毕业设计（论文）PID温度控制器的设计

毕业设计（论文）PID温度控制器的设计河南机电高等专科学校毕业设计论文PID温度控制器的设计系部专业班级姓名学号指导老师二零一二年五月

摘要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本文详细阐述了基于MCS51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ATMEL公司的AT89C52单片机为核心进行系统硬件设计输入通道采用6675输出通道采用可控硅作为输出单元大大地简化了系统硬件电路通过对占空比的调节可实现温控箱温度的自动控制由于输入端与输出端有光电隔离能够有效地抑制干扰关键词单片机温度控制ABSTRACTWiththeimprovementofcontroltheoryandelectrictechnologytheintelligentcontrolforindustryhasbeenaccomplishing．ThedigitalcontrollerbasedonMicrocontrollerhasbeenappliedwidelyasitscabinetcubagelow-costabundantfunctionsimpleandconvenient．ThestructuresofatemperaturecontrolsystembasedontheMCS51singlechipareintroducedPIDthehardwarecompositionandthesoftwaredesignaredescribedTheexperimentdatashowsthatthedesignoftemperaturecontrolsystembasedonMicrocontrollerisavailabilityandrationality．ATMELcompanyAT89C52singlechipinthesystemasthecoreofhardwaredesigntheinputchannel6675OutputchannelasoutputunitUSESthesilicon-controlledrectifiergreatlysimplifiedthehardwarecircuitThroughtotheoccupiesemptiescomparedtoadjusttemperaturecontrolboxcanrealizetheautomatictemperaturecontrolBecausetheinputandoutputendhasphotoelectricisolationcaneffectivelyrestraintheinterferenceKeywordsThedigitalcontrollerMicrocontrollerTemperaturecontrolsystem

目录第1章绪论 11．1概述 11．2温度测控技术的发展与现状 11．3系统总体设计方案 21．3．1系统性能要求 31．3．2系统性能特点 31．4本文主要工作及PID原理 31．4．1本文主要工作 31．4．2PID原理 4第2章硬件设计 72．1系统硬件总体结 72．2主控模块器件选型及设计 82．2．1单片机的选用 82．2．3主控模块设计 92．3输入通道设计 112．3．1热点偶6675温度传感器 1124输出通道设计 132．5保护电路 142．6串行通信接口电路 142．7电源电路 152．8本章小结 16第3章软件设计 173．1软件组成 173．2主程序模块 183．3数据采集模块 183．4数据处理模块 193．4．1数字滤波 193．4．2显示处理 193．5本章小结 20第4章结论 214．1总结 214．2展望 21致谢 23参考文献 24附录部分源程序 261．显示模块源程序 26

第1章绪论1．1概述温度是表征物体的冷热程度最基本的物理量在很多生产过程中温度的测量和控制都直接和安全生产提高生产效率保证产品质量节约能源等重大技术经济指标相联系因此温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视同场所同同产品工艺不同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随机存取存储器RAM只读存储器ROM定时／计数器以及I／O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单片机来对温度进行控制不仅具有组态简单和灵活性大等优点而且可以大从而能够大大提高产因此单片机对温度的控制问题是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1．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度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1．3．1系统性能要求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模块化设计安装拆卸简单维修方便系统可靠性高不易出故障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1．3．系统性能特点控制主板采用AT89C52作为核心芯片作为与MCS51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热电偶作为温度传感器而信号很微弱仅约40μV／℃需要精密放大器对其进行放大按0℃分度冷端在非0℃情况下需进行温度补偿输出的信号为模拟信号欲与单片机等数字电路接口时须进行A／D转换热电偶温度传感器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1．本文主要工作及1．．1本文主要工作1在对温度控制发展现状系统控制要求进行研究的基础上选择了整个控制系统的控制方案2完成系统的硬件设计包括采样电路A／D转换电路主控制电路保护电路等等的设计3完成该系统的软件设计包括主程序模块控制运算模块数据输入输出及处理模块等一些子功能模块的设计1．．