基于51单片机和pid的恒温控制系统设计

基于51单片机和pid的恒温控制系统设计内容摘要：

种种不足，从而实现高精度 的控制。 PID 控制器问世至今已有近70 年历史，它以其 结构 简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的 结构 和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的 结构 和参数必须依靠经验和现场调试来确定， 因此本次设计 应用 PID 控制技术最为 有效。 湖南工业大学本科生毕业设计 方案的论证 无论是工农业生产中，还是日常生活中，对温度的检测和控制都是必不可少的，对于温度的检测通常是采用热敏电阻在通过 A/D（模 /数）转换得到数字信号，但由于信号的采集对整个系统的影响很大，如果采 样精度不高，会使这个系统准确性下降。 因此本次设计采用高精度的温度传感器： 数字温度传感器DS18B20。 这种 数字温度传感器 是 DALLAS 公司生产的单总线 ，。 而对于温度控制的方法也有很多：如单片机控制、 PLC 控制、模拟 PID 调节器和数字 PID 调节器等等。 综合各方面的意见，本设计采用单片机来实现温度的控制。 方案一 利用单片机实现恒温控制系统 利用单片机系统实现温度恒定的控制，其总体结构图如图 所示。 系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、 加热控制参数设置、加热电路控制输出、 与报警装置 和系统核心 AT89S52 单片机作为微处理器。 图 方案一的 系统总体结构框图 温度采集电路以 数字量 形式将现场温度传至单片机。 单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的 模糊 控制算法计算出实时控制量。 以此控制量 控制固态继电器开通和关断 ，决定加热电路的工作状态，使温 度 逐步稳定于用户设定的目标值。 在温度到达设定的目标温度后，由于自然冷却而使其温度下降时，单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较，作出相应的控制，开启加热器。 当用户需要比实时温度低的温度时，此电路可以利用风扇降温。 系统运行过程中的各种状态 参量均 可 由数码管实时显示。 方案二 利用 PLC实现恒温控 制 系统 利用 PLC 实现对温度恒定的控制，其控制系统的结构框图如图 所示：采用 PLC 控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断加热的自动控制方式，来达到温度的恒定。 智能型电偶温度表将置于被测对象中，热电偶的传感器信号数字式温度传感器加热器控制器单片机显示越限报警键盘湖南工业大学本科生毕业设计 与恒定温度的给定电压进行比较，构成闭环系统，生成温差电压 Vt， PLC 自适应恒温控制电路，根据 Vt的大小计算出全通、间接导通和全断的自适应恒温控制电路，并将占空比可调的控制电平经输出隔离电路去控制可控硅门极的通断，实现自适应的恒温控制。 若温度升的过快， PLC 也将输出关断电平信号转换为可控硅电路相匹配的输入信号。 图 方案二 的系统结构框图 方案三 利用 模拟 PID 调节的恒温控制系统 基于 模拟 PID 调节的恒温控制系统由数字电路部分和模拟电路两部分组成，其控制系统的机构框图如图 所示。 由按键设定某一温度，单片机对设定温度值进行查表计算后转换为对应的电压数字值，通过 16 位的数模转换器得到与之精确对应的电压信号，此电压值于热敏电阻实际测量的电压值进行比较产生一个误差信号，经过 PID 电路后，获得一个控制量给制冷元件构 成实时闭环系统，同时实际测量的电压值并显示在液晶屏上。 图 方案三 的系统结构框图 设计方案 控制模块的选择， 数字比较器与模拟控制器相比较，数字比较器具有以下几个优点 ： 模拟调节器调节能力有限，当控制规律较为复杂时，就难以甚至无法实现。 而数字控制器能实现复杂控制规律的控制。 计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制。 智能型热电耦温度表SZ4PLC输出隔离电路可控硅炉体给定值热电耦Vt 控制电平 电热丝液晶显示复位E2PROM单片机DAAD键盘PI D电 路热敏电阻及反馈电路功放制冷元件湖南工业大学本科生毕业设计 数字控制器具有灵活性。 起控制规律可灵活多样，可用一台计算机对不同的回路实现不同的控制方式，并且修改控制参数或控制方式一般只 可改变控制程序即可，使用起来简单方便，可改善调节品质，提高产品的产量和质量。 采用计算机除实现 PID 数字控制外，还能实现监控、数据采集、数字显示等其他功能。 综合考虑，本设计控制模块采用数字 PID 调节器。 对于 方案一，采用单片机实现恒温控制，虽然该方案成本低，可靠性高，抗干扰性强，但对于系统的动态性能与稳态性能要求较高的场合是不合适的；而对于方案二，采用 PLC 实现恒温控制，由于 PLC 成本高，且 PLC 是外围系统配置复杂，不利于我们的设计 ，由于数字 PID 调节，运算量大，只要选择合适的参数对于温度的控制 精度往往能达到较好的效果。 为了使设计的成本低、抗干扰强，系统动态性能与稳态性能好的前提下， 设计 方案的总体结构框图如图 所示：通过单片机对偏差进行 PID 运算，输出控制 D/A 转换电路转换成 0— 8V 电压信号来控制可控硅触发电路，从而控制可控硅通断率，通过调节加热功率即可达到控制温度恒定的目的。 键 盘温 度 显 示ＡＴ８９Ｓ５２上 位 机温 度 传 感 器E 2 P R O M加 热 控 制电 路 图 设计总体结构框图 湖南工业大学本科生毕业设计 第 2 章 恒温控制系统硬件设计 考虑到尽量降低成本和避免与复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。 