基于PID的温度控制系统设计.doc

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（2014届）

毕业设计

题　　目：

　　　基于PID的温度控制系统设计　

学　　院：

　　　　　********　　　　　　

专　　业：

　　　　　电气工程及其自动化　　　　

班　　级：

　　　　　电气***　　　　　　　

学　　号：

　　　　　**********　　　　　　

姓　　名：

　　　　　某某某　　　　　　

指导教师：

　　　　　某某某　　　　　　　

教　务　处　制

　　年　月　日

III

诚信声明

我声明，所呈交的论文是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得＿＿＿＿＿＿或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

我承诺，论文中的所有内容均真实、可信。

论文作者签名：

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年月日

授权声明

学校有权保留送论文交的原件，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部或部分内容，可以影印、缩印或其他复制手段保存论文，学校必须严格按照授权对论文进行处理，不得超越授权对论文进行任意处置。

论文作者签名：

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年月日

基于PID的温度控制系统设计

摘要

温度是工业上最基本的参数，与人们的生活紧密相关，实时测量温度在工业生产中越来越受到重视，离不开温度测量所带来的好处，因此研究控制和测量温度具有及其重要的意义。

本设计介绍了以AT89C52单片机为主控器件，基于PID的温度控制系统的设计方案和设计的基本原理。

由DS18B20收集温度信号，并以数字信号的方式送给单片机进行处理，从而达到温度控制的目标。

主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计。

硬件电路由主控器件、温测电路、温控电路和显示电路等组成。

软件设计部分包括：

显示电路、温度信号处理，超温警报、继电器控制、按键处理等程序。

关键词：

温度检测，温度控制，PID算法

DesignofTemperatureControlSystemBasedonPID

Abstract

Temperatureisthemostbasicparametersofindustrialandcloselyrelatedwithpeople'slives,real-timemeasurementoftemperatureinindustrialproductionandmoreattention,whichisinseparablefromthebenefitsofthetemperaturemeasurement,temperaturecontrolandmeasurementstudythereforehasitssignificance.

ThisdesignintroducesthebasicprinciplestoAT89C52microcontroller-basedcontrollerpiecestemperaturecontrolsystemdesignanddesign.CollectedbytheDS18B20temperaturesignal,anddigitalsignalsentbywayofthemicrocontrollerforprocessing,soastoachievethetargettemperaturecontrol.Includingthedesignofhardwarecircuitdesignandsystemprograms.Hardwarecircuitincludesamasterdevice,thetemperaturemeasuringcircuit,temperaturecontrolcircuitanddisplaycircuit.Softwaredesign,including:

displayelectrical,temperature,signalprocessing,over-temperaturealarm,relaycontrol,keyhandlingprocedures.

Keywords:

