《基于51单片机的pid温度控制系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机的pid温度控制系统设计（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 集美大学诚毅学院集美大学诚毅学院控制系统综合设计控制系统综合设计专业班级专业班级 姓姓 名名 学学 号号 姓姓 名名 学学 号号 指导教师指导教师 日日 期期 一、一、引言引言进入 21 世纪后，自动控制正朝着高精度、多功能、标准化、高可靠性及安全性发展。温度控制也正朝着开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位, 温度控制技术是一种比较重要的工业技术，不仅在化工，航天，航空，医疗等高科技领域，在食品、机械、冶金、化工、建材、石油等工业领域,占据着具有举
2、足轻重的作用。在我们日常的生活中，我们也是经常应用到的。随着工业技术的不断发展，传统的控制方式已经不能满足高精度、高速度的控制要求。如接触器温度控制仪表，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：直接数字控制（DDC） ，推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy） ，专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control） ，推理控制等，PID 控制， ，神经网络及遗传算法控制等1。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使
3、控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。仿真技术的优良特性和巨大效益，可能将成为今后人们特别重视和大力发展的综合技术。仿真系统将应用于人类生产实践的全过程，这样可以避免决策失误，可以预测可能发生的问题，达到避免故障、安全控制的目的。有关专家预言，在 2l 世纪，仿真技术的发展必将对经济、社会以及人们的观念产生巨大影响。MATLAB 具有以下几个特点： 1.功能强大的数值运算功能 2.强大的图形处理能力 3.高级但简单的程序环境 4.是一种丰富的工具箱。单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。单片机以其功能强、体积小
4、、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高。在温度控制技术在温度控制当中，PID 控制技术应用相对来说比较广泛，PID 控制器算法简单，计算量小，恒温效果稳定。本文则以单片机（C 51）为核心、PID 算法为控制方式、MATLAB 仿真、串口通讯而设计的温度控制系统。二、二、本控制系统的综述本控制系统的综述此次课程设计的温度控制系
5、统，以单片机 AT89C51 为控制核心。主要内容是通过 Pt100 温度传感器，将水壶的温度值转化成电阻值。再通过自设计的温度变送器进行放大输出电压量，由 AD 模块（ADC0809 芯片）将电压信号采集进单片机。与我们系统的给定值 rk 进行比较得到误差量 ek，采用 PID 控制算法得到控制量。将控制量经 DA 模块（DAC0832 芯片）产生电压信号驱动功率模块实现对水壶的温度控制。此次课程设计采用的控制算法采用的是 Bang-Bang PID 算法，当温度低于设定范围以下，可以使温度较低时能够快速的升温。水壶的温度控制也可采用模糊控制算法等智能控制算法，并且温度系统存在较大的滞后，也
6、可以增加Smith 预估算法。 本次课程设计的目的在于，在对水壶温度控制系统的设计中，了解温度控制系统基本的控制方案。将理论应用与实际，对过程控制技术、自动控制技术的应用得到一定的提升。三、三、温度控制系统硬件设计温度控制系统硬件设计4.1、温度变送器模块、温度变送器模块Pt100 的电阻受温度的变化而变化，其计算公式：Rt=R0(1+aT)=100(1+0.00392T)，其中 T 为温度，Rt 的单位为欧姆，Rt 与温度呈有一个零点的线性关系。在变送器模块设计中为了将温度的变化转化成电压的变化，需设计一个恒流电路，使电阻的变化转化成电压的变化。根据公式：Vt=RtIs=100Is+0.39
7、2TIs，故需要设计一个恒压抬高电路，抵消100Is，使温度与电压呈线性关系。最后，由于 Pt100 的电路产生的电压变化比较小，所以还需要设计放大电路。图图 2 温度变送器原理图温度变送器原理图由图 2 可知：（1） 系统前级电路由三极管、二极管和稳压管组成的电路产生恒定的电流 Is，使 Vi 随温度的变化而变化；（2） Vi 为铂电阻的转换电压，U1 和 U2 组成二级放大器，Vi1 为一级放大电压，V11 抬高电压，Vo 为最终输出电压(010V),Vo1 输出 05V；（3） U3 是射极跟随器，产生稳定的抬高电压 V11。图图 3 3 温度变送器实物图温度变送器实物图温度变送器设计完
