石墨电热板温度控制装置设计

湖南理工学院毕业设计（论文）学号：毕业论文题目：石墨电热板温度控制装置设计作 者 ： 钟 成 届 别 ： 2015 届 院 别 ： 机械工程学院 专 业 ：机械电子工程 指导教师 ： 张 敬 职 称 ： 讲师 湖南理工学院毕业设计（论文）I完成时间 : 2015 年 5 月 20 日 摘 要本文介绍了石墨电热板温度控制装置的设计，系统采用增强型 C8051F410 芯片作为控制核心，其 内 部 集 成 了 数 据 采 集 与 控 制 系 统 所 需 的 几 乎 所 有 模 拟 与 数 字 外 设 。 采 用数 字 型 PID 算 法 为 系 统 的 控 制 算 法 ， 通 过 K 型 热 电 偶 对 石 墨 电 热 板 进 行 温 度 的 测 量 。 选择 AD849X 芯 片 对 石 墨 电 热 板 的 温 度 信 号 进 行 调 节 与 方 大 。 采 用 基 于 PWM 的 脉 冲 宽 度 调 制技 术 实 现 石 墨 电 热 板 的 精 确 温 度 控 制 。 本 系 统 有 七 大 模 块 ， 分 别 为 ： 主 控 制 器 模 块 、 按键 模 块 、 显 示 模 块 、 电 源 模 块 、 报 警 模 块 。 温 度 采 集 模 块 及 温 度 控 制 模 块 。 通 过 七 大 模块 的 连 接 以 及 利 用 数 字 型 PID 算 法 能 够 做 到 对 石 墨 电 热 板 温 度 的 良 好 控 制 。关 键 字 ： PID 算 法 ； 石 墨 电 热 板 ； 温 度 控 制湖南理工学院毕业设计（论文）IIAbstractThis article describes the graphite heating plate temperature control device design, this system using enhanced C8051F410 chip as control core, its internal integration with almost everything needed for the data acquisition and control system simulation and digital peripherals. Using digital PID algorithm for system control algorithm, by K type thermocouple for graphite electric hot plate temperature measurement. Choose AD849X chip of graphite electric hot plate temperature signal to adjust with the party. Based on the PWM pulse width modulation technology was adopted to realize accurate temperature control of graphite electric hot plate. This system has seven modules, respectively is: main controller module, keys module and display module, power supply module, alarm module. Temperature acquisition module and temperature control module. Through seven modules connected and the use of digital type PID algorithm can achieve good control of graphite electric hot plate temperature.Keywords: PID；Graphite electric hot plate；Temperature control湖南理工学院毕业设计（论文）III目 录摘 要 .IIAbstract .III第一章 绪 论 .11.1 石墨电热板的简介与前景 .11.2 温度控制系统 .11.2.1 温度控制系统的研究背景及发展概况.11.2.2 温度控制的方法.11.3 本课题的研究内容与基本要求 .2第二章 PID 控制的理论知识 .32.1 PID控制的原理 .32.2 PID控制算法 .42.2.1 模拟 PID 控制算法 .42.2.2 数字式 PID 的控制算法 .52.3 PID参数的整定 .7第三章 系统方案论证 .103.1 系统总设计方案 .10湖南理工学院毕业设计（论文）IV3.2 主控制器设计方案 .103.3 电源模块设计方案 .113.4 温度采集与温度控制模块方案 .113.5 显示/按键/报警方案 .13第四章 系统的硬件电路设计. 