PID温度控制毕业.doc

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 摘 要本文主要从硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路，简单说明如何实现对温度的控制，并对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。还介绍了在单片机温度控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节,该系统主要以51系列单片机为核心,由温度检测电路,模/数转换电路, 电桥转换电路, 报警与指示电路, 功率放大电路等构成。但用51系列单片机设计的温度检测电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分，该系统对温度进行了实时采集与检测。本设计介绍的单片机温度自动控制系统的主要内容包括：系统方案、元器件选择、系统理论分析、硬件设计、软件设计、系统调试及主要技术性能参数。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。关键词：单片机；温度传感器；温度检测；温度控制；PID算法AbstractThe design of single-chips temperature control system is introduced from hardware and software, and simply explains how to actualize the temperature control. The hardware principle and software case fig are described. Some important techniques in a design scheme of the hardware and the software of the temperature control by single-chip microcomputer are introduced. The system mostly takes 8031 single-chip microcomputer as core, it is structured by temperature testing circuit, A/D switch circuit, zero passage testing circuit, warning and indication circuit, optical-electrical isolation and power amplifier circuit and so on.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。The main content of this design is temperature testing circuit that uses AT89C51 single-chip microcomputer .It is a part of the whole design that cannot be lacked. The system is used to collect and control temperature in real time. The temperature automatic control system based on single-chip microcomputer is described in the article including system scheme，parts of an apparatus choice, theoretical analysis，the design of hardware and software, system testing，and the main technical performance parameters 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。Key Words：SingleChip Microcomputer；Temperature sensor；Temperature collecting；Temperature controlling；PID algorithm.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。目 录摘 要I彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。AbstractII謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。第1章 绪论1厦礴恳蹒骈時盡继價骚。11 课题的背景与意义1茕桢广鳓鯡选块网羈泪。13 课题举例简介2鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。第2章 总体方案3籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。21 系统结构3預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。22 具体设计考虑3渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。本章小结4铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。第3章 元器件简介5擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。31 AT89C51单片机5贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。311 概述5坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。312 主要特性5蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。313 引脚功能5買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。32 PT100温度传感器7綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。321 概述7驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。322 主要特性7猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。323 PT100工作原理9锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。33 ADC0804模数转换器10構氽頑黉碩饨荠龈话骛。331 主要特性10輒峄陽檉簖疖網儂號泶。332 ADC0804工作原理10尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。本章小结12识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。第4章 硬件设计12凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。41 外围电路设计12恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。42 电机驱动电路设计12鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。43 按键电路设计12硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。44 电桥电路设计13阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。441 桥路形式13氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。442 工作方式13釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。443 根据PT100的经典电路14怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。45 LCD显示电路设计14谚辞調担鈧谄动禪泻類。451 引脚功能15嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。46 设计目标15熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。461 设计的出发点16鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。462 设计原理16纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。47 A/D转换电路16颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。本章小结16濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。第5章 软件设计17銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。51 PID控制算法18挤貼綬电麥结鈺贖哓类。511 PID控制作用18赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。512 PID算法的微机实现18塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。