单片机温度控制系统PID设计.docx
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单片机温度控制系统PID设计
毕业论文（论文）
题目名称：
单片机温度控制系统PID设计
题目类别：
毕业设计
系（部）：
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
辅导教师：
时间：
至
长江大学工程技术学院毕业设计任务书
系（部）信息系专业班级501
学生姓名指导教师/职称
1.毕业设计（论文）题目：
单片机温度控制系统PID设计
2.毕业设计（论文）起止时间：
2008年7月1日～2009年6月6日
3．毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）
Ⅰ）原始数据：
独立完成系统的硬件设计。
完成系统软件程序的编写及模拟调试。
温度设定范围：
50℃-150℃
控制精度：
1
Ⅱ）毕业设计参考文献：
4．毕业设计（论文）应完成的主要内容
收集、整理与本课题相关的资料
设计一个基于单片机的温度控制系统，要求温度可以设定和显示，采用PID程序控制的方式，达到要求的控制精度
掌握单片机的基本原理及应用
掌握PID控制算法的实现方法
熟悉一般电子产品的设计方法
针对存在的问题提出解决方案或建议
完成相关专业外文资料的翻译
5．毕业设计（论文）的目标及具体要求
目标：
毕业设计是高等学校培养学生创新精神和应用能力的一个重要教学环节，是培养应用性人才必要的基础训练和从业、创业的先期适应阶段。
通过毕业设计旨在培养学生综合运用所学基础理论、基本技能和专业知识，使学生能够联系生产及科研实际完成某一课题，全面检验学生分析问题和解决问题的能力，使学生掌握基本的设计（科研）方法，并受到初步的科研论文写作训练。
具体要求：
①学习工作态度认真；
②每周至少向导师汇报毕业设计的进展两次；
③分阶段地完成毕业设计的各项要求，并且要求独立工作；
④按时完成毕业设计任务书所规定的全部内容。
6、完成毕业设计（论文）所需的条件及上机时数要求
需要学校图书馆有与本科题相关的书籍查阅，以丰富学生的基础理论知识；其次，学校的网上数据库能提供与本科题相关国内外最新的研究动态或成果，以保证学生知识的及时更新。
上机时数至少80。
任务书批准日期
任务书下达日期
完成任务日期
毕业设计（论文）开题报告
题目名称：
单片机温度控制系统PID设计
题目类别：
毕业设计
学院（系）:
专业班级:
学生姓名:
指导教师:
辅导教师:
开题报告日期:
单片机温度控制系统PID设计
学生：
单位：
指导老师：
单位：
[摘要]:
在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力等都是常用的主要被控参数。
例如：
在冶金工业、化工生产、造纸行业、机械制造等诸多领域中，人们都需要对温度进行检测和控制。
采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、化工等工业生产中使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、电等；控制方案有直接数字控制，推断控制，预测控制，模糊控制等。
本文是介绍以AT89C51单片机为核心的PID温度控制系统。
由温度控制器，控制算法，温度检测，键盘输入，温度显示等组成，控制器以参数偏差和参数偏差变化作为输入，以PID控制器的参数作为输出，子程序对相关事件处理以标志位和判断标志位完成，主程序通过调用子程序实现温度控制器功能，该系统利用单片机可以实现对PID参数的选择与设定；也可以通过计算机与单片机的串行通讯，实现工业过程中的交互式PID控制。
[关键字]:
温度控制；PID；AT89C51单片机；
TemperaturePIDcontrolsystemdesign
[Abstract]:
Inthemodernindustrialproduction,current,voltage,temperature,pressureandsoonarecommonusedparametersofthemainaccused.Forexample:
inthemetallurgicalindustry,chemicalproduction,paperindustry,machinebuildingandmanyotherfields,peopleneededtodetectandcontroltemperature.MCS-51single-chipmicrocomputerisusedtocontroltemperature,notonlyhastheadvantagesofconvenientcontrol,simpleconfigurationandgreatflexibility,butalsosubstantialincreaseintemperaturewaschargedwithtechnicalindicators,whichcangreatlyenhancethequalityandquantityofproducts.
