基于模糊策略的电阻炉温控系统设计修改

1、摘 要电阻炉设备对温度精度的要求高，传统控制方法的延时性、热惯性等特点无法满足控制精度需求。设计将模糊策略和常规PID控制方法结合，以解决传统电阻炉温度控制精度不足问题。 硬件部分由温度采集模块、外部通信模块、驱动模块、温度显示模块、电源模块组成。运用MATLAB软件的Simulink对电阻炉温度控制系统算法进行了仿真，能够达到的性能指标，克服了温控的精度问题。并分别用常规PID控制、常规模糊控制和模糊自整定PID控制对电阻炉温控系统进行仿真实验。仿真结果表明,采用模糊自整定PID的控制系统,系统适应能力更强,控制精度更高,动态性能更好，此次设计的电阻炉温控系统完成了提高温度控制精度的目标。关

2、键词 模糊控制 单片机 温度控制 电阻炉Abstract In modern industrial production, the device resistance furnace temperature accuracy requirements increasingly high, while the use of traditional methods to relay resistance furnace temperature control, since the temperature has a time delay, the thermal inertia of these

3、characteristics, temperature control precision can not always solve . This paper is to solve the traditional lack of resistance furnace temperature control accuracy problems, the fuzzy control technology and conventional PID control method, makes up the fuzzy self-tuning PID controllers. Fuzzy self-

4、tuning PID controller based on hardware circuit design, algorithm design, software design, implementation, has a smaller adjustment error, faster speed of adjustment of the new resistance furnace temperature controller.The design of the system analysis of the basic components of resistance furnace t

5、emperature control system works and its operating characteristics. It gives a fuzzy self-tuning PID control theory and ST89C51 chip combining control system and method for improving resistance furnace temperature control accuracy. And using MATLAB software Simulink simulation model resistance furnac

6、e temperature control system and are using conventional PID control, the conventional fuzzy control and fuzzy self-tuning PID control of the resistance furnace temperature control system simulation experiments. The simulation results show that the fuzzy self-tuning PID control system, the ability to

7、 adapt the system stronger, more precise control and better dynamic performance, the design of the resistance furnace temperature control system to improve the precision of temperature control is completed goals.Keywords Fuzzy Control SCM Temperature Control resistance furnace 目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论

8、11.1 电阻炉工作背景11.2 电阻炉温控系统国内外发展现状21.2.1国外发展现状21.2.2国内发展现状2第2章 系统的总体设计42.1 电阻炉控制系统设计方案选择42.2 电阻炉控制系统的设计方案42.3 电阻炉控制系统方案设计确定6第3章 系统的硬件设计83.1 单片机选型与晶振电路83.1.1芯片选型83.1.2 晶振与复位电路93.2 温度采集模块113.2.1 温度传感器选型113.2.2 温度传感器与A/D接口电路123.3 温度设定模块133.4 温度超限报警模块153.5 外部通信模块163.5.1 接口器件的选择163.5.2串行通讯接口电路173.6 驱动模块173.

9、7 温度显示模块183.8 电源模块20第4章 基于Matlab的电阻炉温控系统仿真研究214.1应用PID控制器的电阻炉仿真分析214.2应用模糊控制器的电阻炉仿真分析234.3应用模糊PID控制的电阻炉仿真分析25第5章 系统的软件设计285.1 系统的总体程序设计285.2 温度采集模块程序设计305.3 温度设定模块程序设计315.4 温度超限报警模块程序设计325.5 温度显示模块程序设计335.6 模糊PID控制器设计345.6.1 模糊PID控制器345.6.2 模糊自整PID算法355.7外部通讯程序设计36结 论36参考文献37致 谢38附录139附录240Abstract（

10、Chinese）IAbstractIIChapter1 Introduction11.1 Background 1 resistance furnace work Development Status 11.2 resistance furnace temperature control system at home and abroad 21.2.1 Development Situation abroad 21.2.2 development situations in China 2Chapter 2 overall system design 42.1 Resistance furna

11、ce control system design alternative 42.2 Resistance furnace control system design 42.3 Resistance furnace control system design to determine 6Chapter 3 System hardware design 83.1 Microcontroller Selection and crystal oscillator circuit 83.1.1 chip selection 83.1.2 oscillator and reset circuit 93.2

12、 Temperature acquisition module 113.2.1 Selection of the temperature sensor 113.2.2 Temperature sensor and A / D interface circuit 123.3 Temperature setting module 133.4 temperature limit alarm module 153.5 external communication module 163.5.1 Select interface device 163.5.2 serial communication in