2其中KP为比例系数e为差值信号eT-TsetT温度测量值Tset温度设定值Ti为积分常数Td为微分常数V0V0-1为当时及前一时刻的控制量比例控制P是一种最简单的控制方式其控制器的输出与输入误差信号成比例关系当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差积分控制I在积分控制中控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系对一个自动控制系统如果在进入稳态误差则称这个控制系统是有差系统为了消除稳态误差在控制器中必须引入积分项积分项对误差取决于时间的积分随着时间的增加积分项会增大这样即便误差很小积分项也会随着时间的增加而增大它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小直到等于零因此比例积分PI控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差微分控制D在微分控制中控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳其原因是由于存在有较大惯性环节具有抑制误差的作用其变化总是落后于误差的变化解决的办法是使抑制误差的作用的变化超前即在误差接近零时抑制误差的作用就应该是零这就是说在控制器中仅引入比例项往往是不够的比例项的作用仅是放大误差的幅值而目前需要增加的是微分项它能预测误差变化的趋势这样具有比例微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零甚至为负值从而避免了被控制量的严重超调所以对有较大惯性或滞后的被控对象比例微分PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性实现PID控制原理的具体方法因系统的不同而不同在我们的系统中采用了增量式计算方法而控制量的输出则采用了位置式的输出形式在数值控制系统中其控制规律的数学模型演化为其中T为采集周期eiei-1ei-2为此时刻前一时刻再前一时刻的差值信号这种方法的好处在于只需保持前三时刻的差值信号同时输出控制量的初始设定值不必准确就能较快地进入稳定控制过程PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数积分时间和微分时间的大小PID控制器参数整定的方法很多概括起来有两大类一是理论计算整定法它主要是依据系统的数学模型经过理论计算确定控制器参数这种方法所得到的计算数据未必可以直接用还必须通过工程实际进行调整和修改二是工程整定方法它主要依赖工程经验直接在控制系统的试验中进行且方法简单易于掌握在工程实际中被广泛采用PID控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法反应曲线法和衰减法三种方法各有其特点其共同点都是通过试验然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数都需要在实际运行中进行最后调整与完善现在一般采用的是临界比例法利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下1首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作2仅加入比例控制环节直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡记下这时的比例放大系数和临界振荡周期3在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数第2章硬件设计2．1系统硬件总体结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2-1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电温度传感器检测并转换成微弱的电压信号再通过12位的A／D转换器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2．2主控模块器件选型及设计2．2．单片机AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压高性能CMOS8位单片机片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读256bytes的随机存取数据存储器RAM器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存储技术生产与标MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容片内置通用8位中央处理器CPU和Flash存储单元功能强大AT89C52单AT89C52单片机DIP封装的引脚如图2-2所示AT89C52的1与MCS51产品指令和引脚完全兼容8k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期0Hz24MHz5三级加密程序存储器6256×8字节内部RAM32个可编程IO口线3个16位定时计数器8个中断源UART通道图2-2DIP封装的AT89C52单片机引脚2．2．3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2．3输入通道设计2．3．