基于单片机的温度控制系统的硬件设计

基于单片机的温度控制系统的硬件设计

摘 要

本文针对温度控制的特点，提出了单片机温度控制系统的硬件设计方法，同时也对温度控制系统的控制过程做了理论分析，建立了控制系统的数学模型，提出了克服温度控制系统中纯滞后影响的控制方法。

该单片机温度控制系统由键盘、AD采样、PWM控制与显示四部分构成。其中，键盘输入给定温度值；由AD574将采集的温度转换为数字量送入单片机；通过PWM控制调节脉冲的宽度，从而获得所需要的输入与输出电压；最后由LED显示给定温度与检测温度值。

温度控制系统普遍存在大延时、纯滞后的特性，常引起系统产生超调和震荡，使控制系统的稳定性降低。因此，本设计采用史密斯预估器对系统进行纯滞后补偿，以此消除系统的超调和震荡，使系统稳定。文中给出了控制系统的数学模型，确定了系统控制方案和控制系统的硬件电路框图，本设计可直接应用于工业控制中。

本设计通过PROTEUS软件对系统的硬件进行仿真，通过MATLAB/SIMULINK的仿真结果验证数字控制器设计的正确性。

关键词：温度控制，单片机，纯滞后，史密斯预估器

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The hardware design in temperature control system based on Microcontroller

Abstract

This article narrates the hardware design in temperature control system. Aiming at temperature control problem which industry produce usually occurs. We can use the software and the hardware source of the single chip microcomputer (ATC51) to check, control and display the temperature value on real-time. The settle temperature value is input by the keyboard. Here we make the system to follow this settle value,and finally to attain the purpose of automatic control.

This temperature control system is mostly made of four parts which consists of the keyboard,AD sampling circuit, PWM control and LED real time display part.Among of them,keyboard inputs the settle value.AD574 transforms the temperature into digital signal and sends it into single chip microcomputer.PWM control circuit regulates the width of pulse in order to attain input and output voltage that needed.At last, LED real time display part displays the settle value and detected value.

The temperature control system usually contains great postpones and pure hysteresis characteristic which often causes the system to produce super surge and make its stability lower. The mathematics model has been given in this article in order to definite the control program and hardware electrocircuit diagram of the system. This design may apply directly in the industrial cnntrol.

This design use the PROTEUS to make a simulation of department's hardware ,passes MATLAB/SIMULINK to imitate the true fruit character controller's accuracy.

Key word： The temperature control, microcontroller, pure hysteresis, Smith predictor

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目 录

前 言 ....................................................................... 4 第1章 温度控制系统的方案确定 ............................................. 5

1.1 系统设计的主要任务 ................................................ 5 1.2 系统设计的要求 .................................................... 6 1.3 系统设计的总体方案 ................................................. 6 第2章 温度控制系统的控制器设计 ............................................ 7 2.1 控制对象数学模型的建立 .............................................. 7 2.2 控制系统的稳定性分析 ................................................ 8 2.3 控制对象的纯滞后补偿 ............................................... 10 2.4 系统PID调节器的设计 ............................................... 11 2.4.1 PID概述 .................................................... 11 2.4.2 系统PID调节器参数的选定 ..................................... 11 2.5 系统纯滞后补偿的数字化 ............................................. 13 2.5.1 采样周期T的选择原则 ........................................ 13

2.5.2 纯滞后对象的控制算法——大林算法 ............................ 13 2.6 系统PID数字控制器的设计 ........................................... 15 2.7 温度控制系统的数字控制器的SIMULINK仿真 ............................ 17 第3章 温度控制系统的硬件设计 .............................................. 20 3.1 硬件设计的原理 ..................................................... 20 3.2 系统输入单元键盘的设计 ............................................. 20 3.3 系统AD采样单元的设计 .............................................. 23

3.4 系统显示单元设计 ................................................... 24 3.5 PWM控制的基本原理 .................................................. 25 3.6 单片机对PWM控制的实现 ............................................. 26 3.7 复位电路的原理 ..................................................... 27 3.8热电偶测温电路 ..................................................... 28

3.9系统硬件原理图 ...................................................... 29 设计结论 ................................................................... 30 英文文献 ................................................................... 31 中文翻译 ................................................................... 34 致 谢 .................................................................... 36 参考文献 ................................................................... 37

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前 言

温度控制设备是工业生产中常见的控制设备之一，因此温度控制是生产过程自动化的重要任务之一。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料、控制方案也有所不同，例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，燃料有煤气、天然气、油、电等。传统的继电器控制调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,其触点因频繁通断而产生接触不良而影响正常工作。随着电子技术和微型计算机的迅速发展,微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用，利用微机对温度进行测控得到日益发展和完善,且越来越显示出其优越性。如IGBT、晶闸管等电子器件的出现，采用主回路无触点控制,克服了继电器接触不良的缺点,且维修方便。同时计算机技术的发展也使得新的控制方法得以实现，如PID控制、模糊控制、神经网络等。而PID控制由于其结构简单、实用、价格低，被广泛应用在工业过程控制中。同时温度控制系统的控制器也多采用PID控制。

单片机即简称单片微型计算机，它是微型计算机发展的产物，自产生到现在已有30余年。微型计算机出现以后，计算机硬件系统得到了长足的发展，通用微处理以惊人的速度更新，出现了许多性能极佳的通用微型计算机系统。单片机就是微型计算机发展的一个重要的分支，应用面广，发展很快，其发展大致经历了3个历史阶段：1974-1978年，为初级单片机阶段。第一代单片机始于1974年，以INTEL公司的MCS-48系列为代表，其特点是采用专门的结构设计，这个系列的单片机在片内集成了8位CPU、并行I/O端口、8位定时器/计数器、RAM、ROM等。没有串行I/O端口，中断处理也比较简单，片内RAM、ROM的容量较小，且寻址范围小于4KB。1978-1983年，为高性能单片机阶段。第二代单片机以INTEL公司的MCS-51系列为代表，其技术特点是完善了外部总线，并确立了单片机的控制功能。外部总线规范化为16位地址总线，用以寻址的外部KB的程序存储器和数据存储器空间，8位数据总线及相应的控制总线，形成了完整的并行三总线结构。同时还提供了多机通信的串行I/O端口、16位定时器，具有多级的中断处理，片内的RAM和ROM容量大，有的片内还带A/D。从1983年至今，为8位单片机的巩固提高阶段，是完善16位单片机及32位和位单片机的研制阶段。

单片机有以下主要特点：

1．低功耗。一般单片机都能在3到6V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对

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电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源已由从5V降低到3V、2V甚至1V左右，0.9V供电的单片机已经问世，工作电流也从毫安降到微安级。