513 PID算法的程序设计20裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。52 LM016L显示程序设计21仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。53 直流电机PWM控制程序26绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。54 ADC0804 A/D转换程序27骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。本章小结28瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。第6章 系统调试29鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。61 硬件调试方法29栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。611 常见的硬件故障29辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。612 联机调试30峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。613 脱机调试31詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。62 软件调试方法31则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。63 误差分析32胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。本章小结32鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。结论33稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。参考文献34陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。致谢36沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。附录1 译文37钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。附录2 英文参考资料46懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。附录362謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。III第1章 绪论11 课题的背景与意义在近四十年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模集成电路这样四个阶段，尤其是随着半导体集成技术的飞跃发展，七十年代初诞生了一代新型的电子计算机微型计算机，使得计算机应用日益广泛；而单片微型计算机的问世，则更进一步推动了这一发展趋势，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度。一个由微电子技术为先导，计算机技术为标志，包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多种学科在内的新技术革命正在兴起。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。在国内，由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、和价格低廉等独特优点，因此，在智能仪器仪表、工业自动控制、计算机智能终端、家用电器、儿童玩具等许多方面，都已得到了很好的应用，因而受到人们高度重视，取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。12 课题的应用与展望随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械等工业中，具有举足重轻的作用，因此,温度控制系统是典型的控制系统。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低 范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。目前, 单片微机已普遍地作用于生产过程的自动控制领域中。单片机以其体积小、价格低廉、可用其构成计算机控制系统中的智能控制单元和可靠性高等特点, 受到广大工程技术人员的重视。温度是生产过程中最常见的物理量, 许多生产过程是以温度作为其被控参数的。因此,温度控制系统是典型的控制系统。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。13 课题举例简介在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。下面介绍一种功能简化后的温度控制系统的设计过程。假设某烘干道采用过热蒸汽为热源，蒸汽管道经热交换器加热空气并通过风机向烘箱送热风实现对胶布（带）的循环加热，烘箱的温度变化范围为0120。根据工艺要求，系统需实现如下功能和指标：铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。温度给定值在85左右且现场可调；温度控制误差2；实时显示温度值，保留1位小数；温度超过给定值10时声光报警；控制参数可在线修改。第2章 总体方案根据功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用MCS-51系列单片机为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对温度的测量和控制。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。21 系统结构该系统以89C51单片机为核心，由温度测量变换、测量放大、大功率运放、A/D转换器、驱动电路、键盘显示共同组成。在系统中，温度的设置、温度值显示、控制参数得设置、运行等功能由键盘及显示电路完成。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。图2-1 单片机温度控制系统方案原理示意图传感器把测量的温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器（ADC0804）转换成数字信号输入主机（单片机8059）。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。22 具体设计考虑1、由于温度测量范围为0200，控制精度也不高，可选用8路8位ADC0804作A/D转换器，分辨率可达0.5；为了方便操作，系统可不扩展专用键盘，温度给定输入可用两个按键控制温度的加减；温度显示常用的LM016L；为了实现通过调节电机风速控制降温，用热源控制温度的上升，中间使用PID控制调节速度。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。2、温度测量可以选用铂热电阻PT100，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。图2-2 PT100温度阻值曲线由图所示PT100温度阻值是呈线性的，故编程较为方便。3、可采用较为简单的P控制，由于实际和理论的差别在可采用带死区的比例积分（PI）控制算法实现对温度的控制。检测温度变化时PT100阻值产生变化，电桥电路中的平衡会被破坏产生偏差信号，通过放大器放大经过A/D转换送到单片机中，控制降温的电机。为了使控制参数现场可调，通过键盘控制实现对PI算法的3个参数（比例系数Kp、积分系数KI、控制周期Tc）在线整定。这种方法不仅可使参数调整方便，而且具有掉电保护功能。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。本章小结本章主要介绍了系统软件和硬件的设计思路，就大致设计思路上经行了选型和设计，选用了PT100温度传感器了解经典的转换电路和PID控制，简单的控制只需要P调节就可以满足需要。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。第3章 元器件简介31 AT89C51单片机311 概述AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。312 主要特性AT89C51的主要特性如下： 寿命达1000写/擦循环数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz24MHz 三级程序存储器锁定1288位内部RAM 32可编程I/O线 2个16位定时器/计数器6个中断源可编程串行通道低功耗闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路313 引脚功能AT89C51引脚排列如图3-1所示，引脚功能如下： 图3-1 AT89C51的引脚排列VCC（40）：5VGND（20）：接地P0口（3932）：P0口为8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。 P1口（18）：P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流。 镞锊过润启婭澗骆讕瀘。P2口（2128）：P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流。 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。P3口（1017）：P3口是8个带有内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。