温度PID控制-课程设计--

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1、目录1 引言 12 设计方案 12.1 课题内容 12.2 总体方案 13 硬件设计 23.1 单片机控制电路 23.2 显示、按键、报警电路 23.2.1 LCD 显示23.2.2按键与报警电路33.3温度检测与A/D转换33.3.1温度变送器 33.3.2 A/D 转换43.4 输出电路44 软件设计64.1 周期采样程序64.2 数字滤波程序64.3 PID 程序74.4 主程序85 心得与体会9参考文献10附件 系统原理图111 引言温度是工业对象中一种重要参数，特别在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种 加热炉、热处理炉和反应炉等。由于炉子的种类不同，因此所采用的加入方法及燃料也

2、不同， 如煤气、天然气、由和电等。但是就其控制系统本身的动态特性来说，基本上都属于一阶纯 滞后环节，因而在控制算法上亦基本相同。用微型计算机对炉温进行控制，无论在控制品质，节约能源，还是在改善劳动环境等方 面都显示了巨大的优越性。本文介绍了温度测量及自动控制系统的设计。主要组成部分：AT89C51单片机、温度传 感器、A/D转换、显示电路、温度控制及键盘电路。它可以实时地显示温度，实现对温度的 自动控制并设有报警电路。还可以通过键盘对PID参数进行设置。2 设计方案2.1 课题内容某工业电炉在对产品进行加工的过程中，炉温从室温上升到1000C应为30min,然后温 度保持到1000C，其时间为

3、1小时。最后断电，使电炉自然冷却。电炉的加热源是热阻丝， 利用大功率可控硅控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电 炉炉内的温度。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有 效电压可在0140V内变化。温度传感器是通过一只热敏电阻及其放大电路组成，温度越高 其输出电压越小。外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间，如果炉温低于 设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。要求设计一个以单片机为核心，包括主要过程输入输出通道及主要接口，外配LED显 示、键盘操作以及包括传感变送器及执行器的小型计算机控

4、制系统。2.2 总体方案为实现温度的检测，可以选用热电偶、热电阻等测温单元，然后通过变送器将其信号变 换为标准的 信号，并经过A/D转换，供微型计算机处理。在微处理器内，输入信号经过 相应算法的处理，如PID控制算法等，输出相应的控制信号。温度的控制主要是控制发热电 阻丝的发热，而电阻丝发热量的控制，可以通过调功的方法实现，即控制电阻丝两端交流电 压的通断时间的比例来实现，基于以上分析，可得流程图如图1 所示。图1设计框图3 硬件设计3.1单片机控制电路该温度控制系统中，选用AT89C52单片机作为处理器，其内部包含微处理器CPU）、储 存器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、串行接口等部件

5、。完全能满足控制要求。同时 由于该系统中要用到数码管显示、A/D转换、键盘、报警电路、信号输出，其外部扩展功能多，因此选用8255作为并行输出接口，方便外部数据寻址。单片机小系统如下图1所示。（：1 -100n如AL1FO.M.fiDOP.2/他XTAE2PO.qOCTra.srweP.BWBRSIPO.WC7P2JQrfiBALEEAP2F2.7/H15pi.omP3.0JRKDPUTOEKF3.1fTOPl 2P2 2JlhlTnP13P3.3JIHT1P1.4F3ATDP l-5P3 3JT1P1J6P3J0AiJRP1.7P3.7/R&HPCD ./rFC1 /17PC5DOFAJOD

6、1PA102PA203PA3DQPfl.4PA60BPAflFA7RDpeaWRPB1ADFB2A1PQSRESETPB4PBfiCSPBOFB7peaFC1PC2PC3FC斗P匸日peaPC7图2单片机控制电路由图可知，8255的A 口、B 口、C 口、控制端口地址分别为：F8FFH、F9FFH、FAFFH、FBFFH。3.2显示、按键、报警电路3.2.1 LCD 显示液晶显示器LCD问世以来，以其微功耗、小体积、轻质量、超薄等诸多优点，广泛应 用于微型计算机控制系统和智能化仪器中。另外，LCD在大小和形状上更加灵活，接口简单， 不但可以显示数字、字符，而且可以显示汉字和图形，因此在各种仪器

7、仪表、电子产品上得 到广泛应用。LCD已成为一种站主导地位的显示器件。在本温度控制系统中，选用AMPIRE 128X64型LCD作为显示部件，该液晶模块可以显示 汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵），128个字符（16X16点阵），及64X256 点阵显示RAM。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理器：8位并行及串行两种连 接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式。AMPIRE 128X64型LCD驱动电路 如图3所示。AcoCD35Eq|LLLjZjlijLijLlJLlJLl_ijj-rltrnoociCiCiOiZiLjjcEtr-o:|Lf=飞. qI

