单片机温度控制及PID控制程序的设计.docx

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单片机温度控制及PID控制程序的设计

河南工程学院毕业设计（论文）

单片机温度控制及PID控制程序的设计

学生姓名：

＿

系（部）：

电子信息工程系

专业：

电气自动化

指导教师：

2008年5月16日

摘要

随着生产的发展，自动化程度越来越高，热电设备对温度的控制要求也越来越高。

随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，既要满足了上述的要求，又要达到提高自动化品质的目的。

因此设计出此温度控制系统。

本温度控制系统的对象是一热水电磁炉的水温，深入日常生活，要求所设计的系统具有软硬件结构简单、成本低廉、可靠性高（即不易出错）等特点。

关键字:

单片机PIDA/D反馈并行I／O口

Abstract

Withthedevelopmentoftheproduction,inindustry,theequipmenttocontroltemperaturerisingdemand,aspeople'slivingstandardsimprove,theautomationofdailynecessitiesalsoahigherdemand,thecontinuousupgradingofSCM,Meettheaboverequirements,toachievethepurposeofqualitycontrol.Thetemperaturecontrolsystemistheobjectofahotwaterresistancefurnace,fordailylife,requestedbythedesignofhardwareandsoftwaresystemswithsimple,low-cost,highreliability（thatis,lesserror-prone）,andothercharacteristics.Thedesignofthesystemwhilethesecharacteristicsforthepurposeofthedesign.

Keyword:

MCUPIDA/DfeedbackLPTI/Oport

致谢17

附录118

第一章绪论

第一节引言

随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。

　PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制领域仍有近90％的回路在应用PID控制策略。

PID控制中一个关键的问题便是PID参数的整定。

但是在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。

在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。

这就要求在PID控制中，不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型，并且PID参数能够在线调整，以满足实时控制的要求。

智能控制是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级阶段，主要用来解决那些传统方法难以解决的控制对象参数在大范围变化的问题，其思想是解决PID参数在线调整问题的有效途径。

在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。

本温度控制系统设计的对象是一热水电磁炉，用单片机控制对电磁炉水温的调节，达到想要的温度，要求所设计的系统具有软硬件结构简单、成本低廉、可靠性高（即不易出错）等特点。

第二节系统设计的宗旨

1.用于电磁炉的温度控制结构精简

2.尽量降低成本

3.可靠性高（抗干扰性能好）

本文将分析应用单片机中的PID调节程序对电磁炉的控制，以及其测控电路。

第二章系统概述

第一节系统简介

本系统是通过PID方法来调节电磁炉的温度，PID算法通过在MCS51中编程来实现，整个系统的框图如下：

图2-1系统结构框图

如图所示：

当整个系统启动后，通过键盘输入需要稳定的温度，同时控制程序也启动：

测温电路将电磁炉的当前温度通过A/D反馈到单片机中，即控制程序中，控制程序将当前的温度和设定值比较输出控制信号，到执行电路，以达到控制电磁炉温度的目的。

其中测量电路通过Pt100热电阻来传递温度，通过测量电路将其转换成电压信号，在通过A/D将信号输送到MCS51单片机内部，以备控制程序的使用。

而执行电路采用可控硅调节方式。

双向可控硅在50HZ交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期里改变可控硅的接通时间，就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度调节。

主程序电路图见附录1

第二节系统主要硬件简介

图2-2MCS-51引脚图

一、MCS-51系列8051单片微机简介　

8051单片微机封装形式为双排直列式结构（DIP），引脚共40个。

MCS－51单片机的典型芯片是8051，其内部基本组成为：

一个8位的中央处理器（CPU），256byte片内RAM单元，4Kbyte掩膜式ROM，2个16位的定时器／计数器，四个8位的并行I／O口（P0，P1，P2，P3），一个全双工串行口5个中断源，一个片内振荡器和时钟发生电路。

这种结构特点决定了单片机具有体积小、成本低、可靠性高、应用灵活、开发效率高、易于被产品化等优点，使其具有很强的面向控制的能力，在工业自动化控制、家用电器、智能化仪表、机器人、军事装置等领域获得了广泛的应用。

二、ZLG7289A（串行接口8位LED数码管及64键键盘智能控制芯片）

ZLG7289A是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能

ZLG7289A内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码并同时具有2种译码方式参看后文此外还具有多种控制指令如消隐﹑闪烁﹑左移﹑右移﹑段寻址等。

ZLG7289A具有片选信号可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口.

