基于PID的温度控制系统设计Word文档下载推荐.doc
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关键词：
温度检测，温度控制，PID算法
DesignofTemperatureControlSystemBasedonPID
Abstract
Temperatureisthemostbasicparametersofindustrialandcloselyrelatedwithpeople'
slives,real-timemeasurementoftemperatureinindustrialproductionandmoreattention,whichisinseparablefromthebenefitsofthetemperaturemeasurement,temperaturecontrolandmeasurementstudythereforehasitssignificance.
ThisdesignintroducesthebasicprinciplestoAT89C52microcontroller-basedcontrollerpiecestemperaturecontrolsystemdesignanddesign.CollectedbytheDS18B20temperaturesignal,anddigitalsignalsentbywayofthemicrocontrollerforprocessing,soastoachievethetargettemperaturecontrol.Includingthedesignofhardwarecircuitdesignandsystemprograms.Hardwarecircuitincludesamasterdevice,thetemperaturemeasuringcircuit,temperaturecontrolcircuitanddisplaycircuit.Softwaredesign,including:
displayelectrical,temperature,signalprocessing,over-temperaturealarm,relaycontrol,keyhandlingprocedures.
Keywords:
temperaturedetection,temperaturecontrol,PIDalgorithm
目录
摘要 III
Abstract IV
1绪论 1
1.1课题的来源 1
1.2课题的意义 1
1.3课题研究的主要内容 1
2硬件设计 3
2.1单片机控制模块的设计 3
2.1.1AT89C52单片机简介 3
2.1.2单片机的引脚功能 4
2.1.3单片机控制模块的电路设计 5
2.1.4电源设计 6
2.2温度采集模块的设计 7
2.2.1DS18B20芯片的简介 7
2.2.2DS18B20的内部结构 8
2.2.3DS18B20的供电方式 10
2.2.4DS18B20的引脚功能 10
2.3温度控制模块的设计 11
2.4按键及显示模块的设计 12
2.4.1LCD1602的参数和引脚功能 12
2.4.2LCD1602的特点 13
2.4.3按键电路的设计 13
2.5报警模块的设计 14
3软件设计 16
3.1主程序的设计 16
3.2DS18B20读温度程序的设计 16
3.3键盘扫描程序的设计 17
3.4报警处理程序的设计 18
3.5PID控制算法 18
4系统仿真 22
参考文献 27
致谢 28
附录 29
1绪论
1.1课题的来源
在食品加工、化工、冶炼等工业控制和生产中，在工业生产和日常生活中经常要用到温度检测和控制。
以及各种各样的加热炉、热处理器等，都对温度有着严格的要求。
传统的测温元件有热电偶和热电阻。
而热电偶和热电阻测出的通常是电压，再转换成相应的温度值，在硬件方面是个难点，而且从设计和调试的角度来讲都是很复杂的，以及高昂的制作成本。
但采用DS18B20作为温测元件，然后用单片机对温度进行控制，可以大幅度提高温度控制的技术指标，而且还具有控制方便、简单、灵活等特点。
单片机已经渗透到我们生活的各领域，仪表仪器、家用电器、航空航天、计算机通讯网络和数据的传输，包括工业自动化的实时控制和数据处理等，这些都离不开单片机。
用单片机可构成丰富多样的数据采集系统和控制系统。
像工厂流水线智能化的管理、电梯智能化的控制、多种报警系统，都可以与计算机联网构成二级控制系统等。
1.2课题的意义
温度传感器是测量温度的关键，现在温度传感器正由模拟式向数字式、集成化向智能化、网络化的方向发展。
在测量温度的电路中，使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，先进行A/D转换，然后用单片机进行数据的处理，再在显示电路上，将被测温度显示出来。
这种设计需要用到A/D转换电路，因此电路的设计比较复杂。
继而想到可以采用智能温度传感器来设计数字温度计。
本数字温度计的设计采用美国半导体公司DALLAS推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，其温度值可以直接被读出来，通过单片机AT89C52的读写和显示，然后用LCD1602来进行显示。
