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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）
ResearchonTemperatureControl
SystemandControlAlgorithm
（TheHardwareDesignandDebugging）
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5℃～35℃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KP、积分系数KI、微分系数KD，决定PWM的占空比，变换成0—12V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）
Abstract
Thissystemsbasedonclosedloopcontroltheory,usinglineartemperaturesensorLM35anddoubleintegralA/DconverterICL7135temperaturesignalacquisition.TheMCU（C8051f020）operatesonthedeviationofPID,sendPWMcontrolsignaltocontrolDarlington,relayswitchingofrefrigerationchiptoachievecoolingandheatingfunction,whichcancontrolthetemperatureautomatically,thenthesystemcanachievefixed-pointtemperaturecontrol.
ThesystemadoptsMCU（C8051f020）asthecoreparttocontrol,computeanddisplay,tomakethetemperatureofthecontrolsystemadjustableandcanbecontrolledautomatically.Thecircuitiscomposedbytemperaturesignalcollection,temperaturecontrol,PWMtransformation,displayofsoundandlightetc.Weselectlineartemperature/voltagesensorLM35combinedwithfoursemi-doubleintegralA/DconverterICL7135whichisproducedbyTIcompanytocollecttemperaturesample,andthencomparedthefeedbackofthecollectedtemperaturesamplewiththetargettemperature,usingPIDcontrolalgorithmreducethesystemovershootandsteady-statedeviationeffectivelyandquicklyreachthetemperaturwhichisintherangeof5℃~35℃aswesetbefore.Ceramicsemiconductorchipisusedforheatingandcooling.Thisclosed-loopcontrolprinciplesystemusesthePIDalgorithm,debuggingtheproportionalcoefficientKP,integralcoefficientKI,differentialcoefficientKDon-line,decisingthePWMdutycycle,whichconvertedinto0-12Vadjustablevoltageactingoninbothsidesofrefrigerationfilm.Throughtherelayswitch,toachieveheatingandcoolingfunction.
Keywords:
temperatureacquisitionandconversionPIDalgorithmPWMwaveoutputMCU（C8051f020）
目录
摘要I
AbstractⅡ
绪论1
1系统总体设计2
1.1设计要求2
1.2设计方案的设计与论证3
1.2.1控制对象分析3
1.2.2方案选择3
1.3系统总体结构4
1.4PID控制的原理5
1.4.1PID增量算法控制的特点5
1.4.2PID参数整定调试5
2系统的硬件电路的设计与实现7
2.1A/D转换器ICL71357
2.2PWM波变换电路的设计8
2.3制冷片的加热与制冷切换电路8
2.4键盘与液晶显示板9
3软件系统设计10
3.1PID参数工程整定法11
3.216位脉宽调制器方式11
3.316位脉宽调制器方式PWM输出子函数12
3.4PCACLOCK信号13
3.5数字滤波13
3.6PID算法程序14
4系统调试与测试15
4.1温度采集部分调试15
4.2控制与采集电路调试15
4.3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、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（ExpertControl），鲁棒控制（RobustControl），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100mm×100mm×100mm）。
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5℃～35℃，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，τ—滞后时间。
由于被控制对象的非线性，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1-1LM35DZ性能：
平均斜率
10mv/℃（min-max）
非线性
±0.2℃（0-100℃）
负载调整率
±0.4℃（25℃）
负载电流
0-1mA
线性调整率
±0.01mv/V（25℃）
静态电流
56μA（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4½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5℃～35℃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
1.4PID控制的原理
1.4.1PID增量型算法的特点
PID增量型算法表达式见公式（1-3）
△U（n）=KP[e（n）-e（n-1）]+KIe（n）+KD[e（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|uk（n）=KPe（n）+KI
+KD
（1-4）
式中，c—根据实验得到的温差整定。
增量型算法具有以下优点：
（1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近的几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小。
（2）增量型算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。
（3）采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。
1.4.2PID参数整定调试
