1、南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书(论文)作 者： 徐启伦 学 号：1434181434 辅 导 站： 徐州函授站 专 业： 机电一体化技术 题 目： 基于单片机的温度控制系统设计 指导者： 王书满 2017 年 3 月 摘 要本次设计对单片机在温度控制系统中的基本理论和应用技术作了较为全面的介绍。主要目的是用单片机设计一个温度控制器，通过运用 PID 控制算法，使得温度保持在 600 度这一恒定温度值上。该控制器具有本机给定和上位机给定的功能。在生产过程自动的发展历程中，PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。PID 控制是比例积分微分控制的简称。由于模拟 PID 调节器控制温
2、度的精确模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模拟辨识，而且不能得到预期的效果，所以本次设计采用 PID 调节器，由于软件系统的灵活性，PID 算法可以得到修正而更加完善。根据不同的测温范围选出合适的温度传感器，单片机把测到的温度进行处理（通过内置 PID 控制或与上位机通讯，由上位机实现 PID 控制）后保持恒温输出，来控制执行机构。单片机输出的是数字量，需要经过 D/A 转换变为模拟量后，才能去控制执行机构。关键词： PID 控制器；传感器；8052 温度控制目 录第 1 章 绪论 11.1 选题背景及目的 11.2 发展状况 21.3 各章节主
3、要内容 3第 2 章 系统方案的提出与论证 42.1 传感器的选择 42.2 驱动部分 52.3 PID 的算法 52.4 PID 的控制 52.4.1 开环控制系统 52.4.2 闭环控制系统 62.4.3 阶跃响应 62.5 PID 控制的原理和特点 62.6 PID 控制器的参数整定 7第 3 章 系统的硬件设计 93.1 总体方案 93.2 主控制器与采集电路通讯 93.3 温度控制 123.3.1D/A 转换 123.3.2 继电器工作原理 143.3.3 温度控制电路原理 153.4 键盘显示接口 173.5 报警部分 18第 4 章 软件设计 204.1 数字滤波子程序 204.
4、2PID 计算程序 21结论 25参考文献 26致谢 27附录 1 28附录 2 29附录 3 380第 1 章 绪论1.1 选题背景及目的在工农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制始终占据着重要地位。在冶金、化工、机械、食品等各类工业中，广泛使用各种加热炉、烘箱、恒温箱等，它们均需要对温度进行控制。在实验室中，电阻炉温度控制系统，是常见的自动控制系统。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也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。一个控控制系统包
5、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。目前,PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经有很多产品已在工程实际中得到了广泛的应用,出现了各种各样的 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(intelligent regulator),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
6、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。 可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制,而可编程控制器(PLC)可以直接与 ControlNet 相连,如 Rockwell 的 PLC-5 等。还有可以实现 PID 控制功能的控制器,如 Rockwell 的 Logix 产品系列 ,它可以直接与 ControlNet 相连,利用网络来实现其远程控制功能。控制算法是微机化控制软件系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法
7、有很多种。在生产过程自动的发展历程中，PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。它是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，实际运行经验和理论分析都表明，PID 控制能满足相当多的工业对象的控制要求，尤其适用于可建立精确模型的1确定性控制系统。虽然随着工业现代化的发展和其它各种先进技术的发展，自动化技术将会有更新的发展，但是，PID 控制技术仍然不会过时，它还将在今后很长一段时间内占据主导地位。由于数字 PID 控制系统中，引入了计算机，可以充分利用计算机在对采集数据加以分析并根据所的结果做出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制程序、管理程序，实现
8、对被控参数的控制与管理。而且 PID 控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可，因此，数字 PID控制系统在生产过程中经常使用。 由于单片机和传感器的多样化，设计者可以根据温度控制系统要应用的领域来决定选择什么样的单片机做主控制器，传感器的选择也因其使用的环境而不同。所以温度控制系统的设计是多样的。本文研究的系统采用的是北京集成电路设计中心与爱特梅尔公司联合设计的 AT89C52 单片机。1.2 发展状况由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生厂家相继推出了各种类型的单片机。近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、
9、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科和领域，以及人们生活的各个方面。在单片机家族的众多成员中，MCS-51 系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前可用于 MCS-51 系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便的利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、
10、重量轻、可靠性高、造价低、通用灵活和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通管理和微波炉等专用控制上在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。在工业生产如：用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，在日常生活中如：热水器、2电热毯等等，都用到了电阻加热的原理。随着生产的发展，在工业中，上述设备对温度的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到自动控制品质的目的。1.
