基于单片机的温度控制系统.docx
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基于单片机的温度控制系统
学校代码学号
分类号密级
本科毕业论文（设计）
（论文题目）
学院、系电子信息工程系
专业名称电子信息科学与技术
年级2009
学生姓名
指导教师
年月日
独创声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一三年六月日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一三年六月日
急于单片机的温度控制系统的设计
摘要
温度是科学技术中最基本的物理量之一。
在工业生产和实验中，像电力、石油、化工、冶金、航空航天、粮食储存、酒类生产等领域，温度往往是表征对象和过程状态的最主要的参数之一。
本论文首先对国内外温度测控技术的现状做了介绍，包括温度检测技术的发展与创新，目前常用的检测方法和课题的目标；然后对课题所用的主要芯片和元件做了简单的介绍，阐述了课题的设计方法和原理；在论文的第三部分介绍了课题的硬件设计原理；第四部分讲述了软件的设计；最后对本课题做了总结和展望。
关键词：
单片机，PID，温控器
DesignofTemperatureControlSystemBasedon
Microcontroller
Abstract
Limenghao
Yinyuzhong
WithTemperatureisoneofbasicalphysicalquantitiesinthescienceandtechnology.Intheindustrialproductionandtheexperimentalstudy,liketheelectricpower,thepetroleum,thechemicalindustry,themetallurgy,theaerospace,thegrainsaves,wineproductionandsoon,thetemperaturefrequentlyisoneofthemostimportantparameterswhichshowobjectandprocesscondition.
Firstofalldomesticandinternationalpapersonthestatusofthetemperaturemonitoringtechnologymadeabrief,includingtemperaturedetectiontechnologydevelopmentandinnovation,thecurrentdetectionmethodcommonlyusedbythegoalsandtasks;thenthemainchipwhichandprincipleofdesignandmethod;thethirdpartintroducedthetopichardwarepartdesign;thefourthpartnarratedthesoftwaredesignmethodandtheprocess;intheend,wemakethesummaryandoutlookaboutthepaper
Keywords:
Microcontroller，TemperatureControlSystem，PID
目录
第一章绪论1
1.1研究背景与目的1
1.2温度测控技术的现状1
1.2.1PID线性温控法2
1.2.2智能温度控制法2
1.3系统总体设计2
1.3.1系统硬件分析2
1.3.2系统软件分析3
1.3.3本课题要求3
第二章硬件设计4
2.1硬件总体框图4
2.2主控模块设计4
2.2.1单片机介绍4
2.2.2复位电路和时钟电路5
2.3输入通道设计6
2.4输出通道设计9
2.4.1恒温箱的功率调节9
2.4.2可控硅输出电路9
2.5保护电路10
2.6串行通信接口电路10
2.7硬件抗干扰措施11
第三章软件设计12
3.1软件组成12
3.2主模块12
3.3数据采集模块13
3.4数字滤波14
3.5软件抗干扰措施15
第四章控制方案16
4.1PID控制16
4.1.1PID控制的发展16
4.1.2PID控制理论16
4.1.3PID的控制算法17
4.2恒温箱数学模型分析19
4.3PID的MATLAB仿真20
第五章展望22
主要参考文献23
致谢24
附录一25
附录二27
第一章绪论
1.1研究背景与目的
温度在我们的日常生活和工业生产中重要的参数之一，它表征物体的冷热程度。