13、terface circuit 173.6 drive module 173.7 Temperature display module 1820 3.8 Power ModuleChapter 4 21 Based on Matlab Simulation of resistance furnace temperature control system4.1 Application of PID Controller resistance furnace simulation 214.2 Application of the fuzzy controller resistance furnac

14、e simulation 234.3 Application of Fuzzy PID Control Simulation Analysis of resistance furnace 25Chapter 5 System Software 28Overall 5.1 System Programming 285.2 Temperature acquisition module programming 305.3 Programming the temperature setting module 315.4 temperature limit alarm module programmin

15、g 325.5 Temperature Display module programming 335.6 Fuzzy PID controller design 345.6.1 fuzzy PID controller 345.6.2 fuzzy self-tuning PID algorithm 355.7 External Communication Program Design 36Conclusions 36References 37Acknowledgements 38Appendix 1 39Appendix 2 40第1章 绪论1.1 电阻炉工作背景电阻炉一般由电热元件、砌体、金

16、属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等部分组成。电阻炉按照炉内的工作温度范围在650度以下的为低温炉；6501000度为中温炉；1000度以上为高温炉；在高温和中温炉内主要以辐射方式加热，在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热，电阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马弗式和隧道式等类型1。可控气氛炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉。电阻炉内的电阻元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的温度系数和良好的化学稳定性。常用的材料有金属和非金属两大类,金属热点元件材料有镍铬合金、铬铝合金、钨、钼等，一般制成螺旋线、波形线、波形带和波形板,

17、非金属电热元件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、带等形状2。 电阻炉通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。应用电热法加热与火焰加热相比，热效率高，可达50%-80%，且容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，炉温均匀，适用于要求较严的工件加热3。电炉所消耗的功包括炉子蓄热，工件加热需要热量、工件保温需要的热量、气氛裂解所需的热量，热损失等；其中炉子蓄热由电炉的规格、构造和主要尺寸、炉衬厚度，材料导热系数决定,电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过炉内的加热元件将电能转化为热能并通过辐射与对流的传热方式加热工件4。在实际的工业生产中，电阻炉设备对温度精度的要求

18、很高，但是因为加热设备本身的一些缺点，如温度变化反应迟缓，精度控制效果不理想，所以传统的电阻炉温度控制系统对电阻炉内温度达到精确的调控有很大的难度5。而且利用常规的方法对温度进行调节，其调节结果基本上都有一部分的超调量，而这些超调量会使温度精度进一步下降。本文正是基于电阻炉设备的这些缺点，研究应用ST89C51单片机为主控芯片引用模糊PID控制方法使电阻炉温度调节拥有更小的误差、更快的反应速度。1.2 电阻炉温控系统国内外发展现状1.2.1国外发展现状随着电力电子技术的兴起和微控制技术的兴起，日本、德国、英国、法国、意大利、美国等发达国家，开发了许多功能强大、用途广泛的的控制设备。随着大量人力

19、与资金的投入控制领域技术得到快速的发展，如电阻炉温度调节系统。控制领域的发展不仅仅具有巨大的市场潜力并且有很大的节能价值。发达国家在炉温控制技术方面发展迅速，微型计算机应用的普及使得自动控制系统有了根本上的变化，自动化程度有了巨大的进步。 目前先进国家各种温度控制系统水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统33。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能获得较好的效果，随着生产的发展，对控制的要求也越来越高，随着发展处许多以计算机为基础的新型控制。纵观国际和国内的电炉自动化控制技术的发展，在炉内温度自动控制技术更深入，凭借雄厚的科技实力，先进的生产工艺

20、，严格的质量控制和刻意追求产品质量的先进技术、解决方案因地制宜，丰富的行业知识，其产品在世界各地几十个国家和地区6。1.2.2国内发展现状我国大多数的加热设备还是以继电器控制，使用继电器控制存在着存在着灵敏度较低，反应速度慢，维护成本高，精度不足，导致其产品的市场占有率低。但是如果将单片机控制系统与电热系统结合起来，利用单片机的自动化调节可以无需人工监测、外加指令，根据内部程序的设定对加热设备进行自动的调节控制。以单片机为自动控制系统的核心具有成本低，可靠性高，适合各种运行环境等的优势，并且在系统硬件不变的调节，通过改变软件设置便可以满足各种操作模式的需要，这是传统继电器控制在工业化生产中无法

