PID温度控制论文最终.docx

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PID温度控制论文最终

摘要

本文主要从硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路，简单说明如何实现对温度的控制，并对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。

还介绍了在单片机温度控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节,该系统主要以51系列单片机为核心,由温度检测电路,模/数转换电路,电桥转换电路,报警与指示电路,功率放大电路等构成。

但用51系列单片机设计的温度检测电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分，该系统对温度进行了实时采集与检测。

本设计介绍的单片机温度自动控制系统的主要内容包括：

系统方案、元器件选择、系统理论分析、硬件设计、软件设计、系统调试及主要技术性能参数。

关键词：

单片机；温度传感器；温度检测；温度控制；PID算法

Abstract

Thedesignofsingle-chip’stemperaturecontrolsystemisintroducedfromhardwareandsoftware,andsimplyexplainshowtoactualizethetemperaturecontrol.Thehardwareprincipleandsoftwarecasefigaredescribed.Someimportanttechniquesinadesignschemeofthehardwareandthesoftwareofthetemperaturecontrolbysingle-chipmicrocomputerareintroduced.Thesystemmostlytakes8031single-chipmicrocomputerascore,itisstructuredbytemperaturetestingcircuit,A/Dswitchcircuit,zeropassagetestingcircuit,warningandindicationcircuit,optical-electricalisolationandpoweramplifiercircuitandsoon.

ThemaincontentofthisdesignistemperaturetestingcircuitthatusesAT89C51single-chipmicrocomputer.Itisapartofthewholedesignthatcannotbelacked.Thesystemisusedtocollectandcontroltemperatureinrealtime.Thetemperatureautomaticcontrolsystembasedonsingle-chipmicrocomputerisdescribedinthearticleincludingsystemscheme，partsofanapparatuschoice,theoreticalanalysis，thedesignofhardwareandsoftware,systemtesting，andthemaintechnicalperformanceparameters．

KeyWords：

Single—ChipMicrocomputer；Temperaturesensor；Temperaturecollecting；Temperaturecontrolling；PIDalgorithm.

第1章绪论

1．1课题的背景与意义

在近四十年的时间里，电子电脑的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模集成电路这样四个阶段，尤其是随着半导体集成技术的飞跃发展，七十年代初诞生了一代新型的电子电脑——微型电脑，使得电脑应用日益广泛；而单片微型电脑的问世，则更进一步推动了这一发展趋势，使电脑应用渗透到各行各业，到达了前所未有的普及程度。

一个由微电子技术为先导，电脑技术为标志，包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多种学科在内的新技术革命正在兴起。

在国内，由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、和价格低廉等独特优点，因此，在智能仪器仪表、工业自动控制、电脑智能终端、家用电器、儿童玩具等许多方面，都已得到了很好的应用，因而受到人们高度重视，取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景。

1．2课题的应用与展望

随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。

伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改良，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。

温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械等工业中，具有举足重轻的作用，因此,温度控制系统是典型的控制系统。

对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。

随着电子技术和微型电脑的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。

利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。

目前,单片微机已普遍地作用于生产过程的自动控制领域中。

单片机以其体积小、价格低廉、可用其构成电脑控制系统中的智能控制单元和可靠性高等特点,受到广阔工程技术人员的重视。

温度是生产过程中最常见的物理量,许多生产过程是以温度作为其被控参数的。

因此,温度控制系统是典型的控制系统。

1．3课题举例简介

在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

例如：

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的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。

