摘 要

电加热炉是工业加工中常用的一种加热设备，对于炉温的控制一直是工业控制中一个重要参数。本文通过分析当前国内外的温控系统设计方法和发展，设计了一种基于STC89C52单片机的自动温控系统。

本文设计的温控系统实现了对加热炉温度的测量、显示、声光报警、温度设置和PID控制。由于电加热炉温控系统是一个纯滞后、非线性的系统，本文设计了一个PID温度控制系统，并通过Matlab仿真软件进行系统的阶跃响应仿真，整定了适合的PID控制参数，并进行了系统的稳定适应性分析。

本文详细的阐述了系统的硬件电路设计方案和相应的软件设计流程图，同时也对控制系统的控制方法进行的详细的说明，得到了一个反应灵敏，温控精度高，控制单元体积小，成本低的自动温控系统。

关键字：温控系统；单片机；PID控制；Matlab仿真

Abstract

Resistance furnace is a kind of heating equipment which is commonly used in industrial processes. The heating furnace temperature control has been an important parameter in industrial control. This paper has analyzed the current temperature control system design method and development both at home and abroad. This paper designed a kind of automatic temperature control system based on STC89C52 single-chip microcomputer.

The temperature control system has realized resistance furnace temperature measurement, display, alarm, temperature setting and PID control. Because the electrical heating furnace temperature control system is a pure lag, nonlinear system. So this paper designed a PID temperature control system to solve it. And through the Matlab simulation software to do the step response simulation. Then we can get suitable PID control parameters and analyze the stability of the system adaptability.

This paper has elaborated the system hardware circuit design and the flow chart of software in detail. And this paper explained the control method of the control system in detail. Then we get an automatic temperature control system which is responsive, high precision, small unit and low cost.

Key Words: Temperature Control System, MCU, PID Control, Simulation of Matlab

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 电加热炉温控系统国内外研究现状 1

1.3 本文所做的工作 2

第2章 电加热炉温控系统设计方案 3

2.1 系统总体结构设计方案 3

2.1.1 系统设计方案选择比较 3

2.1.2 硬件电路设计方案 3

2.1.3 系统软件程序设计方案 4

2.2 单片机系统电路 6

2.2.1 STC89C51单片机的介绍 6

2.2.2 单片机最小系统电路设计 7

2.3 温度采集电路 8

2.3.1 K型热电偶介绍 8

2.3.2 信号放大和A/D转换电路设计 9

2.4 按键电路设计 11

2.5 温度显示电路 11

2.5.1 LED状态指示和蜂鸣器报警电路设计 11

2.5.2 LCD1602显示电路设计 12

2.6 加热控制电路 14

第3章 电加热炉温控系统控制方案 17

3.1系统控制算法 17

3.1.1 PID控制算法原理 17

3.1.2 温控系统传递函数的建立 18

3.1.3 单片机PWM输出控制 18

3.2 Matlab系统仿真 21

3.2.1 Matlab软件介绍 21

3.2.2 Simulink仿真环境 21

3.3 温控仿真模型的建立 23

3.3.1 PI控制模型的建立 23

3.3.2 PD控制模型的建立 24

3.3.3 PID控制模型的建立 24

3.4 Simulink仿真结果和分析 26

3.4.1 PID参数的整定 26

3.4.2 控制方案的比较 31

3.5 方案的鲁棒性分析 32

第4章 系统调试 34

4.1 硬件电路调试 34

4.2 系统软件调试 35

4.2.1 系统软件调试流程 35

4.2.2 温度检测采集程序设计 36

4.2.3 温度显示报警程序设计 36

4.2.4 输出控制程序设计 37

4.2.5 硬件总体调试结果 38

第5章 系统经济性分析 40

第6章 总结与展望 41

参考文献 42

致谢 43

第1章 绪论

1.1 引言

随着社会工业的发展，系统的自动控制越来越多的得到人们的关注与应用，自动温控电阻加热炉也得到了广泛的使用，微控芯片也开始在越来越多的领域得到应用。温度参数在现代工业行业是一个影响生产制造的重要参数之一，而随着现代工业加工水平的提升，人们对系统的精度要求也越来越高，温度参数的测控精度要求同样如此。温度参数的测控对工业生产的各项指标如：产品质量、能源利用率、生产效率等有着极为重要的影响，因此温控系统的精确度、可靠性和稳定性等指标的要求也越来越高。

电阻加热炉温控系统是一个一阶纯滞后非线性系统，使用传统的手动控制加热的方式会导致系统的超调量大、控制精度低、调节时间长的结果^[8]。单片机属于一个微型计算机，它体积小、价格低廉，在工业控制领域具有极为广泛的应用。微型计算机能通过预编译的程序自动运算并控制系统，这种新型自动控制技术对促进具有重要的现实意义。