21、实现的功能，需要有大量的加热设备，对温度精度的要求已经成为实际工业生产过程中的重要环节。微型计算机控制系统在工业温度控制领域也愈加先进。在现实工业生产中，具有节约人力资源，提高生产效率，提升产品质量的优点，有很大的现实意义.总体来说，伴随着科学技术的发展，在温度控制方面由微型计算机控制取代常规的继电器控制已成必然，因为微机控制不但确保了生产过程的正常进行，而且提高了产品的数量质量，减轻了人工的劳动量且节约大量电能，对加热对象的温度按照某种指定规律变化实现温度的精确控制7。微型计算机控制以智能方法进行温度测量控制中可模拟智能进程，则微型计算机控制方法在能量消耗方面比传统的继电器控制方法节能许多。

22、这不仅对来说具有很大的经济意义，并且对整个社会、国家来说都具有重大意义的。二十世纪七十年代开始，微型计算机控制系统凭借其功能全面、性能稳定、价格低廉的优势愈来愈受到人们的关注与应用。现代自动控制越来越趋向智能化方向发展，在许多的自动化控制系统中使用中型机，甚至是超级计算机的作为处理设备。虽然这些计算机具有很好的控制效果，但是采用高性能的处理会有很大部分的性能浪费且过高的生产成本。对于普通的系统中，没有必要配置如此高的处理器。在工业生产中追求的是经济效益，而不是最迅速关心系统的高性能，使用低成本的单芯片控制，不需要复杂的计算系统是非常合适的小系统的生产中的需要。随着电子信息技术的快速发展，微型处

23、理芯片在运算速度，功耗，处理能力方面都得到了飞跃式的发展。使微型控制芯片可以更广泛的应用于各个领域。在温度调节方面使用微型处理芯片具有很大的现实意义。在以往的生产过程中，要想对炉温进行调控，只能依靠仪表观察与个人经验为参照，进行人工手动调控，这样的调控方式具有很大误差，生产效果不稳定8。现如今凭借其高度集成的芯片，速度快，体积小，性能可靠，低价格的优点，微型计算机已被广泛应用于工业生产中。本文使用ST89C51单片机对电阻炉内温度进行调控。第2章 系统的总体设计2.1 电阻炉控制系统设计方案选择对电阻炉温度进行调控可采用的方案有：(1)通过电接点温度表利用继电器对温度进行调控。首先在电接点温度

24、表上对所控温度范围进行设置。开始工作后若电阻炉内温度低于温度表上温度范围下限常闭触点闭合，电阻开始加热。当炉内温度又回升到电接点温度表的温度范围。触电断开，但由于触电闭合形成自锁，温度会继续上升，当温度上升到电接点温度表温度范围的上限时上限常开触点闭合,中间继电器的常闭触点断开,加热器断电,停止加热,不断循环，完成对区域温度的控制10。这种方法控制简单，成本低，但是控制精度低，不适用于高精度控制的场合。(2)输出温度显示调节仪和固态继电器构成的温度控制。温度仪直接驱动一支固态继电器(SSR),便可进行大容量的控制。这种控温系统适用于电加热器的容量较大时的场合。(3)PID算法控制，通过测温元件

25、(热电阻或热电偶)检测到的实际温度与PID仪表已设定好的控制温度进行比较,使PID仪表输出具有P、I、D调节规律的直流电流(010或420)信号,供给可控硅电压调整器,调整器输出的脉冲信号控制可控硅导通角的大小,以改变电加热器的加热功率,从而使控温装置的实际温度与温度设定值基本一致11。(4)Fuzzy-PID复合控制，在PID控制方法的基础上引入Fuzzy策略使得PID控制所输出的三个参数具有自适应的特点，温度进行更加精确的调节。2.2 电阻炉控制系统的设计方案传统的电阻炉温度控制系统存在以下缺点：(1)温度的记录精度较低。(2)设备的控制电路控制精度低，超量大，容易影响产品的质量水平。(3

26、)系统出现故障时，维护人员无法快速的找到故障点，没有故障自检，维护困难。(4)没有人机界面及显示功能，不便于生产中的灵活操作。由于这些问题的存在，温度精度不足的问题难以得到解决，直接导致工业生产的质量水平相对不好，生产成本相对较高等问题。在国内许多工厂都表达出改造电阻炉温控系统的愿望，以达到提高产品质量，并且解决调控过程中温度精度不足的问题，在温度调控的过程中达到生产更加高效，过程稳定可靠，满足生产过程中对温度精度与生产节能的要求。电阻炉在工作过程中许多因素均可影响到控制结果，如到达某一温度后还有一段的升温空间、所用的加热材料、环境的温度等，无法满足工业生产中对温度精度的要求。针对温度变化的连

