单片机温度控制及PID控制程序的设计.docx
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单片机温度控制及PID控制程序的设计
河南工程学院毕业设计（论文）
单片机温度控制及PID控制程序的设计
学生姓名：
＿
系（部）：
电子信息工程系
专业：
电气自动化
指导教师：
2008年5月16日
摘要
随着生产的发展，自动化程度越来越高，热电设备对温度的控制要求也越来越高。
随着人们生活水平的提高，对日常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，既要满足了上述的要求，又要达到提高自动化品质的目的。
因此设计出此温度控制系统。
本温度控制系统的对象是一热水电磁炉的水温，深入日常生活，要求所设计的系统具有软硬件结构简单、成本低廉、可靠性高（即不易出错）等特点。
关键字:
单片机PIDA/D反馈并行I／O口
Abstract
Withthedevelopmentoftheproduction,inindustry,theequipmenttocontroltemperaturerisingdemand,aspeople'slivingstandardsimprove,theautomationofdailynecessitiesalsoahigherdemand,thecontinuousupgradingofSCM,Meettheaboverequirements,toachievethepurposeofqualitycontrol.Thetemperaturecontrolsystemistheobjectofahotwaterresistancefurnace,fordailylife,requestedbythedesignofhardwareandsoftwaresystemswithsimple,low-cost,highreliability（thatis,lesserror-prone）,andothercharacteristics.Thedesignofthesystemwhilethesecharacteristicsforthepurposeofthedesign.
Keyword:
MCUPIDA/DfeedbackLPTI/Oport
致谢17
附录118
第一章绪论
第一节引言
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，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。
在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制领域仍有近90％的回路在应用PID控制策略。
PID控制中一个关键的问题便是PID参数的整定。
但是在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。
在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。
这就要求在PID控制中，不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型，并且PID参数能够在线调整，以满足实时控制的要求。
智能控制是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级阶段，主要用来解决那些传统方法难以解决的控制对象参数在大范围变化的问题，其思想是解决PID参数在线调整问题的有效途径。
在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
本温度控制系统设计的对象是一热水电磁炉，用单片机控制对电磁炉水温的调节，达到想要的温度，要求所设计的系统具有软硬件结构简单、成本低廉、可靠性高（即不易出错）等特点。
第二节系统设计的宗旨
1.用于电磁炉的温度控制结构精简
2.尽量降低成本
3.可靠性高（抗干扰性能好）
本文将分析应用单片机中的PID调节程序对电磁炉的控制，以及其测控电路。
第二章系统概述
第一节系统简介
本系统是通过PID方法来调节电磁炉的温度，PID算法通过在MCS51中编程来实现，整个系统的框图如下：
图2-1系统结构框图
如图所示：
当整个系统启动后，通过键盘输入需要稳定的温度，同时控制程序也启动：
测温电路将电磁炉的当前温度通过A/D反馈到单片机中，即控制程序中，控制程序将当前的温度和设定值比较输出控制信号，到执行电路，以达到控制电磁炉温度的目的。
其中测量电路通过Pt100热电阻来传递温度，通过测量电路将其转换成电压信号，在通过A/D将信号输送到MCS51单片机内部，以备控制程序的使用。
而执行电路采用可控硅调节方式。
双向可控硅在50HZ交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期里改变可控硅的接通时间，就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度调节。
主程序电路图见附录1
第二节系统主要硬件简介
图2-2MCS-51引脚图
一、MCS-51系列8051单片微机简介
8051单片微机封装形式为双排直列式结构（DIP），引脚共40个。
MCS－51单片机的典型芯片是8051，其内部基本组成为：
一个8位的中央处理器（CPU），256byte片内RAM单元，4Kbyte掩膜式ROM，2个16位的定时器／计数器，四个8位的并行I／O口（P0，P1，P2，P3），一个全双工串行口5个中断源，一个片内振荡器和时钟发生电路。
这种结构特点决定了单片机具有体积小、成本低、可靠性高、应用灵活、开发效率高、易于被产品化等优点，使其具有很强的面向控制的能力，在工业自动化控制、家用电器、智能化仪表、机器人、军事装置等领域获得了广泛的应用。
二、ZLG7289A（串行接口8位LED数码管及64键键盘智能控制芯片）
ZLG7289A是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能
ZLG7289A内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码并同时具有2种译码方式参看后文此外还具有多种控制指令如消隐﹑闪烁﹑左移﹑右移﹑段寻址等。
ZLG7289A具有片选信号可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口.