2．抗工业噪声干扰能力强，可靠性高。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，适应温度范围宽，能在恶劣环境条件下可靠的工作，这也是其他机种无法比拟的优点之一。

3．系统扩展性能强。有供扩展外部电路用的三总线结构,以方便构成各种应用系统。单片机应用系统涉及多种外部设备或系统的互连和通信，有必要在单片机与外部芯片之间插入有通信功能的接口总线。一直以来，单片机没有自己的总线标准，通常是由著名厂家推出自己产品时配套设计的，例如MCS－51系列单片机就设计有完整的三总线结构（地址总线AB，数据总线DB，控制总线CB）。后来根据控制系统网络及多机系统的需要出现了串行、并行接口总线，可以方便的实现多机和分布式控制，构成各种规模地多机系统和网络系统，使系统的效益和规模大为提高。

4．寿命长。这里说的寿命长，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠的工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器（MPU）相比的寿命长。随着半导体技术的飞速发展，MPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短时间内就被淘汰出局，而传统的单片机已经二十多岁了，产量仍然是上升的。这一方面是由于其在相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。

第1章 温度控制系统的方案确定

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。

1.1系统设计的主要任务

本设计的控制对象为一电加热炉，输入为加在电阻丝两端的电压，输出为电加热炉内的温度。控温范围为0－800℃，要求实时显示当前温度值、控制精度为5%，所采用的温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关。镍铬/镍硅热电偶适用

5

于0℃-1000℃的温度检测范围，通过温度变送器将传感器的采样信号转换成0-5v的标准信号，送至12位AD转换器AD574转换。

温度控制系统普遍存在大延时、纯滞后的特性，被控对象的这种特性会降低系统的稳定性，Smith预估器从理论上解决了纯滞后系统的控制问题，本文采用一个带Smith预估器的温度控制系统，该系统能有效抑制纯滞后的影响。温度控制采用PID控制算法，为实现高精度控制的要求，采用PWM方式的电源控制，通过控制大功率电力电子器件IGBT的导通和关断时间实现对给定电压的控制，从而保持设定的温度基本不变，达到自动控制的目的。用键盘输入温度给定值，采用LED静态显示温度值，以方便人工监视。

1.2 系统设计的要求

工业电热炉常用温度一般在几百摄氏度，对温度控制精度要求较高，热电偶是测温的一次仪表，对它的选择将直接影响检测精度。目前测温常选用K型镍铬-镍硅热电偶，它具有较好的温度-热电势的线性度，本系统采用带变送器的温度测量设备，温度范围为0-800℃其输出为0-5V的电压信号。同时系统对每个温度阶段的时间—温度值有严格的要求，用常规的方法控制难以达到满意的控制效果，为达到高精度控制的要求，用单片机实现对炉温的实时控制，每个炉的温度控制精度5%。另外，考虑到8位ADC0808的分辨率比较低，所以在该系统中采用12位AD转换器AD574，其分辨率达到了1/212 =1/4096,即为800/4096=0.1953℃，从而可以保证系统的控制精度。

本系统需完成的设计内容如下： 1、项目的总体设计说明；

2、控制对象的特性分析与单片机硬件总体方案设计；

3、单片机硬件设计说明与硬件仿真（用PROTEUS为设计电路仿真）； 4、硬件电路及其它控制电路的设计与仿真； 5、控制系统联调仿真（与软件设计人员共同完成）。

1.3系统设计的总体方案

闭环温度控制系统一般由三部分组成：温度传感器、温度控制器和执行器。温度传感器采集受控对象的温度，控制器为带Smith预估器的PID控制器，执行器为由IGBT可关断大功率电子器件组成的PWM控制电路。在本设计中，整个系统的控制工作是在单片机控制下实现的。

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系统的被测参数主要是温度，电阻炉的温度值由热电偶测定后得到毫伏级电压信号，经过温度变送器放大滤波后变为0－5V的标准电压信号，再送到采样/保持器，经过A/D转换器将模拟信号变为数字信号进入单片机（ATC51），在单片机进行数据处理时，一方面，与所设定的期望温度值进行比较后，产生偏差信号，单片机根据预定的PID算法计算出相应的控制量实现对PWM输出功率的控制，要求控制精度达到系统控制性能的指标。为实现高精度的控制，采用PWM方式的电源控制，通过控制大功率电力电子器件IGBT的导通和关断时间实现对给定电压的控制，从而控制温度稳定在设定值上，同时送至LED数码管显示检测温度值，温度控制系统的总体框图如图1.1所示。

整流器 交流电源 电阻炉 热电偶 IGBT PWM 单 片 机 ATC51 温度变送器 AD1674 图1.1 温度控制系统的总体框图

第2章 温度控制系统的控制器设计

2.1 控制对象数学模型的建立

常见的温度控制对象的传递函数模型为：

Kse (2.1) G(S)=

TS17

式中K为放大系数， 为滞后时间,T为惯性时间常数。本系统的对象的

=20,k=1,T=50,即电阻炉的传递函数为

120sG(S)= (2.2) e50S1

常规的温度控制系统结构图如下所示：

R（S） D（s） + -

Y（s） /sG(s)e 图2.1 温度控制系统结构图

设被控对象的传递函数为

Gs=G(s)e/s

(2.3)

其中G(s)为不包含纯滞后特性的部分，由图2.2可知系统的闭环传递函数为

/D(s)G(s)eY(s)(s)GR(s)1D(s)(s)Ge

/sC/s（2.4）

则系统的特征方程为

/s1+D(s)G(s)e 0（2.5）

2.2 控制系统的稳定性分析

在工业生产过程中，被控对象常常存在程度不同的纯滞后，以换热器为例，被控量是被加热物料的出口温度，而控制量是热介质，当改变热介质的流量后，由于热介质通过管道输送需要时间，因而对物料出口温度的影响必然要产生滞后。此外，如化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多个容器串联以及用分析仪表测量流体的成分等，都存在不同程度的纯滞后。纯滞后过程的存在降低系统稳定性的原因分析如下：（1）由测量信号提供不及时，会导致调节器发出的调节作用不及时，影响调节质量。（2）由控制介质的传输而产生的纯滞后，会导致执行器的调节动作不能及时影响调节效果。（3）纯滞后的存在使系统的开环相频特性的相角滞后随频率的增大而增大，从而使开环频率特性的中频段与（-1，j0）点的距离减小，结果导致闭环系统的稳定裕度下降。若要保证其稳定裕度不变，只能减小调节器的放大系数，同样导致调节质量的下降。

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式（2.5）中包含有纯滞后环节es，会导致系统对控制指令的反应不及时，引起系