8、成后，对各电位器进行调节，使得传感器输入为0100，输出为 05V。对水壶的水温进行测量，将得到的温度及对应的电压值用 Excel 进行绘图并拟合。温度（）122030405060708090100电压（V）1.091.742.232.833.423.834.264.755.145.38表表 1 温度与采集电压数据表温度与采集电压数据表图图表表标标题题y = 0.0488x + 0.77460123456020406080100120电压 线性 (电压)图图 4 温度与采集电压曲线图温度与采集电压曲线图拟合公式为：y=0.0488x+0.7746 (1)其中 y 表示水温，x 表示输出电压。经
9、过调试后，基本上能够满足线性要求。4.2、功率可调模块、功率可调模块功率可调模块选用 EUV-10A-，该模块采用单片机设计，可实现软启动、软停车功能，广泛应用于交直流电机调速，单相 220VAC、380VAC 变压器初级原边调压、电磁铁振动、调光、焊机、电镀等功率调节场合。技术参数工作电压 220VAC、380VAC有效值电流 10A偏置电压 Vb 12VDC偏置电流 30mADC max输入控制信号 1-5VDC 或 4-20mA 或10k 电位器输出电压变化范围 0-220VDC、0-380VAC引出端与底板间、输入与输出电路间介质耐压 2500VAC min/50Hz功率调控模块 EU
10、V-10A-的接线方式如下图 2 所示。左图为触发电路的接线图，右图为交流电的输入和输出的连接图。红 蓝 绿 黄 棕 Vb +12VDC 计算机 D/A 输出 0-5V 0-5V 调节时的接法 4-20mA 调节时的接法图图 5 5 功率模块的接法功率模块的接法4.34.3、被控对象、被控对象本设计使用电热水壶为被控对象，该对象具有大滞后、非线性、时变性等特点，通过单闭环控制方式，实现对水壶温度的恒温控制。若想使系统控制更加完善可加入 Smith 预估等控制算法，在此不作介绍。4.44.4、单片机实验系统、单片机实验系统单片机系统采用 STAR ES598PIC 实验箱以及星研集成开发软件。包
11、括A/D、D/A、串口通信等一系列模块。连接图图图 6 6 系统连接实物图系统连接实物图四、四、控制器设计控制器设计5.1、PID 控制器的设计控制器的设计PID 控制器广泛的应用于各种工业控制。 其主要的优点在于：原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性好；对模型依赖少。它是将给定值与实际输入值进行偏差计算得到 e(t),然后进行比例、积分、微分计算，通过线性组合构成控制器，实现对被控对象的控制。对于增量型的 PID 控制规律为：Uk=kp*ek+ki*ek+kd*(ek-ek-1) (2)Uk 为 PID 控制的输出信号5.25.2、PIDPID 控制器流程图控制器流程图对 PID 的三个比例
12、系数赋初始值，然后将采集的信号与给定值进行比较，得到 偏差量，代入控制规律（2）式，求得控制信号。图图 8 Bang-Bang PID 算法流程图算法流程图算法流程详解：ek、ek-1、ei 初始值都为 0，当 A/D 转化的数值与给定的 80 的偏差大于 10时，uk=255，控制电压为 5V,即最大电压进行加热。当温度介于 70 和 80 之间时，进入 Bang-Bang PID 控制。由于算法计算出来的控制量可能大于 D/A 转化的范围，所以当 uk255 时，令其输出为 255.；uk #define uchar unsigned char uchar xdata *ad; uchar
13、 data adtab; uchar j=0; main() ad=0x0f000; while(1) *ad=0; for(j=0;j=100;j+); adtab=*ad; P1=adtab; return 0; 结论： 5 V 时候 LED 灯全亮，0 V 的时候 LED 灯全灭（2）发送机程序：（3）接收机程序：袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁
14、节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇荿薀螆肃
15、芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂
