基于单片机的电阻炉温度控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的电阻炉温度控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

阻 炉温 度 检 测 和补 偿 放 大 电 路A / D可 控 硅 调 功 控 温 光 电 隔 离模 糊自 整 定P I D控 制 器( 微 机 ）存 储 器键 盘过 零 检 测L E D 显 示掉 电保 护电 源 图 模糊自整定 PID电阻炉温度控制系统 框图 用模糊自整定 PID控制来提高电阻炉煅烧零件控制精度的方法， 改善了系统的响应，内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 6 使 系统具有比较理想的稳态品质 ， 温度控制精度在177。 5℃以内 ； 当被控过程参数发生变化时 ， 控制系统仍能保持较好的适应能力和鲁棒性 ；对 保温加热工艺 、 保证产品质量、节约能源 ， 提高炉子生产率和加热效 率都有十分重要的意义。 神经网络控制系统 神经网络 控制 以其高度的非线 性映射，自组织，自学习和联想记忆等功能， 可对复杂的非线性系统建模 ， 将 BP神经网络控制策略引入 电阻炉 的 炉温控制系统 ,通过神经网络模拟实现 PID 控制器参数在线调整 [7]。 在电阻炉炉温控制系统 中 ,将温度的影响因素如气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入，将其输出作为 PID 控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，随实验与研究的进行与深入，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定 PID 控 制器参数的目的。 利用 BP 神经网络对 PID的三个参数快速拟合 ， 建立参数 kp， ki， kd 自学习的 PID控制器 ， 不需要根据模型或工程实验方法选取控制器参数 ， 克服了传统 PID 控制器操作的困难 ， 提高了系统的智能化程度。 专家控制系统 专家系统通过某种知识获取手段，把人类专家的领域知识和经验技巧移植到计算机中，并且模拟人类专家的推理、决策过程，表现出求解复杂问题的人工智能。 因而，专家系统是一种人工智能的计算机程序系统，这些程序软件具有相当于某个专门领域的专家的知识和经验水平，以及解决专门问题的能力。 专家系 统在结构上有两个基本要素：一、知识库 —— 存储有某个专门领域中经过事先总结的按某种格式表示的专家水平的知识条目。 二、推理机制 —— 按照类似专家水平的问题求解方法，调用知识库中的条目进行推理、判断和决策。 专家控制是将专家系统的理论和技术同控制理论方法和技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制 ，是 具有获得反馈信息并能实时在线控制的系统。 专家控制 系统 的结构 如图 所示 ， 其工作原理为 ： 特征识别模块对控制对象输出的性能指标进行识别 ， 通知推理 机制； 性能识别模块对输入的信息进行识别 ， 也传输给推理 机制； 推理 机制 根据所得信息计算出实际性能指标 ， 并与期望的性能指标相比较 ， 作出决策 ， 判断是否进行参数调整 ； 若需要 ， 推理机 制 则根据采集的信内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 7 息判断响应类型 ， 告知知识库 ， 启动相应的调整规则 ， 计算出新的量化因子数值 ， 使控制特性能向期望的性能逼近。 其中 ， r为输入 ， y 为输出 ， e 为误差 ， ec为误差变化率 ，Ke 为误差输入量化因子 ， Kec 为误差变化输入量化因子 ， Ku 为控制量比例因子 [8][9]。 控制系统具有下述特点： （ 1） 高可靠性及长期运行的连续性。 （ 2） 在线控制的实时性。 （ 3）优良的控制性能和抗干扰性。 （ 4）使用 的灵活性及维护的方便性 [10]。 知 识 库推 理 机 特 征 识 别性 能 识 别模 糊控 制规 则K u 电 阻 炉K eK e cye+re cd ed t 图 专家控制系统结构图 单片机与 FPGA综合实现电阻炉的温度控制 随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。 