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1、-目录1绪论1.1 课题背景及意义1.2 本课题的主要内容2 PID控制的基本原理2.1 PID控制的介绍2.2 PID控制的基本原理2.3 PID控制器的设计2.4 PID控制算法3 电路设计73.1 电路设计整体思路73.2 基本硬件组成73.2.1 AT89C52单片机介绍73.2.2 铂电阻测温调理电路103.2.3 时钟电路113.2.4 复位电路123.2.5 A/D接口电路123.2.6 键盘输入电路133.2.7 显示电路143.2.8 温度控制电路154 系统软件的实现164.1铂电阻测控系统的主程序164.2 A/D转换子程序174.3 键盘处理子程序184.4 温度标度变
2、换模块184.5 显示子程序194.6 定时子程序204.7 量化子程序214.8 其他模块22主要参考文献致谢.-1绪论1.1 课题背景及意义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，所采用的升温加热方式，控制方案也有所不同。像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食储存、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。可以说几乎所有的工业生产部门都不得不考虑着温度这个因素。我国是一个农业大国，近年来我国粮食总产量将近5亿吨，这么多粮食使得粮食存储问题变
3、得格外重要。我国粮食由于没有及时控制好粮食储存温度而造成霉变和发芽损失是相当严重的。基于此种情况，所以对粮食储存温度的准确控制是非常必要的。1.2 本课题的主要内容采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。本课题的设计使用AT89C52单片机作为主控芯片，采用测温范围宽、精度高的铂热电阻进行温度系统的测量和控制。Pt100温度传感器的测温范围0100，完全适用粮库的温度控制。温度控制系统具有非线形、时滞以及不确定性。单纯依靠传统的控制方式或现代控制方式都很难达到高质量的控制效果。而智能控制中的
4、PID控制通过从专家们积累的经验中总结的控制规律，对温度进行控制，可以有效地解决温度控制系统的非线性、时滞以及不确定性。本文就是采用PID控制对粮库温度进行控制。本设计拟达到的基本要求为：1)所设计的温控仪的温度测量范围为0100；2)系统可设定温度值；3)设定的温度值与测量温度值可以实时显示；4)控温精度在1。本设计硬件电路部分包括微处理器模块、温度控制模块、A/D转换模块及显示模块和键盘部分。系统软件部分采用PID控制原理进行程序编写，并给出了软件流程图及主要源程序。2 PID控制的基本原理2.1 PID控制的介绍 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PI
5、D控制，又称PID调节。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，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 2.2 PID控制的基本原理一、模拟PID控制系统组成1、PID调节
6、器的结构原理图 图211 模拟PID控制系统原理框图二、模拟PID调节器的微分方程和传输函数1、PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制 式中 2、PID调节器的传输函数 三、PID调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、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3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能
7、在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。2.3 PID控制器的设计采用AT89C52 单片机设计基于开关阶跃响应的参数自整定控制器。控制器控制量输出使用PWM控制器整定过程如下：整定过程开始，控制器输出占空比为100%的PWM波。记录被控过程的响应反馈值，并与设定值比较。当反馈值与设定值相等时，控制器输出占空比0%的PWM 波。记录反馈值，并判断被控过程的响PWM否达到最大值。当被控过程的响应达到最大值时，由开关阶跃算法计算近似模型参数，再由 整定公式Z- N控制参数。自整定过程结束。切换到PID控制，使用PID算法计算PWM波的输
8、出。2.4 PID控制算法在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、）。参数的选择： 比例系数P对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；P偏大，振荡次数加多，调节时间加长；P太
