PID水温控制系统设计与开发

XXX 大学本科毕业设计IXXXX 大学本科毕业设计PID水温控制系统学生姓名所 在 系专业名称班 级学 号指导教师XXX 大学本科毕业设计IIPID水温控制系统学生： 指导教师：摘要：随着社会主义现代化的发展，在科学技术突飞猛进的今天，人工智能起不不可忽视的作用。尤其是各种智能化的仪器、仪表在农、工业的广泛应用给社会带来了极大的便利。本文从温控模型和特点出发,采用以单片机 PIC16F877 为核心，用 AD7416 数字温度传感器进行测量温度。以 PID 算法控制温度，并对温度进行良好的精度控制。本系统的多个部件如,定时器,加热开关，按键设置水温，实时显示温度，控制温度和报警保温等功能等都可利用单片机来实现。文章着重介绍核心器件的选择、温度控制系统分析、各部份电路及软件的设计。它具有结构简单、可靠性好，抗干扰能力强、实现容易，成本低，具有实用价值等特点。它提供了一个通过温度来控制设备的基本思想和原理，相信能在实际应用中为我们的生活带来更大的便利。关键词：单片机 数字温度传感器 PID 温度控制 XXX 大学本科毕业设计IIIPID-based temperature control systemAbstract：Along with the development of socialist modernization, rapid progress in science and technology today, not artificial intelligence from the role that can not be overlooked. Especially the variety of intelligent instruments, meters in the agricultural, industrial society to the broad application brought great convenience. In this paper the characteristics of the model and temperature control, the introduction of SCM PIC16F877 at the core, with AD7416 digital temperature sensor to measure the temperature. PID algorithm to control the temperature , and temperature control for good accuracy. Many parts of the system such as, timers, heating switches, buttons installed water temperature, real-time display of temperature, temperature control and alarm functions, such as insulation SCM can be used to achieve. The article highlights the core device of choice, temperature control system, part of the circuit and software design. It has a simple structure, reliability, and strong interference capability to achieve easy, low cost, has practical value, and other characteristics. It provides a temperature controlled equipment through the basic ideas and principles, I believe in the practical application of our life more convenient.Keywords: microcomputer digital temperature PID temperature control XXX 大学本科毕业设计IV目 录一、前 言 .1（一）设计任务及要求 .1（二）方案的比较与选择 .2二、总体设计 .2（一）系统总体设计 .2（二）单元电路的功能原理分析 .7（三）发挥部分设计 .8三、系统软件设计 .9（一）程序的主流程图 .9（二）各个功能模块流程 .10四、系统测试与调试 .14（一）电路测试 .14（二）仪器的使用 .15（三）测试的结果 .15（四）发挥部分测试 .15五、结 论 .15致 谢 .16附 录 .17附录一 设计总电路图 .17XXX 大学本科毕业设计V附录二 设计 PCB 图 .18附录三 设计 3D 图 .19附录四 程序清单 .20参考文献 .28XXX 大学本科毕业设计一、前 言（一）设计任务及要求本文介绍的是一个由 PIC16F877 为核心的单片机制作的一个水温控制器。实现温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制控制算法的选择、和整体电路的设计以及部分电路的设计。在系统构建时选取了数字温度传感器 AD7416测量温度，基于 PID 温度控制方式实现温度控制。系统设计水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变；能在 40 摄氏度至 90 摄氏度范围内设定控制水温，静态控制精度为 0.2 摄氏度；具有较好的快速性与较小的超调等功能。自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热炉炉温进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的炉温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度（起码是在满足我们要求的范围内） ，帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题提高人民的生活水平。通过本方案的设计，使本系统具有设置水温、实时显示温度，控制温度和报警保温等功能，它具有结构简单、实现容易，成本低，具有实用价值等特点。而且还可以根据自己的需要来进行扩展，具有灵活使用的优点。1. 基本要求具备测量与控制两种工作方式；XXX 大学本科毕业设计测量误差0.5度；温控范围 20100 度；2. 扩展部分 测量误差0.1度； 控制误差0.5度；（二）方案的比较与选择方案一 ：采用以单片机 PIC16F877 为核心，数字温度传感器 AD7416 测量温度，基于 PID 温度控制方式实现温度控制。