1温度传感器IM公司新近开发出一种K型热电偶信号转换器IC66756675的内部由精密运算放大器基准电源冷端补偿二极管模拟开关数字控制器及ADC电路构成完成热电偶微弱信号的放大冷端补偿和A／D转换功能使温度测量的前端电路变得十分简单6675采用了12位的ADC温度测量范围为01024℃在0700℃范围内转换精度为±8个字供电电源为3050V分辨率为025℃转换时间约为017s6675采用8脚SO形式封装图为引脚排列图T接K型热电偶的正极镍铬合金T-接K型热电偶的负极镍硅合金或镍铝合金片选信号端CS为高电平时启动温度转换低电平时允许数据输出SCK为时钟输入端SO为数据输出端温度转换后的12位数据由该脚以SPI方式输出6675内部具有将热点偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器T和T-输入端连接到低噪音放大器A1以保证检测输入的高精度同时使用热电偶连接导线与干扰源隔离热电偶输出的热电势经低噪音放大器A1放大再经过A2电压跟随器缓冲后被送至ADC的输入端在将温度电压值转换为相等的温度值之前它需要对热电偶的冷端温度进行补偿冷端温度即是6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值对于K型热电偶电压变化率为41uV℃电压由线性公式Vout41uV℃×（tR-tAMB）来近似热电偶的特性上式中Vout为热电偶输出电压mVtR是测量点温度tAMB是周围温度冷端补偿热电偶的功能是检测热、冷端的差值热电偶热节点温度可在01024℃范围变化冷端即安装6675的电路板周围温度此温度在-20-85℃范围内变化当冷端温度波动时6675仍能精确检测热端的温度变化6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换温度补偿电压为了产生实际热电偶温度测量值6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到ADC中转换以计算热电偶的热端温度当热电偶的冷端与芯片温度相等时6675可获得最佳的测量精度因此在实际测温应用时应尽量避免在6675附近放置发热器件或元件因为这样会造成冷端误差如图2-5所示6675的连接图2-56675的连接SPI接口6675采用标准的SPI串行外设与MCU接口且6675只能作为从设备6675S0端输出温度数据的格式如表2-6所示6675SPI接口时序如图2-7所示6675从SPI串行接口输出数据的过程如下MCU使CS变低并提供时钟信号给SCK由SO读取测量结果CS变低将停止任何转换过程CS变高将启动一个新的转换过程一个完整串行接口读操作需要16个时钟周期在时钟的下降沿读16个输出位第1位和第15位是一伪标志位并总为0第14位到第3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值第2位平时为底当热电偶输入开放时为高开放热电偶检测电路完全由6675实现为开放热电偶检测器操作T-必须接地并使能地点尽可能接近GND脚第1位为低以提供6675器件身份码第0位为三态表2-66675SO端输出数据的格式Bit 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 MSB LSB Therestate 图2-76675SPI接口时序24输出通道设计本系统中与可控硅配套使用的是MOC3041光电耦合双向可控硅驱动器MOC3041输出部分是硅光敏双向可控硅还带有过零触发检测器以保证电压接近零时触发可控硅可控硅输出电路如图2-所示图2-可控硅输出电路2．5保护电路保护电路的作用是对温控箱进行过温保护其电路图2-所示图2-2．6串行通信接口电路系统设计采用IM公司的RS-232接口芯232这是一种标准的RS232接口芯片232只需5V电源供电其内部的电源变化成±10V电源用于RS232通信该芯片集成有两路收发器可将单片机输入的TTL／CMOS电平转换为RS232电平发送给PC机或将从PC机接收的RS232电平转换为TTL／CMOS电平发送给单片机232为双列直插16脚封装系统串口通信电路如图2-所示图2-串口通信电路2．7电源电路计中选用了LM7805提供5V电源电路如图2-1所示图2-12．本章小结本章主要介绍了温度控制系统的硬件电路主要模块的设计第3章软件设计3．1软件组成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系统的软件主要由主程序模块数据采集模块数据处理模块控制算法模块等组成主模块的功能是为其余几个模块构建整体框架及初始化工作数据采集模块的作用是将A／D转换的数字量采集并储存到存储器中数据处理模块是将采集到的数据进行一系列的处理其中最重要的是数字滤波程序控制算法模块完成控制系统的PID运算并且输出控制量3．2主程序模块主程序模块要做的主要工作是上电后对系统初始化和构建系统整体软件框架其中初始化包括对单片机的初始化6675芯片初始化和串口初始化等然后等待温度设定若温度已经设定好了判断系统运行键是否按下若系统运行则依次调用各个相关模块循环控制直到系统停止运行主程序模块的程序流程图如图3所示3．数据采集模块数据采集模块的任务是负责温度信号的采集以及将采集到的模拟量通过A／D转换器转化为相应的数字量提供给单片机数据采集模块的程序流程图如图3-和图3-所示3．数据处理模块3．．1数字滤波常用的数字滤波方法有程序判断滤波法中值滤波法算术平均滤波法一阶滞后滤波法去极值平均滤波法等等6次数据然6次采样的数据由小到大排序分别去掉最小值和最大值将剩余的4个数A／D转换后的数字量3-4所示附录中给出了去极值平均滤波的3．．2显示处理显示处理模块主要完成人机交互作用具体实现将采样温度值设定温度值以字符的形式通过液晶显示出来本系统采用HOLTEK公司生产的LCD显示器专用驱动芯片HTl621驱动HTl621内部具有32×4位显示RAM用于存储显示数据显示RAM内部由32个地址连续的RAM单元组成从地址为O的单元至地址为31的单元分别对应段电极输出SEG0至SEG31其中每一RAM单元又分为4位从低位至高位分别对应背电极输出COM0至COM3附录中给出了显示处理模块的源程序3．本章小结本章在分析了系统软件组成的基础之上采用传统的前后台方式编制系统软件分别介绍了系统中的主程序模块数据采集模块数据处理模块并在此基础上讨论了系统的软件抗干扰措施第章结论．