单片机温度控制系统PID设计

毕业论文（论文）题目名称: 单片机温度控制系随设计题目类别： 毕业设计系（部）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 辅导教师： TOC\o"1-5"\h\z时间： 至目录任务书 I\o"CurrentDocument"毕业设计（论文）开题报告 IV毕业设计（论文）指导教师审查意见 错误!未定义书签。教师评语 错误!未定义书签。摘要 VAbstract VI前言 VII绪论 1\o"CurrentDocument"选题背景 1\o"CurrentDocument"PID算法在控制领域中的应用 2\o"CurrentDocument"课题研究的目的及意义 3\o"CurrentDocument"总体方案论证与设计 4\o"CurrentDocument"方案设计的要求与指标 4\o"CurrentDocument"方案的可行性分析与方案选择 4方案可行性分析 4方案的选择与确定 6系统结构框图 7\o"CurrentDocument"温度控制系统硬件设计和软件设计 8\o"CurrentDocument"系统硬件设计 8系统硬件组成 8AT89C51单片机的介绍 8测量温度元件的选择 1.0. .模数转换器ADC0809的介绍 11键盘和LED显示电路设计 L2温度控制电路设计 13\o"CurrentDocument"系统软件设计 14主程序流程图及主程序 14T0中断子程序 17A/D转换子程序 19数字滤波子程序 20温度标度变换子程序 21键盘显示子程序 21PID算法介绍 23\o"CurrentDocument"系统仿真与调试分析 25\o"CurrentDocument"系统仿真 25系统调试 25\o"CurrentDocument"结束语 27\o"CurrentDocument"参考文献 28致谢 29\o"CurrentDocument"附录I单片机温度控制PID系统仿真电路图 30\o"CurrentDocument"附录IIPID算法流程图及程序清单 31长江大学工程技术学院毕业设计任务书系（部）信息系专业班级501学生姓名_指导教师/职称.毕业设计（论文）题目：单片机温度控制系统PID设计.毕业设计（论文）起止时间：2008年7月1日〜2009年6月6日3．毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）I）原始数据：独立完成系统的硬件设计。完成系统软件程序的编写及模拟调试。温度设定范围：50℃-150℃控制精度：1II）毕业设计参考文献：单片机原理及应用，2005单片机接口技术，2003自动控制原理，2004单片机实用技术，20044．毕业设计（论文）应完成的主要内容收集、整理与本课题相关的资料设计一个基于单片机的温度控制系统，要求温度可以设定和显示，采用PID程序控制的方式，达到要求的控制精度掌握单片机的基本原理及应用掌握PID控制算法的实现方法熟悉一般电子产品的设计方法针对存在的问题提出解决方案或建议完成相关专业外文资料的翻译5．毕业设计（论文）的目标及具体要求目标：毕业设计是高等学校培养学生创新精神和应用能力的一个重要教学环节，是培养应用性人才必要的基础训练和从业、创业的先期适应阶段。通过毕业设计旨在培养学生综合运用所学基础理论、基本技能和专业知识，使学生能够联系生产及科研实际完成某一课题，全面检验学生分析问题和解决问题的能力，使学生掌握基本的设计（科研）方法，并受到初步的科研论文写作训练。具体要求：①学习工作态度认真；②每周至少向导师汇报毕业设计的进展两次；③分阶段地完成毕业设计的各项要求，并且要求独立工作；④按时完成毕业设计任务书所规定的全部内容。6、完成毕业设计（论文）所需的条件及上机时数要求需要学校图书馆有与本科题相关的书籍查阅，以丰富学生的基础理论知识；其次，学校的网上数据库能提供与本科题相关国内外最新的研究动态或成果，以保证学生知识的及时更新。上机时数至少80。任务书批准日期任务书下达日期完成任务日期毕业设计（论文）开题报告题目名称：单片机温度控制系统PID设计题目类别：毕业设计学院（系）:专业班级:学生姓名:指导教师:辅导教师:开题报告日期:单片机温度控制系统PID设计学生：单位：

指导老师：单位：［摘要］:在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力等都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、造纸行业、机械制造等诸多领域中，人们都需要对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。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。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，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、化工等工业生产中使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、电等；控制方案有直接数字控制，推断控制，预测控制，模糊控制等。