基于单片机PID温度控制毕业设计论文

毕业设计说明书设计题目： 基于单片机的 PID 温控器设计与仿真学 院 计算机科学与信息工程学院 专业年级 2008 级自动化专业 学生姓名 LYC 学号 2008133240 指导教师 刘传文 职称 讲师 设计地点 重庆工商大学 日 期 2012 年 2 月 27 日5 月 20 日 摘要本文是关于温度控制的单片机 PID 控制技术，加热电阻丝作为执行元件。随着人类生产力的发展，在各行各业中对温度的要求日益提高，如啤酒的发酵、医用药品生产、以及食品加工等等；良好的温度控制技术不仅能提高产品品质而且能够有效节约能源。而 PID 技术具有良好的控制能力，可以实现无误差调节，被广泛用于各个行业中。本设计是以 STC89C52RC 单片机为核心，结合DS18B20 温度传感器，1602LCD 显示电路及键盘组成的系统。采用 PID 控制技术对温度进行控制，以实现对温度准确控制。该系统易于操作，灵活性强，方便携带等优点，有较好的发展前景。关键词 单片机， PID ，温度AbstractThis paper is about the temperature control of the single chip microcomputer PID control technology, heat resistance wire as executive components. Along with the de- velopment of the human productivity, In all walks of life to the requirements of the te -mperature is increasing day by day, such as beer fermentation, medical pharmaceu- tical production, and food processing, etc. Good temperature control technology can not only improve the quality of the product and can effectively save energy. And PID technology has good control ability, can achieve without error adjustment, is widely used in various industries. This design is based on STC89C52RC microcontroller as the core, combining the temperature sensor DS18B20, 1602 LCD display and keyboard circuit of the system.PID control technology for temperature control, in order to accurate temperature control. The system is easy to operate, flexibility, easy to carry and other advantages, have good growth prospects.Keywords：Single-chip microcomputer ， PID ， temperature目录摘要 .1Abstract.2第一章 绪论 .11、 PID 控制系统历史现状及发展趋势 .12、 本设计的主要工作与任务 .1（1）主要任务内容 .1（2）任务的具体要求 .1第二章 系统总体设计 .31、 系统总体结构设计框图 .32、 PID 控制理论介绍 .3第三章 系统硬件设计 .72、 单片及其外围电路 .72、 键盘部分设计 .103、 显示部分电路设计 .114、 温度检测部分设计 .13（1） 特性 .14（2） DS18B20 工作时序 .14（3） 初始化时序 .145、 加热执行部分设计 .166、 上位机联机模块 .17第四章 系统软件设计 .191、 程序结构确定 .192、 程序框图 .193、 源代码程序 .264、 Keil C51 集成开发环境以及 STC-ISP 简介 .26第五章 系统调试与运行 .321、 实物电路介绍 .322、 系统 PID 调试结果与分析 .35第六章 总结 .38致谢 .39参考文献 .40附录 1.41附录 2.42重庆工商大学 08 自动化第 1 页（共 55 页）第一章 绪论1、PID 控制系统历史现状及发展趋势温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都要紧密地与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。自 18 世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。