一种基于数字PID 和单片机的温度控制系统设计【开题报告】.doc

1、毕业设计（论文）开题报告题目一种基于数字PID和单片机的温度控制系统设计专业电子信息工程一、选题的背景、意义现代工业高速运转，在工业生产中压力、温度、流量和液位是四种最常见的变量。而其中，温度是一个最重要的过程变量，可以说是工业生产的命脉所在。如在化工工业、冶金工业、机械工业、电力工业、食品工业等等领域，都需要对各种加热炉的温度进行精确的控制。可是，用寻常的温度控制的方法，受潜力所限，已经不能满足现代工业生产的高性能需求。人们开始运用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制简单、方便、灵活性大等优点，且可以大幅度提高被测量温度的要求指标，从而能够大大提高产品的数量和质量，使得企业不被高速发展的工业

2、时代所淘汰。因而，运用单片机来对温度进行控制，是现代工业生产过程中经常会遇到的技术问题。所有工业生产的最终目的都是为了获得优质的产品，从而取得盈利。于是产品质量的控制就成为了工业生产的核心问题。想要生产出优质的产品，就必须对与产品质量密切相关的一些重要过程变量，进行严格的控制管理。温度的控制是工业生产过程中最常见的变量参数之一，对温度控制的精确度，直接影响到产品的质量。及时准确地获得温度信息并对其进行精确的控制，在工业场合中都是最重要的一个技术环节。不同产品和不同工艺要求下的温度控制，所采用的控制方式和加热方式都是不一样的。现今基于数字PID和单片机的温度控制系统在工业生产上已经被广泛的使用，

3、此系统的任务是对温度进行实时监控。在控制过程中，系统采用的是数字PID控制算法来实现其功能的。传统PID控制电路结构相当的复杂（不适应现代工业发展的需求），对温度进行控制时需要配合可控硅控制电路才能实现，此系统不仅器件烦多，生产成本高，而且电路调试还很复杂。在设计温度控制系统时，要是运用单片机来进行数字PID运算，这样可以充分发挥其软件系统的灵活性，可以使得工业生产中控制方便，简单和灵活性大等等优点。70年代以来，在工业生产过程中，随着电子技术领域飞速发展，以及自动控制理论和设计方法不断成熟的背景推动下，温度控制系统正在逐渐趋于成熟化发展，且在智能化方面也取得了一定的成果。在此领域中日本，美国

4、等国家的技术处于领先位置，他们已经率先生产出了一些商品化的温度控制产品，已经被广泛的运用到了人们的日常生活中了。新型的温度控制系统的诞生，为现代工业注入了新鲜的血液。因而，选择温度控制系统设计作为我本次毕业设计的题目，有着实在的意义。温度的控制与我们的周边事物，日常生活，已经生活的环境都有着密切的关联。一种新型高效的，简便实用的温度控制系统的诞生都会为工业生产，日常生活带来极大的推动和方便，潜含着巨大的商业价值。经过此次设计能使得我对温度控制系统有初步的了解，可为我在将来的工作中奠定一定的基础知识。近几年，国内外对温度控制系统都进行了大量的研究。在各国，温度控制系统技术都已经被列为未来控制领域

5、研究的几大方向之一，具有广阔的应用、市场前景。二、相关研究的最新成果及发展趋势温度控制系统的概述温度控制系统已经是一种用途十分广泛的控制系统了。温度的控制是工业生产过程中最常见的变量参数之一，对温度控制的精确度，直接影响到产品的质量。及时准确地获得温度信息并对其进行精确的控制，在工业生产中都是最重要的一个技术环节。在我们日常生活中，温度的控制也与我们的生活密切关联。温度控制系统可随我们的意愿和要求，把温度控制在一个恒定的温度里。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式和控制方式都不一样。许多实际情况下对温度的影响是由多方面因素影响的，从而控制温度会比较的复杂，传统的温度控制系统