本文是介绍以AT89C51单片机为核心的PID温度控制系统。由温度控制器，控制算法，温度检测，键盘输入，温度显示等组成，控制器以参数偏差和参数偏差变化作为输入，以PID控制器的参数作为输出，子程序对相关事件处理以标志位和判断标志位完成，主程序通过调用子程序实现温度控制器功能，该系统利用单片机可以实现对PID参数的选择与设定；也可以通过计算机与单片机的串行通讯，实现工业过程中的交互式PID控制。［关键字］:温度控制；PID；AT89C51单片机;TemperaturePIDcontrolsystemdesign[Abstract]:Inthemodernindustrialproduction,current,voltage,temperature,pressureandsoonarecommonusedparametersofthemainaccused.Forexample:inthemetallurgicalindustry,chemicalproduction,paperindustry,machinebuildingandmanyotherfields,peopleneededtodetectandcontroltemperature.MCS-51single-chipmicrocomputerisusedtocontroltemperature,notonlyhastheadvantagesofconvenientcontrol,simpleconfigurationandgreatflexibility,butalsosubstantialincreaseintemperaturewaschargedwithtechnicalindicators,whichcangreatlyenhancethequalityandquantityofproducts.Temperatureiscommonprocessparameterinindustrialproduction,anyphysicalchangesandchemicalreactionprocessiscloselyrelatedwithtemperature,sotemperaturecontrolisanimportanttaskforautomation.Fordifferentproductionconditionsandtechnologicalrequirementsoftemperaturecontrol,theheatingmethodused,fuel,controlprogramsisalsodefferent.Suchasmetallurgy,machinery,chemicalsusedinindustrialproductionallkindsofheatingfurnace,heattreatmentfurnace,reactorandsoon;fuelgas,naturalgas,electricityandsoon;controlprogramhasadirectdigitalcontrol,inferencecontrol,predictivecontrol,fuzzycontrol.ThepaperintroducedaPIDtemperaturecontrollerbasedonAT89C51Singlechip．Itconsistofthetemperaturecontrol,themanipulativealgorithm,thetemperaturemeasuring,thekeyboardinput,thetemperaturedisplayandsoon.Ittakestheparameterdeviationandthedeviationchangeasinput,andthePIDcontroller’sparametersasoutput,thesubprogramrealizedthecorrespondingeventsbycompletingzonebitandzonebitjudgment.Themainprogramrealizedthefunctionofthecontrollerthroughmakinguseofallthesubroutines.Thesystemcanbeachievedusingsingle-chipselectionofthePIDparametersandsettings；Itcanalsobysingle-chipandcomputerwithserialcommunications,realizingindustrialprocessofcontrolofinteractivePID.[Keyword]:Temperaturecontroller；PID；AT89C51Singlechip随着工业技术的提高，单片机的集成技术也在不断的发展，它有着体积小，功能强，可靠性高，造价低，开发周期短等优点。