温度PID控制系统设计Word格式.docx

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摘要

我们常见的电阻炉是通过电流流过电阻体产生热量来加热或熔化物料的一种电炉。

电阻炉广泛地应用在化学工业、工业冶金等行业。

它对温度控制的要求非常高，温度控制的好坏直接影响了产品质量及生产效率，从而影响了产业的利益，因此电阻炉的温度控制在科学研究、工业生产中具有重要的意义。

常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围即进行温度调控：

低于设定值就加热，反之就停止或降温。

这种方法实现简单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、容易引起震荡，达到稳定点的时间也长，因此，只能用在精度要求不高的场合。

而应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器是工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。

采用PID算法进行温度控制，它具有控制精度高，能够克服容量滞后的特点，特别适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。

本文以电阻炉为控制对象，以单片机STC89C52为硬件核心元件，采用PID控制，该系统硬件电路设计简单、控制算法成熟稳定、系统性能优良。

关键词：

电阻炉；

温度控制；

单片机；

PID控制

一、设计内容：

本设计是对工业电阻炉温度进行实时监测与控制，主要的温度控制系统能实现基本的温度控制功能：

当电阻炉炉内温度低于设定的下限温度时，系统就会对电阻炉发出加热信号，使其温度上升；

当电阻炉炉内温度高于设定的上限温度时，系统将停止加热电阻炉，使炉内温度下降。

通过PID调节不断重复该过程，使温度值始终保持在上下限温度之间，并且使LED显示器即时显示温度。

采用比较流行的STC89C52为电路的控制核心，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机。

数据的采集部分使用K型热电偶传感器，数据转换部分采用MAX6675，改变了传统温度测试方法，在现场采集温度数据，并直接将温度模拟量变换为数字信号，送到单片机进行数据处理，检测温度范围为-270℃～+1300℃。

可应用于多种领域、各种环境的智能化测试和控制系统，精度高，使用方便灵活，优于大多传统的温度测控设备。

二、硬件电路设计

2．1系统框图设计

本系统由单片机、温度信号采集与转换、键盘输入、PID控制、温度显示等五部分组成。

其中，测温元件用K型热电偶，用来检测炉内温度，将炉中温度的物理量值转换成毫伏信号输出，经MAX6675进行处理后，炉温给定值的电压信号和所检测到的炉温电压信号都转换为数字量送入单片机内进行比较，得到实际炉温与给定炉温的差值。

由单片机系统构成的数字控制器，对偏差按PID调节规律进行运算，并且在LED显示器上显示温度值，将运算结果送至D/A转换器转换为模拟电压，电压值经过功率放大器放大后，送到晶闸管调压器触发晶闸管，并且改变其导通角的大小，从而调节电阻炉的加温电压，起到控制炉温的作用。

其方案图如图2.1所示：

图2.1温度控制系统总框图

2.2单片机最小系统

在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。

STC89C52是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。

片内带有一个8KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。

它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容、片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。

因此，STC89C52是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。

基于上述这些特点，这里选择STC89C52单片机作为控制核心。

本部分主要介绍单片机最小系统的设计。

单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统为基础的。

所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于片内带有程序存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。

小系统是嵌入式系统开发的基石。

本电路的小系统主要由三部分组成，一块STC89C52芯片、复位电路及时钟电路。

单片机最小系统的如图2.2所示：

图2.2单片机最小系统

时钟电路提供单片机的时钟控制信号，单片机时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式。

最常用的是内部时钟方式，是采用外接晶振和电容组成的。

时钟振荡电路如图2.3所示：

图2.3时钟振荡电路

单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和引脚XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自己振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。

系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。

内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。

晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。

电容取30PF左右。

因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值为30μF。

在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。

XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。

2.3键盘接口设计

按键是现阶段电子设计中最常用、最实用的输入设备。

按键能够成为最普遍的输入设备，主要是其具备了以下几个优点：

工作原理、硬件电路连接简单、操作实用性强、价格便宜，程序编写简单。

缺点：

机械抖动比较严重、外型不够美观。

按键部分实现的主要原理是单片机读取与按键相连接的I/O口状态，来判定按键是否按下，达到系统参数设置的目的。

键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据输入、命令输入，是人工干预的主要手段。

独立式按键就是按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键的工作状态，不会影响其他I/O口线上的工作状态。