Temperatureiscommonprocessparameterinindustrialproduction,anyphysicalchangesandchemicalreactionprocessiscloselyrelatedwithtemperature,sotemperaturecontrolisanimportanttaskforautomation.Fordifferentproductionconditionsandtechnologicalrequirementsoftemperaturecontrol,theheatingmethodused,fuel,controlprogramsisalsodefferent.Suchasmetallurgy,machinery,chemicalsusedinindustrialproductionallkindsofheatingfurnace,heattreatmentfurnace,reactorandsoon;fuelgas,naturalgas,electricityandsoon;controlprogramhasadirectdigitalcontrol,inferencecontrol,predictivecontrol,fuzzycontrol.
ThepaperintroducedaPIDtemperaturecontrollerbasedonAT89C51Singlechip．Itconsistofthetemperaturecontrol,themanipulativealgorithm,thetemperaturemeasuring,thekeyboardinput,thetemperaturedisplayandsoon.Ittakestheparameterdeviationandthedeviationchangeasinput,andthePIDcontroller’sparametersasoutput,thesubprogramrealizedthecorrespondingeventsbycompletingzonebitandzonebitjudgment.Themainprogramrealizedthefunctionofthecontrollerthroughmakinguseofallthesubroutines.Thesystemcanbeachievedusingsingle-chipselectionofthePIDparametersandsettings；Itcanalsobysingle-chipandcomputerwithserialcommunications,realizingindustrialprocessofcontrolofinteractivePID.
[Keyword]:
Temperaturecontroller；PID；AT89C51Singlechip
前言
随着工业技术的提高，单片机的集成技术也在不断的发展，它有着体积小，功能强，可靠性高，造价低，开发周期短等优点。
在工业生产中，有很多行业都拥有加热设备，如用于热处理的加热炉，用于熔化金属的坩埚炉，以及各种不同用途的加热炉，反应炉，这样温度就成了工业对象中一个重要的被控对象。
然而常规的控制方法，作用是有限的，难以满足各种用户的需求，因此采用单片机温度控制PID可以有效地解决控制难，要求高等一系列的问题。
本次毕业设计是关于温度控制系统的设计，在整个设计过程中既用到单片机、传感器、微控技术，也用到了控制系统中的一些相关知识。
本设计系统的硬件部分，使用如AT89C51、铂热电阻、ADC0809，LED显示器等器件。
软件则介绍数字调节器的设计、PID参数的整定、PID算法程序清单、以及相关的程序；最后介绍系统特性的测量与识别。
本次设计是在辅导老师和同学们的指导和帮助以及本人的努力下完成的。
由于本人知识水平有限，因此设计中还有一些不妥之处，恳请批评指正，以便加以修改。
单片机温度控制系统PID设计
1绪论
1.1选题背景
温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数。
在工业生产过程中为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度，压力，流量，速度等进行有效的控制。
其中温度的控制在生产过程中占有相当大的比例。
准确测量和有效控制温度是优质，高产，低耗和安全生产的重要条件。
在工业的研制和生产中，为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度，采用微电子技术是重要的途径。
它的作用主要是改善劳动条件，节约能源，防止生产和设备事故，以获得好的技术指标和经济效益。
本课题是结合生产实际和科研工作，运用PID算法对温度进行控制，以求达到较好的控制效果。
目前先进国家各种炉窑自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。
其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。
单片微型计算机是随着超大规模集成电路的技术的发展而诞生的。
由于它具有体积小，功能强，性价比高等优点，所以广泛应用于电子仪表，家用电器，节能装置，军事装置，机器人，工业控制等诸多领域，使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量又降低了成本，简化了设计。
PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点,被广泛应用于工业过程控制。
当用计算机实现后,数字PID控制器更显示出参数调整灵活、算法变化多样、简单方便的优点。
