基于PID的恒温箱温度控制系统设计.docx

1、基于PID的恒温箱温度控制系统设计基于PID的恒温箱温度控制系统设计（2008届） 2008年6月摘 要本设计是恒温箱温度控制系统设计。可供各类实验室、医疗机构、食品加工、生产部门等使用.在周围温度不断变化条件下，使用恒温箱，可以使一定范围的温度恒定在特定温度下，从而适应生活和工作。控制的温度范围为50120。恒温箱可以在线设定温度，并对温度进行实时数码显示。设计内容包括硬件和软件两个部分。硬件主要由AT89S52单片机、DS18B20数字温度传感器、8155片外存储器、继电器，LED数码管和报警器等组成。电原理图包括数据采集、温度显示、键盘设定、温度控制和复位电路等几个模块.软件部分主要对P

2、ID算法进行了数学建模和编程.本设计由键盘电路输入设定温度信号给单片机，温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机,单片机根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算，输出控制信号给加温控制电路,实现加温和停止.当实际温度比设定温度大2摄氏度以上时，则清P1。3输出口，从而停止对电阻丝的加热。当实际温度比设定温度小2摄氏度以上时,取PID的最大值，实现全功率输出。在它们之间时,实现PID算法控制，控制可控硅的接触时间，调节电阻丝功率。显示电路实现现场温度的实时监控。软件部分 ，采用PID控制和时间最优控制相结合的控制方案，实现了控制速度快、超调小、线性控制精度高和实现成本低等的优点。硬件部分采用单片机

3、来实现温度控制，不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度的提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量。关键词：恒温控制，单片机,数字PID算法ABSTRACTThe system of this design is the temperature controller of a constant temperature box.Can be provided as each kind of laboratory, medical treatment organization, food processing and produce the section etc. usage。U

4、nder the condition that the surroundings temperature continuously change, the usage constant temperature box, can make the temperature maintaining of the certain scope settle under the particular temperature， thus adapt the life and works.The temperature scope of the control is 50120, The constant t

5、emperature box can with online enactment temperature， and carry on the solid hour to the temperature figures manifestation。When be placed in to set the appearance, figures tube manifestation enactment temperature, circulate, manifestation actual temperature。Design content including hardware and soft

6、ware two parts. The hardware mainly by at89S52 monolithic integrated circuit, the DS18B20 digit temperature sensor， 8155 piece of external memory, the relay, the LED nixietube and the alarm apparatus and so on is composed. Electricity schematic diagram including data acquisition， temperature demonst

7、ration, keyboard hypothesis, temperature control and reset circuit and so on several modules。 The software part mainly has carried on mathematics modelling and the programming to the PID algorithm。The circuit design of the keyboard input from the set temperature signal to the microcontroller， Temper

8、ature Signal Acquisition Circuit collect temperature signal to the microcontroller， According to SCM input and feedback signal, the error for PID， the output control signals to the heating control circuit， Heating and achieve stop. Show circuit scene of the realtime monitoring of temperature。 When a

9、ctual temperature compares to set temperature big more than 2 degrees , then the pureexportation， thus stop to electric resistance silk of heating。When the actual temperature compares to set smaller than 2 degrees ， taking the PID biggest value， carrying out the whole power exportation.among the two

10、 , carry out the PID calculate way control， control contact time that controvable silicon ， regulate the electric resistance silk power. software part， the adoption PID control and the control project that time superior control combine together, carried out to control the speed quick， super adjust s

11、mall, line control the accuracy is high and carry out the cost advantage of low etc.The hardware part adopts a machine to carry out the temperature control， not only have the control convenience， simple, vivid etc. advantage， and can is control with the significant exaltation the technique index sig

12、n of the temperature, raise the quantity of the product thus and consumedly.Keywords:Temperature，control，microcontroller，PID，algorithm, MATLAB绪论 把温度作为被控参数进行研究无论在工业生产，还是在日常生活中，都已经变得非常适用和广泛了。在工业生产中，例如冶金工业、化工生产、电力工程、食品加工、机械制造、医疗以及科研研究室等,人们对需要对温度进行监测和控制；而日常生活中的家用电器如电烤箱、微波炉、烘干箱、保温箱等等，也是我们不可或缺的。因此，就恒温箱的研究

