《基于单片机的温度控制系统的设计》

序号（学号）：040930727长春大学光华学院毕业设计（论文）姓名魏明岩系别专业班级0409307指导教师马春龙年月日目录摘要………………………………………………………………………1第一章前言………………………………………………………………31.1课题背景和意义…………………………………………………31.2温度控制系统的使用………………………………………………31.3毕业设计任务……………………………………………………4第二章系统方案…………………………………………………………52.1水温控制系统设计任务和要求…………………………………………52.2水温控制系统部分………………………………………………………52.3控制方式…………………………………………………………………7第三章系统硬件设计…………………………………………………83.1总体设计框图及说明……………………………………………………83.2外部电路设计……………………………………………………………83.3单片机系统电路设计……………………………………………………9第四章系统软件设计和调试…………………………………………134.1程序框架结构……………………………………………………………134.2程序流程图及部分程序…………………………………………………134.3系统安装调试和测试……………………………………………………17第五章结论……………………………………………………………18致谢………………………………………………………………………19参考文献………………………………………………………………………20附件1（程序代码）……………………………………………………………20附件2（电路原理图）…………………………………………………………27基于单片机的水温控制系统【摘要】温度是工业控制对象主要被控参数之一，在温度控制中，由于受到温度被控对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得控制性能难以提高，有些工艺过程其温度控制的好坏直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。为了实现高精度的水温测量和控制，本文介绍了一种以Atmel公司的低功耗高性能CMOS单片机为核心，以PID算法控制以及PID参数整定相结合的控制方法来实现的水温控制系统，其硬件电路还包括温度采集、温度控制、温度显示、键盘输入以及RS232接口等电路。该系统可实现对温度的测量，并能根据设定值对温度进行调节，实现控温的目的。【关键词】单片机AT89C51；温度控制；温度传感器PT1000；PID调节算法Thesummary:Temperatureisthemaincontrolofindustrialcontrolofparameters,Intemperaturecontrol,duetotemperaturecontrolledobjectproperties(suchasinertiabig,big,laggingeffectofnonlinear,etc.),toimproveperformance,someprocesstemperaturecontrolofitsdirectimpactonthequalityoftheproduct,anddesignedakindofidealtemperaturecontrolsystemisaveryvaluable.Inordertorealizehighprecisiontemperaturemeasurementandcontrol,thispaperintroducesametertakingAtmelcompanylow-powerhigh-performanceCMOSchipasthecore,andthePIDcontrolalgorithmwithPIDparameterscombinationofcontrolmethodtorealizethetemperaturecontrolsystem,thehardwarecircuitincludingtemperature,temperaturecontrol,temperaturegathering,keyboardinputandRS232interfacecircuits,etc.Thesystemcanrealizethemeasurementfortemperature,andcanaccordingtovalueoftemperatureadjustment,andrealizetheobjectivetemperaturecontrol.Keywords:AT89C51microcontroller,Temperaturecontrol,PT1000temperaturesensor,PIDalgorithm第一章前言1.1课题背景和意义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。目前，温度控制系统在国内各行各业的使用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。现在，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛使用的控制仪表较少。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛使用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业使用广泛。1.2温度控制系统的使用盐浴炉温度控制系统利用S型铂铑-铑热电偶检测温度，热电偶进行冷端补偿，热电偶检测的信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采用分段查表法获取各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉温度，控制周期为100个三相交流市电周期，即2s。由单片机控制可按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。大型粮库采用主机为PC上位机，从机为68HC08GP32为主控芯片的分机（下位机）。下位机采用DALLAS的数字式温度传感器芯片DS1820，可以在三根线（电源线、地线、信号线）上同时并联多个温度探测点。每个分机上可以连接10跟电缆，每根电缆上可并联几十个点。分机利用了68HC08GP32的片内FLASH功能，实现了DS1820的序列号在68HC08GP32中的动态存取，从而节省了大量存储器。温度数据保存在68HC08GP32的片内RAM里并且利用了充分利用了68HC08GP32的片内的A/D实现了湿度数据的测量。有的还用PLC来控制总之温度控制系统的控制方式是多种多样的。1.3课程设计任务本文主要介绍单片机温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以AT89C51为CPU，温度信号由PT1000和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器OP07将温度--电压信号进行放大，用单片机控制SSR固态继电器的通断时间以控制水温，系统控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变，具有较好的快速性和较小的超调。第二章系统方案2.1水温控制系统设计任务和要求设计一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变，系统设计具体要求：温度设定范围为40℃，目标温度的±5℃；加热棒功率2KW，控制器为继电器；用十进制数码管显示水的实际温度。2.2水温控制系统部分水温控制系统是一个过程控制系统，组成框图如图1所示，由控制器、执行器、被控对象其反馈作用的测量变送组成。测量变送试通过温度传感器Pt1000来传送的。控制器是通过单片机来完成。图1控制系统框图2.2.1CPU中央处理器方案一：采用8031作为控制核心，使用最为普遍的器件ADC0804作模数转换，控制上使用对加热棒加电对水槽里的水升温。此方案简易可行，器件价格便宜，但8031内部没有程序存储器需扩展，增加了电路的复杂性。方案二：此方案采用8951单片机实现，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。进行数据转换，控制电路部分采用SSR固态继电器控制加热棒的通断，此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。比较两个方案可知，采用Atmel单片机来实现本题目，不管是从结构上，还是从工作量上都占有很大的优势，所以最后决定使用AT89C51作为该控制系统的核心。根据温度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，设计了水箱温度自动控制系统，总体框图如图2所示。温度控制采用改进的PID数字控制算法，显示采用用3位LED静态显示。（2）温度控制系统算法分析系统算法控制图2控制器设计总体框图采用工业上常用的位置型PID数字控制，并且结合特定的系统加以算法的改进，形成了变速ty积分PID—积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。该方法不仅大大减小了超调量，而且有效地克服了积分饱和的影响，使控制精度大大提高。PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数pK、积分时间常数iK、微分时间常数dK。比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差；积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定；微分作用能有效的减小动态偏差。如图3所示。图3比例积分微分控制由图4可知PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w和实际输出值y进行比较构成偏差e=w-y。并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为：dttdeKdtteKteKtudip)()()()(（其中Kp为比例放大系数；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数）PID调节器的离散化表达式为；)]1()([)()()(kekeTKkTeKkeKkudip其增量表达形式为（T为采样周期）：)1()()(kukuku)]2()1(2)([/)()]1()([kekekeTKkTeKkekeKdip图4模拟PID控制2.3控制方式该控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去和给定量进行比较（综合），并利用控制器形成的控制信号通过执行机构SSR对控制对象进行控制，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，减小输出量的误差，达到控制目的。在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器控制器，它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息，单片机的运算规则称为控制法则或控制算法。第三章系统硬件设计3.1总体设计框图及说明本系统是一个简单的单回路控制系统，总体框图如图2所示。单片机系统是整个控制系统的核心，AT89C51可以提供系统控制所需的I/O口、中断、定时及存放中间结果的RAM电路；前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路；由于水温变化是一个相对缓慢的过程，因此前向通道中没有使用采样保持电路；信号的滤波可由软件实现，以简化硬件、降低硬件成本。键盘设定：用于温度设定，共三个按键。数据采样：将由传感器及相关电路采集到的温度转为电压信号，经A/D转换后，送入AT89C51相应接口中，换算成温度值，用于控制和显示。数据显示：采用了共阴极数码管L