它的测温范围为－55℃～＋125℃，最大分辨率可达0.0625℃。
而且采用3线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
1.3课题研究的主要内容
1、总体设计的内容
总体设计的主要内容有：
利用单片机作为系统的主控制器，利用DS18B20作为温度传感器，将信号送入单片机进行处理，经过PID算法后，单片机的输出用来控制加热棒的输出功率，从而实现对温度的控制。
2、总体设计的基本要求
总体布置的基本要求主要有：
（1）温度控制系统的总体设计和思路；
（2）各部分原理说明；
（3）温度控制系统硬件设计，有理论依据，有分析计算过程，主要元件有原理和说明，所有元件必须要有型号和参数；
（4）温度控制系统软件设计，可以使用汇编语言或C语言编程。
主要软件必须能在设计好的硬件电路上正确运行。
2硬件设计
硬件设计方框图如图2-1所示，它主要由五个模块组成：
① 单片机控制模块；
② 温度采集模块；
③ 温度控制模块；
④ 按键及显示模块；
⑤ 报警模块。
图2-1硬件设计方框图
2.1单片机控制模块的设计
方案一：
采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。
方案二：
采用2051芯片，其内部有2KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。
但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用。
方案三：
采用AT89C52单片机，其内部有4KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。
方案评价：
比较这三种方案，综合考虑单片机的各部分资源，本次设计选用方案三。
2.1.1AT89C52单片机简介
AT89C52是ATMEL公司生产的51系列单片机。
片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，兼容51指令系统，Flash存储单元和8位中央处理器置于片内，AT89C52单片机功能强大，在许多复杂的应用场合都可以用到。
单片机是微型机的一个分支，单片机的最大特点就是在超大规模的集成电路芯片上集成了定时器、存储器、CPU、和多种输入/输出接口电路。
由于单片机的这种结构，相应的它具有很多的特点。
它的特点包括：
（1）可靠性高；
（2）抗干扰能力强；
（3）控制能力强；
（4）性价比高；
（5）低电压；
（6）能扩展了多种串行口。
2.1.2单片机的引脚功能
AT89C52单片机的引脚图如图2-2所示。
图2-2AT89C52引脚图
① 电源引脚VCC和VSS
VCC（40引脚）：
电源端，+5V。
VSS（20引脚）：
接地端。
② 外接晶体引脚XTAL2和XTAL1
XTAL2（18引脚）：
接微调电容和外部晶体的端口。
作为振荡电路的输出端。
XTAL1（19引脚）：
作为振荡电路的输入端。
③ 控制信号引脚RST、ALE、PSEN、EA
RST（9引脚）：
复位信号输入端，高电平有效。
完成复位操作，输入端必须为两机器周期（即为24个时钟振荡周期）的高电平。
ALE/PROG（30引脚）：
地址锁存允许信号端。
当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器平率的1/6。
输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。
如果想确认单片机芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。
若有脉冲信号输出，则单片机基本上是好的。
PSEN（29引脚）：
程序存储允许输出信号端。
EA（31引脚）：
外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。
④ 输入/输出端口P0、P1、P2和P3
P0端口（P0.0~P0.7，39~32引脚）
P1端口（P1.0~P1.7）
P2端口（P2.0~P2.7）
P3端口（P3.0~P3.7）
P3端口还用于一些复用功能，如表2-1所示。
表2-1P3各口线与第2功能表
口线
替代的第2功能
P3.0
RXD（串行口输入）
P3.1
TXD（串行口输出）
P3.2
INT0（外部中断0输入）
P3.3
INT1（外部中断1输入）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
WR（片外数据存储器“写选通控制”输出）
P3.7
RD（片外数据存储器“读选通控制”输出）
2.1.3单片机控制模块的电路设计
单片机的最小系统如图2-3所示，由单片机芯片、电源、时钟振荡电路与复位电路组成。
时钟振荡电路的设计：
单片机XIAL1和XIAL2分别接30pF的电容，中间再并个12MHz的晶振，形成单片机的晶振电路。
电容器C1和C2可稳定频率并对振荡频率有微调作用。
复位电路的设计：
复位操作有按键手动复位和上电自动复位两种。
本设计采用的是上电自动复位：
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