因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

下面介绍一种功能简化后的温度控制系统的设计过程。

假设某烘干道采用过热蒸汽为热源，蒸汽管道经热交换器加热空气并通过风机向烘箱送热风实现对胶布〔带〕的循环加热，烘箱的温度变化范围为0～120℃。

根据工艺要求，系统需实现如下功能和指标：

①温度给定值在85℃左右且现场可调；

②温度控制误差≤±2℃；

③实时显示温度值，保留1位小数；

④温度超过给定值±10℃时声光报警；

⑤控制参数可在线修改。

第2章总体方案

根据功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用MCS-51系列单片机为主控机。

通过扩展必要的外围接口电路，实现对温度的测量和控制。

2．1系统结构

该系统以89C51单片机为核心，由温度测量变换、测量放大、大功率运放、A/D转换器、驱动电路、键盘显示共同组成。

在系统中，温度的设置、温度值显示、控制参数得设置、运行等功能由键盘及显示电路完成。

图2-1单片机温度控制系统方案原理示意图

传感器把测量的温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器〔ADC0804〕转换成数字信号输入主机〔单片机8059〕。

2．2具体设计考虑

1、由于温度测量范围为0～200℃，控制精度也不高，可选用8路8位ADC0804作A/D转换器，分辨率可达0.5℃；为了方便操作，系统可不扩展专用键盘，温度给定输入可用两个按键控制温度的加减；温度显示常用的LM016L；为了实现通过调节电机风速控制降温，用热源控制温度的上升，中间使用PID控制调节速度。

2、温度测量可以选用铂热电阻PT100，它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

图2-2PT100温度阻值曲线

由图所示PT100温度阻值是呈线性的，故编程较为方便。

3、可采用较为简单的P控制，由于实际和理论的差异在可采用带死区的比例积分〔PI〕控制算法实现对温度的控制。

检测温度变化时PT100阻值产生变化，电桥电路中的平衡会被破坏产生偏差信号，通过放大器放大经过A/D转换送到单片机中，控制降温的电机。

为了使控制参数现场可调，通过键盘控制实现对PI算法的3个参数〔比例系数Kp、积分系数KI、控制周期Tc〕在线整定。

这种方法不仅可使参数调整方便，而且具有掉电保护功能。

本章小结

本章主要介绍了系统软件和硬件的设计思路，就大致设计思路上经行了选型和设计，选用了PT100温度传感器了解经典的转换电路和PID控制，简单的控制只需要P调节就可以满足需要。

第3章元器件简介

3．1AT89C51单片机

3．1．1概述

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出〔I/O〕端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。

片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器〔RAM〕，可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

器件采用ATMEL公司的高密度、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，内置功能强大的微型电脑的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

3．1．2主要特性

AT89C51的主要特性如下：

•寿命达1000写/擦循环

•数据保留时间：

10年

•全静态工作：

0Hz－24MHz

•三级程序存储器锁定

•128×8位内部RAM

•32可编程I/O线

•2个16位定时器/计数器

•6个中断源

•可编程串行通道

•低功耗闲置和掉电模式

•片内振荡器和时钟电路

3．1．3引脚功能

AT89C51引脚排列如图3-1所示，引脚功能如下：

图3-1AT89C51的引脚排列

VCC〔40〕：

＋5V

GND〔20〕：

接地

P0口〔39－32〕：

P0口为8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。

P1口〔1－8〕：

P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流。

P2口〔21－28〕：

P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流。

P3口〔10－17〕：

P3口是8个带有内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口。

RST〔9〕：

复位输入。

当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG〔30〕：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节，在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲。

PSEN〔29〕：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。

EA/VPP〔31〕：

当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为〔0000H－FFFFH〕不管是否有内部程序存储器。

FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源〔VPP〕。

XTAL1〔19〕：

反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2〔18〕：

来自反向振荡器的输出。

3．2PT100温度传感器

3．2．1概述

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

3．2．2主要特性

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

热电阻种类

（1）精密型热电阻：

工业常用热电阻感温元件（电阻体）的结构及特点。

从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。

为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制。

（2）铠装热电阻：

铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。

与普通型热电阻相比，它有以下优点：

　　①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小;

　　②机械性能好、耐振，抗冲击;

　　③能弯曲，便于安装;