而主控器 采用低功耗、高性能、片内含 8k byte 可反复檫写的Flash 、只读程序器 CMOS8 位单片机 AT89S52；温度传感器采用 DALLAS 公司生产的单总线数字温度传感器 DS18B20；采用 控制端 TTL 电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用 NPN 型三极管接成电压跟随器的形式驱动 ；单片机所需要的 +5V 工作电源是通过 220V 交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。 实时控制的显示器、键盘通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。 考虑到系统对传输速度的要求不高，在 PCA 机上设定和实时显示温度，系统配有RS232 串行通讯端口， 下面对硬件电路作具体的设计。 AT89S52 单片机 简介 AT89S52 单片机资 源 简介 AT89S52的结构如图 所示。 由于它的广泛使用使得市面价格较 815 825 8279 要低，所以说用它是很经济的。 该芯片具有如下功能：①有 1 个专用的键盘 /显示接口；②有 1个全双工异步串行通信接口；③有 2个 16位定时 /计数器。 这样， 1 个 89S52，承担了 3 个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。 89S52 有 40个引脚，有 32个 输入端口（ I/O），有 2个读写口线，可以反复插除。 所以可以降低成本。 主要功能特性： （ 1） 兼容 MCS51 指令系统 （ 2） 32 个双向 I/O 口 线 （ 3） 3 个 16 位可编程定时 /计数器中断 （ 4） 2 个串行中断 口 （ 5） 2 个外部中断源 （ 6） 2 个读写中断口线 （ 7） 低功耗空闲和掉电模式 （ 8） 8k 可反复擦写 (1000 次 )Flash ROM 湖南工业大学本科生毕业设计 （ 9） 256x8 bit 内部 RAM （ 10） 时钟频率 024MHz （ 11） 可编程 UART 串行通道 （ 12） 共 6个中断源 （ 13） 3 级加密位 （ 14） 软件设置睡眠和唤醒功能。 AT89S52 单片机信号引脚介绍 [9] 输入输出口线 ～ 0P 口 8位双向口线 ～ 1P 口 8位双向口线 ～ 2P 口 8位双向口线 ～ 3P 口 8位双向口线 ALE 地址锁存控制信号 在系统扩展时 ,ALE用于控制把 0P 口输出的低 8位地址送入锁存器锁存起来 ,以实现低位地址和数据的分时传送。 此外由于 ALE 是以六分之一晶振频率的固定频率输出正脉冲 ,因此可 作为外部定时脉冲使用。 PSEN 外部程序存储器读选通信号 在读外部 ROM 时 , PSEN 有效 (低电平 ),以实现外部 ROM 单元的读操作。 EA 访问程序 存储趋控制信号 但 EA 信号为低电平时 ,对 ROM 的读操作限定在外部程序存储器；而当 EA 信号为高电平时 ,则对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始 ,并可延续 至外部程序存储器。 RST 复位信号 当输入的复位信号延续 2 个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。 1XTAL 和 2XTAL 外接晶体引线端 当使用芯片内部时钟时，此二引线端用语外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 SSV 地线 CCV +5V 电源 湖南工业大学本科生毕业设计 AT89S52 单片机时钟和复位电 路 时钟电路 单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚 1XTAL ，输出端为引脚 2XTAL。 而在芯片外部 1XTAL 和 2XTAL 之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。 晶体震荡频率高，则系统的时钟频 率也高，单 片机运行速度也就快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，所以，这里使用震荡频率为6MHz 的石英晶 体。 震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。 在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。 需要注意的是：电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图 如图 所示 复位电路 单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式。 （ a）上电复位： 在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。 当 CCV 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初始化电路原理图。 RST 上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，满足复位操作的要求。 (b) 按键复位： 程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动。 