用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。在工业生产中，有很多行业都拥有加热设备，如用于热处理的加热炉，用于熔化金属的坩埚炉，以及各种不同用途的加热炉，反应炉，这样温度就成了工业对象中一个重要的被控对象。然而常规的控制方法，作用是有限的，难以满足各种用户的需求，因此采用单片机温度控制ID可以有效地解决控制难，要求高等一系列的问题。本次毕业设计是关于温度控制系统的设计在，整个设计过程中既用到单片机传、感器、微控技术，也用到了控制系统中的一些相关知识。本设计系统的硬件部分，使用如AT89C51、铂热电阻、ADC0809,LED显示器等器件。软件则介绍数字调节器的设计、PID参数的整定、PID算法程序清单、以及相关的程序；最后介绍系统特性的测量与识别。本次设计是在辅导老师和同学们的指导和帮助以及本人的努力下完成的。由于本人知识水平有限，因此设计中还有一些不妥之处，恳请批评指正，以便加以修改。单片机温度控制系统PID设计1绪论选题背景温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数。在工业生产过程中为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度，压力，流量，速度等进行有效的控制。其中温度的控制在生产过程中占有相当大的比例。准确测量和有效控制温度是优质，高产，低耗和安全生产的重要条件。在工业的研制和生产中，为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度，采用微电子技术是重要的途径。它的作用主要是改善劳动条件，节约能源，防止生产和设备事故，以获得好的技术指标和经济效益。本课题是结合生产实际和科研工作，运用PID算法对温度进行控制，以求达到较好的控制效果。目前先进国家各种炉窑自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。单片微型计算机是随着超大规模集成电路的技术的发展而诞生的。由于它具有体积小，功能强，性价比高等优点，所以广泛应用于电子仪表，家用电器，节能装置，军事装置，机器人，工业控制等诸多领域，使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量又降低了成本，简化了设计。PID控制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、可靠性高等优点,被广泛应用于工业过程控制。当用计算机实现后,数字PID控制器更显示出参数调整灵活、算法变化多样、简单方便的优点。随着生产的发展,对控制的要求也越来越高,随之发展出许多以计算机为基础的新型控制算法,如自适应PID控制、模糊PID控制、智能PID控制等等。随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面。随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会目前，单片机控制器在从生活工具到工业应用的各个领域，例如生活工具的电梯、工业生产中的现场控制仪表、数控机床等。尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。随着社会的发展，人们对温度的控制要求也越来越高，这篇论文是我为了达到这样的温度控制要求而进行设计的。我所采用的控制芯片为AT89C51,此芯片功能强大，能够满足设计要求。通过对电路的设计，对芯片的外围扩展，来达到对温度的控制和调节功能。PID算法在控制领域中的应用控制理论的发展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。一个控制系统包括控制器、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。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、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。以经典控制理论为基础的PID控制过程是应用最多的控制规律，现在仍然在各种过程控制系统中广泛应用，在DCS以及以逻辑控制为主体的大型PLC系统中，均设有PID控制模块。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。目前，PID控制及其控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的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，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。课题研究的目的及意义随着工业技术的提高，单片机的集成技术也在不断的发展，它有着体积小，功能强，可靠性高，造价低，开发周期短等优点，因此在现代化的工业生产中占有举足轻重的地位，尤其在日常生活中发挥着越来越大的作用。