单片机资源丰富，使用方便灵活，易于进行功能扩展。系统的多个部件如,定时器,加热开关，按键设定温度，显示温度等都可利用单片机来实现，可靠性好，抗干扰能力强。方案二：数字温度传感器测量温度，用数字系统来实现温度控制。该电路利用上，下限温度控制，3 （1/2）为 LED 数字表头及电源电路组成。这种方案实现简单，但是这种设计电路器件很多，调试起来很困难，并且对模拟电路的知识要求非常高，只有在特别适合精度要求较高的场合使用，不灵活。 方案三：采用温度传感器铂电阻 Pt1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在 0100 摄氏度时，最大非线性偏差小于 0.5 摄氏度。铂热电阻与温度关系是，Rt = R0(1+At+Bt*t);其中 Rt 是温度为t 摄氏度时的电阻；R0 是温度为 0 摄氏度时的电阻； t 为任意温度值，A,B 为温度系数。因此从实际情况考虑出发，综合比较各方面因素最终采用方案一来进行系统设计。二、总体设计（一）系统总体设计1设计思想 根据温度控制器的功能要求，并结合对 PIC16F87X 系列单片机的资源分析，采用此系列中的主流型号 PIC16F877 作为电路系统的控制核心，数字温度传感器测温,LED 显示温度,按键设定目标温度，PID 温度控制，保温报警等几个主要模块组成.首先选择相应具体的工作实现元器件及方案。如下：（1）常用温度控制系统分析温度是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里人们需对温度进行测量和控制。长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制XXX 大学本科毕业设计器，如性能成熟应用广泛的 PID 调节器、智能控制 PID 调节器、自适应控制等。此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。PID 在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以 PID 为基础改进的。在工业过程控制中 90%以上的控制系统回路具有 PID 结构，在目前的温度控制领域应用十分广泛，即使在科技发达的日本，PID 在其温度控制应用中仍然占 80%的比例。其主要构成如图 1 所。由图可知 PID 调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值 w 与实际输出值 y进行比较构成偏差图 1 模拟 PID控制并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为：（1）dteKtetKtuip )()()()(其中 -为调节器的比例放大系数p-为积分时间常数i-为微分时间常数dKPID 调节器的离散化表达式为 )1()()()( keTKkekudip其增量表达形式为： )1()(kk)2()1(2)( kekeTKeKdip其中 T 为采样周期。可见温度 PID 调节器有三个可设定参数，即比例放大系数 、积分时间常数 、微piK分时间常数 。比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差；积分作用dKXXX 大学本科毕业设计可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定；微分作用能有效的减小动态偏差。在实际使用中,在满足生产过程需要的前提下,应尽量选择简单的调节器,这样既节省投资,又便于维护。常规 PID 控制调节器是一种应用广泛技术成熟的控制方法，它能满足一般工业控制的要求，其优点是原理简单、使用方便、适应性广。采用 PID 控制，控制效果的好坏很大程度上取决于 PID 三个控制参数的确定。对一个控制系统而言， 只要参数选择适当,都能取得较好的控制效果。（2）自动控制方式为了实现温度的自动控制，必须要组成一定的系统结构。该控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定量进行比较（综合） ，并利用控制器形成的控制信号通过执行机构 SSR 对控制对象进行控制，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，减小输出量的误差，达到控制目的。在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器控制器，它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息。单片机的运算规则称为控制法则或控制算法。常用的控制算法有以下几种 经典的比例积分微分控制算法。 根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法。 根据模糊集合理论得到模糊控制算法。自适应控制、最优控制方法以及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的，在实时过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难于建立，系统参数经常发生变化，运用控制理论进行综合分析要花很大代价，主要是时间。同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实现。在实时控制系统中要求信号的控制信号的给出要及时，所以在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。目前在过程控制中应用较多的还是 PI 控制算法、PD 控制算法和 PID 控制算法。2器件选型（1）传感器的选择 由于本设计是精确控制系统,并且有控制范围上的要求 ,所以在选择传感器上要着重考虑其精度和测试范围。AD 公司的 AD590 和 AD7416 都包含一个可以精确测量环境温度的片内温度传感器,但 AD590 是模拟传感器, 需对温度模拟信号进行数字化处理,在调理和放大信号时, 又会带来新的误差,影响精度,而 AD7416 包含一个 10 位 AD 转换器，是一个以 0.25 的分辨力将XXX 大学本科毕业设计温度数字化的数字式温度传感器，并且其测温理论范围为-55 度到 125 度,因其精确度高，范围可选这两大特点，故本设计的传感器选为 AD7416。可广泛应用于个人计算机、 电子测试设备、办公设备、家用电器、过程控制等场合。该系列有：AD7414、AD7415、AD7416、AD7814 等四种型号，它们的工作原理相同，主要参数见表，引脚排列如图所示。 表