基于AT89C52单片机的温度控制系统方案设计书.docx

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基于AT89C52单片机的温度控制系统方案设计书

随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实。

其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。

PID温度控制器作为一种重要的控制设备，在化工、食品等诸多工业生产过程中得到了广泛的应用。

本文主要讨论在过程控制中得到广泛应用的数字PID控制在单片机温度控制系统中的应用和设计。

本文详细阐述了基于单片机的温度控制系统的硬件组成、软件设计及相关的接口电路设计。

并且充分考虑了系统的可靠性，采取了相应的措施予以保证。

从中发现问题，并根据实际，提出硬件及软件的设计方案，为优化当前单片机之温度探制系统问题提供一定的参考及借鉴。

关键词：

单片机，温度控制，数据处理

引言

在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。

为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的，例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。

根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。

另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。

因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。

特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。

这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。

同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标温度，对控制效果的影响也是很大的。

鉴于上述这些特点，高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。

所以本文据此问题，通过查阅大量文献资料并结合当前温度测探技术的实际应用情况进行分析，从中发现问题，并根据实际，提出硬件及软件的设计方案，为优化当前单片机之温度探制系统问题提供一定的参考及借鉴。

1温度测控技术的发展与现状

近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。

温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。

在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：

简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。

另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：

不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。

但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。

因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。

温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：

动态温度跟踪与恒值温度控制。

动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。

在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某允许值。

本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。

从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：

1.1定值开关控温法

所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置（或冷却装置）进行通断控制。

若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。

这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。

目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。

由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。

1.2PID线性控温法

这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，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工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。

其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。

前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。

其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。

采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（比例值、积分值、微分值）。

只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。

但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。

1.3智能温度控制法

为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，jtflPID参数的自学习，自整定等等。

并通过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。

智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。

其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。

尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。

目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。

所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。

目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。

这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。

2系统总体设计方案

本论文所讨论的基于单片机的温度控制系统是某型号气相色谱仪的温度控制子系统，其目的是对两个温控箱的温度进行恒值温度控制。

温控箱的温度控制范围在室温到摄氏600℃之间，温度控制的精度要求为±0.1℃。

下面讨论系统的总体设计方案，包括：

系统的性能要求及特点以及系统的软、硬件方案分析。

2.1系统性能要求及特点

（1）系统性能要求：

（a）可以人为方便地通过控制面板或PC机设定控制期望的温度值，系统应能自动将温控箱加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能实现温度的自动控制；

（b）能够实现对温控箱温度的测量并且通过控制面板上的液晶显示实时的显示出来；

（c）具有加热保护功能的安全性要求。

如果实际测得的温控箱温度值超过了系统规定的安全温度，保护电路就会做出反应，从而对温控箱实现超温保护；

（d）模块化设计，安装拆卸简单，维修方便；

（e）系统可靠性高，不易出故障；

（f）尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。

（2）系统特点：

鉴于上述系统功能要求以及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。

本系统在硬件设计方面具有如下特点：

控制主板采用AT89C52作为核心芯片。

作为与MCS-51系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统的性能要求。

根据温控箱测温范围的要求，本系统适合采用Ptl00铂电阻作为温度传感器，而Ptl00铂电阻在大温度范围内测温时表现出的不可忽视的非线性不容忽视，因此在温度测量的过程中必须对铂电阻温度传感器的非线性进行优化，从而提高系统温度测量的精确度。

本文采用最小二乘法拟合的方法对铂电阻的非线性进行优化。

为了简化系统硬件，控制量采用双向可控硅输出，这样就省去了D／A转换环节。

整个系统遵循了冗余原则及以软代硬的原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。

系统扩展和配置在满足功能要求的基础上留有适当裕量，以利于扩充和修改。

2.2系统硬件方案分析

目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路（AnalogCircuit）和单片机（Microcontroller）两种形式。

模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。

它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。

根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。

在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。

另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。

单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。

它是把中央处理单元CPU（CentralProcessingUnit）、随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（ReadonlyMemory）、定时／计数器以及I／O（Input／Output）输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是：

功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。

由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。

另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，片上系统SOC（SystemOnChip）得到了十足的发展。

一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种SOC芯片应用到先进的控制仪表中。

SOC芯片通常含有一个微处理器核（CPU），同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器（RAM和ROM），并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。

它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。

从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，SOC是实现温度控制系统的最佳选择，但目前市场上SOC的价格还比较昂贵，并且SOC的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。

从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。

目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。

AT89C52单片机是ATMEL公司出品的与MCS51系列兼容的低电压、高性能CMOS8位单片机。

本系统选择AT89C52为核心器件组成的控制系统。

此外，在选取外围扩展芯片时，本着节约成本的原则，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片及器件。