在工业生产中，有很多行业拥有加热设备，如用于热处理的加热炉，用于熔化金属的坩埚炉，以及各种不同用途的加热炉，反应炉，这样温度就成了工业对象中一个重要的被控对象。然而常规的控制方法，作用是有限的，难以满足各种用户的需求，本温控系统采用的数字PID算法由软件实现，增量PID控制算法的优点是编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算速度快。采用单片机温度控制PID可以有效地解决控制难，要求高等一系列的问题。对于一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性强、升温单向等特点的控制对象，用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果，而且操作工人的劳动强度也很大，人力资源浪费问题十分严重。为此我们使用以AT89C51单片机为核心的控制系统来控制温度，单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，满足了这些要求。采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、灵活和组态简单的优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而可以显著提高温度控制的精度。2总体方案论证与设计方案设计的要求与指标系统要求:采用单片机控制PID系统对温度进行实时监控系统的可靠性高，温度误差小于±1℃系统应具有良好的操作性能，为了满足用户使用方便和操作人员维修，系统控制的开关要少。系统使用及维护方便，便于扩展系统的性能指标:控制容量：20KW温度设定：按键温度显示：4位LED数码管显示误差：±1℃控制温度：50℃—150℃控制过程：设定对炉内测温、控温方案的可行性分析与方案选择方案可行性分析方案一本方案主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成，以AT89C51单片机为该控制系统的核心，实现对温度的采集、检测和控制，热电偶采用DBW型热电偶一镍络-镍硅，A/D转换器选用常用的ADC0809,可编程并行I/O扩展口8255用作键盘/LED显示器接口电路，温度设定电路采用BCD码拨盘，采用字符型LCD（液晶显示器）模块TC1602A，本系统以单片机AT89C51为核心，具有高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点。控制器采用新型的智能控制算法，系统升温快，控温精度高，稳态误差可达±5℃以内，满足系统要求。整个系统操作简便,抗干扰能力强、运行可靠。本设计方案的原理框图如图2-1所示：

图2-1方案一原理框图方案二本方案硬件系统采用atmel公司的AT89C52单片机为控制核心，考虑要求的控制精度较高，温度传感器选用pt100型铂热电阻温度传感器，采用双积分A/D转换器MC14433,外围扩展并行接口8155用作键盘/LED显示器接口电路，单片机的输出控制电机工作，为避免强干扰，选用带有光电隔离功能的晶闸管MC3041,该系统能基本可靠运行，配合软件算法设计，可有效解决温度大滞后控制精度不精确的问题，显著提高温度测量结果精度，并可避免因控制电机执行机构滞后、过量执行而影响测量准确性，从而能较好的完成试验目的。本设计方案的原理框图如图2-2所示：试验仪系统看门狗定时电路AT89C528155键盘/显示电路报警电路控制电路RS232C通信试验仪系统看门狗定时电路AT89C528155键盘/显示电路报警电路控制电路RS232C通信图2-2方案二原理框图方案三本方案以AT89C51单片机为核心的PID温度控制系统。由温度过零控制电路，控制算法，温度检测，键盘输入，温度显示等组成，控制器以参数偏差和参数偏差变化作为输入，以PID控制器的参数作为输出，子程序对相关事件处理以标志位和判断标志位完成，主程序通过调用子程序实现温度控制器功能，该系统利用单片机可以实现对PID参数的选择与设定；也可以通过计算机与单片机的串行通讯，实现工业过程中的交互式PID控制。本设计方案的原理框图如图2-3所示：图2-3方案三原理框图方案的选择与确定三种方案都采用的是MCS-51系列的单片机，该系列单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中。第二、第三种方案设计外围电路简单，采用单片机控制管理比较合理，也比较符合我们大学生的电子设计思维，将单片机的资源合理地利用，也能够满足毕业设计的要求。第二种方案的设计比较完善，数模结合设计，很具有想象力和创造力，但外围电路复杂，一般适合于做温度控制的产品设计方案。第三种与前面几种方案相比，硬件电路更简单，设计思路清晰，考虑毕业设计的要求，设计时间对简单，自己掌握的知识情况，再加上金费限制，综合上面几个因素，本次的毕业设计选择第三种方案比较贴切，比较合理。系统结构框图初步选定系统用闭环控制，且采用单闭环控制。