13、就有极其重要的现实意义.本设计系统主要由AT89S52单片机、8155片外存储器、继电器、27128片外存储器和DS18B20数字温度传感器等组成。电原理图包括数据采集、BCD码转换和温度显示、键盘设定、温度控制和复位电路等几个模块。通常，采用单片机系统来实现对温度的控制，不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度的提高被控温度的技术指标。 在本设计中，需要达到以下几点技术要求：（1）控制温度范围50120,控制精度为2 。（2）温度采集数字量输入.（3）键盘按键输入，具有设定功能.（4）显示功能，数码管显示设定值及当前所测温度值。（5）具有超温报警功能。本课题应该解决的问题：在设计过

14、程中，对硬件选型时一定要注意控制精度。所选用的芯片必须达到我们设计任务书中的精度要求。显然，恒温箱的微机系统的设计是一个闭环控制系统，虽然可以到达一定的精度，但是仍然有极限。核心设计内容是硬件和软件部分，硬件是基础,在软件设计中，分析清楚各个功功能模块，如主程序，中断服务程序,以及包含在中断程序中的数据采集， PID控制,温度显示子程序。第一章 方案设计分析 控制模块的选择，数字比较器与模拟控制器相比较，数字比较器具有以下几个优点： 1、模拟调节器调节能力有限,当控制规律较为复杂时,就难以甚至无法实现。而数字控制器能实现复杂控制规律的控制. 2、计算机具有分时控制能力,可实现多回路控制。 3、

15、数字控制器具有灵活性。起控制规律可灵活多样，可用一台计算机对不同的回路实现不同的控制方式，并且修改控制参数或控制方式一般只可改变控制程序即可，使用起来简单方便，可改善调节品质，提高产品的产量和质量. 4、采用计算机除实现PID数字控制外，还能实现监控、数据采集、数字显示等其他功能。综合考虑，本设计控制模块采用数字PID调节器.本系统是一个恒温箱的温度控制器.其控温范围是50120摄氏度。控制器可以在线设定控制温度，并对温度进行实时数码显示。当系统处于设定状态时，数码管显示设定温度值，平时显示实际温度。当实际温度与设定温度偏差达小于负2时，全功率加热电阻丝，当偏差值在正负2的范围内时,实行PID

16、控制来达到控制温度的目的，当偏差值大于2时，停止加热，从而达到恒温控制的目的.这样的一闭环控制系统，其控制速度快，超调小、线性控制精度高和实现成本低。根据上面分析，结合控制要求，总体方案确定如下为了使设计的成本低、抗干扰强，系统动态性能与稳态性能好的前提下，设计方案的总体结构框图如图1。4所示:图1.4 设计总体结构框图此系统主要有单片机系统、用户接口、温度控制电路、传感器等组成。单片机系统主要用来运行控制软件，接受温度设定和控制指令，输入采样温度信息，输出加热控制信号、温度显示数据。（1）用户接口包括温度显示，报警和按键三部分。由于控温范围为50120摄氏度，可以采用三位8段LED数码管显示

17、。温度超过一定的范围报警。按钮设置四个，分别为设定键、增键、减键和移位键。（2）DS18B20采集到的就是为数字信号。（3）继电器的接通时间来控制电阻丝的加热功率，而继电器的接通时间又由P1.3上的触发脉冲来控制.其中我主要负责按键、LED显示、温度采集第2章 恒温控制系统硬件设计考虑到尽量降低成本和避免与复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。而主控器采用低功耗、高性能、片内含8k byte可反复檫写的Flash 、只读程序器CMOS8位单片机AT89S52；温度传感器采用DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20；采用控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用