27、续性与热惯性这一特点，设计以模糊PID算法为基础，并且与单片机ST89C51配合形成控制系统。对电阻炉内温度进行精确调节。模糊控制器是一种近年来发展迅速的新控制器，具有在不了解控制对象的确切数学模型的前提下也可对对象进行控制的优点，但必须根据手动控制规则，以控制决策表确定控制量的大小7。其控制原理为控制芯片根据系统偏差和偏差变化率查询相应的模糊控制表，得到，三个参数的整定值，然后进行PID运算，PID调节对于线性定常系统的控制是非常有效的，但对于非线性、时变的复杂系统和模型不清楚的系统就不能很好地控制12。而模糊控制器对复杂的和模型不清楚的系统却能进行简单而有效的控制，但由于模糊控制器不具有积

28、分环节，因而在模糊控制系统中又很难完全消除静差，而且在变量分级不足够多的情况下，常常在平衡点附近会有小的振荡现象13。如果把两种控制方法结合起来，就可以构成兼有这两者优点的模糊PID控制器本设计的控制芯片使用STC89C51，温度数据的采集由S型电热偶来实现，并使用ADC0809对电热偶所采集的模拟信号转换为数字信号，由12864点阵式液晶屏显示炉温数据，利用蜂鸣器作为温度超限报警装置。使用继电器触发电机进行对电阻炉加热控制，并使用PID算法控制输出状态实现对炉内温度进行准确的控制。工作原理：首先由电阻炉温度由热电偶检测并产生电势输出是毫伏级电压信号ADC0809芯片对这个微弱的信号非线性校正

29、并且由内部控制器的放大进行A/D转换。转换后的数字量一方面由液晶屏显示单元上的炉温度，另一方面，炉温度与对照值相比较，根据其偏差值的大小依据控制算术运算，相移控制脉冲的最终输出放大触发继电器的加热或冷却。以达到控制炉内温度的目的。如果实际测量温度超过系统所需的温度范围，ST89C51单片机则发出指令到报警系统，系统发生报警蜂鸣器响应。图2-1 电阻炉温度控制系统框图2.3 电阻炉控制系统方案设计确定温度调控系统由主控芯片，温度采集模块，温度设定模块、温度显示模块、外部通信模块、温度超限报警模块、驱动模块与电源模块八大部分组成。系统总体如图2-2所示。图2-2 系统总体框图（1）单片机控制模块：

30、STC89C51做为系统的控制芯片，进行数据处理并对各个模块的工作状态监测与调整。（2）温度采集模块：该模块使用S型热电偶对炉温进行测量并由ADC0809进行A/D转换，并输入到系统主控芯片中。（3）键盘输入模块：利用键位输入信号到单片机来设定所需温度。（4）温度超限报警模块：温度传感器的检测值与所设值进行比较，若超出限定范围则指示灯闪烁，蜂鸣器响应。（5）驱动模块：接受单机所发出的信号经放大改变断电器的工作状态触发电热元件升温。（6）外部通信模块：利用MAX232与DSUB连接器对系统外部进行通信。 （7）温度显示模块：显示电阻炉内实时温度数值与所设定的温度范围。（8）电源模块：将市电的交流

31、电经过整流、降压为、四种直流电压为电路供电。第3章 系统的硬件设计3.1 单片机选型与晶振电路3.1.1芯片选型 ST89C51芯片拥有完整的输入输出端口、以及程序存储空间。与我们通常意义上的微型计算机原理类似，可以通过外接A/D，D/A转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，并通过LED屏和外部按钮来实现人机交流，并且能够大量内部I / O端口的连接的设备能够精确地控制电动机拥有强大的工控能力。ST89C51芯片价格低廉，比较适合对规模较大的计量仪器进行规模化改进。ST89C51管脚图如图3-1所示。ST89C51芯片主要特点： （1）与MCS-51兼容 （2）使用周期:1000写/擦