2.3系统软件方案分析

目前，MCS-51单片机的开发主要用到两种语言：

汇编语言和C语言。

与汇编语言相比，C语言具有以下的特点：

（1）具有结构化控制语句

结构化控制语言的显著特点是代码和数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。

这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护及调试；

（2）适用范围广和可移植性好

同其他高级语言一样，C语言不依赖于特定的CPU，其源程序具有良好的可移植性。

目前，主流的CPU和常见的MCU都有C编译器。

加之集成开发环境KEIL编译生成的代码效率很高（仅比汇编语言生成的代码效率低10％一15％）。

所以，本系统的软件选择使用C语言开发。

由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，故要求整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软件结构。

温度控制算法方面，在对温控箱数学模型辨识的基础之上，结合本温控系统的要求采用了经典的PID控制算法，这主要是由于PID控制相对来说算法简单、鲁棒性好和可靠性高。

此外，在设计PID控制器时，依靠经验和实验的方法在系统调试时确定PID控制器的参数KP、KI、KD，然后用代码实现了算法。

3硬件设计

3.1系统硬件总体结构

本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几个部分：

单片机主控模块、输入通道、输出通道、保护电路等。

硬件总体结构框图如图1所示。

由结构框图可见，温度控制系统以AT89C52单片机为核心，并扩展外部存储器构成主控模块。

温控箱的温度由Ptl00铂电阻温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，再通过16位的A／D转换器AD7705转换成数字量。

此数字量经过数字滤波之后，一方面将温控箱的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来；另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比（即控制温控箱加热平均功率的大小），进而达到对温控箱温度进行控制的目的。

如果实际测得的温度值超过了系统给定的极限安全温度，保护电路会做出反应，从而保护温控箱。

图1硬件总体结构框图

3.2主控模块器件选型及设计

3.2.1单片机的选用

针对一定的用途，恰当的选择所使用的单片机是十分重要的。

对于明确的应用对象，选择功能过少的单片机，无法完成控制任务；选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费，使产品的性能价格比下降。

目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不同。

在实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机时要注意下几点：

（1）单片机的基本性能参数，例如指令执行速度，程序存储器容量，中断能力及I／O口引脚数量等；

（2）单片机的增强功能，例如看门狗，双串口，RTC（实时时钟），EEPROM，CAN接口等；

（3）单片机的存储介质，对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP（一次性可编程）存储器相比较，最好是选择Flash存储器：

（4）芯片的封装形式，如DIP封装，PLCC封装及表面贴附封装等。

选择DIP封装在搭建实验电路时会更加方便一些；

（5）芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级，如果设计户外产品，必须选用工业级芯片；

（6）单片机的工作电压范围，例如设计电视机遥控器时，使用2节干电池供电，至少选择的单片机能够在1.8V~3.6V电压范围内工作；

（7）单片机的抗干扰性能好；

（8）编程器以及仿真器的价格，单片机开发是否支持高级语言以及编程环境要好用易学；

（9）供货渠道是否畅通，价格是否低廉，是否具有良好的技术服务支持。

根据上面所述的原则，结合本系统实际情况综合考虑，本文讨论的温度控制系统选用ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为主控模块的核心芯片。

3.2.2单片机介绍

本系统选用ATMEL公司生产的AT89系列单片机中的AT89C52，AT89C52单片机是一种新型的低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，与工业标准MCS-51指令系列和引脚完全兼容。

具有超强的三级加密功能，其片内闪电存储器（FlashMemory）的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程／擦除速度快。

3.2.3主控模块设计

主控模块电路由AT89C52单片机、外部时钟电路、复位电路、存储器扩展电路组成。

由于AT89C52内部存储器容量不能满足本系统的需求，所以需要对其存储器进行扩展。

这里选择用紫外线擦写的64K×8的EPROM27512和静态数据存储器8K×8的SRAM6264扩展单片机的存储器。

存储器扩展时，AT89C52的P0口作为数据总线和低8位地址线，P2口作为高8位地址线。

由于P0口的分时复用所以需要使用地址锁存器74HC373对低8位地址进行锁存。

单片机的复位是由外部复位电路来实现的。

在单片机的复位引脚RST（9脚）上保持两个机器周期的高电平就能使AT89C52完全复位。

复位电路的接法很多，本系统中采用上电复位和手动复位键复位相结合的方式。

系统时钟电路设计采用内部方式。

AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。

引脚XTALl（19脚）和XTAL2（18脚）分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

外接晶体谐振器以及电容构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

本系统电路采用的晶体振荡器频率为11.0592MHz。

采用这种频率的晶体振荡器的原因是可以方便的获得标准的波特率。

复位电路和时钟电路如图2所示。

图2复位电路和时钟电路

3.3输入通道设计

系统输入通道的作用是将温控箱的温度（非电量）通过传感器电路转化为电量（电压或电流）输出，本系统就是将温度转化为电压的输出。

由于此时的电量（电压）还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行A／D转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给单片机判断和控制。

输入通道由传感器、A／D转换等电路组成。

3.3.1Ptl00温度传感器

温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围、测量精度也各不相同。

因此，在不同的应用场合，应选择不同的温度传感器。

Ptl00型铂电阻，在-200℃~850℃范围内是精度最高的温度传感器之一。

与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能都非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好。