6、，采用的控制技术是继电控制，其采用的是固定接线的硬件实现逻辑控制，使其控制系统体积会很大，耗电会很多，效率又不高，且很容易出现故障，维修又不方便，保证不了正常高效的工业生产，势必将会被淘汰，也不可能在我们的日常生活中被广泛的应用。使得其虽然能达到一定的温度控制效果，却不能精确的控制温度从而影响生产效率；虽然能够实现人们对温度控制的理念，却也无法被广泛的应用，不能为人们带来实实在在的方便。现代计算机控制技术飞速的发展，基于计算机技术而产生的新一代单片机控制系统必将取代传统继电器控制技术，从而向高精度智能化，小型化等方面快速发展来适应市场激烈的竞争。下以加热炉为例用单片机温度控制系统技术来控制温度

7、，使得加热炉具有了工作效率高、生产成本降低、仪器体积小、高性价比、可靠性高、控制简单方便、测量精确度高等等的优点。从而解决了许多的技术困难与问题，为其相应的工业生产带来了巨大的经济效益和工作效率。可见科学技术真为第一生产力。随着现代先进技术的不断发展，在推动工业发展的同时势必也将为我们生活带来许许多多的方便。实现温度控制主要有以下几种方法1运用硬件的闭环控制系统来完成温控，该系统主要是反应速度快，但可靠性却比较低，能够控制的精度肯定也不高，实际使用的灵活性不大，线路连接会很复杂，系统调试和安装也都不是很方便，一般难以在实际中运用起来。2FPGA/CPLD或采用带有IP内核的FPGA/CPLD方

8、式。即用FPGA/CPLD来全套完成温度采集、温度信号储蓄、温度显示及A/D等的功能，测量和控制由IP内核来实现。优点是操作会比较简单，缺点是调试过程相当的复杂，且成本会很高，不适合被普及的使用，市场的潜力不大。3运用高精度的温度传感器（本设计中用DS18B20）采集温度，然后传送给单片机。即用单片机来完成信息接受、人机交互、信息处理、系统控制，由数字温度传感器DS18B20来采集和转换温度。此种方案克服了方案一和方案二的缺点。本次基于数字PID和单片机的温度控制系统设计的基本思想是本次设计采用PROTEUS仿真软件，以AT89C51单片机做为主控单元,运用PID控制算法，仿真实现了一个恒温控

9、制系统。设计中使用温度传感器DS18B20采集实时温度，使用PID算法控制加热炉仿真模型进行温度控制，总体实现了一个恒温控制仿真系统。在仿真设计中，先通过按键设置温度，然后通过温度传感器DS18B20，从环境中采集温度，由单片机获取采集的温度值，经过处理后，可得到当前环境温度中一个比较稳定的温度值，并且通过LED数码管显示。再去根据当前设定的温度值的上下限，温度未达到预定的下限温度时，单片机蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报生，同时输出高电平控制信号来驱动加热炉工作，为系统提供热量，来升高温度。温度上升到预定上限温度时，单片机向蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报生，同时输出低电平控制信号来驱动加热

10、炉停止加热，让温度慢慢回落。当因环境温度变化剧烈或因加热、降温设备出现故障时，或者因温度传感头出现故障，导致在一段时间内不能将环境温度调整到温度限内的时，单片机向蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报生。传统的温度控制系统，采用的控制技术是继电控制，其采用的是固定接线的硬件实现逻辑控制，使其控制系统体积会很大，耗电会很多，效率又不高，且很容易出现故障，维修又不方便，保证不了正常高效的工业生产，势必将会被淘汰，也不可能在我们的日常生活中被广泛的应用。从70年代以来，由于工业生产过程中，生产控制的需要，特别是在电子技术领域飞速发展，以及自动控制理论和设计方法不断成熟的背景推动下，温度控制系统正在逐渐趋于

11、成熟化发展，且在智能化方面取得了很大的成果。在此领域中日本，美国，德国，瑞典等国技术处于领先位置，且都各自生产出了一批性能优异的，商品化的温度控制器和仪器仪表，在各个行业中已经被广泛的应用。且为全世界的工业发展注入了生机勃勃的气息。三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标一、主要任务与目标采用PROTEUS仿真软件，以AT89C51单片机做为主控单元,运用PID控制算法，仿真实现了一个恒温控制系统。设计中使用温度传感器DS18B20采集实时温度，使用PID算法控制加热炉仿真模型进行温度控制，总体实现了一个恒温控制仿真系统。系统设计中包含硬件设计和软件设计两部分，硬