温度控制的精确度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，温度是锅炉生产质量的重要指标之一，也保证锅炉设备安全的重要参数。温度控制大致可以分为：定值开关温度控制法、PID 线性温度控制法、智能温度控制法；其关系是最原始的就是定值开关温度控制法用很简单的模拟电路就能够实现。随着科学技术的发展，PID 控制技术也高速的发展起来由于 PID控制算法简单、可靠性高等特点，它在今天已在工业过程控制中仍占主导地位。随着技术发展智能控制系统理论出现；智能控制系统是某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统，它与人工智能的发展紧密联系，是一门交叉前沿学科，具有非常广泛的应用领域。利用单片机控制温度给我们的生活带来了方便，如何提高生产效率是今后研究的主要方向，温度控制器的发展方向是数字化、智能化、标准化。其中传感器和微处理器赋以智能的结合实现智能化将成为今后的温控系统发展的主要趋势。近些年来人们采用了模糊 PID 温度控制技术得到了很大提高，它以适应环境变化能力强可以自我管理和调节等优点，将会在今后的发展中得到更广泛的应用，这也将成为温度控制的发展趋势。2、本设计的主要工作与任务（1）主要任务内容要求以单片机为核心，利用 PID 算法来控制系统的温度平稳，给出完整的设计方案、注意事项，并利用单片机实验系统(实验室现有的或者自备的)，完成系统的基本演示。最低要求，能够使用 Proteus 软件进行仿真。（2）任务的具体要求需要对对 PID 算法及其在计算机控制中的应用进行详细的描述。温度传感器自行确定，控制对象为水加热系统，要求温度在 40-70范围内可以调节。加重庆工商大学 08 自动化第 2 页（共 55 页）热功率 2Kw 左右。需要对系统进行比较，即使用 PID 和不使用 PID 控制的时候的效果比较。需要对系统使用中易出现的问题进行说明。分析自己所设计的系统需要作哪些方面的改进和完善，才可以更好地发挥作用。要求系统的程序使用 C 语言编写。在系统的程序软件设计说明中还应当描述出程序的编译环境配置，可执行代码的运行环境要求说明。重庆工商大学 08 自动化第 3 页（共 55 页）第二章 系统总体设计1、系统总体结构设计框图本课题水壶温度作为控制对象，使用单片机、DS18B20、MOC3020、BTA06构成温度控制系统。主要有以下工作：（1） 系统方案设计查阅资料，总结温度传感器、光耦隔离器、以及可控硅的的优缺点，确定系统方案。（2） 加热器件驱动用一个三极管驱动光耦隔离器器件 MOC3020、通过光耦隔离驱动可BTA06，在通过 BTA06 开关加热器件。（3） 加热器件控制器在确定总体方案并掌握系统工作原理的基础上，选用STC89C53RC 单片机及外围电路组成一个单片机系统。电路设计包括时钟模块、复位模块、显示模块、电源模块、驱动电路等模块。以 STC89C52RC 为控制器，以 DS18B20 作为温度检测器返回实际温度值，以 LCD1602 作为显示器显示实时温度与设定温度值，以 MOC3020 作为可控硅BTA06 的驱动器实现强弱隔离，在加上 4 个按键作为键盘构成整个硬件系统。其系统框图如图 3-1：MCU温度传感器键盘显示模块执行器模块上位机联机模块图 3-1 系统框图2、PID控制理论介绍重庆工商大学 08 自动化第 4 页（共 55 页）PID控制就是将控制目标以一定的精度稳定在所需的的范围内。在控制系统中，将被测参数与设定值进行比较，将比较结果经过一定的控制规律运算得到相应的控制值，通过执行器进行相应的控制，不停进行上述过程，进而打到控制目的。PID 控制中包含三种基本控制规律, 即比例( P)、积分( I)和微分( D)控制规律, 每种控制规律所起的作用是不同的, 既可以单独应用, 也可以组合起来应用。PID控制兼有比例、积分和微分三种基本控制规律的优点, 可使系统的稳态和动态性能以及系统的稳定性都得到改善, 因而应用最为广泛。连续的PID微分方程为： ;)()(1)()(0 dteTtdeTteKtut DIP式中：e（t）=r(t)-c(t); 而要应用于单片机控制这必须离散化：;)()()1()(;00 nit eTtdecrn经整理后可以得到两种类型：位置型PID控制：;)1()()()(0 oDniIP uneTeeKnu 增量型PID控制：； )2()1(2)()1()( neneTKneneuDPIPP在单片机程序设计中还需要对以上式子进行整理：（1） 增量式子整理：);2()1()(0 neaneau重庆工商大学 08 自动化第 5 页（共 55 页）式子中;)21(;210TKaTaDPDIP增量式与位置式程序流程图如图：（2） 位置式整理：);2()1()1()()( 0 neaneaunun位置式只需在增量式基础上增加如图1中位置式控制流程图和 计算即可。)1()()(在实际运用中根据具体的应用场合选择合适的控制类型