电容端瞬间通电，电容C通过电阻R充电，RST端为正脉冲，用以复位。
只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。
关于参数的选定，在振荡稳定后应保证复位高电平持续时间（即正脉冲宽度）大于2个机器周期。
当采用的晶体频率为6MHz时，可取C=22μF，R=1kΩ；
当采用的晶体频率为12MHz时，可取C=10μF，R=8.2kΩ。
图2-3单片机的最小系统图
2.1.4电源设计
220V交流电转5V直流电的电源设计如图2-4所示是由3个部分组成：
变压器、桥式整流电路和三端稳压器。
图2-45V直流电电源设计图
（1）变压器：
将220V交流电变成9V左右，由此可知变压器变比为220/9=25/1；
（2）桥式整流电路：
经过滤波整流后，电压有效值增大为10V。
如图2-5所示为桥式整流电路电压波形图；
（3）三端稳压器：
一般用于直流电路的保护电路，起到降压、稳压的作用。
图2-5桥式整流电路电压波形图
2.2温度采集模块的设计
一般来说热电偶和热电阻测出的电压，再转换成相应的温度，要比较多外部硬件的支持，其缺点有：
硬件电路较复杂；
软件调试较复杂；
制作成本较高。
结合单片机电路的设计，决定使用温度传感器DS18B20，它是最新推出的一种智能型温度传感器，它的优点是可以直接读出被测的温度。
主要是对温度信号进行采集和转换工作，电路由DS18B20温度传感器和单片机部分组成。
温度传感器DS18B20把收集到的温度送到单片机的P2.6口，单片机接受温度，然后存储下来。
因为电路部分只用到了温度传感器和单片机，所以硬件方面比较简单。
方案一这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
但方案二电路比较简单，软件设计容易实现，故实际设计中拟采用方案二。
2.2.1DS18B20芯片的简介
DS18B20是美国著名半导体公司推出的一种可以直接读出被测温度值的温度传感器，而且采用寄生供电方式与单片机相连，具有成本低和易使用的特点。
输出信号为数字信号，方便单片机控制和处理，很多外围电路因此可以减掉。
且该芯片的线形较好，物理、化学性也相对稳定，在工业生产中可以用来做测量温度的元件。
由于AT89C52能够带多个DSB1820，因此容易实现多点测量的目的。
轻松的构建传感器网络，并且单片机可以同时进行数码显示与键盘控制，也可以通过RS232串口与上位机进行数据通讯，达到全方位立体监控的效果。
采用温度芯片DS18B20测量温度，可以更方便的实现多点测温，也体现了数据数字化的好处，便于测温数据集成显示，也方便了后期对数据的处理及其记录。
2.2.2DS18B20的内部结构
DS18B20芯片的内部结构如图2-6所示。
DS18B20主要包括上下限触发器、储存器与控制逻辑、CRC发生器电源、温度传感器、64位ROM单线借口暂存器。
图2-6DS18B20芯片的内部结构图
DS18B20温度数字对应关系表如表2-2所示。
表2-2DS18B20温度数字对应关系表
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+85
0000010101010000
0550H
+25.0625
0000000110010000
0191H
+10.125
0000000010100001
00A2H
+0.5
0000000000000010
0008H
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
DS18B20温度值格式表如表2-3所示。
表2-3DS18B20温度值格式表
高字节
15
14
13
12
11
10
9
8
S
26
25
24
1/0
64
32
16
低字节
7
6
5
4
3
2
1
23
22
21
20
2_1
2_2
2_3
2_4
0.5
0.25
0.125
0.0625
DS18B20的工作过程：
（1）发复位DS18B20的负脉冲；
（2）收DS18B20的回应脉冲；
（3）发ROM命令（33H）；
（4）发储存和控制命令。
DS18B20储存控制命令共有6种，如表2-4所示。
表2-4DS18B20存储器控制指令
指令
约定代码
复制
48H
读数据
BEH
读电源供电方式
B4H
温度转换
44H
读EERAM
B8H
写数据
4EH
主机操作ROM的命令有5种，如表2-5所示。
表2-5DS18B20的ROM指令
读ROM
33H
匹配ROM
55H
跳过ROM
CCH
搜索ROM
0F0H
报警搜索
ECH
DS18B20的执行序列：
① 初始化；
② 执行ROM命令，用于定位；
③ 执行DS18B20的储存控制命令，用于转换和读数据；
④ DS18B20的I/O信号有回应脉冲、复位脉冲、写0，读0，写1，读1等几种。
2.2.3DS18B20的供电方式
在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是用寄生电源供电，此时，VCC、GND接地，I/O接单片机I/O；
另外一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连。