统产生超调或震荡，尤其当比较大时，系统会不稳定，所以纯滞后系统采用常规的反馈控制方法（常规PID控制、微分先行控制及中间微分反馈控制等）往往难以取得显著效果，因此，为了克服纯滞后对系统的影响，在本设计中我们运用史密斯预估器对系统进行纯滞后补偿。

还可以用奈氏判据[3]来分析本系统的稳定性，纯滞后系统的结构框图如下所示：

G1(S)

es 图2.2 纯滞后系统的框图 图2.2所示系统的特征方程为

1+ G1(S)

es=0

即 1/50S+1=

es在没有滞后因子时，系统产生持续等幅震荡的条件是：G1(jw)=-1。

由上式可知，非滞后系统的临界稳定点是（-1，j0），而具有滞后因子的系统，其临界稳定状态不是一个点，而是一条临界轨线-ejw。把G1(jw)和-ejw的奈氏图同时画在图中如下图2.3所示，并设这两条曲线的交点为A。根据∣G1(jw)∣=1的条件，求出G1(jw)曲线上对应的角频率w=0.497；而在-ejw曲线上对应的w=0.90711。因为点A即在G1(jw)曲线上，又在-ejw曲线上，所以它们应用相同的角频率，即有 0.497=0.90711 于是求得



=1.82。

A 图2.3

由图2.3可知，当大于1.82S时，在单位圆上的临界点就被G1(jw)曲线包围，系统不稳定。当小于1.82S时，G1(jw)曲线不包围临界点，对应的系统是稳定的。而本系

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统的等于20S，故本系统不稳定。因此常规的调节器D（S）很难使闭环系统获得满意的控制性能。

2.3 控制对象的纯滞后补偿

由自动控制理论知，纯滞后的存在使得被控量不能及时地反映系统所承受的扰动，延长了调节时间，从而产生明显的的超调，降低了系统的稳定性。当滞后时间比较小时，可以采用PID控制，当纯滞后时间比较大时，常规的PID控制很难得到较好的控制效果。人们针对纯滞后的被控对象，提出了各种各样的控制方法，smith预估器就是一种广泛应用的纯滞后系统的控制方法。该方法的基本思路是:预先估计出系统在基本扰动下的动态特性，然后由预估器对时滞进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器,使调节器提前动作，从而抵消掉时滞特性所造成的影响：减小超调量，提高系统的稳定性并加速调节过程，提高系统的快速性。史密斯预估器的原理如图2.3所示

图2.3 补偿器转化图

图中D（S）是调节器的传递函数，GP(S) es是被控对象的传递函数，GP(S)是被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数，es是被控对象纯滞后部分的传递函数，与D（S）并联的环节就是补偿环节，其传递函数为GP (S)（1-es），用来补偿对象的纯滞后部分，称为smith预估器。[1]

由smith预估器和调节器D(S)组成的补偿回来称为纯滞后补偿器，其传递函数为

DgU(s)D(s) (2.6) /sE(s)1D(s)G(s)(1e)补偿后系统的闭环传递函数为

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Gc(s)Y(s)R(s)1Dg(s)G'(s)eDg(s)G'(s)essD(s)G'(s)e1D(s)G'(s)(1e)D(s)G(s)eD(s)1D(s)G'(s)1G'(s)e1D(s)G'(s)(1e)sssss (2.7)

从上式可以看出，经smith预估器补偿后，纯滞后环节被移到闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性。纯滞后环节只起到延迟的作用，把控制系统作用在时间坐标轴上推迟了时间，而对系统的过渡过程以及其他性能指标没有任何作用，消除了纯滞后部分对控制系统的影响。

另外，由拉氏变换的平移定理得知，系统在单位阶跃输入时，输出量的形状和其他性能指标与对象特性G（s）不包含纯滞后特性es时完全相同，只是在时间轴上滞后了时间。

2.4 系统PID调节器的设计

2.4.1 PID概述

PID控制器由比例单元（P），积分单元（I），和微分单元（D）组成，它的基本原理比较简单，基本的PID控制规律可描述为：

GC（S）=KPKSIKDS （2.8）

PID控制用途广泛，使用灵活，已有系列化的控制器产品，使用中只需设定三个参数KP、

KIKD即可。PID控制具有以下优点：原理简单，使用方便，PID参数KPKI和KD可

、

、

以根据动态特性及时调整，适应性强，其控制品质对控制对象特性的变化不太敏感。PD控制器的传函为：GC(S)=KP(1+TDS)；PI控制器的传递函数为：GC(S)=KP

。

由它们的传递

函数可知，PD控制器是 一种超前校正装置，PI控制器属于滞后校正装置，所以兼有PI和PD特点的PID控制器有着超前滞后的作用，它的传递函数为

GC(S)=KP (1+

2.4.2 系统PID调节器参数的选定

在选定系统PID调节器参数之前，先要知道PID调节器参数对系统性能的影响。

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+TdS ) （2.9）

（1）比例控制KP对系统性能的影响

a对动态性能的影响：比例控制KP加大，使系统的动作灵敏、速度加快；KP偏大，振荡次数加多，调节时间加长；当KP太大时，系统会趋于不稳定。若KP太小，又会使系统的动作缓慢。

b对稳定特性的影响：加大比例控制KP，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差，提高控制精度，但加大KP只能减小误差，却不能完全消除误差。

（2）积分控制TI对控制性能的影响

a对动态特性的影响：积分控制TI通常使系统的稳定性下降，TI太小，系统将不稳定；

TI偏小，震荡次数较多；TI太大，对系统性能的影响减小。当TI合适时，过渡过程比较

理想。

b对稳态性能的影响：积分控制TI能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但TI太大，积分作用太弱，以致不能减小稳态误差。

（3）微分控制TD对控制性能的影响

微分控制可以改善动态特性，如超调量的减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当TD偏大时，超调量较大，调节时间长；当TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有TD合适时，可以得到比较满意的过渡过程。

PID调节器的参数整定是控制系统设计的核心内容，它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID调节器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数，这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。现在一般采用的是临界比例法，利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

本系统的参数的选择，主要是依赖与工程经验，有大量的实验可知，对于本系统的PID参数选择如下：KP = 6.0 , Ki = 0.15, Kd = 4.0。

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2.5 系统纯滞后补偿的数字化

2.5.1 采样周期T的选择原则

采样周期T在计算机控制中是一个重要参量，必需根据具体情况来选择。

(1) 必须满足采样定理的要求。从信号的保真角度看，采样周期必须满足香农采样定理，即采样角频率WS2W max, W max是被采样信号的最高频率，因为WS =采样定理可以确定采样周期上限值，TW max2T

，所以，根据

。对于随动系统来说，有经验公式WS10WC。

（2）从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，则T小些好。干扰频率越高，则采样频率最好越高，以便实现快速跟随和快速抑制干扰。