自然界大多化学和物理过程都与温度息息相关。
在工业生产中，温度的测量和控制直接影响着产品的质量、生产成本、生产安全指数等重要的指标。
因此，温度的测量和控制在国民经济的各个领域中都受到了相当的重视。
温度的测量技术已经相对成熟，然而要想控制受控对象的温度则没有那么简单，因为系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也很难精确计算，因此温度控制是温控器中的技术难点，特别是随着现代工业的发展，在很多工业过程中对温度的要求精度很高。
另外，在实际的工作环境中升温比降温要容易的多，对温度的控制要求比较高的情况下，特别是隔温效果好的系统里，温度一旦过冲，很难把温度降下来。
这是因为很多装置中，只有加热环节而没有冷却环节，同样，如果只有冷却环节，而没有加热环节，温度过低也会影响控制的效果，基于经济性原则，在装置中设计加热环节比设计冷却环节更加合理。
计算机的出现，使工业过程控制变得简单快捷了许多，在大型的工业控制中应用很多，然而不对小型的系统，用计算机控制的经济代价过高，所以单片机因成本低廉，在小型的控制系统中比较合适。
基于上述的特点，对相应的控制精度，相应的控制环境下，基于单片机的温控器有不可替代的作用。
1.2温度测控技术的现状
在实际的工作环境下，如果快速准确对温度进行采样，如何保证数据的正确传输，并对所测温度进行较精确的控制，仍然是目前需要优化解决的问题。
在温度检测技术中，接触式测温发展较早，其优点为：
可靠、简单、低廉、精确度较高，一般能测得真是温度，但由于测量原件热惯性的影响，响应时间较长，不适合测量带腐蚀性的环境，难以测量远动的物体和热容量较小的物体。
另一种非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来反应温度值，其优点为：
可以测量运动和热容性小的物体，不破坏测量现场，响应速度较快，但其测量误差大，装置复杂，价格昂贵。
因此，要根据不同的测量环境，以经济实用为原则来选择测量方法。
温度控制技术按控制目标不同可以分为恒值温度控制和动态温度跟踪。
恒值温度控制是使被控对象的温度恒定在设定的温度值下，并且波动不得超过允许的范围。
动态温度跟踪是使温度按照预先设定好的温度曲线变化，例如化学反应过程控制，发酵过程控制等。
本课题基于单片机的恒值温度控制，所以我们将先讨论下恒值温度控制。
1.2.1PID线性温控法
PID是最早发展起来的控制方法之一，因为其算法简单，鲁棒性好等优点被广泛应用。
其具体控制电路可以通过模拟电路实现，也可以通过计算机软件方法实现，数字PID因其灵活方便被广泛使用，其控制效果的好坏取决于比例值、积分值、微分值。
但当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也要改变，否则控制精度没法保证。
1.2.2智能温度控制法
智能温度控制法以模糊控制和神经网络为理论基础，实现智能控制和PID控制的结合。
尤其是模糊控温法在实际应用中得到了广泛的应用。
目前高精度的温控器大都基于这种温控法，使误差控制在较小的范围内。
现在国内的温控仪相比国外还存在较大的差距，主要差别在于控制方法方面。
1.3系统总体设计
1.3.1系统硬件分析
硬件电路一般采用单片机和模拟电路两种形式。
模拟电路的控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路等外围电路元件组成。
由于本课题的温度变化是个缓慢的过程，实时性要求不高，模拟电路响应快的特点得不到体现，另外，靠元器件的电气关系实现控制算法较难。
单片机是把中央处单元CPU、ROM、ARM、定时∕计数器、I∕O输入输出接口电路等集成在一块集成芯片上的微型计算机[1]。
它具有价格低廉、运行稳定、速度快、体积小、应用广泛等优点，由此看见，采用单片机来设计控制系统，不仅价格低廉，而且控制算法由软件实现，具有可移植性。
片上系统（SOS）通常有个微处理器核，同时，还有很多特殊功能的外围模块和一定规模的存贮器，这种系统因为有用户自定义模块，使功能非常强大得到了广泛的应用。
对于温度控制系统，用片上系统最好，但其价格昂贵，并且封装形式不利于电路板的搭建，从经济性和供货渠道考虑，本课题采用单片机最合适。
目前市面上的单片机种类繁多，性能方面各有所长。
本课题采用AT89C52单片机，另外选择外围扩展芯片上，本着经济性原则，尽量选取典型的，易于扩展和替换的芯片和元件。
1.3.2系统软件分析
单片机的开发语言基本有两种，一种是汇编语言，一种是c语言，c语言的特点有:
