基于单片机的电炉温度控制系统设计文献综述

1. 前言 温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领 域最常遇到的一个物理量。而且随着现代工业的发展，人们需要 对工业生产中有关温度系统进行控制，如钢铁冶炼过程需要对刚 出炉的钢铁进行热处理，塑料的定型及各种加热炉、热处理炉、 反应炉和锅炉中温度进行实时监测和精确控制。而有很多领域的 温度可能较高或较低，现场也会较复杂，有时人无法靠近或现场 无需人力来监控。如加热炉大都采用简单的温控仪表和温控电路 进行控制，存在控制精度低、超调量大等缺点，很难达到生产工艺 要求。且在很多热处理行业都存在类似的问题，所以，设计一个 较为通用的温度控制系统具有重要意义。这时我们可以采用单片 机控制，这些控制技术会大大提高控制精度，不但使控制简捷， 降低了产品的成本，还可以和计算机通讯，提高了生产效率. 单片机是指芯片本身，而单片机系统是为实现某一个控制应 用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应 用系统，这是单片机应用系统。单片机自问世以来，性能不断提 高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具 有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价 格低廉等特点，因此，应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的 多片微机应用系统。 2. 历史研究与现状 在工业生产温控系统中采用的测温元件和测量方法不相同， 产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同，因此对数据采集的 精度和采用的控制方法也不相同。 通常由位式或时间比例式温度调节仪控制的工业加热炉温度 控制系统，其主回路由接触器控制时因为不能快速反应，所以控 温精度都比较低，大多在几度甚至十几度以上。随着电力电子技 术及元器件的发展，出现了以下几种解决的方案 1 主回路用无触点的可控硅和固态继电器代替接触器，配 以PID或模糊逻辑控制的调节仪构成的温度控制系统，其控温 精度大大提高，常在2C以内，优势是采用模糊控制与PID控制 相结合，对控制范围宽、响应快且连续可调系统有巨大的优越性。 2 采用单片机温度控制系统。用单线数字温度传感器采集 温度数据，打破了传统的热电阻、热电偶再通过A/D转换采集温 度的思路。用单片机对数字进行处理和控制，通过RS - 232串口 传到PC机对温度进行监视与报警，设置温度的上限和下限。其优 势是结构简单，编程不需要用专用的编程器，只需点击电脑鼠标就 可以把编好的程序写到单片机中,很方便且调试、修改和升级很容 易。 3 ARMAdvanced RISC Machine嵌入式系统模糊温度控 制。利用ARM处理器的强大功能，通过读取温度传感器数据， 并与设定值进行比较，然后对温度进行控制。通过内嵌的操作系 统piCLinux获得极好的实时性，并且通过TCP/IP协议能与PC机 很快的通讯。其优势不只是温度控制精度高，而且能够通过现场 跟远程两种方式来设定控制温度。 传统的温控系统温度控制方式已不能满足高精度，高速度的 控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范 围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加 热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断 频率很低。 成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为 主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智 能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并 广泛应用的控制仪表较少，因此不适合用此种方法作加热炉的温 控系统。 近几年来快速发展了多种先进的加热炉温度控制方式，如 模糊控制。这个控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变 得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生 产效率。不过，模糊控制系统动态性能好，但稳态性能较差，且 很难使两种性能指标都达到理想要求。目前普遍采用模糊一线性 复合控制器发挥了模糊控制和线性控制的优点，使设计的系统取 得了较好的动态和稳态指标。但是，模糊一线性复合控制同时也 存在一些问题线性前馈复合控制的系统性能对参数变化比较敏 感；模糊一线性双模控制存在开关切换问题等；在线性控制的误 差通道并联模糊控制器系统和模糊控制器与线性控制器并联系统 尽管得到了较好的效果，但并不能从根本上解决模糊控制器稳态 性能和动态性能之间的矛盾问题。 结合加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉等以温度控制为主的 工业控制系统对产品工艺、温度的精度要求，再考虑不同的加热 系统温控方法，考虑各种热炉温控方法的优缺点，选择最佳的方 案，而单片机作为工业温度控制系统的温控核心在工业生产中较 为合适。用单片机对热炉温度进行控制，不仅精度高，反映速度 快，对环境要求不高，价格便宜并且易于实现等优点，能够大规 模的运用和生产，能很好的完成对温度的监测和控制。 单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术 把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读 存储器ROM、多种I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可 能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机 系统。主要运用单片机技术，微机接口技术，传感器与信号处理 技术。用传感器感知温度，并转换成电压的输出，单片机的外围 电路芯片0809把模拟信号转换成数字信号，输入到单片机中。包 括系统的硬件设计和软件设计。 硬件方面有8155接口电路，A/D转换电路，温度传感器 DS18B02进行设计，然后把它们整合成为一个整体，完成对温度 进行控制的硬件部分。在软件设计方面，对主程序，中断服务程 序，采样子程序，数字滤波程序进行编写。 3 .总结 设计叙述了基于单片机对工业生产中温度的控制与设计，包 括硬件组成和软件的设计，该系统在硬件设计上主要是通过温度 传感器对温度进行采集，把温度转换成变化的电压，然后由放大 器将信号放大，通过A/D转换器，将模拟温度电压信号转化为对 应的数字温度信号电压。其硬件设计中最为核心的器件是单片机 89C51,它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转 换，另一方面，将采集到的数字温度电压值经计算机处理得到相 应的温度值，送到LED显示器，以数字形式显示测量的温度。整 个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机MT89C51实现其 控制功能。整个系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活，功能强大, 性能价格比高，较好的满足了现代生产和科研的需要。 4.参考文献 [1] 张俊谟.单片机中高级教程一原理与应用（第2版）.北京 北京航空航天大学出版社，2006. [2] 楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导.北京北京航空航天 大学出版社，2007. [3] 赖寿宏.微型计算机控制技术.北京机械工业出版社.2003 [4] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京北京航空航 天大学出版社，1998. [5] 金凯鹏，胡即明.基于模糊PID算法远程温度控制系统的实现 [J]微计算机信息,2006,2270〜71. [6] 石锦松，贺丽萍,白亮等.基于ARM的远程控制温控系统的设 计[J].现代电子技术,2007,1280-81. [7] 求是科