摘 要
本文设计的是坩埚熔化电阻炉温度自动控制系统。该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定；实现工业过程中PID控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制固态继电器、调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用8751单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行PID控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示。在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长, 否则会使干扰无法及时消除，使调节品质下降。目前，单片机在各行业控制系统中普遍被采用，其构成的实时控制系统日臻完善，系统总体性能也大大提高。
本系统对干扰信号的抑制能力较强，对温度的测量比较准确。而且通过PID控制算法实现了对系统参数的调节，使系统的响应更加灵敏、准确。
关键词 单片机 温度控制 PID调节
The Automatic Control System in Temperature in Melting Resistance Boiler
Abstract
What this text design is a automatic control in temperature in melting in resistance system. That system makes use of the single a machine can realizes expediently to the parameter of PID choice and set up; Realize industry process inside PID control. It adopts the temperature spreads to feel the actual the temperature of boiler A/ D that machine thermocouple will examine converts, sending into the calculator inside, proceeding with initial value the comparison, having to out the deviation. Press PID regulation to proceed the adjustment to this deviation, beg to should of the control measures control solid after electric appliances, from but regulate the heating power of the electric stove, from but realize to the control of the temperature of boiler. Make use of 8751 single a machines realizes the temperature intelligence controls, can complete automatically the data collect, handles, convert, combine the proceeding PID control to handles( the correction of each parameter number) with the keyboard terminal and manifestation, should notice in control process, adopt the kind period can't be too short, making regulate the process otherwise too multifarious, not only carry out the organization can't respond, but also the utilization of the calculator is big for lower; Adopt the kind period too long, interference can't on time dissolve, make regulate the quality descent. Single a machine is in each profession control system of widespread adoption, its component and solid hour controls the day in system perfect, make that temperature control the total function of the system to increases consumedly, the function is gradually perfect.
The system represses the ability of the interference signal stronger, is too more accurate to the diagraph of the temperature. And pass the PID control calculate way to regulate to the system parameter, the system responds to more prompt, and accurate.
Keywords single-chip computer temperature control PID adjuster
目 录
第一章 绪 论……………………………………………………………………1
第二章 控制系统总体方案确定…………………………………………………2
2.1 系统总体方案确定……………………………………………………… 2
2.1.1 系统的组成………………………………………………………2
2.1.2 系统的工作过程…………………………………………………2
2.2 设计指标………………………………………………………………… 3
第三章 控制算法…………………………………………………………………4
3.1 控制算法的确定…………………………………………………………4
3.2 数学模型的建立…………………………………………………………4
3.3 PID控制算法……………………………………………………………4
3.4 PID参数的整定……………………………………………………………6
第四章 控制系统的硬件设计……………………………………………………9
4.1 微处理器的选择…………………………………………………………9
4.1.1 8751芯片介绍……………………………………………………9
4.1.2 时钟电路和复位电路……………………………………………11
4.2温度检测元件的选择与冷端补偿电路………………………………… 12
4.2.1 温度检测元件的选择……………………………………………12
4.2.2 冷端补偿电路……………………………………………………12
4.3 变送器的选择与设计……………………………………………………13
4.4 A/D转换芯片的选择与接口电路…………………………………………14
4.4.1 A/D转换芯片的选择………………………………………… 14
4.4.2 A/D转换器与单片机的接口电路………………………………15
4.5 I/O接口扩展………………………………………………………………16
4.5.1 可编程并行I/O芯片8255A介绍………………………………16
4.5.2 8255A与8751的接口电路……………………………………18
4.6 程序存储器扩展…………………………………………………………19
4.7 键盘、显示器接口电路…………………………………………………20
4.7.1 8255A与键盘接口电路…………………………………………20
4.7.2 8255A与显示器接口电路……………………………………22
4.8 过零检测电路…………………………………………………………23
4.8.1 调功原理…………………………………………………………23
4.8.2 过零检测电路……………………………………………………24
4.9 执行机构的选择……………………………………………………25
4.9.1 固态继电器的选择…………………………………………25
4.9.2 固态继电器的应用电路………………………………………26
4.10 系统电源………………………………………………………………26
第五章 控制系统的软件设计………………………………………………………28
5.1 系统采样周期的确定………………………………………………28
5.1.1 香农采样定理………………………………………………28
5.1.2 采样周期的选择………………………………………………28
5.2 数字滤波……………………………………………………………29
5.2.1 数字滤波的优点…………………………………………29
5.2.2 数字滤波的几种方法…………………………………………29
5.3 系统控制程序………………………………………………………………30
5.3.1 主程序流程图……………………………………………30
5.3.2 中断子程序流程图…………………………………………30
5.3.3 PID算法流程图………………………………………… 30
结束语……………………………………………………………………………34
参考文献……………………………………………………………………35
附录A：系统硬件电路原理图………………………………………………37
附录B：程序清单……………………………………………………………38
第一章 绪 论
在机械制造行业中存在大量的采用电进行加热的设备，如用于热处理的加热炉，用于熔化金属的坩埚电阻炉等。这些被控对象都可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。以往多采用常规仪表加接触器的断续控制，随着生产的发展，上述设备对温度的控制要求越来越高，除了要求具有较高的控温精度外，有的还提出温度上升速度及温度下降速度的可控问题。显然，应用常规仪表方法难于满足这些生产工艺要求。随着超大规模集成电路技术的发展，单片微型计算机出现了。它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、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。单片机的出现使上述被控对象采用智能化温度控制装置进行控制成为了现实。
温度是生产过程中最常见的物理量，许多生产过程是以温度作为其被控参数的，因此，温度控制系统是典型的控制系统。
在控制系统中，PID调节是应用最广泛的一种控制方法。所以人们经常采用PID调节器，并根据经验进行在线整定，即用实验和分析的方法来确定数字PID调节器的参数。但是，常规PID调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，步骤繁琐复杂，既耗时又耗力。而且当对象特性变化时，又要重新整定，并且在现代工业过程控制中，许多被控对象机理复杂，具有多输入多输出的强耦合性、参数时变性、严重的非线性特性、滞后性等特性。在这种情况下，采用常规PID调节器，三个参数的整定比较困难，为此本文提出了采用归一参数整定法，即只整定一个参数，这样减少了许多工作量，提高了工作效率，为实现简易的自整定控制带来了方便。本文以坩埚熔化电阻炉温度控制系统为研究对象，采用了归一参数整定法的数字PID对锅炉炉温系统进行控制，通过调节比例系数来调节控制效果。
随着计算机运算速度的大幅度提高和存储信息的大量增加，PID调节在工业过程控制、航空航天领域内将得到广泛的应用，因此研究PID控制具有较高的工程实践意义和广泛的应用前景。