（1）具有结构化控制语句
（2）适用范围大和可移植性好
1.3.3本课题要求
综上所述，本课题设计的温度控制器应该具有以下特点：
（3）能够对恒温箱进行实时的温度测量，并且能通过LED显示出来。
（4）模块化设计，安装拆卸简单，维修方便。
（5）通过控制面板人为的设置预定的温度值，系统能检测并自动加热到设定的温度。
（6）具有加热保护功能的安全性要求。
（7）系统可靠性高，不易出故障。
（8）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。
第二章硬件设计
2.1硬件总体框图
本文的控制系统分为单片机主控模块、输入通道、输出通道、保护电路等。
硬件总体框图如图2-1，由图可见，单片机采用AT89C52，并扩展外围存贮器构成主控模块，温度由热敏电阻测得，并转换成电压弱信号，通过16位的A∕D转换模块AD7705转换成数字量。
该数字量经过数字滤波后，一方面通过控制面板的显示器现实出来，另一方面，该温度值预设定的温度值比较，PID根据偏差值大小运算，控制可控硅的
占空比，进而控制电压的输出平均值，达到控制温度的效果。
图2.1硬件总体框图
2.2主控模块设计
2.2.1单片机介绍
AT89C52单片机是ATMEL公司生产的与51单片机完全兼容的一款低功耗、性能高的8位CMOS微控器。
其片内闪电存储器的编译与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程∕擦除速度快。
AT89C52的引脚如图2-2[2]，其特点有：
（1）3个16位定时∕计数器
（2）内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器，容量8KB，内部存储器容量256字节。
（3）可利用两个I∕O口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程设定。
（4）6个中断源，分为两个优先级，每个中断源的优先级都是可编程的。
（5）内部有个可位寻址组成的布尔处理器，在指令系统中包含了一个指令子集，专门用于对布尔处理机的各位布尔处理，适用于控制目标和解决逻辑问题。
图2.2单片机引脚
2.2.2复位电路和时钟电路
单片机的复位由外部的复位电路实现的。
在单片机的复位引脚RST上保持两个机器周期的高电平就能使AT89C52复位。
复位电路的接法很多，本课题采用上电复位和手动复位键复位相结合的方式。
AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
输入端和输出端分别为XTAL1和XTAL2。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体振荡器构成自激振荡器，本系统晶体振荡器的频率为11.0592MHZ，原因是可以方便的获得标准的波特率。
图2.3复位电路和时钟电路
2.3输入通道设计
输入通道的作用是将恒温箱的温度通过传感器电路转化为电量输出，本系统将信号转化为电压。
由于此时的电量还是单片机无法识别的模拟量，所以还需要A∕D转换器，即将模拟量转化成对于的数字量，提供给单片机的判断和控制。
A∕D转换器的性能参数：
（1）分辨率表示对输入信号的分辨能力。
（2）转换误差实际输出的数字量和理论上输出的数字量之差。
（3）线性度实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏差
（4）转换时间从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字输出信号为止所用的时间。
AD7705是AD公司生产的一款转换器，它包括缓冲器和增益放大器组成的前端模拟调节电路、∑-△调制器、可编程数字滤波器组成。
AD7705增益和输出更新率均可编程实现，还可选择自校准和系统校准方式以及输入模拟缓冲器。
工作电压3V或5V，当3V时，器件的最大功率损耗才为1mW，部分引脚图如图2-4[3]
图2.4AD7705
（1）SCLK串行时钟，将一个外部的串行时钟加于这个端口，用于访问串行数据。
（2）MCLKOUT,当主时钟为晶体／振荡器时，晶体／振荡器时被接在MCLKOUT和MCLKIN之间，如果在MCLKIN引脚上接外部时钟，MCLKOUT将提供一个反向时钟。
（3）MCLKIN为转换器提供主时钟信号，能以晶体／振荡器或外部时钟的形式提供。
（4）CS片选信号，低电平有效
