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1、目录摘要. 3一、 课程设计任务3二、 基于51系列单片机的温度控制系统设计32.1 方案设计32.1.1 方案选择3方案一：热电偶采集温度3方案二：数字温度传感器DS18B20采集温度32.1.2 方案论证32.2 基本芯片及PID算法简介42.2.1单片机STC89C5242.2.2 DS18B20基本工作原理42.2.3 PID算法5三、 系统硬件设计73.1 数码管显示模块73.2 键盘输入模块83.3 温度采集模块83.4 报警模块9四、 系统软件设计104.1 主程序流程图104.2 温度检测子程序104.3 PID计算子程序114.4 PWM子程序14五、 系统功能设计与实现14
2、5.1 测试系统特性及其传递函数145.2 实际温度显示功能的实现155.2.1 Proteus仿真图155.2.2 实物图165.3 控制温度的设定功能的实现175.3.1 Proteus仿真图175.3.2 实物图175.3.3 系统调试18六、 总结19基于51系列单片机的温度控制系统摘要：温度是工业控制中主要的被控参数之一，对典型的温度控制系统进行研究具有很广泛的意义。根据不同场所、不同温度范围、精度等要求，所采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也不同。本文以实验室提供的SET-300型温度测量控制仪为被控对象，以STC89C52单片机为控制核心，采用温度传感器DS18B20作
3、为检测变送器，通过键盘向单片机输入设置温度，单片机将温度偏差进行PID运算后，输出PWM波。PWM波作为执行机构的输入从而来决定温度控制仪工作电压的大小,最终实现温度的智能控制，整个系统的电路结构简单，可靠性能高。经实验测试，该系统无震荡现象，响应时间较短，稳态误差较小，达到超调量小于等于5%，调节时间小于等于30s的指标要求。关键词： STC89C52 DS18B20 PID算法 温度控制系统 1、 课程设计任务设计一个基于51系列单片机的温度控制系统。要求： 根据实验室提供的温度控制对象，测试其特性及其传递函数。 具有同时显示实际温度、温度设定功能。 具有控制温度的设定功能。控制算法采用P
4、ID控制。要求温度控制的超调量小于等于5%，调节时间小于等于30s。2、 基于51系列单片机的温度控制系统设计2.1 方案设计2.1.1 方案选择方案一：热电偶采集温度热电偶利用热电势原理进行温度测量的。其测量精度高、测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可正常测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。但热电偶测量需要温度补偿。而且输出量为电压，需要经过测量放大器、AD转换后才能送入微处理器处理。方案二：数字温度传感器DS18B20采集温度DS18B20采用独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向
5、通讯。在使用中不需要任何外围元件，测温范围 55125，最小分辨率达0.0625。2.1.2 方案论证经过比较，因为采用DS18B20测量温度，硬件电路简单，测量精度高，信号易处理，故采用方案二，即温度变送器选用DS18B20。基于51系列单片机的温度控制系统电路总体设计方框图如图2-1所示，STC89C52时钟电路按键输入数码管显示报警电路温度检测温度传感器温度控制温度控制仪图2-1 数字式温度控制仪总体设计框图2.2 基本芯片及PID算法简介2.2.1单片机STC89C52STC89C52的结构如图2.1所示。由于它的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是很经
6、济的。该芯片具有如下功能：有1个专用的键盘/显示接口；有1个全双工异步串行通信接口；有2个16位定时/计数器。这样，1个89C52，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。STC89C52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。其主要功能特性有： （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 (9)
7、 256x8 bit内部RAM(10) 时钟频率0-24MHz(11) 可编程UART串行通道(12) 共6个中断源(13) 3级加密位图2-2 STC89C52引脚图(14) 软件设置睡眠和唤醒功能。2.2.2 DS18B20基本工作原理 DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。DS18B20的测温原理：器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率
8、明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。表2-1 部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010
9、000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法
10、计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。2.2.3 PID算法2.2.3.1 PID调节器控制原理在控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制系统原理框图如图2-3所示。系统由PID控制器和被控对象组成。图2-3 PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成
11、控制偏差：Error(t)=rin(t)-yout(t)PID控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规律。即，控制器的输出为： 或写成传递函数的形式： 其中， kp比例系数；Ti积分时间常数；T d微分时间常数。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强尽弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节：反偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的
12、早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。2.2.3.2 数字PID参数的整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。本设计采用PID归一整定法把对控制台三个参数（Kc、Ti、Td,）转换为一
13、个参数， 从而使问题明显简化。以达到控制器的特性与被控过程的特性相匹配,满足某种反映控制系统质量的性能指标。2.2.3.3采样周期选择的原则（1）根据香农采样定理，系统采样频率的下限为fs=2fmax，此时系统可真实地恢复到原来的连续信号。 （2）从执行机构的特性要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度。采样周期必须大于这一时间。（3）从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短些。 （4）从微机的工作量和每个调节回路的计算来看，一般要求采样周期大些。 （5）从计算机的精度看，过短的采样周期是不合适的。 （6）当系统滞后占主导地位时，应使滞后时间为采样周期的整数倍下表2-2列出了几种常见
14、的被测参数的采样周期T的经验选择数据。可供设计时参考。实际上生产过程千差万别，经验数据不一定就合适，可用试探法逐步调试确定。表2-2 采样周期的经验数据表被测参数采用周期T（s）备注流量15s优先选用1s压力310s优先选用5s液位68s温度1520s或纯滞后时间成分1520s2.2.3.4 PID参数对系统性能的影响表2-3 PID参数对系统性能的影响参数图作用缺点P加快调节，减少稳态误差稳定性下降，甚至造成系统的不稳定I因为有误差，积分调节就进行，直至无差.消除稳态误差，提高无差度。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。D反映系统偏差信号变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的