32、除周期 （3）4K字节可编程闪存 （4）静态工作： （5）数据保留时间：10年 （6）32个可编程输入/输出线 （7）三级程序存储器锁 （8）位内存 （9）5个中断源 （10）片上振荡器和时钟电路 （11）可编程串行通道 （12）低功耗空闲和掉电模式 （13）时钟电路图3-1 ST89C51管脚图本文利用ST89C51主要完成的工作为：（1） 通过按键设置工作温度范围。（2） 将S型热电偶反馈回来的温度信号进行数字滤波、单位转化后、按照模糊PID算法进行运算。（3） 将反馈温度信息输出到LED屏幕上。（4） 按照运算结果控制电阻炉内电热元件的工作状态。（5） 对反馈温度进行比对，若超过温度限度

33、发出警报。由于ST89C51芯片仅有40个接口所以在P0.0至P0.7端口外接8255A芯片拓展I/O口。8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口，其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路15。控制芯片与拓展芯片接口电路如图3-2所示。图3-2 控制芯片与拓展芯片接口电路3.1.2 晶振与复位电路晶振是石英振荡器的简称，英文名Crystal,晶振分为有源晶振和无源晶振两种，其作用是在电路产生震荡电流，发出时钟信号.它是时钟电路中最重要的部件，它的作用是向IC等部件提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳

34、定会造成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题由于制作工艺不断提高，现在晶振的频率偏差、温度稳定性、老化率、封闭性等重要技术指标都很好，已不容易出现故障，但在选用时仍可留意一下晶振的质量复位电路是为确保微型计算机系统中稳定可靠运行必不可少的重要部分，复位电路的首要功能是进行上电复位14。一般的微型计算机系统正常的供电电源为，即。因为微型计算机电路是时序数字电路，所以它更加需要稳定的时钟信号。因此在上电时，只有当VCC超过且低于并在振荡器稳定工作的情况下，复位信号才能被撤除，单片机电路开始正常工作。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单

35、片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的,当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位15。ST89C51芯片工作需要复位电路启动，一般的晶振复位启动方式有电信号启动与手动按键启动两种。而在本设计中采取手动按钮复位的方式，手动按钮复位其工作原理是手动触发按键时，电路导通这时Vcc的电压就会直接RST端口电位拉高则芯片启动工作。晶振复位电路接口电路如图3-3所示。图3-3 晶振复位电路接口电路3.2 温度采集模块3.2.1 温度传感器选型在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要

36、参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点16。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度17。热电偶工作原理为：由于构成热电偶的两根金属的自由电子气密度不一样，则在两个导体接触点自由电子相互扩散出现电势差，被称为接触电动势,随着温度的变化自由电子扩散程度也随之变化，与此同时电动势也跟着变化18。所以在温度相同的情况下热电偶导体接触点的电势也相同，若热电偶导体接触点的温度不相同，电热偶因为各点电势不同就会在回路内产生电流，被

37、称为温差电流。我们便可以令电热偶一处接触点的温度已知，另一处接触点放入需要测量温度的物体内，通过温差电流，测量出被测物体的温度。热电偶的技术优势：测温范围广泛，性能稳定，独立中间介质；响应时间短；量范围为热电偶可连续测温；电偶性能可靠，机械强度良好，使用寿命长，测量精度高。3.2.2 温度传感器与A/D接口电路要想对电阻炉的炉温进行精确控制，有必要对电阻炉内温度进行实时检测。因此，必须使用一种可以适应电阻炉内温度的温度传感器。设计采用S型热电偶对电阻炉内温度进行实时测量。S型热电偶可以适用于至摄氏度且测量精度达到摄氏度，且价格便宜，易于安装使用。S型热电偶所输出的电压信号在之间.将模拟信号转换

38、为数字信号反馈到单片机。传统的温度检测与A/D装换电路具有转换过程繁琐，反应速度慢，外围电路复杂，精度不高缺点。在本系统中使用ADC0809芯片来完成模拟量到数字量的装换，ADC0809芯片工作不需要复杂的外围电路，工作效率高且，精度较好。所用封装为MDIP28，工作电压为之间，吞吐率为10 KSPS，并且体积较小。温度传感器与A/D芯片接口电路如图3-4所示。图3-4 温度传感器与A/D接口电路图S型热电偶输出的模拟信号可以被转换成8位的数字量，分辨率为0.25摄氏度。IN1至IN7脚对模拟量接收并使ALE=1，输入的模拟量存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。STAR