因为所带负载是阻性元件，其线性度比较好，温度变化不太高，但对控制精度有一定的要求。系统被测参数主要是温度，被测参数温度值由热电阻传测定后得到的信号经过温度变送器放大滤波，经过A/D转换器后，将模拟信号变为数字信号进入AT89C51单片机，在单片机进行数据处理，与所设定的期望温度值进行比较后，产生偏差信号，单片机根据预定的PID算法计算出相应的控制量，该控制量控制双向可控硅的导通和关闭，以便切断和连通加热设备，从而控制温度稳定在设定值上，如图2-4所示：图2-4系统结构框图3．温度控制系统硬件设计和软件设计系统硬件设计硬件设计:温度检测和变送器：使用铂热电阻作为温度的检测，变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成。接口电路:接口电路采用MCS-51系列单片机AT89C51,模数转换器ADC0809等芯片。温度调节电路：使用双向可控硅管和加热丝串接在交流电路中。系统硬件组成3.1.1.1AT89C51单片机的介绍AT89C51是美国ATMEL公司设计的一款低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，功能强大，灵活适用于多种控制场合。由于本系统设计并不是非常复杂，所使用的功能不是很多，AT89C51已经足够完成此设计的需求，因此选用AT89C51作为核心芯片设计本温度控制系统。AT89C51引脚图如图3-1所示：PL0?1.1?1.2PL0?1.1?1.2n.3PL4PI.5PL6P(.7|R5T做时虑6(no>P3.](TTOJP3.2(TntTjp?.?(TO)fe.4cn)?i5阿P工bXTAL2KTAllc阳ATB9C51YCCP也好值嘲PO.17(ADI)Pth.3/(KD2)P止3/IAD3)po."认MPJ.5/I,W5)PHAUDJFCLT/iAUnE1/VPP4LE/MCpmi喀7加分PL6/-：A14)Pl,5/(A]31pm4阐i)pi.j/^aihPZ.2/(Alfl)PL:门工5P2*心世加图3-1AT98C51弓|脚图AT89C51引脚功能：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。乂1人12：来自反向振荡器的输出。3.1.1.2测量温度元件的选择热电阻和热电偶都是测量温度的元件，热电阻是电阻随温度变化的元件，而热电偶是热电势（电压）随温度变化的元件。一般热电阻用在低温，热电偶用在高温。如果温度超过500℃的话那么热电阻的阻值会非常大，可能会影响测量结果，甚至会出现不能出来测量结果的情况发生。通常检测低于500℃时，一般选用热电阻而不选用热电偶的。因此本次设计选用热电阻作为测量温度元件。而在热电阻中我选择铂热电阻。铂热电阻是电阻体采用铂金属的一种电阻，广泛用作稳定温度系数的电阻以及温度传感器，它与一般的金属一样，具有正的温度系数。0℃时的它的电阻值的大小分为10欧姆和100欧姆等，测温范围均为-200℃~850℃.但10欧姆铂热电阻耐温性能明显优于100欧姆的铂热电阻，只要用于650℃以上的温区：100欧姆铂热电阻主要用于650℃以下的温区，因此本设计选用100欧姆铂热电阻作为温度传感器，来测量温度。本设计中的热敏电阻测量原理电路，由电源，电阻电桥，运放和输出四部分组成。电源部分包括R4，R6，C1，U1B。R4，R6为分压电路，C1主要滤除Vcc中的波纹，U1B为LM324运放放大器，工作于电压跟随器方式，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低，为后级电桥提供稳定的电流。电桥由R1,R2,R3,R13及U2（热敏电阻）组成，通过调节R13使电桥平衡，当温度发生变化时，热敏电阻阻值发生变化，电桥产生电位差。运放电路由R7,R8,R9,R10及U1A组成，这是一种灵敏度较高的电桥放大电路，放大倍数由R9/R8得到。输出电路由R4,R12,R14,D1组成，调节R14可以调整输出电压幅度。D1主要用于防止输出负电压，保护后级A/D电路。温度测量后从ADC0809的IN0口输入，进行模数转换。原理电路连接如3-2所示：

图3-2温度测量电路3.1.1.3模数转换器ADC0809的介绍ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0809引脚图如图3-3所示：7项——1 沿——现现一.4 Ml-・ ■・in5——5 H——工“理——」 2F——ADDA叫一G n|—仙DBSTART—& 25—仙DCEOC一APC080e"ALE打%0E———口匚CLOCK项 吓口5心11 禽4%田十）—F 17%15 T&%11D?图3-3ADC0809弓|脚图内部结构：ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如上图所示，它由8路模拟开关、模拟开关的地址锁存与译码电器、比较器、256R电阻网络、电子开关逐位比较寄存器SAR、m态输出锁存缓冲器及定时电路等。外部特性（引脚功能）：ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如上图所示。