11、3 各章节主要内容本论文共分成四章：第 1 章主要是选题背景和发展状况；第 2 章提出了系统的方案与论证，形成一个大体轮廓；第 3 章对系统硬件电路部分进行设计，主要是接口连接和硬件传感器的设计；第 4 章系统的软件部分设计，包括各个子程序和对应的流程图。3第 2 章 系统方案的提出与论证2.1 传感器的选择在日常生活和生产中经常遇到需要对温度进行检测和控制的问题。在温度检测系统中就需要用到温度传感器。人们在很久以前就开始了解温度的测量，所以温度传感器种类繁多，有热敏电阻、红外温度传感器、热电偶等等。热电偶和热电阻测量的是电压值，需要转换成温度，外部硬件电路很复杂，也不便于调试。另外使用热电偶
12、时，通常要求冷端 T0 保持 0 度，但实际上很难做到。除此之外还有模拟集成温度传感器，其特点是测温误差小、响应速度快、传输距离远、体积小。但是仍然在测量到温度值后要进行 A/D 转换，电路复杂，使用不方便。有些集成温度传感器可以配微处理器和单片机，构成智能化的温度检测系统。这其中一个很大的变化就是传感器由以前的模拟输出转变为直接数字输出，省去了传统温度测量电路中的调理、变送、补偿、转换、修正等环节。这样整个测量电路不会引入附加误差，测温系统的精度与分辨力完全由数字化的传感器所决定。用这种先进的传感器芯片构成测控温度系统，具有电路简单，测控温度精度高等显著优点。并且抗干扰能力强，能够远程传输数
13、据，用户可设定温度上、下限，有越限自动报警的功能，自带串行总线接口等优点，适配各种微控制器，含微处理器和单片机，是研制和开发具有高性价比的新一代温度控制系统所必不可少的核心器件。智能温度传感器的典型产品有DS1820、DS18S20 、DS18B20、DS1821、DS1822、DS1624、DS1629 等型号。本文所选用的是美国 DSLLAS 半导体公司生产的 DS18B20，它是该公司在研制出DS1820 后最新推出的一种改进型产品。所以它具有 DS1820 的全部优点。在此基础上，它有独特的性能特点：(1) 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信。(2) 不需要外部器件。(3) 可通
14、过数据线供电，电压范围为 3.05.5V。(4) 零待机功耗。(5) 温度以 9 或 12 位数字量读出。4(6) 用户可定义的非易失性温度报警设置。(7) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。 2.2 驱动部分方案一:此方案采用 SPCE061A 单片机实现，此单片机内置 8 路 ADC,2 路 DAC,且集成开发环境中，配有很多语音播放函数，用 SPCE061A 实现语音播放极为方便。另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。但是，他的成本太高我们不便采用。 方案二：此方案采用 89C52 单片机实现，AT89C52 是低
15、功耗、高性能的CMOS8 位单片机，片上带有 8KFlash 存储器，且允许在系统改写或用编程器编程。另外，AT89C51 的指令系统和引脚 80C52 完全兼容。所以，AT89C52 单片机应用极为广泛。2.3 PID 的算法基本偏差:e(t) 表示当前测量值与设定目标之差，设定目标是被减数，结可以是正或负。正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动数据。累计偏差：e(t)= e(t) + e(t-1) + e(t-2)+.+e(1),这是我们每一次测量到的偏差值的总和，这是代数和，考虑到正负符号的运算，这是面向积分项用的变动数据。基本偏差的相对偏差：e(t) e(
16、t-1)，用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控制的对象的趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微分项的一个变动数据。 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏5差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因
17、此，可以改善系统的动态性能。2.4 PID 的控制2.4.1 开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中,不依赖将被控量以形成任何闭反送回来的闭环回路。2.4.2 闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈( Negative Feedback), 若极性相同,则称为正反馈
18、,一般闭环控制系统均采用负反馈,又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统,眼睛便是传感器,充当反馈,人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛,就没有了反馈回路,也就成了一个开环控制系统。另例,当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净,并在洗净之后能自动切断电源,它就是一个闭环控制系统。2.4.3 阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时,系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability),一个系统要能正常工作,首先必须是稳定的,从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度,通常用稳态误差来(Steady-state error) 描述 ,它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性,通常用上升时间来定量描述。 2.5 PID 控制的原理和特点 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、