1总结温度控制在工业生产中起着非常重要的作用本文完成了基于单片机的温度控制系统的开发包括系统的硬件开发软件编程等在论文完成过程中主要做的工作有1以ATMEL公司的AT89C52单片机为核心进行系统硬件设计输入通道采用6675输出通道采用可控硅作为输出单元大大地简化了系统硬件电路通过对占空比的调节可实现温控箱温度的自动控制由于输入端与输出端有光电隔离能够有效地抑制干扰2采用语言对系统的软件编程这大大缩短了软件的开发周期为了便于编写调试修改和增删系统软件的编制采用了模块化的设计方法．2展望本系统使用的AT89C52属于与MCS51系列兼容的8位单片机这种单片机本身资源较少不利于系统的扩展目前日益普及的基于ARM或DSP结构的微控制器在系统扩展能力处理数据的能力各个方面都远远超出了8位单片机传统的单片机编程采用时间片轮转的方式即将实时性要求不高的工作放在主函数之中依次轮流执行实时性要求高的使用中断技术及时处理这样构成前后台处理程序程序中间通过软件标志全局变量等完成通信与联络本系统的软件就是基于这种方式开发的随着微处理器芯片性能的提升价格的下降及对软件的可重用性可维护性的提高采用实时操作系统RTOS已经成为大势所趋结合上面的论述今后还需要做进一步的研究和解决的问题有1硬件方面采用DSPARM或者利用第一章提到的片上系统SOC对系统的硬件进行重新设计2软件方面摒弃传统的前后台系统软件编程模式改用基于实时操作系统的系统软件开发致谢参考文献[]陈忠华．基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现[D]．大连理工大学硕士学位论文2006[]齐志才赵继印．MCS51系列单片机原理及接口技术[M]．北京中国建筑工业出版社2005[]赖寿宏．微型计算机控制技术[M]．北京机械工业出版社1999[]王幸之王雷翟成等．单片机应用系统抗干扰技术[M]．北京北京航空航天大学出版社1999[]薛定宇．控制系统计算机辅助设计第二版[M]．北京清华大学出版社2006[]李朝青．单片机DSP外围数字IC技术手册第二版[M]．北京北京航空航天大学出版社2005[]王海宁基于单片机的温度控制系统的研究[D]合肥工业大学硕士学位论文2008[]冯博琴主编．微型计算机原理与接口技术[M]．北京清华大学出版社2006[]张宇．高精度恒温箱温度控制理论研究与系统设计[D]．合肥工业大学硕士学位论文2005[]LjungLennard．TheoryAndPracticeofRecursiveIdentification[M]．TheMITpress1983[]imGertN．Helles．Ptl00铂电阻温度变送器[J]．世界电子元器件2003年第8期[1]于海生等．微型计算机控制技术[M]．北京清华大学出版社1999[1]IStaicaRMorrisMKaashoeketalChordAscalablepeer-to-peerlookupprotocolforInternetapplicationsinProceedingofNetworkingIEEEACMTransactions[14]谭浩强．C语言程序设计[M]．北京清华大学出版社1998[]薛定宇陈阳泉．基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用[M]．北京清华大学出版社2002[]胡寿松主编．自动控制原理第三版[M]．北京国防工业出版社l994附录部分源程序．显示模块源程序unsignedcharcodedisp_code[22]0xa00xf00x000x600x600xd00x400xf00xc00x600xc00xb00xe00xb00x000xe00xe00xf00xc00xf00x000x00／functionvoidinit_htl621voiddescriptionthisfunctioninitializetheht162lparameternonereturnnone／voidinit_htl621voidwrite_command_htl6210x52write_command_htl6210x30write_command_htl62l0x0awrite_command_htl6210x08write_command_htl6210x02／functionvoidIcd_clrvoiddescriptionthisfunctionforlcdclearparameternonereturnnone／voidlcd_clrvoidunsignedcharifori0i6idisplay_htl6210x000x002iwrite_command_htl6210x06／／lcdon／functionvoiddisplay_ht1621unsignedchardisp_datalunsignedchardisp_data2unsignedchardisp_add_offsetdescriptionthisfunctionforhtl621displayparameterdisp_dataldisp_data2--displaycodedisp_add_offset--ramaddressfordisplayretunnone／voiddisplay_ht1621unsignedchardisp_datalunsignedchardisp_data2unsignedchardisp_add_offsetHTl621_CS0／／CS0write_byte_htl62110x80／／10l000000WRITERAM00Hwrite_byte_htl62180x40disp_add_offsetwrite_byte_htl6214disp_datalHTl621_WR1／／WR1delay050HTl621_CS1／／CS1delay050HTl621_CS0／／CS0write_byte_htl62110x80／／101000000WRITERAM00Hwrite_byte_htl62180x40disp_add_offset1write_byte_htl6214disp_data2HTl621_WR1／／WR1delay050HT621_CS1／／CS1／functionvoidwrite_command_htl621unsignedcharcomma