而单片机的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可能。 但在实 时性要求高和数据量大的情况下，由于单片机对数据处理能力的限制，其 实时性仍不能满足高密度信号环境的要求。 随着大规模的 现场可编程门阵列 （ FPGA— Field Progrnunaable Gate Array）的出现，利用 FPGA 对高密度数据信号实时处理已成为可能。 FPGA 具有通用的特点并可以实现并行运算，无论是作为独立的数字信号处理器，还是作为单片机和 DSP 的协处理器，这都是目前比较活跃的研究领域 [11]。 而且使用 FPGA 具有很大的灵活性，可以针对不同的要求进行修改。 采用 FPGA 和单片机综合实现对电阻炉温度的控制，把大量的数字信号处理任务都交给 FPGA 进行处理，既可以利用 FPGA 对数据信号强大快速的处理能力，又可以减轻单片机的负担，让单片机有充分的时间做其它的运算。 这样，使得系统大大简化，其灵活性更强。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 8 电阻炉温度控制 系统 硬件原理 图 电阻炉K型热电偶补偿芯片A D 5 9 4仪表放大器A T M E G A1 2 8单片机越 限 报 警键 盘 显 示光 电 隔 离 放 大晶 闸 管 电 路0 5 V 图 电阻炉温度控制硬件 原理 图 如图 所示， 本系统主要以 ATMEGA128 单片机为核心部件，外加 晶闸管电路 及其驱动程序等组成。 由 K型热电偶、运算放大电路等 构成 温度检测通道；由 光电隔离放大器和晶闸管电路 构成 输出控制通道。 工作时 ， 利用 K型热电偶测得电阻炉的实际温度并经过冷端温度补偿和放大电路，转换成 05V 电压信号，该电压信号 直接与单片机内部的 ADC 引脚相连接，转换成与炉温相对应的数字信号，经 单片机 进行数据处理后，通过4 位 LED 数码管 将温度显示，同时该温度与其设定值比较，根据选定的 PID 算法计算出控制量，根据控制量来控制 晶闸管 的导通和关闭，从而控制电阻丝的导通时间以及电阻炉的平均输入功率，以实现对电阻炉炉温的控制。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 9 第三章 硬件电路设计 温度 检测电路 温度传感器 本系统选用 K型热电偶（镍铬－镍硅） 作为温度检测元件 ， 这是一种使用面十分广泛的贱金属热电偶， 热电丝直径一般为 —。 具有线性度好、测温范围适中、输出电动势大、价格便宜等特点。 在本控制系统 中，其测温范围 选 为 4001200℃ ， 由于热电极材料具有较好的高温抗氧化性，可在氧化性或中性介质中长时间地测量 900℃以下的温度。 因为 K 型热电偶具有复现性好 、 产生的热电势大 、 而且线性好 、 价格便宜等优点 ， 虽然测量精度偏低，但完全能满 足一般工业测量要求。 这种热电偶的主要缺点是如果用于还原性介质中，热电极会很快受到腐蚀， 在此情况下，只能用于测量 500℃ 以下的温度。 热电偶的工作原理是 热电效应 ，即 两种不同的导体 (或半导体 )A、 B组成闭合回路时(如图 所示 )，当 A、 B 相连接的两个接点温度不同时，则在回路中产生一个 热电势。 这两种不同导体 (或半导体 )的组合称为热电偶，每 根 单独的导体 (或半导体 )称为热电极，两个接点中一端称为工作端 (也叫测量端和热端 )，如图 中左端 t， 另一端称为自由端 (冷端 )，如 图 中的 0t 端 [12]。 ABtt ot o 图 热电偶原理图 当热电偶的材料一定时，热电偶的热电势 为 00( , ) t tA B A B A BE t t E E （ ） （ ） 式中， 0( , )ABE t t —— 热电偶的热电势； tABE（ ） —— 温度为 t时的热电势； 0tABE（ ） —— 温度为 0t 时的热电势； 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 10 冷端温度补偿 实际 测温 中 ，冷端所对应的热电势要随冷端温度（环境温度）的变化而变化。 而 从热电偶测温的基本公式可以看到，热电偶产生的热电势，对某一种热电偶来说只于工作端温度 t 和自由端温度 t0 有关，即： 00( , ) t tA B A B A BE t t E E （ ） （ ） 要保证冷端温度恒定是十分困难的，在一定程度上，测量精度取决于冷端温度的影响。 只有当 热电偶冷端温度保持不变，热电 势才是被测温度的 单值 函数。 