随着生产的发展,对控制的要求也越来越高,随之发展出许多以计算机为基础的新型控制算法,如自适应PID控制、模糊PID控制、智能PID控制等等。
随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。
在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面。
随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会目前，单片机控制器在从生活工具到工业应用的各个领域，例如生活工具的电梯、工业生产中的现场控制仪表、数控机床等。
尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。
现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。
随着社会的发展，人们对温度的控制要求也越来越高，这篇论文是我为了达到这样的温度控制要求而进行设计的。
我所采用的控制芯片为AT89C51，此芯片功能强大，能够满足设计要求。
通过对电路的设计，对芯片的外围扩展，来达到对温度的控制和调节功能。
1.2PID算法在控制领域中的应用
控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器，电加热控制系统的传感器是温度传感器。
在工程实际中，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控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
以经典控制理论为基础的PID控制过程是应用最多的控制规律，现在仍然在各种过程控制系统中广泛应用，在DCS以及以逻辑控制为主体的大型PLC系统中，均设有PID控制模块。
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时，控制理论的其它技术难以采用时，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，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
目前，PID控制及其控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。
1.3课题研究的目的及意义
随着工业技术的提高，单片机的集成技术也在不断的发展，它有着体积小，功能强，可靠性高，造价低，开发周期短等优点，因此在现代化的工业生产中占有举足轻重的地位，尤其在日常生活中发挥着越来越大的作用。
在工业生产中，有很多行业拥有加热设备，如用于热处理的加热炉，用于熔化金属的坩埚炉，以及各种不同用途的加热炉，反应炉，这样温度就成了工业对象中一个重要的被控对象。
然而常规的控制方法，作用是有限的，难以满足各种用户的需求，本温控系统采用的数字PID算法由软件实现，增量PID控制算法的优点是编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算速度快。
采用单片机温度控制PID可以有效地解决控制难，要求高等一系列的问题。
对于一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性强、升温单向等特点的控制对象，用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果，而且操作工人的劳动强度也很大，人力资源浪费问题十分严重。
为此我们使用以AT89C51单片机为核心的控制系统来控制温度，单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，满足了这些要求。
采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、灵活和组态简单的优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而可以显著提高温度控制的精度。
2总体方案论证与设计
2.1方案设计的要求与指标
系统要求:
采用单片机控制PID系统对温度进行实时监控
系统的可靠性高，温度误差小于±1℃
系统应具有良好的操作性能，为了满足用户使用方便和操作人员维修，系统控制的开关要少。
系统使用及维护方便，便于扩展
系统的性能指标:
控制容量：
20KW
温度设定：
按键
温度显示：
4位LED数码管
显示误差：
±1℃
控制温度：
50℃—150℃
控制过程：
设定对炉内测温、控温
2.2方案的可行性分析与方案选择
2.2.1方案可行性分析
1.方案一
本方案主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成，以AT89C51单片机为该控制系统的核心，实现对温度的采集、检测和控制，热电偶采用DBW型热电偶--镍络-镍硅，A/D转换器选用常用的ADC0809，可编程并行I/O扩展口8255用作键盘/LED显示器接口电路，温度设定电路采用BCD码拨盘，采用字符型LCD（液晶显示器）模块TC1602A，本系统以单片机AT89C51为核心，具有高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点。
控制器采用新型的智能控制算法，系统升温快，控温精度高，稳态误差可达±5℃以内，满足系统要求。
整个系统操作简便,抗干扰能力强、运行可靠。
本设计方案的原理框图如图2-1所示：
图2-1方案一原理框图