各按键开关均需要采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。

当输入口线内部已有上拉电阻，外电路的上拉电阻可省去。

因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断是哪个按键被按下了。

优点：

电路配置灵活，软件结构简单。

每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。

因此，此键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。

矩阵式键盘适用于按键数量多的场合，它通常由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。

单片机的键盘检测通常有三种方式：

查询、中断、定时扫描。

查询和中断方式同普通的I/O传送是一致的，定时扫描方式是利用单片机内部定时器产生定时中断，在中断服务程序中对键盘进行扫描获得键值。

在本设计中采用的是4行*4列键盘，其电路图如图3.12所示，列线由P2.4-P2.7口控制，行线由P2.0-P2.3口控制。

电路中共16个按键，包括设置键、3个温度参数和时间设置键、1个增加键、1个减小键。

系统在程序初始化时控制键盘行线的P2.0-P2.3口输出高电位，控制键盘列线的P2.4-P2.7口输出低电位，在判断电路是否有按键按下时，读P2.0-P2.7端口值，若端口值不是11110000，则说明电路中有按键按下。

然后根据程序进行去抖动处理和计算键值。

图2.4矩阵式键盘电路图

2.4显示器设计

我们这课程设计中采用的输出显示设备是LCD。

液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案。

当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。

外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，可扩展性很强。

不足之处在于其价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。

由于本设计所需要显示的内容比较简单，只包括现场温度值、温度限定值以及PID系数的显示，所以本系统的数据显示设备采用LED数码管。

设计中采用4位共阴极LED静态显示方式，选用7段显示数码管。

显示内容有温度值的千位、百位、十位、个位。

由于单片机不能直接驱动数码管显示，所以必须在单片机与LED164之间加上74LS164，它的管脚图如图2.5所示。

图2.574LS164管脚图

A和B为74LS64的串行输入端；

QA-QH为74LS64的并行输出端；

CLK是串行时钟输入端；

CLR是串行输出清零端；

VCC：

+5V；

GND：

接地端。

74LS164功能如表2.6所示。

表2.674LS164功能表

输入

输出

清除

时钟

A

B

QA

QB

QH

L

H

QA0

QB0

QH0

↑

QAn

QGn

LED显示器的管脚如图2.7所示，其中a-g段用来显示数字或字符的笔画，dp显示小数点，9引脚作为公共地。

一英寸以下的的LED数码管内，每一笔段含有一只LED发光二极管，导通压降为1.2-2.5V；

一英寸及以上的LED数码管的每一笔段由多只LED发光二极管以串、并联方式连接而成，笔段导通电压与笔段内包含的LED发光二极管的数目、连接方式有关。

在串联方式中，确定电源电压VCC时，每只LED工作电压通常以2.0V计算，例如4英寸7段LED数码显示器LC4141的每一笔段由四只LED发光二极管按串联方式连接而成，因此导通电压应在7-8V之间，电源电压VCC必须取9V以上。

图2.7LED数码管显示器

数码管结构有共阴极和共阳极之分。

本设计采用的是共阴极数码管。

共阴极公共端接地，高电平有效（灯亮），共阴极数码管内部发光二极管的阴极（负极）都联在一起，此数码管阴极（负极）在外部只有一个引脚。

LED显示电路如下图2.8所示。

图中的P11和P10分别连接到单片机的P1.1和P1.0引脚，作为时钟输入端和数据端口。

图2.8LED显示电路

2.5温度传感器电路

本部分主要介绍是温度传感器的选型。

传感器的选择受到许多方面的影响，比如各种温度传感器本身有各自优缺点，适应于不同的场合；

还有现场的环境因素各有不同，再有就是根据系统要求的不同，所需实现的精度也不同，所以在不同的场合当中，选择温度传感器的类型也将不同。

设计要求要求我们使用DS18B20，但是结合本身的课程设计选择，使用DS18B20来作传感器是不合逻辑的，因为DS18B20是数字温度传感器，采用单总线技术，可以直接与单片机I/O口相连。

使用DS18B20可以节约单片机I/O口，还能使系统成本降低。

但它的测温范围仅限-55℃～+125℃，而电阻炉的温度在一千度上下，所以结合精度要求、测温范围的大小以及价格等各方面因素考虑，选择K型热电偶传感器。

K型（镍铬－镍硅）热电偶能测量1300℃以内的温度，其线性度极好，且价格便宜。

但测温部分用K型热电偶需经过A/D转换、放大电路等一系列措施，使得硬件电路部分显得冗余，本设计使用能处理K型热电偶输出信号的芯片MAX6675，该芯片可实现A/D转换、放大电路等功能，且可以和单片机