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1、浙江万里学院本科毕业设计(论文)(2011届)论文题目 基于PC的PID温度测控系统设计下位机温度测控(英文)The Design of PID Temperature Control System Based on PCLower Computer Temperature Control 所在学院 电子信息学院 专业班级 电子信息工程本062 学生姓名 学号 指导教师 职称 副教授 完成日期 2010 年 4 月 20 日基于PC的PID温度测控系统设计下位机温度测控崔晓宇（浙江万里学院电信学院电子本062班）2010年4月摘 要温度控制是工业生产、科研活动中一个举足轻重的环节，它直接关系到
2、整个生产系统的控制系统，因此温度控制的研究具有重要的现实意义。本系统针对温度控制的特点，设计了一种基于PC的PID温度测控系统。本系统包括远程控制终端（RTU）和人机接口（HMI）两个部分。RTU主要作用于信号采集、测量和控制。HMI主要实现的是温度数据在上位机上的数据处理功能。RTU硬件电路以51单片机为微处理器，分为温度采集模块、液晶显示模块、串行通信模块和输出控制模块四个部分。软件部分主要对PID算法进行编程。系统利用单片机低功耗、处理能力强的特点,使PC与单片机进行串行通信，用数字温度传感器DS18B20采集温度后，对设定温度与采集温度信号的偏差进行PID控制，输出的控制信号传递给温度
3、控制电路，从而实现升温或降温。系统具有人机交互良好、控温精度高、自动化程度高等特点,有效地实现了水温温度的自动控制，具有良好的实用价值和发展前景。关键词：DS18B20；PID控制；PWM控制；串行通信AbstractTemperature control takes a vital part in the industrial production and scientific research activities, it directly related to the control system of the entire production system, so the resea
4、rch of the temperature control has its important practical significance.This issue designed a PC-based PID temperature control system featured for temperature control. The system includes two parts- Remote Terminal Unit (RTU) and Human Machine Interface (HMI). RTU majors in signal acquisition, measu
5、rement and control. HMI mainly realizes the function of temperature data in the host computers data processing.The microprocessor of the RTU hardware circuit is 51 MCU; it divides into four parts: temperature acquisition module, temperature display module, serial communication module and data proces
6、sing module. The software part is mainly program the PID algorithm. The system makes use of the future of the low power consumption and the processing capability of the SCM, which enables PC and SCM do serial communication. After acquire the temperature with digital temperature sensor DS18B20, do th
7、e PID control to the signal deviations between the setting temperature and the acquisition of the temperature, the output control signal transmits to the temperature control circuit, in order to heating or cooling the temperature. The system with good human-computer interaction, high precision tempe
8、rature control, auto level, effectively realize the auto-control of the water temperature, it has good practical value and development prospects.Key Words: DS18B20；PID control；PWM control；serial communication目 录1引言12系统方案设计33RTU硬件设计53.1 微处理器系统53.1.1 时钟电路53.1.2 复位电路63.2温度采集模块63.2.1 温度传感器选择63.2.2 温度采集电
9、路63.3 液晶显示模块73.3.1显示模块选择73.3.2 液晶显示电路73.4 串行通信模块83.5 输出控制模块93.5.1 输出控制方式选择93.5.2 输出控制电路104RTU软件设计114.1 主程序114.2 温度采集模块124.2.1 初始化124.2.2 读操作134.2.3 写操作144.2.4 温度转换154.3 液晶显示模块174.4 串行通信模块184.5 PID控制模块194.5.1 PID调节器控制原理194.5.2 PID参数对系统性能的影响204.5.3 PID计算程序205HMI设计235.1 HMI硬件235.2 HMI软件236仿真和调试256.1 调试
10、工具与平台256.2 系统调试与仿真266.3 测试结果与分析286.3.1 设计所达到的性能指标286.3.2 结果分析论述297结论30致 谢31参考文献32附录1 实验原理图341引言自本世纪30年代以来，自动化技术成就惊人，在工业生产和科学发展中起着关键的作用。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度，压力，流量，速度等进行有效的控制。其中温度的控制在生产过程中占有相当大的比例。温度控制已成为工业生产、科研活动中很重要的一个环节，能否成功地将温度控制在所需的范围内，关系到整个活动的成败。温度控制由于控制对象的多样性和复杂性，导致采用的温控手段的多样性
11、，且控制对象普遍具有时间常数大、纯滞后时间长、时变性较明显等特点。不同的温度控制对象有不同的温度控制方法。总体来看，温度的控制方法按划分标准不同可分为不同温度控制方式。按操作途径分：手动控温和自动控温；按调节原理分，主要有位式、PID、模糊控制、PID加模糊控制等；按调节手段分，可采用调节负载电压或调节负载功率来实现温度控制。准确的测量和采用合理的温度控制方式是实现高精度温度控制的有效途径。目前PID控制技术最为成熟，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。其中PID调节器的三个基本参数Kp(比例系数)、Ki（积分系数）、Kd(
12、微分系数)的选择将直接影响一个控制系统的准确性。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，问世至今已有近70年历史。由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。PID控制器历史悠久，生命力旺盛，并有其独特的优点。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或无法建立精确的数学模型且控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。近年来，随着现代控制理论（诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等）研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。PID控制器的发展历史经历了3个阶段：117世纪中叶至20世纪20
13、年代，出现了调节方式类似于BangBang继电控制，精度较低，控制器的形式是P和PI。220世纪20年代至40年代，发现了微分作用，它能直观地实现对慢系统的控制，与先期提出的比例和积分作用成为主要的调节部件。31942年以后至现在，在PID控制器的调整方面取得了很多成果，出现了诸如最优PID控制、预估PID控制、自适应PID控制等高级PID控制策略。PID控制器根据偏差的比例、积分、微分进行控制。比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。在积分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的积分成正比关系。积分作用的强弱取决于
14、积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。输出与微分之间的曲线关系能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。在温度控制原理中，单片机具有集成度高、功能强、体积小、可靠性高、价格低和开发周期短等特点。采用不同的芯片和模块来组成各种控制系统非常方便，因此单片机控制将得到越来越广泛的应用。同时随着计算机技术的进步，控制精度会随着控制理论的完善和测量精度的提高而日趋提高。因此单片机PID温度的控制问题是一个各行业生
15、产中经常会遇到的问题。本设计运用PID算法对温度进行测量与控制，其研究意义深远。本系统包括温度采集模块，液晶显示模块，串行通信模块、输出控制模块和PID控制模块五个部分。开发环境采用Keil C，编程语言为C51语言。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。本设计系统的核心是进行温度的测控与数据通信。2系统方案设计无论是工农业生产中，还是日常生活中，对温度的检测和控制都是必不可少的。对于温度控制的方法也有很多：如单片机控制、PLC控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。方案一：基于单片机的温度测控系统利用单片机系统实现温度的控制，其系统总体结构图如图2-1所示。系统主要包括温度采集、实时温度显示和AT89S51单片机。温度采集电路以数字形式将温度传至单片机。单片机用RS232与计算机进行串行通信，根据现场温度与从PC获取的用户设定温度，采用增量式PID算法进行控制，计算出实时控制量。以此控制量控制继电器的开通和关断，从而决定温度