无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5kΩ左右的上拉电阻。
如图2-7所示，本设计采用的是外部电源供电的方式，且选用的上拉电阻为4.7kΩ。
图2-7DS18B20外部电源供电方式图
2.2.4DS18B20的引脚功能
引脚功能说明：
（1）GND为地；
（2）I/O是数据输入/输出脚（单线接口,可作寄生供电）；
（3）UDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
DS28B20的引脚如图2-8所示。
图2-8DS18B20引脚图
DS18B20的特点说明:
（1）采用单总线技术，与单片机通信只需要一根I/O线，在一根线上可以挂接多个DS18B20。
（2）每只DS18B20具有一个独有的，不可修改的64位序列号，根据序列号访问相应的器件。
（3）低压供电，电源范围从3.0～5.5V，可以本地供电，也可以直接从数据线窃取电源（寄生电源方式）。
（4）测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内误差为±
0.5℃。
（5）可编辑数据为9～12位，转换12位温度时间为750ms（最大）。
（6）用户可自设定报警上下限温度。
（7）报警搜索命令可识别和寻址超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。
（8）DS18B20的分辨率由用户通过EEPROM设置为9～12位。
（9）DS18B20可将检测到温度值直接转化为数字量，并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。
（10）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因为发热而烧毁，只是不能正常工作。
2.3温度控制模块的设计
继电器由于是机械动作，响应速度慢，不能满足本设计的需要。
而用可控硅可以在电路中能够实现以小电流控制大电流、交流电的无触点控制的目的，而且它的寿命长、可靠性高、动作快。
利用单片机控制双向可控硅的导通角。
在不同时刻利用单片机给双向可控硅的控制端发出触发信号，使其导通或关断，实现负载电压有效值的不同，以达到调压控制的目的。
具体如下：
（1）由硬件完成过零触发环节，即在工频电压下，每10ms进行一次过零触发信号，由此信号来达到与单片机的同步。
（2）过零检测信号接至单片机输入口，由单片机对此口进行循环检测，然后进行延时触发。
通过单片机控制双向可控硅的导通，从而可以控制加热丝的加热功率。
双向可控硅接通，则加热丝加热；
双向可控硅断开，则加热丝停止加热。
综合考虑，选择方案二。
由于是弱电控制强电，因而弱电很容易被强电干扰，影响系统的实时性和效率。
因此必须需要有抗干扰的措施，将强电与弱电隔离。
光耦合器切断了各部件之间的联系，对强电和弱电实施隔离，有效地抑制了干扰信号对电路的干扰。
光耦合器很容易得到触发脉冲，且有可靠、体积小的特点。
所以可以用带过零检测的光电隔离器MOC3061来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。
MOC3061参数：
输出端的额定电压是400V。
最大重复浪涌电流为1.2A。
最大电压上升率dv/dt为1000v/us。
输入输出隔离电压为7500V。
输入控制电流为15mA。
MOC3061引脚排列及内部电路图如图2-9所示。
图2-9MOC3061引脚排列及内部电路图
当单片机的输出口发出高电平，经过三极管放大后驱动光耦合器的放光二极管，MOC3061的输入端导通，输入电流约为15mA。
当MOC306的输出端6脚和4脚尖电压稍稍过零时，光耦内部双向可控硅即可导通，它可以给外部晶闸管一个触发信号，并使其导通；
当单片机输出口发出低电平，MOC3061截止，双向可控硅处于截止状态。
MOC3061的优点：
（1）控制简单。
（2）MOC3061由于采用了过零触发电路大大简化了双向可控硅的触发电路。
（3）MOC3061与双向可控硅实际组成了一个固态继电器，实现了无触电控制。
（4）输出通道实现了光电隔离，防止了射电干扰。
（5）单片机输出口直接控制双向可控硅，省去了的D/A转换电路，简化了接口电路。
双向可控硅介绍：
双向可控硅具有双向导通功能，在交流电的正负半周都可以导通。
双向可控硅的通断情况由栅极决定，当栅极无信号时MT1和MT2成高阻态，管截止；
当在MT1与MT2之间加一个阈值电压时，就可以利用控制极栅极电压来使可控硅导通。
但需要注意的是，当双向可控硅接感性负载时，电流和电压之间有一定的相位差。
在电流为零时，反向电压可能不为零，且超过转换电压，使管子反向导通，故要管子能承受这种反向电压，并在回路中加入RC网络加以吸收。
双向可控硅的触发方式：
控制双向可控硅从高阻态转换到导通区可以用不同的方式实现，相应的分为四种方式。
MT1相对于MT2为正，控制脉冲电压Ug相对于MT1为正。
MT1相对于MT2为负，控制脉冲电压Ug相对于MT1为负。
MT1相对于MT2为正，控制脉
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