12、件设计包含温度控制电路、温度检测电路等主要电路、LED显示电路等部分。软件设计的部分，采用模块化结构，主要的模块有键盘扫描、按键处理程序、数码管显示程序、继电器控制程序、温度信号处理程序、超温报警程序。二、主要内容与基本要求1主要内容设计基于单片机的高精度温控系统的软件和硬件。采用8位单片机MCS51和DS18B20构成温度采集系统,系统性价比高。温度控制采用数字PID控制,使温控精度较高,并可实现温度设定值的连续可调2基本要求以AT89C51单片机作为核心控制单元，设计包括以下A硬件电路的设计。包括温度控制电路、温度检测电路等主要电路、LED显示电路等部分等部分。B通过对单片机编程，在LED

13、数码管上实现测量信号的动态实时显示，显示实时温度等相关参数。C整合程序，编程实现温度的PID自动控制功能。D完善程序，增加系统稳定性。在完成毕业设计期间，主要完成以下的工作1、针对系统需求进行硬件设计，绘制了系统原理图并根据原理图设计了PCB板，完成了整个硬件系统的搭建及系统的调试工作。2、研究单片机的体系结构、汇编指令集及使用单片机的开发工具链、编程与调试环境进行开发调试。3、将系统进行整体的调试，并加以改进，保证系统能正常运行。三、计划进度1）2010年12月1日2011年1月10日阅读相关文献，查找、分析资。料，完成开题报告、文献综述、外文翻译的撰写。2）2011年2月28日3月5日，明

14、确功能需求与性能需求。3）2011年3月5日4月15日进行总体设计，对系统各模块功能设计。4）2011年4月15日5月31日完成毕业论文撰写。5）2011年5月27日5月29日论文答辩。四、主要参考文献1刘昭斌单片机控制的温度控制系统J兰州石化职业技术学院学报,1999,022於丹春风化雨芽将萌谈我国单片机的发展J微电脑世界,1998,173黄天戍,罗璠,徐长宝,任清珍一种可灵活使用的温度控制系统设计方法研究J中国仪器仪表,2003,074张毅刚,单片机原理及应用M,高等教育出版社5李健云,张振辉,訾壮辉一种新型恒温控制系统J黑龙江大学自然科学学报,1998,016郑丰隆新型二线AT24C系列

15、串行E2PROM及其在单片机系统中的应用J微电脑世界,1995,017元红妍,张鑫电子综合设计实验教程M,山东大学8马喜顺8位单片机仍是当前应用的主流J电子产品世界,1999,01赖志昌,王丽慧,王君,金鸿章8098单片机调速器的研究J应用科技,2000,079杨凤山,李颖宏,李正熙混PID的设计及仿真研究J北方工业大学学报,2003,0310张岱,永海,马源智能化PID控制实验系统J实验技术与管理1995（03）11STEFANIRT,SAVANTCJJR,SHAHIANB,HOSTETTERGH1994DESIGNOFFEEDBACKCONTROLSYSTEMSSAUNDERSCOLLEG

16、E,BOSTON12CANNELLMB,LEDERERWJ1986ANOVELEXPERIMENTALCHAMBERFORSINGLECELLVOLTAGECLAMPANDPATHCLAMPAPPLICATIONSWITHLOWELECTRICALNOISEANDEXCELLENTTEMPERATUREANDFLOWCONTROLPFLUGERSARCH40653653913VELICHKOVIV1988SIMPLETEMPERATURECONTROLLERUSING723INTEGRATEDVOLTAGEREGULATORJPHYSESCIINSTRUM211098109914何小艇电子系统设计M浙江浙江大学出版社,200415谭克俊电炉炉温微机群控系统的设计J微型机与应用,1993,1116马云峰，数字温度传感器DS18B20的原理与应用J电子原器件应用，200217宋刘非,基于DS18B20传感器的温度检测系统J光电技术应用，200918黄灿胜，基于DS18B20数字温度计温度补偿和测量系统设计J广西民族师范学院学报,201019金以慧过程控制J北京清华大学出版社,199320国强,王淑钧高精度恒温连续可调型温控器的设计J应用科技,2003,04