比例系数KP的增大能够加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。
但过大的比例系数Kp会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
积分系数KI的减小有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。
微分系数KD的增大亦将有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。
在对参数实行下述先比例、后积分、再微分的整定步骤。
（1）整定比例部分。
将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只需要比例控制器即可，比例系数可由此确定。
（2）加入积分环节。
如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计的要求，则需要加入积分环节。
整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原值的0.8倍），然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，消除静差。
在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。
（3）加入微分环节。
若使用比例积分控制器消除了静差，但动态过程经反复调整依旧不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分控制器。
在整定时，可先置微分时间TD为零。
在第二步整定的基础上，增大TD，同时相应地改变比例系数与积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数［5］。
2系统的硬件电路的设计
2.1A/D转换器ICL7135
ICL7135与C8051F020接口电路原理图如图2-1所示［6］。
图2-1ICL7135与C8051F020简易接口电路原理图
ICL7135仅用三根I/O口线与单片机C8051F020相接。
图中用ICL7135的BUSY端接CPU的外部中断INT0，利用BUSY信号作为计数器的门控信号。
POL为信号的极性输出端，接CPU的P0.0，高电平表示被测信号为正极性，低电平表示被测信号为负极性。
CPU的ALE端口为ICL7135提供921.6KHZ的CLK信号。
在A/D转换阶段，状态输出引脚BUSY为高电平，这个高电平一直持续到A/D转换结束。
我们利用单片机内部定时器对ICL7135的时钟脉冲计数。
ICL7135对信号积分阶段10001个计数脉冲是固定的，则有式（2-1）。
输入信号的A/D转换值=BUSY高电平期间内计数器计数值–10001（2-1）
在中断服务程序中，读出输入信号的A/D转换值，即可转换为当前的温度值。
为了满足精度的要求，采用了精密的电压基准源MC1403为ICL7135提供0.5V的基准电压。
ICL7135的满量程为基准电压的两倍。
因此，LM35与ICL7135配合使用，200个数字量/℃,测量精度能达到0.01℃。
2.2PWM波变换电路的设计
对该部分电路设计，主要应解决两方面的问题：
强电和弱电的隔离及对制冷片的加热与制冷的控制。
这里我们利用了PWM波的线性变换来实现该要求。
首先，CPU对PID算法产生的控制量送P1.0，经光电隔离，稳压、放大，两级RC滤波，最后经射级跟随电路，功放达林顿管TIP142实现电压可控，其电路原理图如图2-2所示。
图2-2PWM波的线性变换原理图
2.3制冷片的加热与制冷切换电路
通过对继电器的切换来实现制冷片的加热与制冷，最终实现对控制对象的温度自动调节。
PWM波的线性变换电路与制冷片的制冷、加热电路原理图见图2-3［7］。
图2-3制冷片的加热与制冷电路原理图
2.4键盘与液晶显示板
本系统采用内藏T6963C控制器的240*128液晶显示器及6个按键，通过按键可以设置目标温度，加热或致冷。
液晶实时显示相应的温度调节曲线。
3软件系统设计
温度自动控制系统结构方框图如图3-1所示。
图3-1温度自动控制系统结构方框图
为了快速实现制冷片的加热与制冷，改善调节时间、超调量及稳态误差，系统采用PID控制算法，以减少系统超调和静态误差［8］。
系统总程序流程图如图3-2所示。
图3-2总程序流程图
3.1PID参数工程整定法
PID参数工程整定法的步骤如下：
（1）先将切除PID控制器中的积分与微分作用，取比例增益Kp较小值，并投入闭环运行；
（2）将Kp由小到大变化，对应于某一值Kp作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；
（3）设等幅振荡时振荡周期为Tcr、控制器增益Kcr，再根据控制器类型选择以下PID参数，如表3-1所示。
表3-1PID参数选择表
控制规律
Kc
Ti
Td
P
0.5Kcr
PI
0.45Kcr
0.83Tcr
PID
0.6Kcr
0.5Tcr
0.12Tcr
3.216位脉宽调制器方式
C8051F020每个PCA0模块都可以工作在16位PWM方式。
在该方式下，16位捕捉/比较模块定义PWM信号低电平时间的PCA0时钟数。
当PCA0计数器与模块的值匹配时，CEXn的输出被置为高电平；当计数器溢出时，CEXn的输出被置为低电平。
为了输出一个占空比可变的波形，新值的写入应与PCA0CCFn匹配中断同步。
置‘1’PCA0CPMn寄存器中的ECOMn、PWMn和PWM16n位将使能16位脉冲宽度调制器方式。
为了输出一个占空比可变的波形，应将CCFn设置为逻辑‘1’以允许匹配中断。
16位PWM方式的占空比见式（3-1）［9］。
（3-1）
关于捕捉/比较寄存器的重要注意事项：
当向PCA0的捕捉/比较寄存器写入一个16位数值时，应先写低字节。
向PCA0CPLn的写入操作将清‘0’ECOMn位；向PCA0CPHn写入时将置‘1’ECOMn位，最大占空比为100%（PCA0CPn=0），最小占空比为0.0015%（PCA0CPn=0xFFFF）。
可以通过清‘0’ECOMn位产生0%的占空比。
PCA的16位PWM方式原理框图如图3-3所示。
图3-3PCA的16位PWM方式原理框图
3.316位脉宽调制器方式PWM输出子函数
voidsetting_PWM（floatpercentage）//输出占空比一定的PWM波
{unsignedintresult;
if（percentage>100）percentage=100;
if（percentage<0）percentage=0.0001;
percentage=percentage/100;
percentage=65536-percentage*65536;
result=percentage;
PCA0CPL1=（result&0x00ff）;
PCA0CPH1=（result&0xff00）>>8;
}
功能：
setting_PWM（40），P0.1发出占空比为40%的16位PWM波。
3.4PCACLOCK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，C8051F020MCU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：
voidPCA_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;//PCA
3.5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
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