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1、1基于基于 AT89S52AT89S52 单片机的单片机的 PIDPID 恒温控制系统的开发和实验研究恒温控制系统的开发和实验研究陈铁强，李克天，刘吉安，印波，蔡召虎（广东工业大学机电工程学院，广州 510075）摘要摘要：设计开发了基于 AT89S52 单片机的温度控制系统。采用新型数字器件 MAX6675 和 K 型热电偶构成温度采集电路；应用 PID 算法来调节温度，采用正交实验法对 PID 控制参数 进行整定；并且开发了 PC 机监控软件，通过串口通信实时监控系统的状态。该系统经过实 验验证，取得了较为满意的控制效果。 关键词关键词：单片机；温度控制系统；MAX6675；PID 控制D
2、evelopment and Experimental Study of PID Temperature Control System Based On AT89S52CHEN Tieqiang,LI Ketian,LIU Jian,YIN Bo,CAI Zhaohu （School of Mechanical and electrical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510075,China）Abstract: Based on AT89S52 Single Chip Microcomputer, a te
3、mperature control system was discussed. The temperature acquisition circuit was made up of K type thermocouple and MAX6675 which is a new type integrated digital device. The PID Alogorithm was applied in the system to regulate temperature. The parameters of PID controller were tuned by using orthogo
4、nal test. Accordingly, a real-time supervisory control software was developed on the computer in order to supervise the temperature control system by serial communication. The experiment result shows that this system could achieve quite good control performance. Keywords：Single Chip Microcomputer；Te
5、mperature Control System；MAX6675；PID control 0 0 引言引言 温度是 SMT 生产过程中重要的工艺参数，温度控制的优劣直接影响 PCB 产品的质量和 生产效率的提高。设计开发性能优良的温度控制系统，提高控温精度，便于人工操作是 SMT 温度控制领域的重要问题。本文针对 SMT 波峰焊锡炉部分的温度场（270左右）1， 设计了一种基于 AT89S52 单片机的温度控制系统，采用新型数字器件 MAX6675 和 K 型热电 偶构成温度测量电路，用数字 PID 算法对实验锡炉温度进行控制,具有精度高、稳定性好的 特点，并采用正交实验法对 PID 控制参数
6、进行整定。本文还设计了单片机与上位机的通信 软件，实现了远程温度控制。该系统可大大地提高工作效率和控制精度，具有良好的实用 价值。本文研究内容和方法对其它温度控制精度要求较高的场合有参考价值。 1 1 工作原理工作原理 当采样周期T到达时，由热电偶检测锡炉内实际温度，经数字转换器MAX6675将热电偶 输出的mV 信号直接转换成数字信号送给单片机AT89S52 ,单片机将采集到的温度信号与设 定温度值进行比较，根据偏差信号进行PID控制运算，得出相应输出量，并控制加热器进行 加热或停止加热，从而控制锡炉的温度，使锡炉的实际温度向着给定温度变化并最终达到 给定温度。系统时刻检测炉内温度值，出现越
7、限时启动蜂鸣器报警。 2 2 系统硬件设计系统硬件设计 本系统的硬件设计主要包括单片机的最小系统、温度采集电路、显示接口、温度控制2电路、键盘接口、蜂鸣器报警电路、串口通信电路等。图 1 中 AT89S52 为主控制器件，它 是 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含有 8K 字节的 Flash 存储器 和 256 字节的 RAM。以下是各部分电路功能：图 1 控制器系统硬件结构框图 2.1 单片机AT89S52 是整个系统的 CPU，首先采集得到当前温度值，用采集值与设定值相减计算出 温度偏差，然后进行 PID 运算，控制加热器工作，从而实现温度控制。AT89S
8、52 还负责按 键处理、LCD 显示、报警处理以及串口通信等工作。 2.2 温度采集电路本系统采用K型热电偶作为高温测量传感器，热电偶测量电路选用MAX66752。MAX6675 是美国MAXIM公司生产的基于SPI总线的带有冷端温度补偿、线性校正、热电偶断线检测等 功能的K型热电偶测量转换芯片，其输出为12位二进制数字量。测温范围01023.75，温 度分辨率为0.25。 冷端补偿范围为-20+ 85，工作电压3.05.5V，可以满足大多数 工业应用场合3。 MAX6675与AT89S52单片机接口电路框图如图2所示。K型热电偶接在MAX6675的T+、T-端， 热电偶的冷端接地。由于AT8