（3）根据被控对象的特性，快速系统的T应取小些，反之，T可取大些。

（4）根据执行机构的类型，当执行机构动作惯性大时，T应取大些。否则，执行机构来不及反应控制器输出值的变化。

（5）从计算机的工作量及每个调节回路的计算成本来看，T应取大些。T大，则每个回路的计算控制工作量相对减少，可以增加控制的回路数。

（6）从计算机能精确执行控制算式来看，T应取大些。因为计算机字长有限，T过小，偏差值e(k)可能很小，甚至为零，调节作用减弱，各微分、积分作用不明显。

本系统电炉的传递函数为G（S）=

1020S1e10S，根据经验，采样周期T取为1s。

2.5.2 纯滞后对象的控制算法——大林算法

在一些实际工程中，经常遇到纯滞后调节系统，它们的滞后时间比较长。对于这样的系统，往往允许系统存在适当的超调量，以尽可能地缩短调节时间。人们更感兴趣的是要求系统没有超调量或只有很小超调量，而调节时间则允许在较多的采样周期内结束，也就是说，超调是主要的设计指标。对于这样的系统，用一般的随动系统设计方法是不行的，用PID算法效果也欠佳。针对这一要求，IBM公司的大林(Dahlin)在1968年提出了一种针对工业生产过程中含有纯滞后对象的控制算法，其目标就是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节。该算法具有良好的控制效果。被控对象为带有纯滞

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后的一阶惯性环节，其传递函数为 ， 其中为被控对象的时间常数，

为被控对象的纯延迟时间，为了简化,取其为采样周期的整数倍，即N为正整数。 大林算法的设计目标是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即

[5]

（2.12）

由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相应的整个闭环系统的脉冲传递函数为

（2.13）

于是脉冲传递函数为

（2.14）

D(z)可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。

当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（2.12）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 ：

将此式代入式(2.14)可知

（2.15）

(2.16)

式中： T——采样周期； ——被控对象的时间常数； ——闭环系统的时间常数。

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在本设计中，取采样周期为5S,而系统的时间常数取20S.根据以上分析我们可以计算出控制器D（Z）：

1.2341.117Z1 D(Z) （2.17） 1510.8825Z0.1175Z在计算机控制系统中,在计算的D（Z）时已经把采样与保持环节考虑在内，故有计算机控制系统的结构框图如下所示：

R(T)

 1.2341.117Z1 10.8825Z10.1175Z5150S1e20S C(T)

图2.4 系统的计算机控制框图

2.6系统PID数字控制器的设计

PID控制算法的模拟表达式为

u(t)kp[e(t)10Te(t)TDde(t)] （2.18）

TIdt式中，u(t)-调节器的输出信号； e(t)-偏差信号（给定量与输出量之差）；

Kp-比例系数；

TI-积分时间常数； TD-微分时间常数。

由于计算机系统是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，为了使计算机能实现式（2.18），必须将其离散化，用离散的差分方程来代替连续系统的微分方程。

连续的时间离散化，即

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t=KT (K=0,1,2,…n) （2.19）

积分用累加求和近似得

0te(t)dte(j)TTe(j) (2.20)

j0J0KK微分用一阶后向差分近似得

de(t)e(k)e(k1) （2.21）

dtT式中，T为采样周期；e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值；e(k-1)为系统第(k-1)次采样时刻的偏差值；k为采样序号，k=0,1,2…

将式(2.20)和(2.21)代入(2.18)，则可得到离散PID表达式为

TKTD[e(k)e(k1)] （2.22） u(k)kpe(k)e(j)TIj0T若以传递函数的形式表示，则为

Gs=U(s)=KK1KS （2.23） PidE(s)SKP；式中，u(s)为调节器的输出信号；e(s)为调节器的偏差信号；KiKP 为比例系数，

TIKd为微分系数，KdKPTD；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

如果采样周期T取得足够小，该算式可以很好地逼近模拟PID算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。由于（2.23）表示的控制算法提供了执行机构的位置一一对应，所以，通常把式（2.23）称为PID的位置式控制算法或位置式PID控制算法。

如果在式（2.23）中，令KiKPT ，KdKPTD 则有

TITu(k)KPe(k)Kie(j)Kd[e(k)e(k1)] （2.24）

j0k 此即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。当进行控制时，KP、Ki、Kd可先分别求出并放在指定的内存单元中，则可实现式（2.24）。

由式（2.24）可以看出,每次输出与过去的所有状态有关,要想计算u(k),不仅涉及e(k)和e(k-1),且须将历次e(k)相加，计算复杂，浪费内存。下面，来推导计算较为简单的递推算式。为此，对式（2.24）作如下变动：

考虑到第k-1次采样时有

Tk1TDe(k-1)e(k-2) （2.25） u(k-1)KP e(k-1)e(j)TIj0T使式(2.24) 两边对应减去式（2.25），得

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Tu(k)u(k-1)KPe(k)e(k1)e(k)TDe(k)2e(k1)e(k2)

TTI=u(k-1)KP[e(k)e(k1)]KIe(k)KD{[e(k)e(k1)][e(k1)e(k2)]} (2.26)

式（2.26）就是PID位置式算式的递推形式，是编程时常用的形式之一。由于K，TI，

TD，T均为常数，所以KP、Ki、Kd也均为常数。通过上述推导，似乎PID控制算法的程

序设计并不复杂，只要将给定值与每次所得到的温度检测值相减，得到偏差e（k）,在与上次偏差e(k-1) (设初始值为0)相减，得到e（k）-e(k-1)，又通过上次偏差e(k-1)与前次偏差e(k-2)（初始值也设为0）相减,得到e(k-1)-e(k-2).根据（2.26）可知，有了e（k），e（k）-e(k-1) ，e(k-1)-e(k-2)及KP、Ki、Kd三个常数，通过计算可得到U（K），然而，事实上，运算并非那么简单，这是由于e（k），e（k）-e(k-1) ，e(k-1)-e(k-2)均可能为正或负。

[5]

2.7 温度控制系统的数字控制器的SIMULINK仿真

SIMULINK仿真环境是美国MathWorks软件公司专门为MATLAB设计提供的结构图编程与系统仿真的专用软件工具，该仿真环境下的用户程序其外观就是控制系统的结构图，操作就是根据结构图作系统仿真。利用SIMULINK提供的输入信号（信号源模块）对结构图所描述的系统施加激励，利用SIMULINK提供的输出装置（输出口模块）获得系统的输出响应，即数据或时间响应曲线，成为图形化、模块化方式的控制系统仿真。SIMULINK不仅提供了各种标准的结构图模块库，提供了开放的结构图模块设计方法，便于用户设计自己的专用模块，还提供了几种系统文件的设计方法，使得系统仿真工作更加方便灵活。