这些特点使得铂电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。

由于在本系统中，测温范围较大（在室温到600℃之间），且要求检测精度高、稳定性好，因此选用Ptl00铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器。

铂电阻温度传感器主要有两种类型：

标准铂电阻温度传感器和工业铂电阻温度传感器。

在测量精度方面，工业铂电阻的测量稳定性和复现性一般不如标准铂电阻，这主要有两个方面的原因，其一是高温下金属铂与周围材料之间的扩散使其纯度受到污染，从而降低了铂电阻测温的复现性能，其二是因为高温条件下的应力退火影响了其复现性能。

但是标准铂电阻温度传感器也存在价格昂贵，维护起来较为困难等缺点。

考虑到成本，故在本系统中采用工业级Ptl00铂电阻作为温度传感器。

铂电阻测温电路的工作方式一般分为恒压方式和恒流方式两种。

按照接线方式的不同又可以分为二线制、三线制和四线制几种。

本系统采用的是恒流四线制接法对Ptl00铂电阻进行采样。

铂电阻温度传感器采样电路如图3所示。

该电路将温控箱的温度转化为电压输出。

采用恒流四线制接法的测温电路中需要用到一个稳定的基准电压源。

本系统采用精密基准电压源LM399H产生基准电压，图中参考电压％EP即来自LM399H。

基准电压源电路如图4所示。

LM399H是内置恒温槽高精度基准电压源，输出电压6.9999V。

它是迄今为止同类产品中温度系数最低的器件，内部有恒温电路，保证了器件的长期稳定性。

本系统中基准电压源产生的电压不仅提供给铂电阻采样电路而且还提供给A／D转换电路使用。

图3温度传感器电路图4基准电压源电路

铂电阻温度传感器是利用其电阻值随温度的变化而变化这一特性进行温度测量的，根据IEC（InternationalElectricianCommittee）标准751-1983：

（-200℃

（1）

（0℃

（2）

其中，Rt为t℃时的电阻值，Ro为0℃时的电阻值。

图5所示为铂电阻温度电阻曲线。

图5铂电阻温度／电阻曲线

由于本系统中温控箱的温度范围在室温至600℃之间，故只针对

（2）式进行讨论。

由

（2）式可知，铂电阻温度传感器在其测量范围内具有非线性，即阻值变化具有饱和特性。

为了减少铂电阻的饱和特性给温度测量带来的误差，这里采用最小二乘法对铂电阻的非线性进行优化。

在0-800℃之间均匀的抽取100个温度点，对应的铂电阻阻值利用

（2）式计算出来，然后将此电阻值代入图3所示采样电路求得电压值，这样就有100组数据点。

对这100组温度和电压数据利用最小二乘法进行拟合，求出温度与电压关系的三次多项式为：

（3）

求解出测温多项式后，在0-800℃之间随机抽取1O个点，对此多项式进行检验，其结果如表1所示。

表1实际温度、测得温度对照表

实际温度（℃）

计算温度（℃）

误差（℃）

39.00

38.993

-0.007

117.00

117.019

0.019

195.00

195.013

0.013

291.00

282.995

-0.005

351.00

350.982

-0.018

429.00

428.982

-0.018

507.00

506.996

-0.004

624.00

624.023

0.023

702.00

702.019

0.019

780.00

779.961

-0.039

由上表可以看到经过最小二乘法优化之后，（2-3）式误差绝对值的最大值仅为0.039℃，测量精度已经满足系统的要求。

3.3.2A／D转换

在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。

但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换（A／D转换），才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。

完成A／D转换的器件即为A／D转换器。

A／D转换器的主要性能参数有：

（1）分辨率表示A／D转换器对输入信号的分辨能力。

A／D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示；

（2）转换时间指A／D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。

不同类型的转换器转换速度相差甚远：

（3）转换误差表示A／D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示；

（4）线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。

目前有很多类型的A／D转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，其中大多数积分型或逐次比较型的A／D转换器对于高精度测量，其转换效果不够理想。

温度控制中A／D转换是非常重要的一个环节。

传统的电路设计方法是在A／D转换前增加一级高精度的测量放大器，这样

就增加了成本，电路也较为复杂。

综合考虑，本系统选用AD（ANALOGDEVICES）公司生产的16位AD转换芯片AD7705作为本温控系统的A／D转换器。

AD7705是AD公司生产的16位Σ-Δ型A／D转换器。

它包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路、调制器、可编程数字滤波器等部件组成。

能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A／D转换。

AD7705采用三线串行接口，具有两个全差分输入通道，能达0.003％非线性的16位无误码输出，其增益和输出更新率均可编程设定，还可以选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。

工作电压3V或5V，在3VI作电压时，器件的最大功耗仅为lmW。

AD7705弓|脚如图6所示。

图6AD7705引脚图

AD7705引脚功能描述如下：

（1）SCLK串行时钟，将一个外