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1、温度控制系统温度控制系统控制算法的研究（硬件设计与调试）系 别：专 业 班：姓 名：学 号：指导教师：2010年 6 月温度控制系统控制算法的研究（硬件设计与调试）Research on Temperature Control System and Control Algorithm（The Hardware Design and Debugging）摘 要系统采用闭环控制原理，利用线性温度传感器LM35和双积分A/D转换器ICL7135对温度信号采集。由单片机（C8051f020）对偏差经PID运算输出PWM控制信号，控制达林顿管， 继电器的切换来实现制冷片的加热与制冷，最终实现对温度自动调

2、节，系统能实现定点恒温控制。本系统采用单片机（C8051F020）作为温度自动控制系统的控制、计算、显示的核心部件，来实现对控制系统的温度的自动控制与可调。电路由温度信号采集、温度控制、PWM变换、显示及声光指示等四部分组成。温度传感器选用线性温度/电压传感器LM35，采用TI公司生产的四位半双积分A/D转换器ICL7135读取温度值采样。然后我们利用它所采集的反馈值与目标温度进行比较后，采用PID控制算法，有效地减小系统的超调量与稳态误差，来快速地达到所要求的535的范围内的某一设定值。采用陶瓷半导体制冷片作为加热、制冷的换能元件。系统采用闭环控制原理，使用PID算法，在线调试整定其比例系数

3、KP、积分系数KI、微分系数KD，决定PWM的占空比，变换成012V的可调电压作用在制冷片的两端，通过继电器的切换，实现加热与制冷。 关键词：温度采集与变换 PID算法 PWM波输出 单片机（C8051F020） AbstractThis systems based on closed loop control theory,using linear temperature sensor LM35 and double integral A/D converter ICL7135 temperature signal acquisition. The MCU (C8051f020) opera

4、tes on the deviation of PID,send PWM control signal to control Darlington, relay switching of refrigeration chip to achieve cooling and heating function, which can control the temperature automatically,then the system can achieve fixed-point temperature control .The system adopts MCU(C8051f020) as t

5、he core part to control ,compute and display, to make the temperature of the control system adjustable and can be controlled automatically.The circuit is composed by temperature signal collection,temperature control, PWM transformation,display of sound and light etc.We select linear temperature/volt

6、age sensor LM35 combined with four semi-double integral A/D converter ICL7135 which is produced by TI company to collect temperature sample,and then compared the feedback of the collected temperature sample with the target temperature , using PID control algorithm reduce the system overshoot and ste

7、ady-state deviation effectively and quickly reach the temperatur which is in the range of 5 35 as we set before.Ceramic semiconductor chip is used for heating and cooling.This closed-loop control principle system uses the PID algorithm,debugging the proportional coefficient KP, integral coefficient

8、KI, differential coefficient KD on-line, decising the PWM duty cycle, which converted into 0-12V adjustable voltage acting on in both sides of refrigeration film . Through the relay switch, to achieve heating and cooling function.Key words:temperature acquisition and conversion PID algorithm PWM wav

9、e output MCU (C8051f020)目 录 摘 要 IAbstract 绪论 11 系统总体设计 21.1 设计要求 21.2 设计方案的设计与论证 31.2.1 控制对象分析 31.2.2 方案选择 31.3 系统总体结构 41.4 PID控制的原理 51.4.1 PID增量算法控制的特点 51.4.2 PID参数整定调试 52 系统的硬件电路的设计与实现 72.1 A/D 转换器ICL7135 72.2 PWM波变换电路的设计 82.3 制冷片的加热与制冷切换电路 82.4 键盘与液晶显示板 93 软件系统设计 103.1 PID参数工程整定法 113.2 16位脉宽调制器方式

10、 113.3 16 位脉宽调制器方式PWM输出子函数 123.4 PCA CLOCK信号 133.5 数字滤波 133.6 PID算法程序 144 系统调试与测试 154.1 温度采集部分调试 154.2 控制与采集电路调试 154.3 温度自动控制测试结果 15结 论 16致 谢 17参考文献 18附录1系统总硬件原理图 19附录2系统总硬件PCB板图 20附录3系统主程序 21绪 论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、

11、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control），推理控制等1。1 温度控制的发展及意义在现代社会中，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。2 课题的背景温度检测与控制系统在工业控制中应用广泛，像在半导体、冶金、化工等领域随处可见。温度采集与控制系统的设计对自动化专业

12、的学生而言是经典的、涵盖知识面广的题目。温度采集与控制系统是单片机系统应用、高精度检测以及控制算法的程序实现的集合。采用单片机为CPU的系统对某些控制系统的控制可以得到良好的效果。作为毕业设计的课题，它具有很强的实用性。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、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，在工业生产中如：用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉、反应炉、锅炉等，在日常生活中如：热水器、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

13、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 系统总体设计1.1 课题设计要求设计并制作一个温度自动控制系统，控制一封闭木盒内的温度（其内空间为100mm100mm100mm）。在木盒左侧面的中间开一个安装半导体致冷器件的窗口（尺寸与致冷器件一致），致冷器件的外侧面涂敷导热硅脂并加散热片, 致冷器件的内侧面也允许加散热片,但厚度不能超过20mm；在木盒顶部的中间钻两个小孔，其中一个用于插入温度自动控制单元的温度传感器，另一个用于盒内温度的检测；在木盒右侧面采用透明有机玻璃，以便观察。其温度控制对象结构示意图如图1-1所示。有机玻璃面温度传感