受控对象所构造的数学模型是基于某些假设条件，忽略了一些非必要因素，使用了简化的数学方法而构造出来的。控制系统的仿真方法简单、方便、灵活、多样；仿真实验的成本低，通常在实验室就可以完成；仿真结果充分，可以得到有关系统设计的大量的、充分的曲线与数据。

[6][7]

下图是本设计在SIMULINK仿真环境下的仿真接线图(图2.7)和仿真结果(图2.8)，加史密斯预估器和不加史密斯预估器的以比较史密斯预估器在本系统中的作用。

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PID控制器的仿真方框图：

图2.7 SIMULINK仿真接线图

加有预估器的输出波形：

图2.8 加预估器的系统仿真图

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未加预估器的输出波形：

图2.9 不加预估器的系统仿真图

离散系统的仿真的方框图如下：

图2.10 离散系统的仿真的方框图

用示波器观察其输出波形如下：

图2.11 离散系统的仿真波形

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仿真结果分析：

（1） 大林离散系统的仿真结果分析

图中横坐标为时间轴，纵坐标为温度显示。从图2-11离散系统的仿真可以看出，系统几乎无超调，并且能够很快的达到稳定状态。

（2）带预估器的仿真结果分析

超调为2.2%，调节时间为160S，针对本系统的对象具有大惯性，大延时的特点，从控制效果的角度看，都在系统可以承受的范围内，短时间内系统就达到了稳定。在400秒时给系统加上一个扰动，系统虽然受到了一些影响，但短时间内就恢复到了正常的温度输出。由此可见系统的抗扰动性是相当强的。

（3）不带预估器的仿真结果分析

本设计是温度控制系统，存在大延时、纯滞后特性。被控对象的这种纯滞后特性常引起系统产生超调或震荡，使系统的稳定性降低。图2-9中,从不加史密斯预估器的部分我们可以明显的看出系统发生了强烈的震荡，系统不稳定。可见史密斯预估器在完全可以改善延时系统的稳定性。

由上述可知，本系统的PID参数选择，预估器的应用完全正确。

第3章 温度控制系统的硬件设计

3.1 硬件设计的原理

该温度控制系统采用了ATC51型单片机，使硬件设计的工作量大大减少，接下来只剩下三个部分需要进行具体的硬件电路设计。（1）键盘输入单元；（2）AD采样转换单元；（3）LED显示部分。在具体的设计过程中，需要阐述这三个部分的详细工作原理，并画出相应的电气原理图，可使用PROTEUS软件进行封装和调试。在进行硬件设计时，应充分考虑到热电偶及温度变送器的恶劣工作环境，同时注意选择高分辨率的AD转换器，以保证系统的精度要求。

3.2 系统输入单元键盘的设计

在一般的计算机操作中，命令和数据是由键盘输入的，在本设计中给定值也由键盘完成。在单片机应用系统中要想做到既能即时响应键操作，又不过多的占用CPU的工作时间，

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就要根据应用系统中的CPU的忙闲情况，选择适当的键盘操作工作方式。键盘的工作方式通常有程序扫描方式和中断扫描方式两种，由于程序扫描方式要CPU不断的扫描键是否按下，需要占用大量的CPU时间，加之本系统的CPU要完成大量的其他运算，故本系统采用中断方式。

在单片机系统中键盘中按钮数量较多时，为了减少I/O口的占用，常常将按钮排列成矩阵形式，如图3.1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按钮加以连接。这样，一个端口（如P1口）就能组成4*4=16个按钮，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就能组成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。在本设计中需要12个控键，故可以用3*4键盘来设计，用P1.0---P1.3作列线，用P1.4---P1.6作行线。[5]

图3.1 矩阵式键盘示意图

矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按钮没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下。具体的识别及编程办法如下所述。

矩阵式键盘的按钮识别办法多使用“行扫描法”，行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按钮识别办法，介绍过程如下：判断键盘中有无键按下时将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态，只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按钮之中；若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。办法是依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平，在确定某根行

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线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按钮就是闭合的按钮。

下面给出一个具体的例程[12]，图仍如3.1所示，8031单片机的P1口用作键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的低4位，键盘的行线接到P1口的高4位。列线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线P1.0-P1.3设置为输入线，行线P1.4-P.17设置为输出线，4根行线和4根列线形成16个相交点。检测当前是否有键被按下的方法是P1.4-P1.7输出全“0”，读取P1.0-P1.3的状态，若P1.0-P1.3为全“1”，则无键闭合，不然有键闭合。当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判断。若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合，方法是对键盘的行线进行扫描，P1.4-P1.7按下述4种组合依次输出： P1.7 1 1 1 0 P1.6 1 1 0 1 P1.5 1 0 1 1 P1.4 0 1 1 1

在每组行输出时读取P1.0-P1.3，若全为“1”，则表示这一行没有键闭合，不然有键闭合，由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法或查表法将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值。为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理，必须消除键释放时的抖动。 图3.2所示为PROTEUS仿真的键盘接口电路，该电路中只要将P1.6-P1.4输出全0，开放所有行的键后，CPU可以转去执行其他的任务，而不用重复调用键盘扫描程序。当键盘上有任一键按下时，均可向CPU申请中断，CPU响应中断请求后，在中断服务程序中扫描键盘判按键的行列值，以形成键值号。 C1C2X1U1R2R3R4R5C30123R14567CLRENTERU3:AU5 图3.2 键盘接口电路

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3.3 系统AD采样单元的设计

温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关，镍铬/镍铝传感器适用于0－1000℃的温度检测范围。利用这种温度传感器完成温度的测量，把转换的温度值的模拟量送入AD1674的其中一个通道进行A/D转换，将转换的结果与给定温度进行比较通过控制算法之后再送入数码管显示。

AD1674是逐次逼近式的12位A/D转换器，为单端输入模拟电压，可在10VIN和20VIN中任一端和AGND之间输入单极性电压或者双极性电压，输入模拟电压的极性不同其输入的电路也不同。AD1674的数据输出线也有三态输出门，可直接接数据总线。但是，它是12位输出，就有一个A/D输出数位和总线数位的对应关系问题。如果AD1674直接接到12位或16位的系统数据总线上，可以接8位数据总线，按字节分时读出。此时将DB4—DB11接数据总线D0—D7,而低四位管脚接到高四位上去。通过控制信号A0来区别，当A0=0时，则允许高8位数据呈现，而当A0=1时，高8位被禁止，低四位呈现，其余各位为0，这样CPU执行两条输入指令就可以将转换后的12位数据读入。