RST 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。 按键复位又分按键脉冲复位 （ 图 ） 和按键电平复位。 电平复位将复位端通过电阻与 CCV 相连，按键脉冲复位是利用 RC分电路产生正脉冲来达到复位的。 (c) 注意： 因为按键脉 冲复位是利用 RC 微分电路产生正脉冲来达到复位的。 所以电平复位要将复位端通过电阻与 CCV 相连 .如复位电路中 R、 C 的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。 故本设计采用按键复位。 湖南工业大学本科生毕业设计 温度传感器 温度测量转换部分是整个系统的 数据 来源，直接影响系统的可靠性。 传统的温度测量方法是：温度传感器例如 AD590，将测量的温度转换成模拟电信号，再经过 A/D 转换器把模拟信号转换成数字信号，单片机再对采集的数字信号进行处理 [3]。 这种模拟数字混合电路实现起来比较复杂，滤波消噪难 度大系统稳定性不高，鉴于这些考虑， 本设计采用数字式温度传感器 DS18B20。 DS18B20 支持“一线总线”接口，测量温度的范围为 55176。 C～ +125176。 C，现场温度直接以“一线总线”的数字式传输，大大的提高了系统的抗干扰性。 DS18B20 为 3 引脚， DQ 为数字信号输入 /输出端； GND为电源地； VDD 为外接供电电源输入端。 温度采集电路模块如图 所示。 DSB8B20 的 3脚接系统中单片机的 口线，用于将采集到的温度送入单片机中处理， 2脚和 3脚之间接一个 上拉电阻，即可完成温度采集部分硬件电路。 DS18B20 内部结构主要由四部分组成： 64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 图 温度采样电路 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12位转化为例 :用 16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 ℃ /LSB 形式表达，其中 S 为符号位。 数据转换如下表。 表 DS18B20 温度数据转换表 LS Byte Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 23 22 21 20 21 22 23 24 MS Byte Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8 S S S S S 26 25 24 湖南工业大学本科生毕业设计 这是 12位转化后得到的 12 位数据，存储在 18B20 的两个 8比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5位为 0，只要将测到的数值乘于 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1再乘于 即可得到实际温度。 电源电路 电源电路可分为三大块：变压部分、整流滤波部分、稳压部分 [1]。 电源电路如图 所示。 图 电源电路 电源变压器 变压部分其实就是一个变压器，变压器作用是将 220V 的交流电压变换成我们所需的电压 9V。 然后再送去整流和滤波。 整流滤波电路 整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。 滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路。 一般的整流有全波整流、单相半流整流、桥式整流、及 变 压整流。 稳压电路 在这的稳压电路中我使用的是“三端固定输出集成稳压器”，稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。 集成稳压器、使用方便、性能稳定、更重要的是考虑到它的价格低廉，因而我湖南工业大学本科生毕业设计 在此使用。 键盘和显示电路 模块电路如下图。 键盘采用行列式和外部中断相结合的方法，各按键的功能定义如下表。 其中设置键与单片机的 0INT 脚相连， 90 SS  、 YES、 NO用四行三列接单片机 P0 口， REST键为硬件复位键， 与 R、 C 构成复位电路。 表 按键功能 按键 键名 功能 REST 复位键 使系统复位 SET 设置键 使系统产生中断，进入设置状态 90 SS  数字键 设置用户需要的温度 YES 确认键 用户设定目标温度后进行确认 NO 清除键 用户设定温度错误或误按了 YES键后使用 图 键盘接口电路 显示采用 3位共阳 LED 动态显示方式 ,显示内容有温度值的十位、个位及小数点后一位。 用 P2 口作为段控码输出，并用 74HC244 作驱动。 — 作为位控码输出，用 PNP 型三极管做驱动 [4]。 模块电路如下图 ： 图 显示接口电路 湖南工业大学本科生毕业设计 加热控制电路 控制电路图如下图。 用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象为电热杯，采用对加 在电热杯两端的电压进行通断的方 法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。 对电炉丝通断的控制采用 SSR40DA 固态继电器。 它的使用非常简单，只要在控制端 TTL 电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用 NPN 型三极管接成电压跟随器的形式驱动。 当单片 机的 为高点平时，三极管驱动固态继电器工作接通。