temperaturedetection,temperaturecontrol,PIDalgorithm

目录

摘要 III

Abstract IV

1绪论 1

1.1课题的来源 1

1.2课题的意义 1

1.3课题研究的主要内容 1

2硬件设计 3

2.1单片机控制模块的设计 3

2.1.1AT89C52单片机简介 3

2.1.2单片机的引脚功能 4

2.1.3单片机控制模块的电路设计 5

2.1.4电源设计 6

2.2温度采集模块的设计 7

2.2.1DS18B20芯片的简介 7

2.2.2DS18B20的内部结构 8

2.2.3DS18B20的供电方式 10

2.2.4DS18B20的引脚功能 10

2.3温度控制模块的设计 11

2.4按键及显示模块的设计 12

2.4.1LCD1602的参数和引脚功能 12

2.4.2LCD1602的特点 13

2.4.3按键电路的设计 13

2.5报警模块的设计 14

3软件设计 16

3.1主程序的设计 16

3.2DS18B20读温度程序的设计 16

3.3键盘扫描程序的设计 17

3.4报警处理程序的设计 18

3.5PID控制算法 18

4系统仿真 22

参考文献 27

致谢 28

附录 29

III

基于PID的温度控制系统设计

1绪论

1.1课题的来源

在食品加工、化工、冶炼等工业控制和生产中，在工业生产和日常生活中经常要用到温度检测和控制。

以及各种各样的加热炉、热处理器等，都对温度有着严格的要求。

传统的测温元件有热电偶和热电阻。

而热电偶和热电阻测出的通常是电压，再转换成相应的温度值，在硬件方面是个难点，而且从设计和调试的角度来讲都是很复杂的，以及高昂的制作成本。

但采用DS18B20作为温测元件，然后用单片机对温度进行控制，可以大幅度提高温度控制的技术指标，而且还具有控制方便、简单、灵活等特点。

单片机已经渗透到我们生活的各领域，仪表仪器、家用电器、航空航天、计算机通讯网络和数据的传输，包括工业自动化的实时控制和数据处理等，这些都离不开单片机。

用单片机可构成丰富多样的数据采集系统和控制系统。

像工厂流水线智能化的管理、电梯智能化的控制、多种报警系统，都可以与计算机联网构成二级控制系统等。

1.2课题的意义

温度传感器是测量温度的关键，现在温度传感器正由模拟式向数字式、集成化向智能化、网络化的方向发展。

在测量温度的电路中，使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，先进行A/D转换，然后用单片机进行数据的处理，再在显示电路上，将被测温度显示出来。

这种设计需要用到A/D转换电路，因此电路的设计比较复杂。

继而想到可以采用智能温度传感器来设计数字温度计。

本数字温度计的设计采用美国半导体公司DALLAS推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，其温度值可以直接被读出来，通过单片机AT89C52的读写和显示，然后用LCD1602来进行显示。

它的测温范围为－55℃～＋125℃，最大分辨率可达0.0625℃。

而且采用3线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

1.3课题研究的主要内容

1、总体设计的内容

总体设计的主要内容有：

利用单片机作为系统的主控制器，利用DS18B20作为温度传感器，将信号送入单片机进行处理，经过PID算法后，单片机的输出用来控制加热棒的输出功率，从而实现对温度的控制。

2、总体设计的基本要求

总体布置的基本要求主要有：

（1）温度控制系统的总体设计和思路；

（2）各部分原理说明；

（3）温度控制系统硬件设计，有理论依据，有分析计算过程，主要元件有原理和说明，所有元件必须要有型号和参数；

（4）温度控制系统软件设计，可以使用汇编语言或C语言编程。

主要软件必须能在设计好的硬件电路上正确运行。

2硬件设计

硬件设计方框图如图2-1所示，它主要由五个模块组成：

①　单片机控制模块；

②　温度采集模块；

③　温度控制模块；

④　按键及显示模块；

⑤　报警模块。

图2-1硬件设计方框图

2.1单片机控制模块的设计

方案一：

采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。

方案二：

采用2051芯片，其内部有2KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。

但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用。

方案三：

采用AT89C52单片机，其内部有4KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。

方案评价：

比较这三种方案，综合考虑单片机的各部分资源，本次设计选用方案三。

2.1.1AT89C52单片机简介

AT89C52是ATMEL公司生产的51系列单片机。

片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，兼容51指令系统，Flash存储单元和8位中央处理器置于片内，AT89C52单片机功能强大，在许多复杂的应用场合都可以用到。

单片机是微型机的一个分支，单片机的最大特点就是在超大规模的集成电路芯片上集成了定时器、存储器、CPU、和多种输入/输出接口电路。

由于单片机的这种结构，相应的它具有很多的特点。

它的特点包括：

（1）可靠性高；

（2）抗干扰能力强；

（3）控制能力强；

（4）性价比高；

（5）低电压；

（6）能扩展了多种串行口。

2.1.2单片机的引脚功能

AT89C52单片机的引脚图如图2-2所示。

图2-2AT89C52引脚图

①　电源引脚VCC和VSS

VCC（40引脚）：

电源端，+5V。

VSS（20引脚）：

接地端。

②　外接晶体引脚XTAL2和XTAL1

XTAL2（18引脚）：

接微调电容和外部晶体的端口。

作为振荡电路的输出端。

XTAL1（19引脚）：

接微调电容和外部晶体的端口。

作为振荡电路的输入端。

③　控制信号引脚RST、ALE、PSEN、EA

RST（9引脚）：

复位信号输入端，高电平有效。

完成复位操作，输入端必须为两机器周期（即为24个时钟振荡周期）的高电平。

ALE/PROG（30引脚）：

地址锁存允许信号端。

当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器平率的1/6。

输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。

如果想确认单片机芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。

若有脉冲信号输出，则单片机基本上是好的。

PSEN（29引脚）：

程序存储允许输出信号端。

EA（31引脚）：

外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。

④　输入/输出端口P0、P1、P2和P3

P0端口（P0.0~P0.7，39~32引脚）

P1端口（P1.0~P1