A/D转换器是在CPU控制下工作的，即有CPU发出启动信号。启动信号有电平信号和脉冲信号两种启动方式，而本设计中用的AD1674是采用的脉冲启动，通过读或写信号或程序控制得到足够宽度的脉冲信号。A/D装换结束时，A/D转换芯片输出转换结束信号。转换结束信号有两种:一种是电平信号,一种是脉冲信号，CPU检测到转换结束信号即可读取转换后的数据，CPU一般可采取三种方式和A/D转换器进行联络来实现对数据的读取。这三种方式为程序查询方式、中断方式、固定的延迟程序方式。三种方式中当A/D转换时间较长时，宜采用中断方式，当A/D转换时间较短时，宜用查询方式或延迟方式。

图3.2所示即为系统AD采样单元接线图,由于本系统中只有1路模拟量输入，故C－B－A对应的通道地址为000，直接接地。ALE（START）由P3.6控制，EOC转换结束信号由P3.5口来检测，读允许EO接高电平。由于软件功能原因，温度传感器经变送器转换到0-5V的信号，由滑动变阻器代替。

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RV1+10V1kR7100131412109-15V8U19+15VAGND10VIN20VINBIPOFFREFOUTREFINVEEU14AD51AD62AD73AD45ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y71514131211109711R/C5CE6AD04CS32STS2874LS138AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0AD7AD6AD5AD4E1E2E3CS272625242322212019181716DB11DB10DB9DB8DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0AD1674R/CCEA0CS12/8STSU5:B4CE6574HC00WRRDRD1VAS7U13:A274LS04R/C 图3.2 系统AD采样接线图 3.4 系统显示单元设计 在单片机的应用系统中，通常使用LED和LCD来观察和监视单片机的运行情况以及显示运行的中间结果及状态等信息，因此，显示器也不可缺少的外部设备之一。显示器的种类有很多中，在单片机应用系统中常用的有LED，LCD，它们具有功耗低，成本少，配置简单，方便灵活，安装方便，耐振动，寿命长等优点。

本设计由于只用于简单的数值显示，故采用LED显示器，考虑到动态显示时由于系统运算量大会出现闪烁，本设计采用LED的静动态显示方式时，位选码端口由LS138译码器输出选择要显示的字符，当要显示某位时只要将该位对应的位选送低电平即可。P2口送待显示字符的代码，译码器送出不同的位扫描码。这种显示方式不要求CPU始终不停的循环显示，只要在更新显示内容时运行显示程序。七段码的段选（a,b,c,d,e,f,g,p）：对应8个发光二极管，接I/O口，共阴（或共阳）时接地（或+5V），根据条件控制发光二极管的亮或灭。位选（A,B,C,D）:共阴（或共阳）时接地（或+5V）分别用选中对应位的LED。本设计采用LED的共阴极接法，接线图如图3.3所示

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共阴七段LED段选码表

显示字符 0 1 2 3 4 [13]

：

数显代码 3FH 06H 58H 4FH 66H 显示字符 5 6 7 8 9 数显代码 6DH 7DH F8H 80H 90H 表3.2 LED段选码表

D40D41D42D43D44D45D46D50D51D52D53DD55D56D60D61D62D63DD65D66D70D71D72D73D74D75D76D00D01D02D03D04D05D06D10D11D12D13D14D15D16D20D21D22D23D24D25D26D30D31D32D33D34D35D36U1876321P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.7/RDP3.6/WRP3.5/T1P3.4/T0P3.3/INT1P3.2/INT0P3.1/TXDP3.0/RXDP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8P0.7/AD7P0.6/AD6P0.5/AD5P0.4/AD4P0.3/AD3P0.2/AD2P0.1/AD1P0.0/AD0171615141312111028A1527A1426A1325242322213233343536373839AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0D40D41D42D43D44D45D46D47D50D51D52D53DD55D56D57D60D61D62D63DD65D66D67256912151619256912151619256912151619Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS273VCC74LS27374LS273Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7U3CLKMRU7CLKMRVCCU5CLKMRVCC256912151619D70D71D72D73D74D75D76D77U674LS273313029AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7CLK0CLK1CLK2AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7EAALEPSEN347813141718111347813141718111347813141718111347813141718D10D11D12D13D14D15D16D17D20D21D22D23D24D25D26D27256912151619RST256912151619256912151619Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7XTAL274LS27374LS273Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q718U474LS273U9CLKMRU10CLKMR256912151619D30D31D32D33D34D35D36D379D00D01D02D03D04D05D06D07CLK3111CLKMRCLKMRCLK7111D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7VCCU874LS273D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7347813141718111ATC51VCCVCCD0D1D2D3D4D5D6D7XTAL1D0D1D2D3D4D5D6D719CLKMRVCCVCC347813141718111347813141718111AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7CLK4AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7CLK5U2VCC6A15A14A13E3E2E1Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y079101112131415CLK7CLK6CLK5CLK4CLK3CLK2CLK1CLK0321CBA74LS138CLK6AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7347813141718 图3.3 LED显示接线图

3.5 PWM控制的基本原理

PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需要波形。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，依次脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制，这是PWM控制中的最为简单的一种情况。

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图3.6 PWM电路原理图

上图是本设计所选用的简单的不可逆PWM电路原理图，其中功率开关部件为IGBT，IGBT的控制极由脉宽可调的脉冲电压序列Ug驱动。在一个开关周期内，当0≤t＜ton时，

Ug为正，IGBT导通，电源电压加到热电阻两端；ton≤t＜T时，Ug为零，IGBT关断，热

电阻失去电源。这样，热电阻两端得到的平均电压为

UdtonUsUsT (3.1)

改变占空比（0≤≤1）即可调节对电阻在每个采样周期内的加热时间。

3.6 单片机对PWM控制的实现

上节已述要对PWM进行控制就要控制其功率开关部件的占空比。IGBT输出频率为1KHZ，周期为1mS，则定时器周期值T为1000。数字PID的输出U（K）限幅值为1000，当U（K）大于1000，则设为1000当U（K）小于0，则设为0。则为Ton，控制量越大， Ton

Ton100%越大，占空比为1000。将定时器

T0 设为16位定时模式,并开启定时器的中断允许，

则输出为高电平时，定时器装入初值： FFFF-Ton；输出为低电平时，定时器装入初值： FFFF-(1000-Ton)。 原理如图3.7所示，图3.8为用示波器来表示PWM的输出电路图。

T Ton Toff 装入Ton 装入Toff

图3.7 单片机对PWM控制原理图

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C127pC227pU119+5VFREQ=12MHzXTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39383736353433322122232425262728AD0AD1AD2AD3AD5AD6AD7STS18XTAL2C310uF1k9RSTR7293031PSENALEEAA13A14A15ABCDL1L2L3L4H1H2H312345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATC51101112INT01314151617 图3.8 用示波器来表示PWM的输出电路图

