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1、毕 业 设 计 论 文题目： 系 别： 电气与电子工程系专 业： 河南城建学院2011年05月20日 摘要工业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和时变性的特征，要实现温度控制的快速性和准确性，对于提高产品质量具有很重要的现实意义。 课题针对温度控制的特点及实现准确温度控制的意义，设计了一种基于单片机的控制系统。设计内容包括硬件和软件两个部分。硬件电路以AT89S52单片机为微处理器，详细设计了温度信号采样电路，键盘及显示电路，温度控制电路，报警电路，时钟信号电路。软件部分主要对PID算法进行了数学建模和编程。PID参数整定采用的是归一参数整定法。本设计由键盘电路输入设定温度信号给单片机，
2、温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机，单片机根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算，输出控制信号给温度控制电路，实现降温。显示电路实现现场温度的实时监控。本系统实现简单，硬件要求不高，且能对温度进行时实显示，具有控制过程的特殊性，本设计提出了一种基于PID算法来实现恒温控制的温度控制系统，主要是为了达到生产过程中对温度控制速度快，准确性高等特点。关键词 PID算法 温度控制ABSTRACTIndustrial production is a one-way temperature control, delay, the inertia and time-varying characteri
3、stics, To achieve the rapid temperature control and accuracy, improving the quality of products is a very important practical significance. The temperature control issues against the characteristics and achieve precise control of temperature, Based on the design of a PID temperature control system.
4、Design elements include hardware and software in two parts. Hardware circuit to AT89S52 MCU for microprocessors, for the detailed design of the microcontroller to provide electricity supply circuit, Temperature signal sampling circuit, keyboard and display circuits, such as heating control circuit f
5、our circuit module. Software major part of the PID algorithm is a mathematical modeling and programming. PID tuning parameters are used to a fixed parameter. The circuit design of the keyboard input from the set temperature signal to the microcontroller, Temperature Signal Acquisition Circuit collec
6、t temperature signal to the microcontroller, According to SCM input and feedback signal, the error for PID, the output control signals to the heating control circuit, Heating and achieve stop. Show circuit scene of the real-time monitoring of temperature. The system is simple, and hardware, but also
7、 the real-time temperature, with the particularity of the control process, The design of a PID algorithm based on the temperature control to achieve the temperature control system, the main aim is to achieve the production process for the temperature control speed, high accuracy. Key word PID algori
8、thm temperature control目录第一章 绪论11.1 引言11.2 方案的论证31.2.1 方案一利用单片机实现温度控制系统31.2.2 方案二利用PLC实现恒温控制系统31.2.3 方案三利用模拟PID调节的恒温控制系统41.3设计方案4第二章 温度检测与控制系统的硬件设计62.1 AT89S52单片机简介62.1.1 AT89S52单片机资源简介62.1.2 AT89S52单片机信号引脚介绍72.1.3 AT89S52单片机时钟和复位电路82.2 温度传感器92.2.1 温度传感器PT100102.2.2 温度变送器SWB102.2.3 模数转换单元112.3 键盘和显示
9、电路132.3.1 键盘电路132.3.2 LED显示器简介132.3.3 LED显示电路162.4 报警电路172.5 温度控制电路17第三章 温度检测与控制系统的软件设计193.1 PID调节器控制原理193.2 位置式PID算法203.3 数字PID参数的整定203.3.1 采样周期选择的原则213.3.2 PID参数对系统性能的影响213.4 PID计算程序233.5 系统相关软件设计273.5.1 系统的软件设计方案273.5.2 系统软件设计框图273.5.3 主程序的设计283.5.4 主程序的起始地址及初始化283.5.5 LED的显示子程序293.5.6 键盘处理子程序设计3
10、03.5.7 报警电路和加温电路程序设计303.5.8 传感器电路程序设计31第四章 设计总结33致谢34结束语35参考文献36附录37第一章 绪论1.1 引言电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特点。例如：其升温单向性是由于电加热的升温、保温主要是通过电阻加热；降温则通常是依靠自然冷却，当温度一旦超调，就很难用控制手段使其降温，因而很难用数字方法建立精确的模型，并确定参数。应用传统的模拟电路控制方法，由于电路复杂，器件太多，往往很难达到理想的控制效果。由于无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数，本设计采用PID控制。目前工业自动化水平已成为衡量各行业现代化水平的一个重要
11、标准，同时控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等；而自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构加在被控系统上，控制系统的被控量经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器和执行机构都不一样。比如压力控制系统要采用压力传感器，而温度控制系统要采用温度传感器。目前PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品已在工程实际中得到广泛的应用，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，
12、其中PID调节器参数是自动调节是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现，有利用PID调节控制实现压力、温度、流量、液位的控制。能实现PID控制功能的有PLC和一些PC机。传统的PID控制电路结构复杂，需配合相应的可控硅控制电路来完成功率的调控。针对它具有器件多、生产成本高、电路调试复杂的缺点，本恒温自动控制系统的设计中应用AT89S52的单片机进行数字PID运算，能充分发挥软件系统的灵活性，在必要时针对PID算法进行修正，使其更加完善，固态继电器的功率调节电路，极大地简化了执行电路，与单片机的接口也变得十分的方便，同时只需要更换不同输出功率的固态继电器，就可满足不同功率加热系统的需要。由于设
13、计的系统对温度动、静态指标要求要求不高，且允许有一定的温度偏差和允许调节的时间较长时，最流行控制方法还是继电接触器控制系统。因此本设计采用若继电接触器控制系统。整个设计系统电路简单、调试方便、实际应用可达到理想的精度。随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断地增强，许多高性能的新型机种不断的涌现出来，单片机以其集成度高、功能强、体积小可靠性高、价格低和开发周期短等特点，成为自动化和各个测控领域中应用广泛的器件，在工业生产中，称为必不可少的器件，尤其是在当要求控制精度高，而成本低的社会里，往往都是采用单片机作为数字控制器取代模拟控制器。在温度控制系统中，单片机最是起到了不可替代的核心作
14、用。而PID控制技术在现在最为成熟，控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型就可以调节，所以在恒温控制系统中通常采用PID算法。PID是比例（proportional）、积分（intergal）和微分(derivative)三者的缩写。PID调节器的三个基本参数kp(比例系数)、ki（积分系数）、kd(微分系数)的选择非常重要，它将直接影响一个控制系统的准确性。而三个环节在实际控制中的作用：1、比例调节作用：比例反映系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用，用于减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但过大的比例使系统的稳定性下降，甚至造成系统不稳定；2、积分
15、调节作用：是使系统消除静态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节就停止。积分调节输出为一常值，积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti. Ti越小，积分作用就越强；反之Ti越大，积分作用就越弱。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调节或PID调节；3、微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，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。在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此微分调节可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪音干扰有放大作用，因此过强的微分作用，对系统抗干扰不利。此外微分反映的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用的输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD调节器或PID调节器。大多数温度控制系统均建立在模型上，难以满足加工工艺要求，故引入模糊控制，采用模糊PID算法，运用AT89S52单片机对电阻炉温度实现智能控制，可以解决上述种种不足，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
