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1、长春工业大学本科生毕业论文摘 要本系统采用单片机AT89C51为控制核心，将增量型PID控制算法和全数字PWM脉宽调制技术相结合，引入温度差动反馈，构成基于数字控制器的空气温度闭环控制系统，通过对电机输出功率的准确控制，实现了容器中空气温度的精确控制。由于采用闭环控制系统，应用了积分控制和微分控制，所以控制系统几乎没有静差并且动态反应速度快，具有较强的抗干扰能力。系统采用自热小的薄膜铂电阻温度传感器对容器中空气温度进行监测，形成温度的反馈信号。为了精确处理传感器信号，本系统采用了输出线性度好，转换精度高,抗干扰能力强的-A/D转换芯片AD7710。在标准PID算法基础上，本设计选择了积分分离P
2、ID控制算法，并且根据AT89C51的特点，在数值计算上采取了累计处理的方法，有效抑制了积分饱和，基本消除了积分不灵敏区的影响。本程序可实性和可再利用性较好，各项被检测结果表明，本系统各项性能、指标达到或略好于设计要求，且人机界面友好。关键词：单片机；增量型PID；PWM AbstractThe system uses single-chip (AT89C51) as the control core, unifies the increase PID control algorithm and the entire digital PWM pulse-duration modulation
3、technology, the temperature difference feedback was introduced, constitutes based on the digital controller air temperature closed-loop control system. Through electrical machinery output power accurate control, we realized the air temperature accuracy control. Because of adopt the closed-loop contr
4、ol system ，apply the integral and differential control, the control system does not have the static difference nearly ,moreover have a fast dynamic response, also has the strong ant jamming ability.The system adopts a smallself-heated film platinum resistance temperature sensor，through measure the a
5、ir temperature in the vessel, form the temperature feedback signal. In order to process the sensor signal precisely, this system used the good output linearity, the high transformation precision, antjamming ability strong - A/D Transformation chip AD7710。In the standard PID algorithm foundation, we
6、chose the separate integral PID control algorithm, and according to AT89C51s characteristic we have adopted the accumulation processing method in the value computation to restrain the integral saturated and eliminate integral dead spot influence basically. The programmer which has a better realizati
7、on and utilization, various result indicates that the systems capability and quota achieved the requirement of design and the man-machine contact surface is friendly.Key words: single-chip；improved PID；PWM毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不
8、包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目录第一章 绪 论11.1
9、 课题的目的11.2 国内外现状与发展11.2.1 集成温度传感器的产品分类21.2.2 智能温度传感器发展的新趋势31.2.3 铂电阻温度传感器41.2.4 脉冲调节（PWM）51.2.5 单片机及人机接口61.3 主要任务7第二章 系统设计任务与设计方案82.1 设计任务与要求82.2 系统总体方案的设计82.3 主控模块的方案论证92.4 前向通道方案论证102.4.1 传感器的方案论证102.4.2 A/D的方案论证112.5 后向通道方案论证122.5.1 PWM的方案论证26122.5.2 PID控制算法的方案论证142.6 人机接口的方案论证15第三章 硬件设计173.1 空气环
10、境温度控制系统总体框图如图3.1所示173.2 主控模块173.2.1 AT89C51单片机设计173.2.2 I/O接口扩展的设计233.2.3 看门狗电路的设计253.3 前向通道的设计273.3.1 铂电阻温度传感器的设计273.3.2 A/D转换部分的设计293.4 后向通道的设计333.4.1 控制算法的设计333.4.2 功率驱动及PWM的设计373.5 人机接口的设计393.5.1 键盘及显示电路的设计393.5.2 报警电路的设计423.5.3 打印机的设计42第四章 软件设计41致谢54参考文献55附录：一564第一章 绪 论 1.1 课题的目的 空气环境温度控制在工业及日常
11、生活中应用广泛,分类较多,不同空气温度控制系统的控制方法也不尽相同,其中以PID控制法最为常见。单片机控制部分采用AT89C51单片机为核心，采用软件编程，实现用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电阻丝的加热来实现温度控制。然而,单纯的PID算法无法适应不同的温度环境,在某个特定场合运行性能非常良好的温度控制器,到了新环境往往无法很好胜任,甚至使系统变得不稳定,需要重新改变 PID 调节参数值以取得佳性能。本文首先用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电阻丝的加热来实现温度控制。然后在模型参考自适应算法 MRAC基础上,用单片机实现了自适应控制,弥补了传统 PID控制结构在特定场合下
12、性能下降的不足,设计了一套实用的空气环境温度测控系统,使它在不同时间常数下均可以达到技术指标。此外还有效减少了输出继电器的开关次数,适用于环境参数经常变化的环境下的控制系统。本课题涵盖了传感器技术，信息处理技术，计算机通信技术，PID调节器，PWM控制器，键盘和显示等几个方面的技术。同时根据串行通讯原理，设计了单片机与PC机的接口电路，建立了单片机与PC机之间的串行通讯协议，并利用相应的编程语言对测温系统实现操作。该测温系统具有实时存储功能，便于对信号进行分析和处理。在本设计中，我们为了能实现人机的对话及时知道系统的运行状况，我们应给本系统增加了报警功能。本课题的主要目的是为了让人们能准确的测
13、量温度，从而能根据所知的温度来进行控制。达到测控相结合，更好的利用我们的能力去为我们服务。让我们能感知温度更方便快捷的去调节。1.2 国内外现状与发展现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器控制器；(3)智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。 温度
14、是一个基本物理量。温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越强烈。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标，摄氏温标，热力学温标。自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产，科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。另外温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、
15、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制。 随着技术的发展，各种惯性器件的性能在不断提高，体积也在不断小型化。对于惯性器件（如加速度计、陀螺）性能的提高，温度补偿作为一种重要的修正方式越来越引起人们的注意，因此如何在惯性器件极小的空间内精确地测量、传输、处理温度信息，温度成了能否使其性能和体积优势进一步提高的关键问题1.2.1 集成温度传感器的产品分类1) 模拟集成温度传感器集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线
