。燃料量的调节通常利用阀门、翻板等实现。这类设备在工厂中也占有较大比例
　　　热处理设备虽然种类繁多，控制方法各有差异，但对他们采用微机控制时，控制原理和方法是基本相同的。
　　电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能,借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以下公式定性描述
　　　　　　　　　　　　　　           （1-1）
式中　 X--电炉内温升（指炉内温度与室温温差)
       K--放大系数
       t--加热时间
       T--时间系数
       V--控制电压
       τ0--纯滞后时间
　　但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、T 、τ0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性[2-3]。　
　　温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。

1.2 控制器发展现状

1.2.1 PID 控制器的发展现状
　　在过去的 50 年，调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利用开环阶跃响应信息，如 Coon-Cohen 响应曲线法；还有使用Nyquist 曲线法的，如Ziegler-Nichols 连续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整 PID 参数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定 PID控制技术的发展。
　　自整定技术可追溯到 50 年代自适应控制处于萌芽时期，60 年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。80 年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，PID 控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。
　　电炉温度控制技术发展日新月异，从模拟 PID、数字 PID 到最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中，PID 控制和模糊控制应用最多，也最具代表性。

1.2.2 模糊 PID 控制
　　模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 L.A.Zaden 首先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而 PID 控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。在文献中介绍了多种能提高 PID控制精度的模糊 PID 混合控制方案，例如：引入积分因子的模糊 PID 控制器；混合型模糊 PID 控制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应 PID 控制、神经网络模糊 PID 控制等。[6]

1.2.3 模糊自整定 PID 控制
　　模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 PID 控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。

1.3 电炉采用模糊自整定 PID 控制的可行性

　　在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。另外对于 PID 控制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。
　　人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息(如评价指标、初始 PID 参数等)作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对 PID 参数的最佳调整。
　　从以上的分析可知模糊自整定 PID 控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定 PID 控制电炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有 PID 控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用 PID 参数模糊自整定复合控制，实现 PID 参数的在线自调整功能，可以进一步完善 PID 控制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。

目    录

第1章  绪论 1
1.1  引言 1
1.2  控制器发展现状 1
1.2.1  PID 控制器的发展现状 1
1.2.2  模糊 PID 控制 2
1.2.3  模糊自整定 PID 控制 2
1.3  电炉采用模糊自整定 PID 控制的可行性 2
第2章  模糊自整定 PID 控制器的设计 4
2.1  模糊推理机的设计 4
2.1.1  模糊推理机的结构 4
2.1.2  模糊推理机的设计 4
　　2.1.2.1 精确量的模糊化 5
　　2.1.2.2 建立模糊控制规则和模糊关系 5
　　2.1.2.3 输出信息的模糊决策 6
2.2  模糊自整定 PID 控制器 6
2.2.1  PID 参数对 PID 控制性能的影响 6
2.2.2  模糊自整定 PID 控制器 7
2.3  模糊自整定 PID 控制器性能的研究 8
2.3.1  Matlab 仿真结构图 8
2.3.2  惯性时间常数的影响 9
2.4  仿真结果分析 10
第3章  系统硬件和电路设计 11
3.1引言 11
3.2  系统的总体结构 11
3.3  温度检测电路 12
3.3.1  温度传感器 12
3.3.2  测量放大器的组成 12
3.3.3  热电偶冷端温度补偿方法 13
　3.4  多路开关的选择 13
　3.5  A/D转换器的选择及连接 14
　3.6  单片机系统的扩展 15
　　3.6.1  系统扩展概述 15
　　3.6.2  常用扩展器件简介 16
　3.7  存储器的扩展 17
　　3.7.1  程序存储器的扩展 17
　　　　3.7.1.1只读存储器简介 17
　　　　3.7.1.2  EPROM2764简介 17
　　3.7.2  数据存储器的扩展 18
　　　　3.7.2.1数据存储器概述 18
　　　　3.7.2.2静态RAM6264简介 19
　　　　3.7.2.3数据存储器扩展举例 19
　3.8  单片机I/O口的扩展（8155扩展芯片） 20
　　3.8.1  8155的结构和引脚 20
　　3.8.2  8155的控制字的及其工作方式 21
　　3.8.3  8155与8031的连接 22
　3.9  看门狗、报警、复位和时钟电路的设计 23
　　3.9.1看门狗电路的设计 23
　　3.9.2报警电路的设计 23
　　3.9.3复位电路的设计 24
　　3.9.4 时钟电路的设计 25
　3.10 键盘与显示电路的设计 25
　　3.10.1 LED数码显示器的接口电路 25
　　3.10.2键盘接口电路 26
　3.11 DAC7521数模转换接口 27
　3.12 隔离放大器的设计 28
　3.13 可控硅调功控温 29
　　3.13.1过零触发调功器的组成 29
　　3.13.2主要电路介绍 30
　3.14 单片机开关稳压电源设计 31
第4章  系统软件设计 32
4.1  主要程序的框图 32
　　4.1.1主程序框图 32
　　4.1.2键盘中断服务子程序 33
　　4.1.3恒温及升温测控子程序 34
　　4.1.4降温测控子程序 35
4.2  模糊自整定 PID 控制算法 36
参考文献 39
　　 致谢      41
附录 42