A/D转换器选用A/D574。
典型应用：
仪器仪表、工业控制器、条形显示器、控制面板
三、MOC3041的介绍
光隔离/光耦合过零触发双向可控硅驱动器MOC3041系列具有体积小、寿命长、功耗小、无触点、价格低廉、无噪声、触发电路简单可靠、抗干扰能力强、输入输出完全隔离，能承受7.5KV的高压而保持良好的绝缘性能，使其工作温度在－40～＋100℃等优点，用于控制固态继电器，工业控制器，电机，螺管线卷等，具有较大的输出能力，所以在微机控制的接口系统中有广泛的应用价值。
MOC3041系列的主要性能指标：
1.输入LED典型值最大值
（1）反向漏电流0.05μA100μA
（2）正向压降1.3V1.5V
（IF=30mA）
2.输出检测器
（1）LED截止时漏电流2nA100nA
（2）LED导通时峰值电压1.8V3V
（3）破坏电压400V
3.耦合特性：
（1）LED触发电流15mA
（2）隔离电压7500V
第三章测温及控制执行电路的设计
第一节测量电路
在我们的测温度的电路中，通过pt100把所测的数据的通过电压的形式输入到单片机里面作为我们所要处理的信号，通过A/D转换器转换成数字信号，显示出来便于控制。
图3-1温度测量电路
这个就是我们这个试验所用到的测量温度的电路。
图3-1中IC1为高稳定度基准源MC1403，其输入电压范围为4.5～15V；输出电压为2.4～2.6V；温度系数为10×10-6/℃.IC2,IC3可选用低输入失调电压，低温标运算放大器ICL7650等。
这个电路中，根据运算放大器的特点及电路理论，可以得到如下的关系：
（1）
令
其中
正比于温度的变化。
解上式可得：
（2）
所以
（3）
以t=0℃时作为参考点，温度变化0℃以上时，△R＞0时;温度变化0℃以下时，△R＜0。
由于Pt100热电阻在0℃和300℃时的电阻值为：
Rt=0℃=100.00
Rt=300℃=213.79
第二节控制执行电路
一、MOC3041工作原理
MOC3041系列光隔离/光耦合过零触发双向可控硅驱动器是有砷化镓二极管通过红外发射耦合道单片硅探测器的光电器件，其硅探测器是一个具有过零触发的双向可控硅。
检测器是一个符合单片集成电路，含有两个对红外发射很敏感的反向并联的高压可控硅器件，其功能像一个光敏三端双向可控硅元件，每个可控硅的控制端和高速过零检测电路相连接，这就保证了当砷化镓二极管LED通以电流，在交流电压越过零点附近时，检测器转换状态（即导通）。
这样不仅保证了低的噪声和低的浪涌电流流过负载，也提高了检测电路的抗干扰能力。
基本驱动电路如下图3-2所示：
图3-2基本驱动电路
由图3-2可知，当加到砷化镓二极管LED的电流IFT=0时，电源电压加在功率可控硅和可控硅驱动器的阳极和阴极之间，若在二极管LED中引入足够的电流IFT，则可控硅驱动器处于导通状态，向功率可控硅提供一个触发电流，使功率可控硅导通。
功率可控硅一旦导通，其阳极和阴极之间的压降将降低，这将导致可控硅驱动器的输出电流降低，甚至降到低于它的维持电流，迫使可控硅驱动器进入关断状态。
由于可控硅驱动器中过零触发电路的作用，当电源电压降至零伏附近时，过零触发电路产生一电流信号，如上右图波形所示，这种情况每半个周期出现一次，所以可控硅驱动器的实际工作周期是很短的，只有几微秒。
若IFT仍存在，则功率可控硅在每半个周期内被重新触发一次，所以功率可控硅导通。
直到IFT=0时，由可控硅的特性可知，这时功率可控硅不是立即关断，而是当电源电压倒0V附近，功率可控硅电流才为零，才被关断。
二、执行电路
本控制执行电路就是根据MOC3041采用可控硅调节方式，由单片机输出控制脉冲信号到执行电路，改变双向可控硅的导通时间来控制输出的功率，以达到调节温度的目的。
图3-3执行电路
晶闸管作为一种可靠的控制元件，广泛地被作为各种控制系统地执行元件。
晶闸管是一种大功率地半导体器材，具有弱点控制，强点数出地特点。
数字系统输出地触发脉冲通常经光电耦合器隔离后，加到晶闸管上。
用于触发双向晶闸管，不需要另外的触发电源，而是利用双向晶闸管的工作电源作为触发电源。
MOC3041是双向晶闸管输出型的光电耦合器，输出端的额定电压为400V，最大输出电流为1A，最大隔离电压为7500V，输入端控制电流小于15mA。