39、T上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行,直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请19。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0809芯片在应用时应该注意将其布置在原理其他I/O芯片的地方，以降低电源噪声的影响。3.3 温度设定模块按键是人与计算机互动过程中的重要工具，在查询、输入数据与控制系统的工作状态中，都会用到按键。根据按键和处理器的连接方式可以分为独立按键和键盘两类。温度设定模块采用四个单独的键位：切换键，数字增加键，数字减少键与复

40、位键。这种独立的键位模式因为每一个按键都有单独的输入端口与之相连因此不容易受到其他键位的影响，更有利于单片机对键位状态的检测。采用单独的按键模式具有编程简单，可灵活配置的优点。但由于输入端口有限，则必须控制按键的数量，所单独的按键模式正适用于本设计按键少且需要快速处理的电路系统中。四个按键分别通过P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口与单片机连接，单片机通过这4个端口的电平状态即确定按键的工作状态。可按键接口电路如图3-5所示。图3-5 按键接口电路图3.4 温度超限报警模块温度超限报警模块使用蜂鸣器作为报警装置。蜂鸣器是一种一体化结构，直流电压供电，但因为工作电压比较大，以至于单片机的输

41、出端口电压过低无法直接进行驱动，所以在系统中采用NPN型三极管对输出信号进行放大。当单片机接收到温度传感器检测的温度值与所设温度限定范围相比。若测量温度超出温度限定范围，则拓展芯片的PC5口输出高电平，Q1导通，则蜂鸣器电路导通，蜂鸣器发出响应，D1发光。蜂鸣器接口电路如图3-6所示。图3-6 蜂鸣器接口电路图3.5 外部通信模块设计基于模糊策略的电阻炉温控系统需要与计算机联机传输数据，应用计算机强大的数据处理功能。但是ST89C51单片机的串行端口与计算机的串口参数不一致无法直接连接进行数据传输，因此有必要使用一种设备调整串口参数进行串口通讯。如设计所用，通过经由串行通信的接收器与PC端进行

42、通信。3.5.1 接口器件的选择1.选择一个设备接口MAX232芯片是来自TI公司的产品和RS-232标准兼容。它包含两个接收器和两个驱动电压发生器提供TIA水平/设备的EIA-232-F。 该芯片采用双16引脚封装。双向TTL / CMOS的RS-RS-232输出的信号，通过电平变换电路是由两电平输入引脚TTL / CMOS的内部输入信号线转换。通过从信号9脚传输线的RS-232信号的内部电平转换电路接收8脚和13脚RS-232，12脚输出TTL电平信号时，电平/ CMOS微控制器，并转换为计算机可接收信号。 2.信号接口的选择连接器DB-25，DB-9和匹配与RS-232相连接。DB-9连

43、接器的这种选择提供它作为一个多功能I / O卡和主板连接器COM1和COM2两个串行接口，它提供了只有9信号异步通信。各引脚功能如下：1脚信号地线;2脚数据准备;3脚传输请求;4脚发送清除;5脚载波检测;6脚接收数据;7脚发送数据;8脚数据终端就绪;9脚振铃指示。3.5.2 串行通讯接口电路单片机与计算机的串口通信电路图如图3-18所示，因为采用的是RS-232协议，以是不管单片机将数据发送到计算机上或者计算机向单片机发送数据都必须通过MAX232的转换。MAX232通过DB-9连接器与计算机的串口想连。ST89C51单片机的P3.1管脚和MAX232在引脚T2IN连接，单片机的P3.0管脚和

44、MAX232 r2out引脚连接。串行通信电路如图3-7所示。图3-7 串行通信电路图3.6 系统驱动模块温度控制模块由拓展新品8155的PB4、PB5引脚控制，当检测温度小于所测温度下限时，P2.0与P2.1端口输出高电平经7407集电极开路高压输出六驱动器对单片机引脚发出电平进行放大，再经过光耦隔离器进行电气隔离，经NPN三极管电路放大使得断电器导通触发S6、S7关断，电流经过R21、R28电阻产生电流热效应，令电阻炉内升温；当检测温度大于设定温度上限时，断电器无法导通，S6、S7开关断开电热元件无法工作，令电阻炉内温度降低从而保持温度始终在设定温度左右。图3-7 驱动电路接口电路图3.7

