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1、惠州学院 HUIZHOU UNIVERSITY毕 业 论 文（设 计） 中文题目：基于单片机的PWM控制方法的精密温度控制 系统设计 英文题目：Design of Precise Temperature Control System Based on PWM Control Method of Microprocessor 姓 名: 姚佑鹏 学 号: 090701224 专业班级: 09电气工程及其自动化2班 指导教师: 李卫平 提交日期: 2013-05-15 教务处制 摘 要本文设计了一种以单片机STC89C52为核心的精密温度控制系统。它使用一线制数字温度传感器DS18B20采集温度，并
2、通过四位数码管显示实时温度。通过设置按键，设定恒温运行时的温度值，并显示在数码管上。单片机采用PID控制算法对测量值和设定值进行处理，计算输出PWM波控制继电器调节发热电路的发热功率，最终控制被控对象温度。通过原理分析，软硬件设计及实验调试，温度能够实时检测和自动控制，系统的温度控制精度可达到0.5，表明该温度系统比较稳定并且精确，能够实现对温度的精密控制。关键词：温度控制 MCS-52 DS18B20 PID PWM Abstract A precise temperature control system with the core of microprocessor STC89C52 i
3、s designed in this paper. In this system, one-wire digital thermometer DS18B20 is used to transform analog temperature signal to digital signal,through four real-time digital of a digital thermometer temperature.bysettingthebutton,set the thermostat temperature at the timeofoperation,anddigitaldispl
4、ayofthetemperature.Single-chip Microcomputer used PID control algorithm to process the data measurement and data settings,and calculate the PWM signal, is outputted and magnified to drive a solid state relay so that the power of heat circuit is adjusted.Thus the temperature of the object can be cont
5、rol. Through many of theory, design and experiments, the temperature of real-time detection and automatic control test is reached,and the error of this system is 0.2. It show that the system is precise and steady, and control precise temperature.Keywords: Temperature control MCS-52 DS18B20 PID PWM 目
6、 录1 前言12 设计理论基础22.1 PWM控制技术22.2 数字PID算法23 系统的方案设计43.1系统设计内容及要求43.1.1设计内容43.1.2设计要求43.2方案设计的比较与论证44 系统硬件电路的设计64.1单片机最小系统模块74.1.1 单片机STC89C52的简介74.1.2 单片机系统模块的硬件设计104.2 功能实现模块114.2.1 采样模块114.2.2 按键模块124.2.3 显示模块134.4 温度控制模块145 系统软件设计155.1 主程序模块155.2 功能实现模块175.2.1 温度采样子程序175.2.2 显示子程序175.3 运算控制模块186 系统
7、调试196.1 Keil软件的简介196.2 Proteus软件的简介196.3 软件仿真206.4 硬件调试216.5调试结果227 结论24致谢25参考文献26附录271 前言温度是众多行业生产中的基础参数之一，也是与人们生活息息相关的一个重要物理量。温度的测量和控制在日常生活和工业领域中具有广泛的应用，随着社会的进步、工业的发展，温度控制技术的不断革新，人们生活水平的大幅提高，对温度测量控制的精度和范围也有着更高的要求。因此，温度控制是生产工艺流程中极为重要的一个环节，尤其在电力、航天、交通、造纸、装备制造、食品加工等行业有广泛的应用。利用单片机来对温度进行控制，不仅能够有效地提升控制能
8、力与生产的自动化，而且还有可能尽早实现智能化的目标。和传统的温度控制相比，基于单片机数字PID算法和PWM控制技术的温度控制系统不仅能保持系统稳定精确，还可以降低能源消耗。因为传统的温度控制都是通过电阻限流的方式达到的温度控制，这类控制对象惯性大，滞后现象严重，从而导致控制系统性能不佳，甚至出现控制不稳定、失控等现象，而且其整体的功率并没有根本性的改变，造成了能源的浪费。而PID控制方式控制稳定且精度高，能满足精密温度控制系统的稳定要求。PWM控制技术则通过占空比的改变实现对加热电路发热功率的调节，不存在限流的损失，减少了能源的消耗。本设计又采用DS18B20数字温度传感器，该传感器具有微型化
9、、封装简单、低能耗、高性能抗干扰能力、测量范围广、强易配处理器等优点，可使系统测量更加精确，电路更加简单。2 设计理论基础 本设计系统以单片机STC89C52为核心,采用温度传感器DS18B20获取实时温度，结合数字PID控制算法和PWM控制技术，控制调节加热电路的发热功率，最终控制被控对象的温度。本章将逐一介绍以上所涉及到的控制算法和控制技术。2.1 PWM控制技术PWM是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，即脉冲宽度调制，简称脉宽调制。它是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式
10、能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 PWM是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。 其中方波高电平时间跟周期的比例叫占空比，例如1秒高电平1秒低电平的PWM波占空比是50% 。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，PWM相对于模拟控制的另一个优点
11、是增强对噪声抵抗的能力。2.2 数字PID算法 PID算法是本系统软件程序中的核心部分。我们采用PID模糊控制技术,通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。其原理如下： 本系统的温度控制器的电热元件是发热片。发热片通过电流加热时，内部温度都很高。当容器内温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热片的温度会高于设定温度，发热片还将会对被加热的器件进行加热，即使温度控制器发出信号停止加热，被加热器件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，开始加热，但发
12、热片要把温度传递到被加热器件需要一定的时间，这就要视发热热与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新加热时，温度继续下降几度。所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。增量式PID算法的输出量为 式中，e（k）、e（k-1）、e（k-2）分别为第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数，采样周期为T。 计算机每隔固定时间 T将现场温度与用户设定目标温度的差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定PWM方波的占空比，后续加热电路根据此PWM方
13、波的占空比决定加热功率。现场温度与目标温度的偏差大则占空比大，加热电路的加热功率大，使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，加热电路加热功率减少，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。 PID参数的选择是系统设计成败的关键，它决定了温度控制的准确度。数字PID调节器参数的整定可以仿照模拟PID调节器参数整定的各种方法，根据工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数。各个参数对系统性能的影响如下： 1.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太大时，系统会趋于不稳定；P太小，又会使系
14、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。 2.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。 3.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。3 系统的方案设计3.1系统设计内容及要求3.1.1设计内容 1.温度信号采集与处理；2.PID算法的设计；3.PWM占空比的改变；4.设计电路并进行仿真； 5.制作硬件电路并完成软件、硬件的联调及测试。3.1.2设计要求 1.温度控制范围：室温0+100；2.温度控制精度：0.5；3.温度设置：由按键设置控制温度；4.显示：四位有效值显示；5.报警装置