8、- ,j_.k. 图3 LCD显示电路3.2.2按键与报警电路 按键为触发式按键，当按下时导通，松开时断开，当按键未按下时，相应管脚电平为“1”， 当按键按下时，相应管脚电平被拉低，即“0”；因此检测管脚电平的高低，即可判断键是否 按下。报警电路采用黄、红、绿三种颜色的发光二极管进行显示，黄灯亮表示温度偏低，绿灯亮表示温度正常，红灯亮表示温度过高。电路如图4所示。:.,a5Vp y图4按键、报警电路3.3温度检测与A/D转换3.3.1温度变送器ST1000 一体化温度变送器将温度传感元件（热电阻或热电偶）与信号转换放大单元有 机集成在一起，用来测量各种工艺过程中-2001600C范围内的液体、

9、蒸汽及其它气体介质 或固体表面的温度。它通常和显示仪表、记录仪表以及各种控制系统配套使用。ST1000系列变送器有如下特点：DC24V供电，二线制，直接输出标准4-20mA信号， 精度高、抗干扰、长期稳定性好、免维护、可远传（最大1000米）。该系列产品分普通型 和隔爆型两种，已广泛应用于各种工业控制领域。温度变送输出的4-20mA的电流信号经250Q电阻转换为1-5V电压，供A/D转换器转换。3.3.2 A/D 转换ADC0809 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道，8 位逐次逼近式 A/D转换器。其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选 通8

10、路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。其接线如图 5所示。U3；丄ADDAINOADDBIN1ADDCIN2ALEIN3IN42-1MSBINS2-2IN62-3IN72-42-5START2-6EOC2-7OUTPUT ENABLE2 -8LSBCLOCKGNDVCCVREF(+VREF(-H-；A)C08 !-iMET=PAI 1I； 12F；i G rF；- ；i FE； &FT7-l-L：J M I 11/ 1?18：J T-I OK HZ-Al图5 A/D转换电路由图可知，A/D转换的启动地址为：7FFFH；数据读取地址8255 PB 口地址，即：F9FFH。 A/D转换程序为：

11、START: MOV DPTR,#7FFFHMOVX DPTR,AWAIT: MOV A,P0ANL A,#80JZ WAITMOV DPTR,#0F9FFHMOV A,DPTR3. 4输出电路为实现温度控制，就得对热阻丝的功率进行控制，热阻丝两端用220V交流进行加热， 因此要控制热阻丝功率，可以通过调功实现，即控制交流电的通断时间比例来实现。基本过 程是，检测到的温度信号，经微处理器用PID算法进行运算，输出一定占空比的PWM波，该 PWM波控制热阻丝电路的通断，以实现热阻丝的调功。单片机输出信号不能直接驱动继电器，同时由于某些外部设备可能会产生很强的电磁干 扰，可能使单片机受到影响；因此

12、采用光电隔离器进行隔离。电路如图6所示。在该电路中，当开关量PC7输出高电平是，经反相驱动器变为低电平，使发光二极管发 光，从而使光敏三极管导通，进而使三极管9031导通，继电器线圈通电，K1闭合，使得热 阻丝电路接通。反之，PC7输出为低时，K1断开，热阻丝停止输出热量。PWM波调功原理如图7所示。PWM波交流调功 波形通过以上分析，该电路通过调功的方法，配合PID算法，能够实现热阻丝功率的调节。 从而可以将炉温控制在希望值。4 软件设计在该温度控制程序中，温度信号要经过周期采样、数字滤波、PID运算、输出等过程, 其过程如图8 所示。图8信号流程图4.1 周期采样程序在计算机内部，执行算法

13、时，需要将外部信号进行离散化处理，因此需要对外部模拟信 号进行周期采样。从理论上讲，采样频率越高，失真越小，但从控制器本身而言，大都依靠 偏差信号E(k)进行调节器计算。当采样周期T太小时，偏差信号E(k),也会过小，此时计算 机将会失去调节作用，而采样周期T过长又会引起误差。因此采样周期必须综合考虑，一般 而言采样周期根据外部信号变化快慢而定，如在该温度控制系统中，水箱温度变化比较缓慢， 因此采样时间T应该适当大一些。其程流程图如图9。图9周期采样程流程4.2数字滤波程序在工业过程控制系统中，由于被控对象所处的环境比较恶劣，常存在干扰源，如环境温 度、电场和磁场等，使得采样值可能偏离真实值。

14、对于各种随机出现的干扰信号，在计算机 控制系统中，应该对采样的数据进行判断，以及平滑加工，以提高信号的可信度，减小乃至 消除各种干扰及噪声，以保证系统的可靠性。在该系统中，我选用限幅滤波。限幅滤波的基本思路是：求出本次采样值与前一次采样 值之差，该差值与最大允许差值AY比较，若小于或等于AY，则取本次采样值，若大于AY， 则取上一次采样值，即：Y (k) - Y (k -1)| WAY,则 Y (k) = Y (k)，取本次采样值Y(k) - Y(k -1)| AY,则 Y(k) = Y(K -1),取上次采样值数字滤波程流程图如图10所示。图10数字滤波程序框图4.3 PID程序PID调节由比例调节、积分调节、微分调节三者组成，是技术最成熟、应用最广泛的一 种调节方式。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行 运算，运算结果用于控制输出。在实际应用中，根据被控对象的特征和控制要求，可灵活地 改变PID的结构，取其中一部分环节构成控制规律，如比例调节、比例积分调节、比例积分 微分调节等。