45、 温度显示模块12864液晶显示器拥有功耗低，价格低廉，体积小，功能全面，性能稳定等优点。近年来12864液晶显示器（LCD）被广泛用于各种微处理器控制的智能仪器，仪表和低功耗设计当中20。液晶可分为字母数字液晶显示器和点阵LCD。由于本题显示信息较多，故采用12864液晶做温度数值显示装置。12864液晶有点阵液晶模块液晶，具有显示功耗低、轻便防震。液晶显示界面清晰，操作方便，内容显示全面。12864液晶屏基本参数如表3-2所示。表3-液晶屏基本参数视角6 点钟驱动方式1/64 DUTY 1/9 BIAS背光LED控制器KS0108或兼容IC数据总线8 位并口/6800方式温度特性工作温度：

46、储藏温度点阵格式128 * 64点尺寸0.39 * 0.55mm点中心距0.44 * 0.60mm视域62.0 * 44.0mm有效显示区域56.27 * 38.35mm外形尺寸78.0 *70.0 * 12.5mm Max.净重65g12864显示屏的D0至D7脚接在AD8255芯片上直接获取热电偶所测温度，并通过WR、LEDEN端口与单片机P2.5、P2.6相接对单片机输出热电偶所测温度值，且单片机对12864显示屏输出温度设定范围值。3.8 电源模块图3-9 电源电路图电源模块由两个线性电源组成，交流市电经过特定匝数的变压器变换和由四个1N4007整流二极管组成的整流电路处理后变成直流电

47、，经过进过瓷片电容和电解电容滤掉高低频的杂波得到适合芯片使用的的波形。然后通过三端稳压集成电路，最终得到输出电压。并经过转换分别供给控制部分和功率驱动部分所需的、电源。第4章 基于Matlab的电阻炉温控系统仿真研究温度控制系统的被控对象是电阻炉，被控参数为炉内温度，由热电偶检测炉内实际温度，经过温度变送器转换为的电压信号，经计算机采集后与设定温度进行比较，模糊控制器根据设定温度与实际温度的温差及温度的变化率，利用模糊控制算法求出控制输出量21。该输出量穿入PID控制器，调整控制参数，控制可控硅调节器的输入，使可控硅的导通角改变,导通角越大，输送到电阻炉两端的交流电压就会越高，电阻炉的输入功率

48、也就增大，炉温上升；反之，导通角越小，电阻炉输入功率越小，依靠环境自然冷却，炉温偏差为零时，可控硅保持一定的导通角，电阻炉输入一定的功率，使炉温稳定在给定值22。电阻炉温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后的特点。其升温单向性是由于电阻炉的升温保温时依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却，因而很难用数学方法建立精确的模型，用传统的单纯的PID控制方法难以达到好的控制效果23。因为电阻炉温控系统是基于MATLAB进行仿真研究的，所以必须借鉴一个具体的电阻炉模型。4.1应用PID控制器的电阻炉仿真分析在Simulink中创建的用PID算法控制电阻炉温度的结构图。图中的PID模块中对三个参数进行设

49、定，在Transport Delay模块中设定滞后时间。通过设定PID三个参数。阶跃信号值设定为150，得到如图4-1所示的仿真程序。图4-1 应用PID控制的电阻炉系统仿真程序图4-2 应用PID控制的阶跃响应图但常规PID控制是有许多不足之处，如超调量大，调节时间长，最突出的一点就是有关PID参数的问题。针对电阻炉系统所存在的大时滞等特点，常规PID无自适应能力。PID参数一旦整定完毕，只能固定地应用于一种工况。但实际的大多数生产过程都具有非线性，且特性随时间的变化而变化，显然固定的一组参数是不能满足这种变化的；其次，常规PID的参数只能为满足生产过程控制目标的某一方面要求而整定的，而人们

50、要求的“设定值跟踪特性”和“干扰抑制特性”却往往满足不了要求，使控制效果达不到最佳24。4.2应用模糊控制器的电阻炉仿真分析模糊控制无论从理论和应用方面均已取得了很大的进展，但与常规控制理论相比，模糊控制是处于发展中的一种控制方式，它的理论和方法还未完善，仍然显得很不成熟。当已知系统的模型时，已有比较成熟的常规控制理论和方法来分析和设计系统，如最常使用的PID控制。但对模糊控制系统，目前尚未建立起有效的方法来进行分析和设计，它还主要依靠经验和试凑，故而还有很多问题和课题需要探讨和研究26。论文在Simulink中引用模糊控制工具箱中的Fuzzy Logic Controller来构建电阻炉控制