当SN74F08D输出低电平时，MOC3041的输入端有电流流入，输出端的双向晶闸管导通，触发外部的双向晶闸管KS导通。
反之，MOC3041输入端的双向晶闸管关断，外部双向晶闸管KS在外部电压过零后也关断。
第四章采用PID控制算法的原因
第一节PID控制器的应用
当前绝大多数生产过程的自动控制系统中采用的自动控制装置，不论它是气动、电动电子的、液动的、还是可编程的、微机型的、尽管它们的结构不同，但是它们具有的控制规律都是比例、积分和微分规律（即PID控制规律），故称之为PID控制器。
在生产过程自动控制的发展过程中，PID控制器是历史最久、生命力最强的基本控制装置。
除在最简单情况下一些场合采用开关控制外，PID控制器基本上占据了统治地位。
PID控制器具有以下优点：
1.原理简单，应用方便。
2.适应性强。
已经广泛应用于电力、机械、化工、热工、冶金、建材和石油等各种生产部门、即便是目前最新发展的过程计算机控制系统，其基本的控制规律仍然是PID控制规律。
3.鲁棒性强。
即其控制品质对受控对象特性的变化不敏感。
这个优点是很重要的。
因为大多数受控对象在受到外界扰动时，尤其是当外界负荷变化时，受控对象的动态特性往往会有较大的变化。
为了满足要求的控制性能，就需要经常改变控制器的参数，这是很麻烦的。
如果控制器的鲁棒性好，就无需频繁地改变控制器的参数。
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。
反馈理论的要素包括三个部分：
测量、比较和执行。
测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。
这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。
PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其输入e（t）与输出u（t）的关系为
（4）
因此它的传递函数为：
（5）
它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ki和Kd）即可。
在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
首先，PID应用范围广。
虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
其次，PID参数较易整定。
也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。
如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
其次，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。
在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。
由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。
PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。
现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。
在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：
第二节PID调节温度的分析
一、温度控制的基本方法
本系统执行电路采用可控硅调节方式。
可控硅调节方式一般有两种。
一种是移相法:
其原理是通过调节可控硅的触发相位的相位角达到对电压的调节，这个电压是指有效电压，直观上就是对一个正弦波形的前边切掉一块，用不同的切割位置以保留剩余的面积。
另一种是控制时间比例的方法。
即在给定周期里改变可控硅的接通时间，就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度调节。
图4-1输出功率与通断时间的关系
本系统采用第二种方法。
详述如下：