3.7 复位电路的原理

复位是使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。复位电路针对不同的单片机有多种不同的电路，而本设计中采用按钮复位电路。按钮复位电路有两种可行方案：脉冲复位和电平复位。而本设计所用的是按钮电平复位，按下复位按钮时，电源对外接电容充电，使RST/VPD端为高电平，复位按钮松开后，电容通过内部下拉电阻放电，逐渐使RST/VPD端恢复为低电平。[2] Proteus下的复位电路图如图3.9所示。

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C127pC227pU119+5VFREQ=12MHzXTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39383736353433322122232425262728AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7STS18XTAL2C310uF1k9RSTR7293031PSENALEEAA13A14A15L1L2L3L4H1H2H312345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATC51101112INT0131415RD16WR17 图3.9 复位电路的Proteus仿真电路图

3.8热电偶测温电路

因为本系统的温度要控制在0℃—800℃，而镍铬—镍铝热电偶，分度号为EU，对0℃—1000℃的温度为0—41.32mv，经毫伏处理与电压变送后，可以将0℃—800℃对应到0V—5V的电压信号。仿真图如下：

+5.00VV i+12V+12V+12V71CJTC1TCJ350.00+R1:A9.1k32U1:A6D11N414871R4:A100kR5:A100k32U2:A671R69.1k32U36R91kVoutIN0-48OP07A-12V48-12VR2:A10kR710k-12V1uF48C2:AOP07AOP07AD21N4148R3:A90kR8103k

图3.10 热电偶测温电路的Proteus仿真电路图

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3.9系统硬件原理图

整个系统由键盘、显示、AD采样、PWM产生四大部分组成，用PROTEUS仿真的系统硬件原理图如图3.4所示。图中，左边四位数码管为键盘设定的温度显示值，右四位数码管为AD采样的电阻炉实际温度显示值，经过单片机将两者之间的偏差进行PID运算，并经过数据处理由P3.7口产生PWM的波形，通过控制PWM的占空比达到控制温度的目的。图3.5为通过示波器观看到的P3.7口的PWM的波形。

0000000000000000000000U16U6U7U800U9U10U11U12000U4RV1C1C20X1R7U10U1900R2R3R4R50123U14C3R10000004567CLRENTERU5:BU13:AU3:ALX00.DSN基于单片机的温度控制系统2009/4/10U5 图 3.4系统硬件原理图

图3.5 PWM波形

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设计结论

毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的温度控制系统的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工业过程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富。

虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种管道的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求，举个简单的例子：温度控制器的参数如果计算选择不当就将使系统的稳定性降低，进而造成大的直接经济损失，这些本是我工作后才会意识到的问题，通过这次毕业设计让我提前了解了这些知识，这是很珍贵的。提高是有限的，但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了很多实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。

顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会自动控制系统的发展，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。

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英文文献

the Application of Microcomputer in Temperature Control

In industrial production, many industries have a great deal of heating equipment, such as for the heat treatment furnace for melting metal crucible furnace, and the various uses of the furnace, the reactor so that the temperature has become a target in the industry Control was an important target, but because of the type of stove, use different, therefore, the use of heating fuel and also different methods, such as coal gas, natural gas, oil, electricity, etc., but study of its own control system to the dynamic nature of the case, basically Are part of a band time delay.

Practice has proved that for industrial production in the temperature control of the computer control system with high accuracy, strong function, of good economic characteristics, both in improving the quality of products or product volume, energy conservation, or to improve labor conditions, and other show Incomparable superiority.

The temperature control, can be applied to industrial control of the automatic control system composed of SCM. Its system is the main parameters measured temperature, the temperature parameters measured by the value of thermocouple sensors get the temperature mV signal transmitter to enlarge filtered into a 0-5 V voltage signal, and then sent to the sampling / holder, after A / D converter, the analog signal into a digital signal into the 8031 microcontroller, a data-processing in SCM, on the one hand, and the expectations set by the temperature comparison, the bias signal, SCM According to the scheduled PID algorithm to calculate the corresponding control of the control of two-way SCR control of on-and off, in order to cut off heating equipment and connectivity and thus control the temperature and stability in the settings, the show sent to the other I, and determine whether there is a need for alarm.

As measured by the different temperature, so the optional testing components will vary, the current hot dual sensors are: Platinum Lao 10 - platinum thermocouple,

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in 1300 ℃ following long-term scope of work, symbols, LB; nickel chromium - nickel-silicon Thermocouple, in the range -50 ~ +1312 ℃, EU symbols, and so on, the temperature sensor output signals are mV and temperature transmitters from mV transmitter and current / voltage of the transmitter, cents V transmitter is the temperature sensor mV mA signal converted into the current, current / voltage transmitter then mV mA current output of the transmitter into a V-voltage.

The 8031 interface circuit are A / D converter, 8155, the alarm settings, AC-SSR, such as chips, of which 8155 as the LED and keyboard interface, A / D converter circuit as the temperature measurement of inputs.

According to need, A / D converter can be ADC0809 or AD574, ADC0809 and AD574 is different: ADC0809 figures is the number eight, conversion time for the 100 μ s, analog input voltage of the Unipolar 0-5 V, while the number of AD574 The median can be set to eight can also be set to 12, and no external CLOCK clock, the conversion time to reach 25 μ s, analog output voltage can be Unipolar the 0-10 V or 0-20 V, may also be the bipolar ± 5V or ± 10V, and here to AD574 as an example.

AD574 the VIN and sampling / maintained for VOUT connected, sampling / maintain the working status of the conversion by the end of STS AD574 state control, when the A / D converter is when, STS for the high-output, the RP, Into a low-level, to the sampling / The logic of maintaining control of end, it is to remain in condition to start A / D converter, the conversion after the end, STS into a low-level, after the RP-into high, so that Sampling / holder into the sample state.

Keyboard display system using 8155 chip control 4 × 4 matrix keyboard and four Qiduan of digital LED display, in order to achieve the user's input and output data. The keyboard of 16 keys for the number keys 0-9, A-F for the function keys, complete set of parameters, the display of choice, automatic / manual conversion, stop and start system.

8155 B of the system will display interface as the mouth, the 74 LS48 drive connected with the LED, 8155 A mouth of the PA3-PA0 as scanning interface, from the mouth of the B PB3-PB0 read out value, keyboard interrupt way to deal with Therefore, the 8155 B I work in two ways: in the show for the importation of state,

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the keyboard interrupt service procedures for the importation of processing methods.