（5）AIN2（+）分差模拟输入通道2的正输入端
（6）AIN1（+）分差模拟输入通道1的正输入端
（7）AIN2（-）分差模拟输入通道2的负输入端
（8）AIN1（-）分差模拟输入通道1的负输入端
（9）REFIN（+）分差基准输入的正输入端，基准输入是差分的，并规定REFIN（+）必须大于REFIN（-），REFIN（+）可以取VDD和GND之间的任何值。
（10）DOUT串行数据输出端，从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端口输出。
根据通信寄存器中的寄存器选择位，移位寄存器可以容纳来自通信寄存器和时钟寄存器或数据寄存器的信息。
（11）DIN串行数据输入端，向片内的移位寄存器写入串行数据由此输入。
A／D转换电路如图2-5所示，其中，AD7705的SCLK信号接AT89C52的P1.2引脚；复位信号RESET接AT89C52的P1.3引脚；DRDY接P1.1引脚；DOUT串行数据输出端接P1.0脚；AIN1（+）分差模拟输入通道1的正输入端接到CD4051的3脚；CD4051接热敏电阻传感器。
这样实现了对不同输入通道的温度采集和A／D转换,通道选择电路如图2-6所示。
图2.5A/D转换电路
图2.6通道选择电路
2.4输出通道设计
2.4.1恒温箱的功率调节
恒温箱的功率调剂采用可控硅来实现调节，可控硅的控制方式有相位控制盒零位控制。
（1）相位控制改变正弦波的导通角来控制电压的大小，从而调节输出电压和功率的大小。
相位控制的可控硅调压又叫作调压器，应有在电炉温度控制，异步电机降压软启动等场合。
（2）零位控制在设定的周期内，控制可控硅在几个周期内开通，在几个周期内关断，通过改变开通和关断的周期，实现输出功率的控制。
它多用于大惯性加热器负载，不仅能现实温度控制，还能削减谐波对电网的污染。
2.4.2可控硅输出电路
可控硅又称为晶闸管，在微机控制系统中，作为功率驱动器件。
可控硅有无触点、寿命长等优点，广泛应用在交流电机调速调功等系统。
双向可控硅和单向可控硅的区别：
（1）触发前双向导通。
（2）控制极的触发信号要求不高，无论正信号还是负信号都可以使其导通。
本课题的驱动器采用与晶闸管配套的MOC3041光电耦合双向可控硅驱动器，与普通驱动器的不同之处是MOC3041的输出部分硅光敏双向可控硅，带有过零触发检测器，电压接近零时能够可靠触发导通[4]。
2.5保护电路
当热敏电阻传感器测得的温度和之前设定的温度经过LM339比较后，如果有过电压的现象，则输出一个低电平，这个低电平使光电耦合器输出低电平，进而控制继电器，关断加热电阻，实现对恒温箱的保护[5]。
图2.7保护电路
如图2-7，电路中达林顿管TIP122是个电流驱动型器件，作用是提高继电器的励磁电流。
继电器两端的二极管作用是续流，当达林顿管关断后，继电器也关断，因为继电器是阻感负载，电流不能突变，所以需要二极管续流。
因为这个电流很大，如果不加续流二极管，可能把三极管击穿。
2.6串行通信接口电路
通用的串行数据接口标准有RS-485、RS-422、RS-232.其中RS-232是应用最广泛的，用于实现计算机和计算机，计算机和外部设备的数据传输。
接口电路应该能实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务，具体任务：
（1）控制数据传输速率
（2）错误检查
（3）进行串-并转换
（4）提供RS-232接口标准所需要的信号线。
系统设计采用RS-232接口芯MAX232，这是一种标准的接口芯片。
需要+5V电源供电，内部电压变化为+10V，该芯片有两路收发器，可以将单片机输入的TTL/CMOS电平转换为RS-232电平给PC机。
系统串行通信电路如图2-8
图2.8串行通信电路
2.7硬件抗干扰措施
硬件的抗干扰一般从防和抗两方面入手，总得原则是抑制或消除干扰源，降低系统对干扰的灵敏性，切断干扰信号的通道。
本设计的具体措施有[6]：
（1）接地接地时，数字地、模拟地、屏蔽地应该分布合理，不能混用。
尽量使各自接地回路单独回流，减少电路与地线间的电流耦合。
（2）滤波电源的干扰源主要是高次谐波。
无源滤波器是个简单的，有效的低通滤波器，它只让基波通过，抑制高次谐波的流通。
（3）隔离主要用于过程通道的隔离。
光电耦合器能抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，提高信噪比。
第三章软件设计
在微机系统中，软件和硬件一样重要，如果硬件是系统肢体的话，那么软件就是系统的灵魂。