本系统设定一个标准的加温周期，为2分钟，我们就在这个两分钟周期内对输出进行控制，也就是说在这个2分钟内加温多少时间，全速加温就是连续整个周期（2分钟）都加温，当然停止加温就是完全不输出，根据我们的计算可以让加温时间在0～2分钟内变化，比如计算所得我们在这一个周期内应该加温1分钟30秒，经过两分钟以后再测量被加温物体的温度，通过计算我们应该加
温1分28秒，当然这里除了加温以外的时间就是不加温，等待下一个周期到来，再进行实际测量计算下一个周期我们的输出量，周而复始，不断地修正我们的输
出量，以达到对温度的有效控制。
也就是说把一个周期分成若干份，例如1/2，1/4等等这样的，根据反馈数据的大小来选择在具体的导通的时间，从而控制电阻炉的加热功率，以达到调节温度的目的。
但是在程序内部一般不是用时分秒来计算的，因此，为了对应程序处理上的方便，就要使用单片机的一个定时器用于系统全部时钟，例如显示刷新、键盘扫描等，相对于单片机的计算来说，温度的控制周期比较长，所以对2分钟（电阻炉温度控制周期为2分钟）进行细分，将每分钟进行100等分，则两分钟就是200等分，这样就达到了200个输出等级了，这样的输出比例已经足够细里。
取200得另一个好处是，对应于MCS51的8位单片机刚好可以在一个字节内进行运算，程序简单运算速度快。
当需要改变定时周期时，有些不同的加热对象，例如对较大热惯性的加热对象是，可能2分钟周期太短路，我们可以通过修改基本定时常数的办法来实现，而保持200等分不变。
对2分钟进行200等分，则基本单位是T=60*2/200=0.6ms，这对于单片机来说太长了，因为如果我让我的定时器做到这么慢的定时周期就干不了别的事了，为了显示、键盘等的处理一般我们定时在5－10ms，所以就需要另外设定一个变量tTemp1在每一个定时中断发生时对tTemp1计数。
例如：
本系统的定时器的定时常数对应于10ms，则设定tTemp1在达到60的时候才确认是达到600ms了，才作为一个基本的输出时间单位。
对应于总周期的修改，200等分可以不用修改，而只要修改变量tTemp1的判断边界就可以了，例如对应于2分钟时是60，则在3分钟为周期时边界改为90就行了，定下了基本控制时间分辨率以后，其计算就可以不用改变了。
二、PID参数的确定
PID的三个基本参数Kp，Ki，Kd，一般是通过试验的方式来确定的，根据我们的实际工作对象去初步确定，然后在实际运行过程中进行调节，以便达到相对比较理想的效果。
本系统以比例调节为基础，微分、积分为辅，我们所设定得PID三个参数是根据参考书籍上的“常见控制系数PID参数经验选择范围”中的温度参数，其中Kp为1.6～5，Ti（分）为3～10，Td（分）为0.5～3。
第三节抗干扰的设计
一、产生干扰的原因以及结果
干扰可以沿着各种线路侵入单片机系统，也可以以场的形式从空间侵入，干扰作用在单片机的输入系统可以使模拟信号失真、数字信号出错；干扰作用在单片机的输出系统可以使各输出信号混乱，不能正常反映单片机系统的真是输出量；干扰作用在单片机系统的内核可以使CPU芯片内部逻辑发生混乱，有可能导致取操作码变成了取操作数，发送出错误的地址值，读取到错误的数据或指令，寄存器值发生变化，产生错误的跳转等现象。
译码器或存贮器因干扰而发生逻辑混乱时，CPU将取到错误的指令和数据，或把数据写到错误地址的单元。
在CPU取指令周期中，如果数据线和地址线受到干扰而出错将导致CPU取到错误指令；印制板线路及各连接线因干扰而产生信号叠加时也会导致CPU读取到错误的指令和数据。
因干扰而出现系统失控的原因很多，但大都可以归结为程序计数器PC的内容发生了变化，引起程序“跑飞”，CPU执行一系列错误的指令从而导致系统失控。
由于干扰的随机性，对MCS51单片机来说，PC的值被改变后，可能志向64KB空间中的任意位置。
根据PC“跑飞”后的不同运动轨迹，可将其分为：
（1）PC可能指向系统未使用的存贮器空间；
（2）PC可能指向程序区或数据区。
当PC指向系统未使用的存贮器空间时，CPU将把该地址处的随机数据当作指令，导致CPU执行错误的指令；当PC指向程序区时，即使指向某一指令的操作码，也不是本应执行的哪条指令的操作码；如果PC指向数据区和程序区的操作码时，CPU就会把数据或操作数误以为是操作码。