14、器散热片图1-1 温度控制对象结构系统装置示意图基本要求（1）温度可调节范围为535，最小设定分度为1。（2）具有温度显示功能，分辨率为0.1。 （3）当温度达到某一设定值并稳定后，盒内温度的波动控制在2以内。要求温度调控达到稳定状态时，必须给出声或光提示信号。（4）当设定的调节温差为15时, 要求达到稳定状态的调节时间小于等于3分钟，稳定状态下的温度波动在2以内。 发挥部分 （1）当温度达到某一设定值并稳定后，盒内温度的波动控制在1以内。 （2）当设定的调节温差为15时, 尽量减少达到稳定状态的调节时间，并要求超调量不超过3，稳定状态下的温度波动在1以内。 （3）能记录并实时显示温度调节过程

15、的曲线, 显示的误差绝对值小于2。 （4）其他。 本次设计的论文题目是温度控制系统的程序设计。主要涉及三个方面：控制算法的实现以及应用程序的设计；设计系统输出驱动电路的实现；单片机系统设计及将其应用于温度采集与控制系统中。围绕着实际应用的要求，重点解决：单片机应用系统中控制程序设计、系统对输出控制精度、对可靠性、稳定性的要求等方面的电路设计。1.2 方案的设计与论证1.2.1 控制对象分析：被测对象是100mm*100mm*100mm的箱体，对于温控对象，其数学模型一般可认为具有以下的传递函数形式，见式（1-1）。 (1-1) 其中，K比例系数，T时间常数，滞后时间。 由于被控制对象的非线性，

16、并且具有较大的惯性和滞后的特点，设计时采用PID控制算法，利用单片机的脉宽调制输出达到系统性能指标的要求。1.2.2方案选择(1) 单片机的选择 方案一：此方案采用单片机89C52作为系统控制核心。该单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。但由于其I/O口线较少，片内数据存储器与程序存储器有限，若扩展外部存储器，则系统较为复杂，故不选用此方案。方案二：本方案采用的单片机C8051F020作为温度自动控制系统的控制、计算、显示的核心部件。该单片机内部存储空间大，运算速度快，其内部自带PWM输出模块，可大大提高单片机的控制效率。其I/O口线较多，能处理繁杂的键盘与液晶

17、显示任务，增强了单片机对外围接口的处理能力2。故我们选用方案二。(2) 温度传感器的选择 方案一：选用数字温度传感器DS18B20，它是数字温度传感器，不需要A/D转换，使用起来方便，但其固有分辨率只有0.5，这种温度数字式的温度传感器，测量精度较差3。方案二：选用性能较好的线性温度-电压传感器LM35DZ，该传感器是温度-电压变换器，其转换关系见式（1-2）。 Vout=10mV/ * T (1-2) 其中，T为温度值，Vout是温度所对应的电压值。LM35DZ的性能如表1-1所示。 表1-1 LM35DZ性能：平均斜率10mv/(min-max)非线性0.2（0-100）负载调整率0.4(

18、25)负载电流0-1mA线性调整率0.01mv/V(25)静态电流56A（25）LM35温度传感器与7135A/D转换器配合使用，测量精度可以达到0.01。经过研究与比较后，我们选用方案二。1.3系统总体结构 在系统构建时选取单片机C8051F020作为该系统的控制核心，以实现对系统温度的自动控制与可调4。单片机通过对4 双积分A/D转换器ICL7135 所采集的反馈值与目标温度进行比较后,采用PID控制算法，有效地减小系统的超调量与稳态误差，来快速地达到所要求的535的范围内的某一设定值，最终由C8051F020产生的PWM波通过光耦隔离器件经线性变换电路产生0-12V可调电压，并通过对继电

19、器的通断调节来实现制冷片的加热与制冷，从而实现对控制对象温度的自动调节。系统总体框图如图1-2所示。 图1-2 系统总框图1.4 PID控制的原理1.4.1 PID增量型算法的特点PID增量型算法表达式见公式（1-3） U（n）=KPe(n)-e(n-1)+KIe(n)+KDe(n)-2e(n-1)+e(n-2) (1-3) 误差为e(n)=r(n)-c(n)。 其中，n第n次采样，r(n)设定温度，c(n)实际温度。当|e|c时，uk(n)=最大（Max）或最小（Min）；当0|e|100) percentage=100; if(percentage8;功能：setting_PWM（40），

20、P0.1发出占空比为40%的16位PWM波。3.4 PCA CLOCK信号 此CLOCK提供给7135双积分AD转换器，除了5个16位的通用计数器/定时器之外，C8051F020 MCU系列还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（PCA）。PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和5个可编程的捕捉/比较模块。时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入（ECI）、系统时钟和外部振荡源频率/8。每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和16位脉冲宽度调制器。PCA捕捉/比较模块

21、的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到MCU的端口I/O引脚10。在主函数内要调用 PCA_Init() 。CLOCK信号输出函数：void PCA_Init() PCA0CN= 0x40; /直接给7135加CLOCK信号 PCA0MD= 0x01; PCA0CPM0= 0x46; PCA0CPH0= 0x01; PCA0CPM1= 0xC2; /PWM波生成 EIE1= 0x08; /PCA3.5 数字滤波所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重，也即是一种程序滤波或软件滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高、稳定性好，且无阻抗匹配问题。常见的数字滤波方法有：程序判断滤波、算术平均滤波、中值滤波、惯性