9、9S52不具备SPI 总线接口，故采用模拟SPI总线的方法来实现 其与MAX6675的接口。其中P1.0模拟SPI 的数据输入端(SO)，P1.1模拟SPI的串行时钟输出 端SCK，P1.2模拟SPI的从机选择端CS。图 2 AT89S52 单片机与 MAX6675 接口电路 2.3 温度控制电路本温度控制系统采用通断控制，通过改变给定控制周期内加热器的导通和关断时间， 达到调节温度的目的。系统控制电路由双向可控硅输出型光电耦合器MOC3061和双向可控硅 BTA12组成，如图3所示。当单片机的P1.7口输出低电平时，同向驱动器7407输出低电平， MOC3061的输入端有电流输入，输出端的双
10、向可控硅导通，触发外部的双向可控硅BTA12导 通，加热器通电；当P1.7端输出高电平时，MOC3061输出端的双向可控硅关断，外部的双向 可控硅BTA12也关断，加热器断电。3图 3 温度控制电路 2.4 按键处理、LCD 显示显示电路采用 1602LCD 显示模块，P0 口的 8 根线作为液晶显示器的数据线，用 P2.0、P2.1 和 P2.2 作为 3 根控制线。按键主要负责温度的设定和 PID 参数的输入。 2.5 蜂鸣器报警电路蜂鸣器报警电路由三极管和蜂鸣器组成。由单片机 P1.6 口输出高低电平信号控制三极 管的导通或截止，三极管导通，则蜂鸣器报警。 2.6 串口通信电路本系统采用
11、 RS232 标准总线接口实现单片机和 PC 机的通信。以实现 PC 机对单片机的 实时监控4。AT89S52 单片机与 PC 机的接口电路如图 4 所示。图 4 AT89S52 与 PC 机的接口电路 3 3 系统软件设计系统软件设计 本系统通过热电偶检测锡炉内实际温度，由 MAX6675 将热电偶输出的信号直接转换成数字信 号，存入 AT89S52 的内部数据存储器，经处理送 LCD 显示，并将采集值与设定值进行比较，经过 PID 运算得到控制量并由单片机输出去控制加热器。 进行温度控制程序的设计考虑如下问题：按键 处理和 LCD 显示；温度采样和数字滤波；PID 控制；越限报警和处理；串
12、口通讯。 3.1 系统控制算法本控制系统中，使用的是数字PID控制器。 PID控制器是一种线性控制器，它将设定值与测量 值之间偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线 性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID控 制算法可分为位置式PID算法和增量式PID控制算 法。由于位置式PID算法存在某些缺点，而增量式 PID控制算法具有误动作时影响小的优点；手动/ 自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换；算式图 5 主程序流程图4中不需要累加，控制增量u (k)的确定仅与最近k次采样值有关，所以较容易通过加权处理 而获得比较好的控制效果5，因而本文选用增量式PID控制算法，经典的数字PID增量型
13、算 式为: )2()(2111nnnD n InnPnnneeeTTeTTeeKuuu(1)2()(211nnnDnInnPeeeKeKeeK其中为比例系数；为积分系数；为微分系数；PKIKDKIPITTKK 。比例环节即时成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控TTKKD PD)(te制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数 TI ，TI越大，积分作用弱，反之则越强。微分环节能 反映偏差信号的变化趋势（变化速率） ，并能在偏差信号值变得太大之前，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
14、节时间。式（1）为 PID 控制软 件的编制依据。 3.2 主程序 主程序主要完成系统初始化、温度采样、数字滤波、按键处理、温度显示、PID 计算 等。主程序的流程图，如图 5 所示。 3.3 T0 定时器中断服务程序T0 定时器中断服务程序用于产生 8S 采样周期和可控硅的通断周期，是温度控制电路 的主体程序。PID 运算结束后，输出控制增量 u (k)，在利用 u（k）进行控制输出前，对 其进行限幅处理，限幅处理算式如式（2）所示，使其成为 0-200 之间的数。因此，某一周 期可控硅的导通时间（加热时间）为 u（k）*8/200，剩余的时间为可控硅的关断时间。T0 中断服务程序的流程图如
15、图 6 所示。 控制增量 u (k)的限幅处理算式： 200)(,200200)(0),(0)(, 0 )( kukukuku ku（2） 3.4 串口通讯程序在本温控系统中，以单片机 AT89S52 作为下位机，PC 机作为上位 机，下位机与上位机通过串口进行通 信。通过运行上位机的监控软件，用 户可方便的对温度设定值和 PID 参数 值进行修改。下位机将实时温度信息 传递给上位机，以实现上位机对下位 机的状态进行远程监控。上位机软件图 6 T0 定时器中断服务程序流程图5上显示温度实际值及温度变化曲线，曲线随着焊锡炉实际温度值的变化而变化，用户可方 便的观测系统对温度的控制状况。图 7 是
16、温度设定值为 270时的温度控制曲线。图 7 温控系统的控制曲线图 4 4 温控系统的调试和温控系统的调试和 PIDPID 参数的整定参数的整定 数字 PID 控制器参数的整定是一项十分复杂的工作，必须依靠经验和现场调试来确定 控制器的参数KP 、KI 、KD 。合理的选择采样周期 T，是数字 PID 控制系统的关键问题之一， 从理论上说，采样频率越高，失真越小，但是从控制器本身而言，是依靠偏差信号 E 进行 调节计算的，当采样周期 T 过小，控制器将失去调节作用，采样周期 T 过长，又会引起误 差。由于温度为响应慢、滞后较大的被控对象,采样周期 T 选得长些,取 T 为 8S,双向可控 硅控制周期与采样周期一样为 8S。在 PID 参数整定过程中，首先按 Ziegler-Nichols 提出 的参数整定法则选取一组初始 PID 参数值，本文通过正交实验的方法来确定主要影响因素， 然后在实际操作中对参数进行修订，直至最终