　　④使用寿命长。

（3）端面热电阻：

端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。

它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

（4）隔爆型热电阻：

隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。

隔爆型热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

工业上常用金属热电阻从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：

尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最好呈线性关系）。

目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：

铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小;铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。

中国最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000;铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。

其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。

3．2．3PT100工作原理

pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

热电阻公式都是Rt=Ro（1+A*t+B*t*t）;Rt=Ro[1+A*t+B*t*t+C（t-100）*t*t*t]的形式，t表示摄氏温度，Ro是零摄氏度时的电阻值，A、B、C都是规定的系数，对于Pt100,Ro就等于100，Pt100温度传感器的主要技术参数如下：

测量范围：

-200℃～+850℃；允许偏差值△℃：

A级±〔0.15＋0.002│t│〕，B级±〔0.30＋0.005│t│〕；热响应时间<30s；最小置入深度：

热电阻的最小置入深度≥200mm；允通电流≤5mA。

另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

图3-2感温部分的核心电路

3．3ADC0804模数转换器

3．3．1主要特性

ADC0804主要技术指标如下：

（1）高阻抗状态输出

（2）分辨率：

8位（0~255）

（3）存取时间：

135ms

（4）转换时间：

100ms

（5）总误差：

-1~+1LSB

（6）工作温度：

ADC0804C为0度~70度；ADC0804L为-40度~85度

（7）模拟输入电压范围：

0V~5V

（8）参考电压：

2.5V

（9）工作电压：

5V

（10）输出为三态结构

3．3．2ADC0804工作原理

ADC0804为逐次逼近式A/D转换器，具有8个模拟量输入通道。

它能与微型电脑的大部分总线兼容，可在程序的控制下选择8个模入通道之一进行A/D转换，然后把得到的8位二进制数据送到微机的数据总线，供CPU处理。

转换器是ADC0804的核心部分，它由D/A转换、逐次逼近寄存器〔SAR〕、比较器等组成。

其中，D/A转换电路采用了256RT型电阻网络〔即2n个电阻分压器，此处n=8〕，它在启动脉冲的上升沿来到时被复位，在启动脉冲的下降沿A/D开始转换。

如果在转换过程中接收到新的启动转换脉冲，则终止转换。

转换结束信号EOC在A/D转换完成时为“1”。

3．3．3ADC0804引脚图

引脚功能说明:

1.PIN1（CS）：

ChipSelect，与RD、WR接脚的输入电压高低一起判断读取或写入与否，当其为低位准（low）时会active。

2.PIN2（RD）：

Read。

当CS、RD皆为低位准（low）时，ADC0804会将转换后的数字讯号经由DB7~DB0输出至其它处理单元。

3.PIN3（WR）：

启动转换的控制讯号。

当CS、WR皆为低位准（low）时ADC0804做清除的动作，系统重置。

当WR由0→1且CS＝0时，ADC0804会开始转换信号，此时INTR设定为高位准（high）。

4.PIN4、PIN19（CLKIN、CLKR）：

频率输入/输出。

频率输入可连接处理单元的讯号频率范围为100kHz至800kHz。

而频率输出频率最大值无法大于640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。

假设在CLKR及CLKIN加上电阻及电容，则可产生ADC工作所需的时序，其频率约为：

5.PIN5（INTR）：

中断请求。

转换期间为高位准（high），等到转换完毕时INTR会变为低位准（low）告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据。

6.PIN6、PIN7（VIN（+）、VIN（-））：

差动模拟讯号的输入端。

输入电压VIN＝VIN（+）－VIN（-），通常使用单端输入，而将VIN（-）接地。

7.PIN8（AGND）:

模拟电压的接地端。

8.PIN9（VREF/2）:

电源的1/2。

图3-3ADC080X引脚图

本章小结

本章就系统所需要的硬件经行了必要的了解这是系统硬件设计的必须要经过的，为后期硬件的设计坐下铺垫。

第4章硬件设计

4．1外围电路设计

本系统外围电路包括按键电路、LCD显示电路、A/D转换电路、电桥电路、电机驱动电路。

4．2电机驱动电路设计

降温的控制是通过电机的转速控制风速的大小控制降温，由于使用的是直流5V电机使用单片机I/O口电流无法驱动，所以加了两个三极管叠加放大电流，而且使用单片机直接供电但是由于电机启停存在逆流电压造成系统的不稳定，所以在外部使用外接电源直接供电。

图4-1电机驱动电路图

4．3按键电路设计

按键电路根据题目的需要添加了六个按键，根据按键的实际接口对角线一端接单片机I/O口一端接地。

图4-2按键电路图

4．4电桥电路设计

一般地，被测量是非常微弱的，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化，最常用的电路就是各种电桥电路，主要有直流和交流电桥电路。

电桥电路的作用：

把电阻片的电阻变化率ΔR/R转换成电压输出，然后提供应放大电路放大后进行测量。

4．4．1桥路形式

最常用的电阻电桥，有四个电阻组成桥臂，一个对角接电源，另一个作为输出。

电桥各臂的电阻分别为R1、R2、R3、R4，U为电桥的直流电源电压。

当四臂电阻R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥；当R1=R2=R,R3=R4=R'≠R时，称为输出对称电桥；当R1=R4=R，R2=R3=R'≠R时，称为电源对称电桥。

4．4．2工作方式

单臂工作：

电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；双臂工作：

如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；全桥方式：

如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。

4．4．3根据PT100的经典电路

图4-3PT100电路图

4．5LCD显示电路设计

LM016L液晶模块采用HD44780控制器。

HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动、闪烁等功能。

LM016L与单片机MCU〔MicrocontrollerUnit〕通讯可采用8位或者4位并行传输两种方式。

HD44780控制器由两个8位寄存器、指令寄存器〔IR〕和数据寄存器〔DR〕、忙标志〔BF〕、显示数据RAM〔DDRAM〕、字符发生器ROM〔CGROM〕、字符发生器RAM〔CGRAM〕、地址计数器〔AC〕。

IR用于寄存指令码，只能写入不能读出；DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM，或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据。

BF为1时，液晶模块处于内部处理模式，不响应外部操作指令和接受数据。

DDRAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码。

CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160种和5*10点阵字符32种，8位字符编码和字符的对应关系，可以查看参考文献[3]中的表4。

CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节。

可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符。

4．5．1引脚功能

管脚号名称电平功能描述

1VSS0V

2VDD5.0V

3VEE—

4RSH/LH：

数据线上为数据信号；L：

数据线上为指令信号

5RWH/LH：

读数据模式；L：

写数据模式

6EH/L使能信号端

7~14DB0~DB7H/L数据线

图4-4LM016L显示电路

4．6设计目标

用单片机对温度进行实时检测和控制，以解决工业及日常生活中对温度的及时自动控制问题；用十进制数码显示实际温度值，方便人工监视；用键盘输入温度控制范围值，便于在不同应用场所设置不同温度范围值。

当实际温度值不在该范围时，系统能自动调节温度，以保持设定的温度基本不变，到达自动控制的目的。

系统的温度最小区分度为1℃。

在环境温度变化时，温度控制的静态误差小于等于0.5℃。

4．6．1设计的出发点

在到达对温度的检测和控制的基础上，到达一定的测控精度，并尽量使系统的可靠性高、稳定性好、性价比高、速度快、使用灵活、实现容易、便于扩充。

4．6．2设计原理

本设计采用89C59单片机应用系统来实现设计要求，利用89C59串行口输出工作方式，使89C59的利用率大大提高，外部电路得以简化。

89C59可直接对键盘进行扫描读数，可直接用串/并转换模块驱动LED显示温度值。

因其利用率高，负载重，后相电路只需加一块同相驱动器即可正常工作。

在串行传输数据时，频率可到达1MHz，对温度的显示完全到达测控