144.1 系统的主要芯片介绍 .144.1.1 C8051F410 介绍 .144.1.2 AD849X 芯片介绍 .174.2 主控制器电路设计.184.3 电源模块电路设计 .194.4 温度采集模块电路设计 .204.5 显示/按键/报警模块电路设计.21第五章 系统软件设计.235.1 系统的主程序设计 .235.1.1 按键扫描及按键处理设计 .235.1.2 温度采集模块软件设计 .255.1.3 温度控制模块软件设计 .265.2 中断系统的设计 .275.2.1 串口通信部分 .285.2.2 定时器 3 中断服务程序 .285.2.3 显示模块 .295.2.4 报警模块 .305.2.5 继电器控制模块 .31结论 .33参考文献 .34致谢 .35附录 .36湖南理工学院毕业设计（论文）0第 1 章 绪论1.1 石墨电热板的简介及前景本系统的研究对象是石墨电热板，需要对其进行智能温度控制。本设计采用的石墨电热板内部有测温元件，它的加热体采用导热性能好的等静压高纯石墨，具有耐高温、耐酸碱的特点。该产品是由石墨制成的加热板的，它的加热面积大，能够处理多个样品;进行加热时具有升温快、温度均匀且持续时间长等特点，一般可持续工作 48 小时以上。随着我国经济的进一步发展，石墨电热板将会应用于很多领域，例如：农业、医药、食品、化工、环保、林业等。还可以用于科研部门和高校对矿石、土壤、植被、生物组织等样品进行辅助加热和消解处理。1.2 温度控制系统1.2.1 温度控制系统的研究背景及发展概况温度是我们生产生活中最基本的物理量，自然界的任何变化都与它鱼油密切关系。所以温度控制技术对我们来说是非常重要的，也是非常有必要的，它关系到人类的生活与发展。温度的测量与控制直接与提高生产质量、安全生产、提高生产效率以及节约资源等有着直接联系。工业革命以来，温度控制技术与工业就已经离不开了，在社会领域里，温度控制技术在汽车、家电、材料等方面也有着广泛应用。1.2.2 温度控制的方法第一种方法是定值开关温度控制法。是通过硬件电路与软件计算相结合来判定实际温度值与设定温度值的关系，从而对系统的加热源进行通断控制。如果实际温度值比设定温度值高，就断开加热器，或者开动制冷装置；如果实际温度值比设定温度值低，就打开加热器并同时关断制冷器。这种开关控温的方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，可以用简单的模拟电路实现。采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方法是当系统温度上升至设定点湖南理工学院毕业设计（论文）1时需断开电源，当系统温度下降至设定点时需开启电源，从而无法克服温度变化过程的滞后性，导致使系统温度波动较大，控制精度很低，所以完全不适用于高精度的温度控制。第二种方法是 PID 线性控制法，这也是本设计所运用到的算法，所谓 PID 控制就是对比例、积分、微分进行控制。自 19 世纪 40 年代以来,PID 广泛应用于工业生产中，由于其结构简单、比较实用、价格低廉，可以实现满意的控制。温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较两者的差值作为 PID 功能块的输入参数。PID 算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出参数,利用改变控制变量误差这种方法实现闭环控制。由于 PID 控制算法比较简单并且可靠性高等特点，现如今，在控制技术高速发展的时代，它在工业过程控制中仍然占有主导地位。第三种方法是智能温度控制法，智能控制就是利用人工智能的理论和技术与运筹学的优化方法，并且将其同控制理论的方法与技术相结，将 PID 控制与智能控制相结合，由此实现对温度的智能控制。智能控温法以神经元网络和模糊数学为理论基础，并且适当地加以专家系统来实现智能化。其中应用比较多的有神经网络控制、模糊控制与专家系统等。