本方案硬件系统采用atmel公司的AT89C52单片机为控制核心，考虑要求的控制精度较高，温度传感器选用pt100型铂热电阻温度传感器，采用双积分A/D转换器MC14433,外围扩展并行接口8155用作键盘/LED显示器接口电路，单片机的输出控制电机工作，为避免强干扰，选用带有光电隔离功能的晶闸管MC3041,该系统能基本可靠运行，配合软件算法设计，可有效解决温度大滞后控制精度不精确的问题，显著提高温度测量结果精度，并可避免因控制电机执行机构滞后、过量执行而影响测量准确性，从而能较好的完成试验目的。
本设计方案的原理框图如图2-2所示：
图2-2方案二原理框图
本方案以AT89C51单片机为核心的PID温度控制系统。
由温度过零控制电路，控制算法，温度检测，键盘输入，温度显示等组成，控制器以参数偏差和参数偏差变化作为输入，以PID控制器的参数作为输出，子程序对相关事件处理以标志位和判断标志位完成，主程序通过调用子程序实现温度控制器功能，该系统利用单片机可以实现对PID参数的选择与设定；也可以通过计算机与单片机的串行通讯，实现工业过程中的交互式PID控制。
本设计方案的原理框图如图2-3所示：
图2-3方案三原理框图
2.2.2方案的选择与确定
三种方案都采用的是MCS-51系列的单片机，该系列单片机第二、第三种方案设计外围电路简单，采用单片机控制管理比较合理，也比较符合我们大学生的电子设计思维，将单片机的资源合理地利用，也能够满足毕业设计的要求。
第二种方案的设计比较完善，数模结合设计，很具有想象力和创造力，但外围电路复杂，一般适合于做温度控制的产品设计方案。
第三种与前面几种方案相比，硬件电路更简单，设计思路清晰，考虑毕业设计的要求，设计时间对简单，自己掌握的知识情况，再加上金费限制，综合上面几个因素，本次的毕业设计选择第三种方案比较贴切，比较合理。
2.2.3系统结构框图
初步选定系统用闭环控制，且采用单闭环控制。
因为所带负载是阻性元件，其线性度比较好，温度变化不太高，但对控制精度有一定的要求。
系统被测参数主要是温度，被测参数温度值由热电阻传测定后得到的信号经过温度变送器放大滤波，经过A/D转换器后，将模拟信号变为数字信号进入AT89C51单片机，在单片机进行数据处理，与所设定的期望温度值进行比较后，产生偏差信号，单片机根据预定的PID算法计算出相应的控制量，该控制量控制双向可控硅的导通和关闭，以便切断和连通加热设备，从而控制温度稳定在设定值上，如图2-4所示：
图2-4系统结构框图
3．温度控制系统硬件设计和软件设计
3.1系统硬件设计
硬件设计:
温度检测和变送器：
使用铂热电阻作为温度的检测，变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成。
接口电路:
接口电路采用MCS-51系列单片机AT89C51，模数转换器ADC0809等芯片。
温度调节电路：
使用双向可控硅管和加热丝串接在交流电路中。
3.1.1系统硬件组成
3.1.1.1AT89C51单片机的介绍
AT89C51是美国ATMEL公司设计的一款低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，功能强大，灵活适用于多种控制场合。
由于本系统设计并不是非常复杂，所使用的功能不是很多，AT89C51已经足够完成此设计的需求，因此选用AT89C51作为核心芯片设计本温度控制系统。
AT89C51引脚图如图3-1所示：
图3-1AT98C51引脚图
AT89C51引脚功能：
3.1.1.2热电阻和热电偶都是测量温度的元件，热电阻是电阻随温度变化的元件，而热电偶是热电势（电压）随温度变化的元件。
一般热电阻用在低温，热电偶用在高温。
如果温度超过500℃的话那么热电阻的阻值会非常大，可能会影响测量结果，甚至会出现不能出来测量结果的情况发生。
通常检测低于500℃时，一般选用热电阻而不选用热电偶的。
因此本次设计选用热电阻作为测量温度元件。
而在热电阻中我选择铂热电阻。
铂热电阻是电阻体采用铂金属的一种电阻，广泛用作稳定温度系数的电阻以及温度传感器，它与一般的金属一样，具有正的温度系数。
因此本设计选用铂热电阻作为温度传感器，来测量温度。
本设计中的热敏电阻测量原理电路，由电源，电阻电桥，运放和输出四部分组成。
电源部分包括R4，R6，C1，U1B。
R4，R6为分压电路，C1主要滤除Vcc中的波纹，U1B为LM324运放放大器，工作于电压跟随器方式，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低，为后级电桥提供稳定的电流。
电桥由R1，R2，R3，R13及U2（热敏电阻）组成，通过调节R13使电桥平衡，当温度发生变化时，热敏电阻阻值发生变化，电桥产生电位差。
运放电路由R7，R8，R9，R10及U1A组成，这是一种灵敏度较高的电桥放大电路，放大倍数由R9/R8得到。
输出电路由R4，R12，R14，D1组成，调节R14可以调整输出电压幅度。
D1主要用于防止输出负电压，保护后级A/D电路。
温度测量后从ADC0809的IN0口输入，进行模数转换。
原理电路连接如3-2所示：
图3-2温度测量电路
3.1.1.3模数转换器ADC0809的介绍
ADC0809引脚图如图3-3所示：
图3-3ADC0809引脚图
3.1.1.4
图3-4独立键盘连接图
所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。
特点：
将多个7段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个8位I/O控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地，逐一扫描点亮，使每位LED显示该位应当显示的字符。
恰当地选择点亮LED的时间间隔（1ms～5ms），会个人一种视觉暂停效应，似乎多位LED都在“同时”显示
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