下面说明各引脚功能。IN0〜IN7：8路模拟量输入端。2-1〜2-8（D0〜D7）：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START：A/D转换启动信号，输入，高电平有效。EOC：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：正基准电压输入端和负基准电压输入端。Vcc：电源，接+5V。GND：接地。ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当0£输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。键盘和LED显示电路设计键盘电路：键盘电路采用独立式键盘，它的每个键独立接入一根数据输入线。这种键盘优点是结构简单，使用方便。由于本次设计所使用的按键不多，所以采用这种键盘设计编辑电路图。独立键盘连接如图3-4所示：图3-4独立键盘连接图采用两个按键口，k2来控制显示的温度，k1减少温度，k2增加温度。LED动态显示方式：所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮ED显示器的各个位。特点：将多个7段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个8位I/O控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地，逐一扫描点亮，使每位LED显示该位应当显示的字符。恰当地选择点亮LED的时间间隔(1ms〜5ms),会个人一种视觉暂停效应，似乎多位LED都在“同时”显示。用AT89C51右移循环指令可实现。动态显示的操作由软件完成。每次由I/O(1)口输出段选码、再由I/O口输出位选码，经过延时，以获得稳定的显示效果。以上述分析的显示原理可知，为了显示数字和字母，最终需要转换成相应的段选码。这种转换可以通过译码器或软件译码完成。温度控制电路设计本系统是通过对加热电阻丝的电源通断来实现的温度控制，采用晶闸管调功方式。晶闸管开关控制方式采用变周期过零控制。通过MOC3031光耦过零触发驱动器实现对功率晶闸管的过零触发。在P1.3控制电压下完成功率晶闸管的触发导通。当P1.3=1时关掉晶闸管，P1.3=0时开启晶闸管。温度控制电路连接图如图3-5所示：MQC3D31M图3-5温度控制电路-22AVMQC3D31M图3-5温度控制电路-22AVZerocrassrgU3：A温度加加由路।3.2系统软件设计软件设计：单片机程序包括：主程序，A/D转换子程序，滤波子程序，PID计算子程序。使用PID控制系统来调节温度的变化：当温度小于设定温度时，采用PID控制。当温度大于设定温度时，采用PD控制。3.2.1主程序流程图及主程序该系统是一个反馈调节过程，首先比较实际温度和设定温度之间的偏差值，然后对偏差值进行PID算法的处理，得到输出量，然后用输出量调节加热功率，从而实现对温度的控制。本系统设计过程划分为以下几个过程：定时采样：使用T0定时器产生5s定时中断，作为本系统的采样周期，在中断服务程序中启动A/D转换，读入采样数据。数据处理：对采样数据进行PID算法处理。PID算法：对偏差进行PID算法处理，并输出脉冲信号，脉冲宽度由T0定时器中断决定。主程序：主流程图主要完成：T0初始化，温度采样，温度显示。PID计算等等。主程序流程图如3-6所示：SETBP1.0 SETBP1.0 ；置P1.0为输入方式5s定时时FID售法计算置位输出标志温度标识变换清除设定标志执行中断程序数字滤波AQ转换清显示缓存区清暂存单元温度显:示TO初始化港标志设堆栈图3-6主程序流程图主程序如下：MOVSPMOVSP,A；设置堆栈MOVP2,#0FFH

；置P2为输入方式SETB TR0 SETB TR0 ;启动T0CLRGF0CLR AMOV 20H,AMOV 2FH,AMOV 30H,AMOV 3BH,AMOV 3CH,AMOV 3DH,AMOV 3EH,AMOV 45H,AMOV MISM0,AMOV MISM1,AMOV MISM02,AMOV MISM3,AMOV MISM4,AMOV MISM5,AMOV TCON,#00HMOV TMOD,#01HMOV TH0,#0D8HMOV TL0,#0F0HSETB EASETB ET0；清定时5s标志;清5s定时计数单元；清显示缓冲区；清TCON;T0定时方式1;计数初始值设定20ms；开总中断;T0允许中断；；GF0=0则等待;A/D转换；调用数字滤波子程序；调用PID计算子程序；调用温度标度变换子程序；调用显示子程序;清定时5s标志;启动T0LOOPA:JNBGF0,$LCALLSAMPLELCALLFILTERLCALLPIDLCALLCHNTERLCALLDISPLAYCLR GF0SETB TR0SJMPLOOPAT0中断子程序T0应用于产生5s采样周期和晶闸管通断周期程序流程图如3-7所示图3-7T0中断流程图T0中断程序如下:AJMPSTARTORG000BH ；定时器0的中断向量地址AJMPTIME0 ；跳转到真正的定时器程序处ORG0030HSTART：MOVTMOD,#00000001B；定时/计数器0工作于方式1MOVTH0,#0D8HMOVTL0,#0F0HSETBEA：开中断允许LOOP: AJMPLOOPTIME0: CPLP1.3MOV45H,ADECAMOV45H,AINC20H；计时单元加1MOVA,20HMOV20H,#00HMOVTH0,#0D8HMOVTL0,#0F0HCLRTR0SETBGF0RETI