尤其是模糊控温法在现实的工程技术中得到了非常广泛的应用。1.3 本课题的研究内容与基本要求本课题的研究内容为：第一部分主要阐述了自动控制系统以及 PID 的理论知识。作为自动温度控制系统，从整体上介绍了系统的基本要求、构成等。而温控系统的核心部分是 PID，一个合适的 PID 算法才能给系统带来优越的性能，课题以数字 PID 为主，介绍了数字 PID 的历史发展、改进以及参数的整定。其中，参数的整定是本课题主要讨论的问题。也是判断设计出来的产品是否符合规格的标准。第二部分主要是针对此系统，从工业实际应用方面介绍了系统的具体方案。从最初的元器件选取，到软件各功能模块都做出了详细的考虑。第三部分是温度控制系统的硬件设计。一个稳定并且可靠的电路是本设计核心之一。她是设计的重要部分。第四部分是温度控制系统的软件设计。该部分作为产品成型的最后一步，也是很重要的，程序编写的规范可靠也会影响到最后的测试结果。本课题的基本要求是为 石 墨 电 热 板 提 供 一 种 性 能 稳 定 可 靠 、 温 度 控 制 准 确 、 温 控 平衡 时 间 短 的 数 字 式 温 度 控 制 装 置 。湖南理工学院毕业设计（论文）2第 2 章 PID 控制的理论知识2.1 PID 控制的原理PID 控制是由反馈系统的偏差的比例（P）、积分（I）以及微分（D）线性组合而成，这 3 种基本控制规律各有各自的特点。P 比例控制：比例控制器是在控制输入信号 e(t)发生变化时，只改变信号的幅度值而不改变相应信号的相位，利用比例控制能够提高该系统的开环增益。该控制是主要控制部分。D 微分控制：微分控制器是对输入信号取其差分或微分，微分反映了系统的变化率，所以微分控制是一种超前的预测性控制，可以预测系统将发生的变化，可以增大系统阻尼，使相角的裕度提高，从而对系统性能起到改善作用。但是微分对于干扰也有很大的放大影响，过大的微分会使系统加剧震荡。I 积分控制：积分是累加作用，它会记录系统的变化历史，所以，积分控制反映了在控制中，历史对当前系统起到的作用。积分控制是向系统加入了零极点，这样可以提高该系统型别（控制系统型别是开环传递函数的零极点的重数，表明了系统跟随其输入信号的能力），除去静差，提高系统无差度，但同时也会使系统的加剧震荡，增大超调，降低动态性能，因此，一般不单独使用而与 PD 控制结合使用。PID 的复合控制：综合了上述几种控制规律的优点，能够使系统得到更好的动态和稳态性能。PID 控制的基本输入/输出关系用微分方程表示为： )()(1)()( 0dteTdteTteKtvtip （2.1）上式中，e(t)为控制器的输入偏差信号; 为比例控制增益； 为积分时间常数；PI微分时间常数。DT相应的传递函数是：sTKsTKsGidiipdip 1)1() （2.2）湖南理工学院毕业设计（论文）32.2 PID 控制算法2.2.1 模拟 PID控制算法在模拟控制系统中，最常用到的控制是 PID 控制，其中模拟 PID 控制是发展最早的控制理论，所以也是其他理论的基础。模拟 PID 在模拟系统中的应用比较多，分别由比例部分、积分部分、微分部分构成，根据偏差经过 PID 运算，由得到的结果，通过执行结构控来制被控对象达到预测效果。其结构图如图 2.1 所示。+ -+ +c(t)u(t)e(t)r(t)比例积分微分被控对象图 2.1 模拟 PID控制系统结构图它主要由模拟 PID 控制器与被控对象组成。而 PID 控制器则由比例、积分、微分三个环节组成。它的数学表达式为:(2.3)dteTrnteTteKtuDlp!1式中， 比例系数， 为积分时间常数， 为微分时间常数。PKI D模拟 PID 调节器的传递函数为：()1)pdiUsKTsE（2.4）1、比例部分比例部分的数学表达式是： *e(t)PK模拟 PID 控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。比例环节成比例反映出偏差信号 e(t)，一旦产生偏差，控制器马上产生控制作用，使偏差减小。比例系数湖南理工学院毕业设计（论文）4Kp 的作用是加快系统的响应速度，提高系统调节的精度。如果 Kp 越大,那么系统的响应速度将会越快，系统的调节精度也会越高，也就是说对偏差的分辨率越高。但是会产生超调，甚至会使得系统不稳定。如果 Kp 取值过小，则会降低调节精度，特别是使系统响应的速度变慢，从而使调节时间延长。2、积分部分积分部分的数学表达式是： tpdteT