系统硬件设计好后，功能实现还要有软件来实现，为了满足系统要求，软件编译要注意一下几点：
（1）实时性要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出结果。
今年来，硬件集成和运算速度的提高，加上好的软件编译，实时性比较容易满足。
（2）准确性系统进行一定量的运算，算法的正确性和准确性对结果有很大的影响。
（3）可靠性能稳定运行的系统，抗干扰技术的应用是不可缺少的，最起码的是软件出干扰异常时，能自行恢复。
（4）易理解性、易维护性为了满足次要求，结构化设计是最好的一种设计方式，它是由整体到局部，由局部到细节，逐层细分，逐个实现。
3.1软件组成
为了编写、调试、修改方便，本设计的软件编制采用了模块化设计，也就是控制软件由许多小模块组成，他们通过软件接口连接，按功能形成模块结构。
系统软件由数据采集模块、数据处理模块、控制算法模块、主程序模块等组成。
主模块的作用是为其他模块搭建框架和初始化；数字采集的作用是采集A/D转换器需要的数字量并存储在存储器中；数据处理模块是为了对采集的数据进行运算处理，主要是数字滤波。
控制模块主要是完成PID运算和输出控制量。
3.2主模块
主模块的作用是上电后构造系统软件框架和初始化，初始化包括对单片机的初始化、串行口的初始化、A/D芯片的初始化等。
然后设定好系统温度，判断系统运行键是否按下，系统运行后，调用各个子模块，循环控制知道系统停止运行。
3-1为系统主程序流程图
图3.1系统主程序流程图
3.3数据采集模块
数据采集模块的作用是温度信号的采集和把采集的模拟信号通过A/D转换器转换成单片机识别的数字量。
图3-2和3-3是程序流程图
图3.2数据采集流程图图3.3A/D转换流程图
3.4数字滤波
数字滤波是数据处理模块最主要的任务，采集一次模拟量无法保证结果的可信性，一般要进行多次采用，通过A/D转换，得到一个数据列，从数据列中提取逼近真值的算法叫做数字滤波算法。
数字滤波算法大体有程序滤波算法、中值滤波法、算数平均滤波法、一阶滞后滤波法、去极值平均滤波法。
本课题采用去极值平均滤波法，即对目标参数连续采样六次数据，然后由小到大对数据排列，去掉最大值和最小值，然后剩下的四个数求其算数平均值[7]。
图3-4为去极值平均滤波程序流程图。
图3.4去极值平均滤波流程图
3.5软件抗干扰措施
软件的抗干扰从两个方面入手：
（1）按键的软件消抖措施按键是一个机械开关，所以有抖动性，消抖的措施有两种：
一种是用RC滤波电路滤除抖动；另一种是软件延时的方法来解决，即利用软件的延时避开闭合和断开开关的抖动时间。
（2）数字滤波就是将一组输入数字序列进行一定的运算后输出另一组数字序列的方法。
采用软件滤波可靠性高，不需要增加硬件设备，但需要占据一定的处理运算时间。
第四章控制方案
4.1PID控制
4.1.1PID控制的发展
PID是最早的控制方式之一，它产生发展于1915-1940年期间，虽然后来很多先进的控制方式产生，但因PID的控制方法鲁棒性好、结构简单、可靠性高、参数易于整定，三个参数的控制环节独立，而且应用时间较长，人们掌握了大量的控制参数调节的经验，所以PID在工业中的应用依然很广泛[8]。
4.1.2PID控制理论
PID是线性控制器，它的偏差由给定值和实际输出值构成：
（4-1）
PID控制系统原理如图4-1
图4.1PID控制流程图
用传递函数表示的控制规律为：
（4.2）
式中
:
比例系数
:
积分时间常数
:
微分时间常数
PID控制器各个矫正环节的作用：
（1）比列环节即时成比例的反应误差信号e（t），偏差一旦出现，控制器立即作用，减小误差。
（2）积分环节减小静态误差，提高系统无差度，积分作用的强弱取决于积分常数。
（3）微分环节反应偏差信号的变化趋势，能在偏差信号变的太大前，向系统中输入修正信号，从而加快系统作用速度，减小调节时间[9]。
4.1.3PID的控制算法
计算机只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，式4-2中的积分微分值不能直接使用，而是要经过离散化处理。
让T为采样周期，以一组采样时刻点KT代表连续时间t，以累加求和代替积分，以一阶后向差分代替微分，近似变换如下：
（4.3）
（4.4）
（4.5）
将4.4和4.5带人4-2可以得到离散的PID表达式：
（4.6）
在4-6的表达式中，令
（称为积分系数）
（称为微分系数）
则
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