18、时完全可以用 NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动；单片机所需要的+5V工作电源是通过220V交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。用DS18B20定时采集环境温度存到EEPROM,通过三个LED实时显示采集到的温度值，并用此温度与设定的温度比较，通过单片机对偏差进行PID运算,控制继电器的通断，加热或断开热敏电阻，使温度上升或下降，温度达到时断开继电器，使温度自然下降，不够时接通继电器加热，控制显示器、键盘并通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。2.1 AT89S52单片机简介2。1.1 AT89S52单片机资源简介AT89S52的结构如图2.1所示.由于它的广泛使用使得市面价格较81

19、55、8255、8279要低,所以说用它是很经济的。该芯片具有如下功能：有1个专用的键盘/显示接口；有1个全双工异步串行通信接口；有2个16位定时/计数器.这样,1个89S52,承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降,而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。89S52有40个引脚，有32个输入端口(I/O)，有2个读写口线，可以反复插除。所以可以降低成本。主要功能特性: （1)兼容MCS51指令系统(2）32个双向I/O口线(3)3个16位可编程定时/计数器中断(4）2个串行中断口 (5)2个外部中断源（6）2个读写中断口线（7)低功耗空闲和掉电模式（8)8k可反复擦写（1

20、000次)Flash ROM（9）256x8 bit内部RAM（10）时钟频率0-24MHz（11）可编程UART串行通道（12）共6个中断源（13）3级加密位（14）软件设置睡眠和唤醒功能2.1.2 AT89S52芯片2。1.3 AT89S52单片机时钟和复位电路时钟电路单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚,输出端为引脚。而在芯片外部和 之间跨接晶体振荡器和微调电容,从而构成一个稳定的自激振荡器。晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高,所以，这里使用震荡频率为6MHz的石英晶体。震荡电路产

21、生的震荡脉冲并不直接是使用,而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号.在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机,以避免干扰。需要注意的是：电路板时,振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图如图2。2所示复位电路单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式。（a）上电复位: 在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。当的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的初始化电路原理图。RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，满足复位操作的要求。 (b） 按键复位:

22、程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效。按键复位又分按键脉冲复位（图2.3)和按键电平复位。电平复位将复位端通过电阻与相连,按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位的。(c） 注意：因为按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的。所以电平复位要将复位端通过电阻与相连。如复位电路中R、C的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。故本设计采用按键复位。2DS18B20数字温度传感器简介2。2。1 DS18B20数字温度传感器资源简介新的一线器件”DS18B20体积更小、适用

23、电压更宽、更经济. 美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD)专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线的优点。目前DS18B20批量采购价格仅10元左右.DS18B20、DS1822 ”一线总线数字化温度传感器 同DS1820一样，DS18B20也支持”一线总线接口，测量温度范围为-55C+125C，在1

24、0+85C范围内,精度为0。5C。DS1822的精度较差为2C。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性.适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5。5V的电压范围,使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20、DS1822的特性 DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围.分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存.DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色!DS182

25、2与DS18B20软件兼容,是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为2C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用,是经济型产品。继”一线总线的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念.DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。2.2.2 DS18B20数字温度传感器引脚介绍DS18B20引脚定义：(1）DQ为数字信号输入/输出端；(2）GND为电源地； （3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20电路图参考图: 2。2.3 DS18B20数

26、字温度传感器的使用一、DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3。05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电(2)独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温（4)DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 （5)温范围55125，在10+85时精度为0。5（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0。5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度

27、测温（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快（8）测量结果直接输出数字温度信号，以”一线总线串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力(9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 二、DS18B20的内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器.三、DS18B20工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时

28、间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入.计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线

29、性，其输出用于修正计数器1的预置值。DS18B20有4个主要的数据部件： (1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）.光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的. （2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中

30、S为符号位。表1: DS18B20温度值格式表LS byteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit023222120212-22324LS byteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0。0625即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的

31、数字输出为0191H，25。0625的数字输出为FF6FH，55的数字输出为FC90H.TEMPERATUREDIGITAL OUTPUTDIGITAL OUTPUT+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25。06250000 0001 1001 00010191H+10。1250000 0000 1010 001000A2H+0。500000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25。06251111 1110 0110 1111