Single-frequency alarm can be, in Figure 1, 7406 is the drive, and then in 8031 the P1.0 mouth, in 8031 to P1.0 high-output, low output 7406, the buzzer-ming-the contrary, Wong buzzer to stop the sound. The temperature control can be isolated with photoelectric trigger a zero-two-way AC-SSR SCR to achieve.

AC-SSR and heating wire series connection in the exchange of power on the 200 V50Hz, AC-SSR time can be connected to AC-SSR control on a trigger impulse control, with zero detection circuit output by the RP-8031 and the output of T0 \" \"To trigger AC-SSR (high-trigger), if T0 in 1 s, the total for the high, while AC-SSR was launched 100 times the maximum power at this time of heating the contrary, if T0 in the total for 1 s LOW, the AC-SSR output power of 0, T in a given cycle, as long as the change in on-time AC-SSR can change the heater power, to achieve the purpose of regulating temperature.

Temperature control procedures to complete the task: 8031,8155 chip initialization and the allocation of memory-chip timer and set parameters, temperature sampling, digital filtering, conversion, the judgement of whether the temperature within the specified scope, and overrun the police handling ; Show that the temperature control and input.

The high-precision control system, has a good interactive features, and a super-moderate off dual alarm, a problem can be found immediately, through the automatic adjustment control temperature and the temperature control, temperature control in the settings on the , The normal operation without human intervention, the labor intensity of small operators.

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中文翻译

单片机在炉温控制中的应用

单片机具有集成度高，运算快速快，体积小、运行可靠，价值低廉，因此在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，本文主要介绍单片机在炉温控制中的应用。

在工业生产中，有很多行业有大量的加热设备，如用于热处理的加热炉、用于熔化金属的坩埚炉，以及各种不同用途的加热炉，反应炉，这样温度就成为了工业对象中一种重要的被测控对象，但是由于炉子的种类，用途不同，因此，采用的加热方法及燃料也就不同，如煤气、天然气、油、电等，但究其控制系统本身的动态特性而言，基本上都是一阶纯滞后环节。实践证明，用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。

对于温度控制，可采用适用于工业控制的单片机组成的自动控制系统， 其系统被测参数主要是温度，被测参数温度值由热电偶传感器测定后得到的mV信号经过温度变送器放大滤波后变为0－5V的电压信号，再送到采样/保持器，经过A/D转换器后，将模拟信号变为数字信号进入8031单片机。在单片机进行数据处理，一方面，与所设定的期望温度值进行比较后，产生偏差信号，单片机根据预定的PID算法计算出相应的控制量，该控制量控制双向可控硅的导通和关闭，以便切断和连通加热设备，从而控制温度稳定在设定值上，另一方面送去显示接口，并判断是否有报警需要。

由于所测的温度不同，所以选用的检测元件也就不尽相同，目前的热点偶传感器有：铂铹10－铂热电偶，其可在1300℃以下范围长期工作，符号LB；镍铬－镍硅热电偶，测量范围在－50～＋1312℃，符号EU等等，温度传感器输出的都是mV信号，而温度变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成，其毫伏变送器就是把温度传感器的mV信号变换成mA的电流；电流/电压变送器再把毫伏变送器输出的mA电流变成V电压。

8031的接口电路有A/D转换器，8155、报警设置、AC－SSR等芯片，其中8155作为LED和键盘接口，A/D转换器作为温度测量电路的输入接口。

根据需要，A/D转换器可采用ADC0809或AD574，ADC0809与AD574不同在于：ADC0809的数字量是8位，转换时间为100μs，输入模拟电压为单极性的0－5V，而AD574

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的数字量位数可设成8位也可以设为12位，且无需外接CLOCK时钟，转换时间达到25μs，输出模拟电压可以是单极性的0－10V或0－20V，也可以是双极性的±5V或±10V之间，这里以AD574为例。

AD574的VIN和采样/保持器的VOUT相连，采样/保持器的工作状态由AD574的转换结束STS的状态控制，当A/D转换正在进行时，STS输出为高电平，经反相后，变为低电平，送到采样/保持器的逻辑控制端，使其处于保持状态，开始A/D转换，转换结束后，STS变为低电平，反相后变为高电平，使采样/保持器进入采样状态。

键盘显示系统采用8155芯片控制4×4矩阵键盘和4个七段数码管LED显示，以实现用户的输入和数据输出。键盘的16个键中0－9为数字键，A－F为功能键，完成参数设置、显示方式选择、自动/手动转换、系统停止和启动。

系统中将8155的B口作为显示接口，经74LS48的驱动器与LED相连，8155的A口的PA3－PA0作为扫描接口，从B口的PB3－PB0读入列值，键盘处理为中断方式，所以8155的B口工作在两种方式下：在显示状态时为输入方式，在键盘中断服务程序处理过程中为输入方式。

报警部分可采用单频报警，其中7406是驱动器，接在8031的P1.0口，在8031使P1.0输出高电平时，7406输出低电平，使蜂鸣器鸣音，反之，使蜂鸣器停止鸣音。

对于温度的控制可通过带光电隔离的过零触发型双向可控硅AC－SSR来实现。AC－SSR和加热丝串接在交流200V50Hz的电源上，AC－SSR接通时间可以通过AC－SSR控制极上触发脉冲控制，过零检测电路输出经反相器和8031的T0输出相“与”后去触发AC－SSR（高电平触发），若T0在1s内总为高电平，则AC－SSR被开通100次，此时达最大功率加热；反之，若T0在1s内总为低电平，则AC－SSR输出功率为0，在给定周期T内，只要改变AC－SSR接通时间就可改变加热器功率，从而达到调节温度的目的。

温度控制程序所要完成的任务：8031，8155芯片的初始化以及分配内存单片及设置定时器参数，温度采样，数字滤波，进行转换计算，判断温度是否在规定范围内，超限报警和处理；显示温度及输入控制。

该系统控制精度高，具有良好的人机交互功能，并设有超温和断偶报警，有问题立即就能发现，通过自动调节控制温度并实现温度的自动控制，使炉温控制在设定值上，正常运行时不需人工干预，操作人员劳动强度小。

本文选自《控制系统的分析与应用》 Dale E. & T. Edgar , John Wiley & Sonsi ,1997

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致 谢

在本次毕业设计过程中，牛勇老师对该论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节给予了我细心的指引与教导，使我对温度控制系统有了深刻的认识，并使我得以最终完成毕业设计，在此表示衷心的感谢。牛老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度、积极进取的科研精神以及诲人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，老师高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神将永远激励着我。在四年的大学生涯里，我还得到了众多其他老师的关心支持和帮助，在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意!在大学四年生活中，我不断得到王雪萍等同学的关心与帮助，这使我在学习和生活中不断得到友谊的温暖与关怀，最重要的是一种精神上的激励，让我非常感动。

最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位师长表示感谢！

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参考文献

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