可见，一旦PC“跑飞”,在其错误的引导下，CPU可能会一错再错，执行一系列的错误指令，发出错误的控制命令，导致系统失控，CPU在执行错误的指令的过程中，可能会破坏数据区、专用寄存器内容、堆栈指针等等。
二、抗干扰的措施
在应用中，因PC“跑飞”而引起系统失控的后果是严重的，对于本系统的而言可能是不能控制电磁炉，导致干锅等现象。
因此必须尽可能早地发现并及时将PC的值拉回，这就要求失控后具有快速自恢复的能力。
针对本系统的设计宗旨，将采取一下抗干扰措施：
1、利用指令冗余技术的软件抗干扰措施
当PC受干扰而指向程序区时，可采用指令冗余技术使PC纳入正轨。
当“跑飞”道某一条单字节指令上时，便可自动纳入正轨；当“跑飞”道某一条双字节指令上时，有可能落到其操作数上，从而继续出错；当PC“跑飞”道某一条三字节指令上时，继续出错的机会更大。
因此，因该多用单字节指令，并在关键的地方人为的插入一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重写。
这便是指令冗余。
（1）NOP的使用
在双字节指令和三字节指令之后插入两条NOP指令，可保护其后的指令被完整地执行而不被拆散，从而使程序走上正轨。
为了不明显降低程序正常运行的效率，不可能在程序中加入太多的冗余指令。
因此，常在一些对程序流向其决定作用的指令（如RET、RETI、LACALL、LJMP、JC、JNC、DJNZ等等）和某些对系统工作状态至关重要的指令（如SETB、EA等等）之前插入两条NOP指令，确保正确地执行。
（2）重要指令冗余
上述插入NOP的方法有一个缺陷，即未对错误的状态、数据、控制字等进行修正，这有可能造成新的错误。
这就要求在那些对程序流向起决定作用的指令（如RET、RETI、LACALL、LJMP、JC、JNC、DJNZ等等）和和某些对系统工作状态至关重要的指令（如SETB、EA等等）后面，在写上同样的指令，当前面的指令遇到干扰而失效时，在大多数情况下，后面的指令执行可使程序的运行不受干扰的影响。
由以上可以看出，采用冗余技术使PC纳入正轨的条件是：
“跑飞”的PC必须指向程序区，且必须执行到冗余指令，在PC“跑飞”到纳入正轨的这段时间内，CPU可能已经错误地改动了数据区（如数据表格区等）。
2、数字滤波技术
数字滤波就是一种滤除或削弱随机干扰的有效方法，它具有灵活，方便，价廉，可靠性高，滤波频率范围广等特点，已经广泛应用于各种微机系统中。
数字滤波技术一般以下几种：
算术平均值法，滑动平均值法，防脉冲平均值法，低通数字滤波，等等方法。
本系统采用中值滤波法,就是连续三次取样,取中间值作为本次采样值.
图（9）数字滤波程序流程图
三次采样值分别放于2C,2D,2E中,取中间值放在累加器A中,同时也转放在2AH单元内,以备进行温度标度转换用.此方法不仅可以滤除干扰，还可以提高系统的准确性。
第五章分析与结论
通过此项设计的分析可得到如下结论：
普通PID调节在一般性的应用中是行之有效的控制方法，尤其结合运算速度快、体积小、价格低廉的8位MCS51单片机,可以做出可行、可靠性强的自动控制产品。
在单片机应用环境不是很恶劣的地方，利用软件抗干扰也可以达到精度不高的要求，而且，节省了硬件资源，降低了产品设计成本，有助于产品的推广、民用化。
本系统的设计尽量简化电路，提高软件质量，所设计之软件经过专用单片机程序调试软件WAVE的反复调试，没有任何错误。
系统的不足之处：
按照常规，电磁炉温度控制系统的设计前，应当先通过实验测出炉温变化规律，即炉温的温度－时间关系变化，还有温度－电压的关系变化，但由于实验条件不足，无法实现，因此，本设计中，应用数据均为根据参考书籍得知的经验数据。
参考文献
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[7]刘大茂：
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上海交通大学出版社，2000
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北京航空航天
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