9、大时，系统会趋于不稳定；P太小，又会使系统的动作缓慢。P可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。如果P的符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远，如果出现这样的情况P的符号就一定要取反。同时要注意的是，力控的策略控制器的PID控制块的P参数是PID控制中的增益。 积分控制I对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，I小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。微分控制D对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，D偏大时，超调量较大，调节时间较短；D偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有D合适，才能使超调量较小，减短调节时间
10、。3 电路设计3.1 电路设计整体思路在温度测量系统中，实际温度值由铂电阻恒流工作调理电路进行测量。为了克服铂电阻的非线性特点，在信号调理电路中加入负反馈非线性校正网络；调理电路的输出电压经ADC0808转换后送入单片机AT89C52；对采样数据进行滤波及标度变换处理后。由3位7段数码管显示。输入的设定值则由4位的独立式键盘电路进行调整，可分为对设定值的十位和个位进行加1减1操作，送入单片机AT89C52后由另一3位7段数码管显示。数码管的段码有74LS05进行驱动，而位码由三极管2N2222A进行驱动。为了使两组数码管实时显示，对两组数码管显示器进行动态扫描。本系统的PID控制由单片机AT8
11、9C52的程序来实现。首先由温度采样值与设定值之差求出温度的误差，进一步求出误差的变化率，经量化及限幅子程序处理，得到误差语言变量E和误差变化率语言变量Ec，直接查询PID控制表就可获得控制U，然后由定时子程序处理，发出控制信号，控制加热片及风扇工作。加热片及风扇的控制电路采用晶体管驱动的直流电磁继电器，通过输出可以改变占空比的PWM波信号，就可改变固态继电器的通断时间，从而达到调节温度的目的。若系统温度偏高，则控制风扇电路工作，进行降温；若温度未达到设定值，则输出温度控制信号，控制加热电路，进行加热。从而自动控制温度的目的。整体框图如图3-1：传感器加热丝LED显示继电器控制输出设定输入单片
12、机A/D采集电路信号调理电路风扇双向可控控制对象图3-1 整体电路框图3.2 基本硬件组成3.2.1 AT89C52单片机介绍AT89C52单片机是最新的一种低功耗、高性能内含8K字节闪电存储器(Flash Memory)的8位CMOS 微控制器，与工业标准MCS-51指令系列和引脚完全兼容。有超强的加密功能，其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程/擦除速度快，全8K字节编程只需3s，擦除时间约用10ms，它的引脚图见图3-2，它的主要特点有：1)内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器EPROM,容量8KB，内部数据存储器容量256B(不包括专用寄存器)，外部数据存储器寻
13、址空间64KB，外部程序存储器寻址空间64KB； 2)有三个16位的定时器/计数器；3)可利用两根I/O口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程选定；4)内部ROM中开辟了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的情况； 图3-2 AT89C52引脚图 5)内部有6个中断源，分为二个优先级，每个中断源优先级是可编程的；6)堆栈位置是可编程的，堆栈深度可达128字节； 7)内部有一个由直接可寻址位组成的布尔处理机，在指令系统中包含了一个指令子集，专用于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题； 8)AT89C52的状态周期由振荡器
14、2分频后获得，作为芯片工作的基本时间单位。采用12MHz时，AT89C52的状态周期为(2/12)10-6 =167ns。系统中所用的中断简介：AT89C52芯片内部有6个中断源，在本次设计中涉及到AT89C52芯片的中断源有四个，分别是采样中断INT0，外部输入中断INT1、定时/计数器T0和T1其中外部中断INT1中断优先级最高，定时/计数器T0次高，采样中断INT0次低，定时/计数器T1优先级最低。下面就中断源介绍如下：1)关于外部中断INT0与INT1：外部中断的激活方式分为两种:一种是电平激活，另一种是边缘激活。这两种方式可以靠TCON寄存器中的中断方式位IT1或IT0来控制。若IT
15、x=0（x为0或1），则采用电平激活方式:在x引脚上检测到低电平，将触发外部中断。若ITx=1，则采用边沿激活方式:在相继的2个周期中，对ITx 引脚进行连续2次采样，若第一次采样值为高，第二次为低，则TCON寄存器中的中断请求标志IEx 被置1，以请求中断。由于外部中断引脚每个机器周期被采样一次，为确保采样由引脚x（x为0或1)输入的信号至少保持一个机器周期，如果外部中断为边缘激活方式，则引脚处的高电平和低电平值至少各保持一个机器周期，才能确保CPU检测到电平的跳变，而把中断请求标志IEx=1。如果采用电平激活外部中断方式，外部中断源应一直保持中断请求有效，直至所请求的中断得到响应时为止。2)关于定时/计数器T1、T0和T2：AT8