RST（9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG（30）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节，在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。PSEN（29）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。EA/VPP（31）：当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000HFFFFH）不管是否有内部程序存储器。FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。XTAL1（19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2（18）：来自反向振荡器的输出。 32 PT100温度传感器321 概述热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。322 主要特性热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。热电阻种类(1)精密型热电阻：工业常用热电阻感温元件(电阻体)的结构及特点。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。(2)铠装热电阻：铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为28mm，最小可达mm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小;机械性能好、耐振，抗冲击;能弯曲，便于安装;使用寿命长。(3)端面热电阻：端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。(4)隔爆型热电阻：隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于BlaB3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。工业上常用金属热电阻从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大(在同样灵敏度下减小传感器的尺寸)、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系(最好呈线性关系)。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小;铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。中国最常用的有R0=10、R0=100和R0=1000等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000;铜电阻有R0=50和R0=100两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。323 PT100工作原理pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。热电阻公式都是Rt=Ro(1+A*t+B*t*t);Rt=Ro1+A*t+B*t*t+C(t-100)*t*t*t 的形式，t表示摄氏温度，Ro是零摄氏度时的电阻值，A、B、C都是规定的系数，对于Pt100,Ro就等于100，Pt100温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200+850；允许偏差值：A级（0.150.002t）， B级（0.300.005t）；热响应时间SetPoint - NextPoint; / 偏差 pp-SumError += Error; / 积分 dError = pp-LastError - pp-revError; / 当前微分 pp-revError = pp-LastError; pp-LastError = Error; return (pp-roportion * Error/比例+ pp-Integral * pp-SumError /积分项+ pp-Derivative * dError); / 微分项 52 LM016L显示程序设计void lcd_write_count(uchar count) rs=0; rw=0; P0=count; dely_ms(1); e=1; dely_ms(1); e=0; void lcd_write_data(uchar dat) rs=1; rw=0; P0=dat; dely_ms(1); e=1; dely_ms(1); e=0; void lcd_init() e=0; lcd_write_count(0x38);/设置16*2显示，8位数据接口 lcd_write_count(0x0c);/显示及光标的设置 lcd_write_count(0x06); lcd_write_count(0x01);/清屏 void lcd_disp_init0() uchar i; lcd_write_count(0x80); for(i=0;i16;i+) lcd_write_data(table2i); lcd_write_count(0xc0); for(i=0;i16;i+) lcd_write_data(table3i); void lcd_disp_init1() uchar i; uchar a,b; uchar flag; char ppp; ppp=tem; if(ppp=0) flag=0;ppp=ppp; a=ppp/10; b=ppp%10; lcd_write_count(0x80); for(i=0;i9;i+) lcd_write_data(table0i); if(flag=1) lcd_write_count(0x89); lcd_write_data(-); if(flag=0) lcd_write_count(0x89); lcd_write_data( ); lcd_write_count(0x8a); lcd_write_data(shua); lcd_write_count(0x8b); lcd_write_data(shub); lcd_write_count(0x8c); lcd_write_data(table012); lcd_write_count(0x8d); lcd_write_data(table013); lcd_write_count(0x8e); lcd_write_data(str0); lcd_write_count(0x8f); lcd_write_data(str1); lcd_write_count(0xc0); for(i=0;i14;i+) lcd_write_data(table1i); lcd_write_count(0xce); lcd_write_data(str0); lcd_write_count(0xcf); lcd_write_data(str1); void lcd_disp_init2() uchar i; uchar bai1,shi1,ge1,bai2,shi2,ge2,bai3,shi3,ge3; bai1=pzhi/100; shi1=pzhi%100/10; ge1=pzhi%10; bai2=izhi/100; shi2=izhi%100/10; ge2=izhi%10; bai3=dzhi/100; shi3=dzhi%100/10; ge3=dzhi%10; lcd_write_count(0x80); for(i=0;i12;i+) lcd_write_data(table4i); lcd_write_count(0x8c); lcd_write_data(shubai1); lcd_write_count(0x8d); lcd_write_data(shushi1); lcd_write_count(0x8e); lcd_write_data(table414); lcd_write_count(0x8f); lcd_write_data(shuge1); lcd_write_count(0xc0); for(i=0;i3;i+) lcd_write_data(table5i); lcd_write_count(0xc3); lcd_write_data(shubai2); lcd_write_count(0xc4); lcd_write_data(table54); lcd_write_count(0xc5); lcd_write_data(shushi2); lcd_write_count(0xc6); lcd_write_data(shuge2); lcd_write_count(0xc7); for(i=7;i=0)&(num=aa)&(num=0)&(num=bb)&(num101) cold_moto=0; 54 ADC0804 A/D转换程序通过使用protues对PT100热电阻和其经典电路的仿真，仿真范围是0200得到的是一条线性的函数：（(ad_cai/255.0)*5-0.44)/0.0324)*10曠戗輔鑽襉倆瘋诌琿凤。图5-3 AD转换流程图所以编的程序：void ad_start() cs_ad=0; wr_ad=1; _nop_(); _nop_(); wr_ad=0; _nop_(); _nop_(); wr_ad=1; while(intr); cs_ad=1;uchar ad_read() uint ad_data; cs_ad=0; rd_ad=0; _nop_(); _nop_(); ad_data=P1; rd_ad=1; cs_ad=1; return(ad_data);void ad_deal() ad_cai=ad_read(); tem_cai=(int)(ad_cai/255.0)*5-0.44)/0.0324)*10);轉厍蹺佥诎脚濒谘閥糞。 tem_cai1=