A/D转换子程序A/D转换子程序实现的是将模拟量的温度值转换成数字量的温度数据，用以实现模数转换，此程序中ADC0809采样了3次，对数据进行取平均值，避免误差过大，并将转换结果存于2CH，2DH，2EH中。A/D转换子程序：SAMPLE:EOCBITP1.2ORG0000HMOVR0,#2CH；采样值存储首地址MOVR1,#03H；采样次数LJMPSAMP1ORG0100HSAMP1:CLRP3.6CLRP3.7JBP1.2,$；判断A/D转换结束MOVA,P2MOV@R0,A；存转换结果MOVR2,#20HWAIT:CLRSTARTSETBSTARTCLRSTARTDELAY:MOVR5,#10D1:MOVR6,#10DJNZR5,D1INCR0

DJNZR1,SAMP1RET3.2.4数字滤波子程序3次采样值分别放入2CH,2DH,2EH中，取中间值存入2AH中，以备PID运算和温度标度转换使用。数字滤波子程序:FILTER: MOVR3,#02H ；循环次数LOOPC1: MOVR2,#02H ；循环次数MOVR0,#2CH ；采样值首地址LOOPC2: MOVA,@R0INCR0CLRCSUBBA,@R0JCLOOPC3ADDA,@R0 ;恢复AXCHA,@R0DECR0MOV@R0,AINCR0LOOPC3: DJNZR2,LOOPC2DJNZR3,LOOPC1MOVA,2DHMOV2AH,A ；采样中间值存于2AH

RET3.2.5温度标度变换子程序在这个控制系统中，在读入被测模拟信号并转换成数字量后，还要进行温度的标度变换，才可以将数字量转换成能够显示的数值。温度变换之程序如下:CHNTER:MOV21H,#235 ；a1存于21HMOVDPTR,#500MOV 22H,DPLMOV 23H,DPHMOV A,2AHMOV B,21HMUL ABADD A,22HMOV 24H,AMOV A,BADDC A,23HMOV 25H,ARET3.2.6键盘显示子程序键盘显示子程序如下：DISPLAY: BITP3.2BITP3.3ORG0000HAJMPJIANPORG0100HJIANP:MOVWDTCN,#0DEHMOVWDTCN,#0ADHINPUT:SETBK1MOVC,K1JCNEXT1SJMPINPUTSETBK2MOVC,K2JCNEXT2SJMPINPUTNEXT1：SETBK1MOVC,K1JNCPRESS1NEXT2：SETBK2MOVC,K2JNCPRESS2PRESS1:DECASJMPINPUTPRESS2:INCASJMPINPUTMOVA,#00HXIANS:MOVP0,ALCALLDELAYDJNZR2,XIANSSJMPDISPLAYDELAY:MOVR5,#20D1:MOVR6,#20D2:MOVR7,#248DJNZR7,$DJNZR6,D2DJNZR5,D1RET3.2.7PID算法介绍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、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。图3-6是PID控制系统：图3-6PID控制系统U(t)=Kp[e(t)+1/Tje(t)dt+TDde(t)/dt]比例(P)控制：比例控制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(I)控制：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，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。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加大，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(D)控制：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组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决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。PID控制器的参数整定：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。PID流程图及计算程序见附录n。