根据国际温标规定， 热电偶分度表是以 0t =0℃ 作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，自由端温 度 0t 往往 不能维持在 0℃ ， 那么工作端温度为 t 时在分度表中所对应的热电势与热电偶实际输出的电势值之间存在一个误差，因此 需要对 热电偶 非 0℃的冷端进行 处理，即冷端 温度补偿。 热电偶冷端温度补偿的方法 有 硬件补偿法 和 软件补偿法。 硬件补偿法是 利用模拟式集成温度传感器或热电偶冷端温度补偿专用芯片来进行补偿。 其 优点 是 ： 速度快、外围电路简单、不需要调整、成本低。 模拟式集成温度传感器典型产品有 AD59 LM33 TMP3 LM135 等 ；热电偶冷端温度补偿专用芯片典型产品包括： MAX6674/667 AC122AD594/59 AD596/597 等。 软件补偿法 利用单片机或系统机的软件来进行补偿，能节省硬件资源，但在软件编程和调试过程上要花费较多时间 ， 常用方法 有 查表法 和 计算 法。 为保证检测精度，本系统 采用 热电偶冷端温度补偿专用芯片 AD594 来进行 冷端温度补偿。 1 3 1 2 1 1 1 09 81 2 3 4 5 6 71 4I N I N +A L M C O MU +U 0F BU A D 5 9 4K 型 热 电 偶+ 5 V ~ + 1 5 V 5 V ~ 1 5 V+ 图 由 AD594进行冷端温度补偿 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 11 放大处理 如 图 ，它 由 三个集成运算放大器组成，其中 N N2为两个性能一致（主要指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称为同相并联型）的差动放大输入级， N3构成双端输入单端输出的输出级， 用来进一步抑制 N N2的共模信号，并适应接地负载 的需要。 由于 N N2 为两个性能一致，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在 RP1两端相互抵消，因此，电路具有良好的共模抑制能力，同时不要求外部电阻匹配，但是，为了消除 N N2 偏置电流等影响，通常取 R7=R9。 另外，这种电路还具有增益调节能力，调节 RP1 可以改变增益而不影响电路的对称 性 [13]。 输入级的输出电压，即运放 N N2 输出之差为：  2 1 2 1791 1O RRU U U URP      ， 其差模增益dK为 : 7911d RRK RP 运算放大器 N3的差模增益 3dk 为 : 113 6d Rk R +_△∞+N1+_△∞+N3R650KR 1 12 0 0 KR 1 01 0 0 KR71 2 1 KR91 2 1 K R 1 21 0 0 KR P 110KRPR850KR 1 32 0 0 KV C CU1U2U o u tU o 1U o 2P 6 1+_△∞+N2 图 放大电路硬件连线图 ATMEGA128单片机 概述 ATmega128为基于 AVR RISC结构的 8位低功耗 CMOS微处理器。 由于其先进的指令集以内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 12 及单周期指令执行时间， ATmega128的数据吞吐率高达 1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega128是一款多功能、性价比高的学习开发板，还带有 4位数码管模块和 4*2键盘模块等。 ATmega128具有如下特点： 内核具有丰富的指令集和 32个通用工作寄存器 ，所有的寄存器都直接与算术逻辑运算 单元 (ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。 这种结 构大大提高了代码效率。 具有 128K字节的系统内可编程 Flash(具有在写的过程中还可以读的能力，即 RWW)、4K字节的 EEPROM、 53个通用 I/O口线 、 4个灵活的具有比较模式和 PWM功能的定时器 /计数器 (T/C)、 8通道 10位 ADC(具有可选的可编程增益 )。 ATmega128的 引脚 配 置如图 ： P E N1P E 0 / R X D / P D I2P E 0 / T X D / P D O3P E 2 / X C K 0/。