51、系统中模糊控制器，图中3个增益模块Gain分别给出量化因子，比例因子。由输入的49条模糊规则构建出的规则视图如图4-3所示，仿真程序如图4-4所示。 图4-3模糊控制规则视图图4-4应用模糊控制的电阻炉系统仿真程序图4-5应用模糊控制的阶跃响应图由图4-5可知电阻炉模糊控制系统的仿真结果克服了超调影响，但是调节时间过长，并且具有很大稳态误差。由于模糊控制是一种非线性控制方法，存在规则爆炸问题，故而无论采用控制表或控制解析公式都不能太庞大或太复杂，模糊控制算法实际是非线性P或PD控制算法，由于不引入积分机制，在理论上讲总会是存在静差的，所以必将一定程度上影响控制精度，可参见图4-5中阶跃响应曲线

52、来分析27。另外在控制规则的结构和覆盖面不恰当时，或者比例因子和量化因子选择不当时，较容易使系统产生振荡，特别是对中心语言变量值的范围选择不当时28。4.3应用模糊PID控制的电阻炉仿真分析虽然模糊控制是一种十分适合于工业生产过程和大系统控制的方法，控制对象的数学模型越难建立，这种控制方法就越能反映出它相比于其它控制方法的优越性，例如，在纯滞后、大惯性、参数漂移大，这种非线性不确定分布参数系统中，经典控制理论和现代控制理论是难以凑效的，但是采用模糊控制却能取得令人意外的满意效果；所以，目前学者研究将模糊控制与经典控制结合，构成控制器，依据规则知识进行推理获得合适的控制量，因而具有控制精度高、实

53、时性强、鲁棒性好等优点，具有很好的应用前景29。电阻炉温度控制系统具有非线性、强耦合、时滞、时变等特点，由4.1节、4.2节的仿真研究可知，单独采用常规的PID控制或模糊控制均难以兼顾高精度和快速性的双重要求；因此，论文对电阻炉系统设计了具有自适应性的模糊PID控制器，通过模糊控制技术在线实时调整PID的三个参数以达到优良的温度控制效果40。、的控制规则分别如图4-6、图4-7及 图4-8所示。图4-6 PID控制参数的规则视图图4-7 PID控制参数的规则视图图4-8 PID控制参数的规则视图在Matlab中构建采用模糊PID控制器的电阻炉系统仿真程序，如图4-9所示，仿真结果如图4-10所

54、示。图4-9应用模糊PID控制的电阻炉系统仿真程序图4-10 应用模糊PID控制器的阶跃响应图由图4-10所示，将设计的模糊PID控制器应用到恒温箱控制系统中，通过对比可以看出，论文设计的模糊PID控制器在分别对、参数调节中加入模糊控制策略以后，系统在温度的上升阶段与保持阶段都满足了静态特性与稳态特性的要求。而采用PID控制的系统在升温阶段有很大的波动，在恒温阶段也有很大的超调，且调节时间很长，难以稳定。模糊PID控制器融合了PID控制与模糊控制的优越性，对恒温箱的非线性和时变性有良好的调节能力。第5章 系统的软件设计5.1 系统的总体程序设计设计目标是以STC89C51单片机为核心控制单元，

55、使用模糊策略PID温度控制器。实现温度信息的采集反馈，对温度进行精确调控的电阻炉温度控制系统。当程序开始运行时，首先系统进行初始化，其中包括串行端口初始化和初始化微控制器等之后开启中端等待温度设定，当温度设定好后，系统判断运行键是否按下，如果运行键按下，系统开始运行，对S型电热偶的反馈回来的炉温信息由ADC0809芯片进行A/D转换，而由单片机处理后将炉温显示到12864液晶屏幕上，并且使用PID运算精确地对温度进行控制，系统开始循环控制直到系统停止运行为止。 图5-1 系统的主程序流程图5.2 温度采集模块程序设计根据热电偶测温原理 , 热电偶的输出热电势不仅与冷端的温度有关 ,而且与测量端

56、的温度有关 ,在以往的应用中 ,有许多种冷端补偿方法 ,如电桥补偿法或冷端冰点法等 ,但调试均比较麻烦30。另外 ,因为热电偶的非线性, 以往是采用线性电路或微处理器表格法等方法来减小热电偶自身非线性带来的测量误差 , 但这些都增加了程序编制电路的难度31。A/D 转换一般要经过采样、保持、量化及编码 4 个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中.此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器；START 上升沿将逐次逼近寄存器复位32。下降沿启动 AD 转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到 AD 转换完成，EOC 变为高电平