4．系统仿真与调试分析4.1系统仿真在仿真软件proteus中，根据硬件设计方案画出仿真电路图，检查仿真电路图，并在确认无误后，开始调试。调试方面主要是软件的调试。在编程软件WAVE中把编写好的程序写入。边写边进行检查，各方面可能存在的错误。最终程序写完后，进行测试，运行正确后，把生成的“.HEX”文件，加载画好的仿真电路图中，点击运行。如果出现错误，对源程序进行修改，直至调试成功。仿真电路图见附录I。4.2系统调试按以下顺序进行调试：首先，进行单元调试，分别对铂电阻及其放大电路、模拟量输人电路、模拟量输出电路进行调试。其次，进行程序调试，首先对各子程序及中断服务子程序进行调试，然后对系统主程序和子程序进行局部联调。最后，进行系统调试，在硬件单元调试和程序调试的基础上，根据整个系统原理及接线图连接各单元组成电阻炉炉温控制系统，接着运行程序，记录各采样时刻的温度值和输出值。采用试凑法来适当调整Kp，KD和KI等参数，使系统的性能达到要求的指标。从调试过程和仿真结果来看，所得结果是否满足各项性能指标要求分析出哪些是影响炉温调节性能的主要参数：如采用PD控制时，进入PD调节温度值，电阻炉保温值,Kp，KD等参数。为改善系统的性能指标，还可以考虑采用其他的措施，如引入积分环节，或在进入PID调节之前，采用温度值经过恒速升温过程的办法’以减少超调量；再如可选用10位或10位以上的A/D转换芯片以提高采样输出精度等等，在调试过程中，建议从以下几个方面着手：进入PD调节的温度值点的选择要合适。KP选择大了，容易使输出溢出，使温度值产生震荡，增加过度时间和静态误差，严重时使系统难以正常工作；太小了虽然减少了超调量，但却增加了过渡过程时间。KD的选择，对于带纯滞后的一阶惯性环节来说，可以改善系统的指标，且选择偏大些为好。为了改善系统的性能指标还可以采用其他的方法；如选用10位或者10位以上的A/D转换芯片；引入积分环节。5．结束语当今高科技社会计算机高速发展，单片机在自动化与智能化水平有了突飞猛进的发展。而温度控制在冶金、化工等领域也起着举足轻重的作用。随着电力工业的发展，温度控制系统设计水平不断地提高和完善，其作用受到越来越多人的关注，温度控制系统的设计正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温及控温系统等高科技的方向迅速发展，它拥有着广阔的发展前景。在此之际，我选择单片机温度控制PID系统的设计，在学校指导老师辅导的关心和帮助下，和同组同学的共同努力下，我顺利完成了这次毕业设计。通过这次毕业设计，我对单片机的应用、微控控制技术、传感器技术等等好多专业知识有了更深的了解，解决了许多在学习过程中不能理解的知识，并且提高了自己理论联系实际的能力，为今后在工作中专业知识的应用积累了宝贵的经验。这次毕业设计，使我对各方面的知识有了更新，掌握了一些常用芯片的功能，懂得了AT89C51,ADC0809这些器件在实际生产中的最基础的应用，通过这次的设计也让我明白了无论学习什么知识都不可以只是一知半解，我在对论文的排版中就遇到了很多的格式问题，虽然到最后都一一得到解决，但是花费了我许多的时间。在这次毕业设计中，我也查阅了很多有关于本次设计的文献资料，在翻阅的过程中也发现自己有许多关于单片机及PID控制方面知识都有欠缺。以后我会更加努力的学习，不断提高。参考文献赵丽娟，邵欣.基于单片机的温度监控系统的设计与实现.机械制造出版社.2006胡寿松，自动控制原理.科学出版社.2007[3]边春元，李文涛.C51单片机模块设计与应用.机械工业出版社.2008[4]王幸之，钟爱琴.AT89系列单片机原理与接口技术.北京航空航天大学出版社.2004[5]乃福君，潘松峰.MCS-51单片机原理系统设计与应用.清华大学出版社徐爱钧.8051单片机实践教程.电子工业大学出版社.2006张俊谟.单片机中级教程---原理与应用.北京航空航天大学出版社.2006[8]宋彩利，孙友仓.单片机原理与C51编程.西安交通大学出版社.2008王俊杰.检测技术与仪表.武汉理工大学出版社，2002孟华.工业过程检测与控制.北京航空航天大学出版社.2002王兆安，黄俊.电力电子技术.机械工业出版社，2001[12]程安宇，孙士民，徐洋.基于DS18B20的单片机温度测量控制系统.兵工自动化.2007年第26卷第2期附录I单片机温度控制PID系统仿真电路图IF-JJC口Ifj-nrujF^rt-lfrF/J6IIP?J丘I。P/d-C-lJP/i-i-l-PXFtit附录II PID算法流程图及程序清单PID算法流程图如图1所示：图1PID算法流程图本设计采用位置式算法，计算公式为：Un=Un-1+Kp（en-en-1）+KIen+KD（en-2en-1+en-2）=Un-1+Pp+PI+PDMOVR5,31H ;给定值rnMOV R4,32HMOV R3,2AH ;采样值cnMOV R2,#00HLCALLCPL1 ；取一cn补码LCALL DSUM ;计算en=rn-cnMOV 39H,R7 ；存en（补码）

MOV3AH,R6MOVR5,35H;取kIMOVR4,36HMOVR0,#4AHLCALLMULT1