A/D转换器选用A/D574。

典型应用：

仪器仪表、工业控制器、条形显示器、控制面板

三、MOC3041的介绍

光隔离/光耦合过零触发双向可控硅驱动器MOC3041系列具有体积小、寿命长、功耗小、无触点、价格低廉、无噪声、触发电路简单可靠、抗干扰能力强、输入输出完全隔离，能承受7.5KV的高压而保持良好的绝缘性能，使其工作温度在－40～＋100℃等优点，用于控制固态继电器，工业控制器，电机，螺管线卷等，具有较大的输出能力，所以在微机控制的接口系统中有广泛的应用价值。

MOC3041系列的主要性能指标：

1.输入LED典型值最大值

（1）反向漏电流0.05μA100μA

（2）正向压降1.3V1.5V

（IF=30mA）

2.输出检测器

（1）LED截止时漏电流2nA100nA

（2）LED导通时峰值电压1.8V3V

（3）破坏电压400V

3.耦合特性：

（1）LED触发电流15mA

（2）隔离电压7500V

第三章测温及控制执行电路的设计

第一节测量电路

在我们的测温度的电路中，通过pt100把所测的数据的通过电压的形式输入到单片机里面作为我们所要处理的信号，通过A/D转换器转换成数字信号，显示出来便于控制。

图3-1温度测量电路

这个就是我们这个试验所用到的测量温度的电路。

图3-1中IC1为高稳定度基准源MC1403，其输入电压范围为4.5～15V；输出电压为2.4～2.6V；温度系数为10×10-6/℃.IC2,IC3可选用低输入失调电压，低温标运算放大器ICL7650等。

这个电路中，根据运算放大器的特点及电路理论，可以得到如下的关系：

（1）

令,其中正比于温度的变化。

解上式可得：

（2）

所以（3）

以t=0℃时作为参考点，温度变化0℃以上时，△R＞0时;温度变化0℃以下时，△R＜0。

由于Pt100热电阻在0℃和300℃时的电阻值为：

Rt=0℃=100.00,Rt=300℃=213.79

第二节控制执行电路

一、MOC3041工作原理

MOC3041系列光隔离/光耦合过零触发双向可控硅驱动器是有砷化镓二极管通过红外发射耦合道单片硅探测器的光电器件，其硅探测器是一个具有过零触发的双向可控硅。

检测器是一个符合单片集成电路，含有两个对红外发射很敏感的反向并联的高压可控硅器件，其功能像一个光敏三端双向可控硅元件，每个可控硅的控制端和高速过零检测电路相连接，这就保证了当砷化镓二极管LED通以电流，在交流电压越过零点附近时，检测器转换状态（即导通）。

这样不仅保证了低的噪声和低的浪涌电流流过负载，也提高了检测电路的抗干扰能力。

基本驱动电路如下图3-2所示：

图3-2基本驱动电路

由图3-2可知，当加到砷化镓二极管LED的电流IFT=0时，电源电压加在功率可控硅和可控硅驱动器的阳极和阴极之间，若在二极管LED中引入足够的电流IFT，则可控硅驱动器处于导通状态，向功率可控硅提供一个触发电流，使功率可控硅导通。

功率可控硅一旦导通，其阳极和阴极之间的压降将降低，这将导致可控硅驱动器的输出电流降低，甚至降到低于它的维持电流，迫使可控硅驱动器进入关断状态。

由于可控硅驱动器中过零触发电路的作用，当电源电压降至零伏附近时，过零触发电路产生一电流信号，如上右图波形所示，这种情况每半个周期出现一次，所以可控硅驱动器的实际工作周期是很短的，只有几微秒。

若IFT仍存在，则功率可控硅在每半个周期内被重新触发一次，所以功率可控硅导通。

直到IFT=0时，由可控硅的特性可知，这时功率可控硅不是立即关断，而是当电源电压倒0V附近，功率可控硅电流才为零，才被关断。

二、执行电路

本控制执行电路就是根据MOC3041采用可控硅调节方式，由单片机输出控制脉冲信号到执行电路，改变双向可控硅的导通时间来控制输出的功率，以达到调节温度的目的。

图3-3执行电路

晶闸管作为一种可靠的控制元件，广泛地被作为各种控制系统地执行元件。

晶闸管是一种大功率地半导体器材，具有弱点控制，强点数出地特点。

数字系统输出地触发脉冲通常经光电耦合器隔离后，加到晶闸管上。

用于触发双向晶闸管，不需要另外的触发电源，而是利用双向晶闸管的工作电源作为触发电源。

MOC3041是双向晶闸管输出型的光电耦合器，输出端的额定电压为400V，最大输出电流为1A，最大隔离电压为7500V，输入端控制电流小于15mA。

当SN74F08D输出低电平时，MOC3041的输入端有电流流入，输出端的双向晶闸管导通，触发外部的双向晶闸管KS导通。

反之，MOC3041输入端的双向晶闸管关断，外部双向晶闸管KS在外部电压过零后也关断。

第四章采用PID控制算法的原因

第一节PID控制器的应用

当前绝大多数生产过程的自动控制系统中采用的自动控制装置，不论它是气动、电动电子的、液动的、还是可编程的、微机型的、尽管它们的结构不同，但是它们具有的控制规律都是比例、积分和微分规律（即PID控制规律），故称之为PID控制器。

在生产过程自动控制的发展过程中，PID控制器是历史最久、生命力最强的基本控制装置。

除在最简单情况下一些场合采用开关控制外，PID控制器基本上占据了统治地位。

PID控制器具有以下优点：

1.原理简