基于PIC单片机的温度控制系统

课程设计目录0概述11控制方案及设计思路211设计方案212设计思路2121PIC单片机PIC16F8772122温度传感器DS18B203123单总线技术42温度控制原理53电路工作原理631硬件设计632软件设计64智能PID控制的实现741PID算法实现的程序设计75PID参数的选择96温度控制设计实验结果10总结11致谢12参考文献13附录1410概述温度控制已成为工业生产、科研活动重很重要的一个环节，能否成功地将温度控制在所需要的范围内关系到整个活动的成败。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。例如某重半导体激光器对工作温度的稳定性由较高的要求，一般要将温度控制在01左右，才能保证器件输出的激光波长不发生超出要求的漂移，否则，激光波长的超范围漂移将使研究工作难以开展。为达到这种温度控制要求，笔者根据工作重的情况，采用PID控制原理研制成适合用于小功率半导体器件的温度控制器。该控制器能够达到很好的控制效果，若精心选择PID的各种参数，温度控制的精度可以达到005，完全可以保证器件的正常工作。而本设计报告是基于计算机控制技术的课程报告，应用PIC系列单片机作为控制器来解决温度控制问题。单片机在测控领域中具有十分广泛的应用，既可以测量电信号，又可以测量温度、湿度等非电信号。由单片机构成的温度检测、温度控制系统可广泛应用于很多领域。21控制方案及设计思路11设计方案控制方案如图11所示，整个系统由控制核心（即控制器，本设计中控制其选PIC单片机）、A/D和D/A转换电路、测量变送环节（即图中测量探头）和调节器（即热电偶冷却器）组成。其温度的控制过程为，经过测量变送环节，将测量值与给定值的偏差送到控制器中，通过控制器输出控制量给调节器，由调节器在调节温度。计算机控制电路12位A/D转换12位D/A转换温度传感器温度转换电路温度调节器被控对象图11控制器原理图12设计思路单片机的接口信号是数字信号，要想用单片机获取温度等非电信号的信息，必须使用温度传感器将温度信号转换为电流或电压信号输出。如果转换后的电流或电压信号输出是模拟信号，还必须进行AD转换，以满足单片机接口的需要。通过四个按键进行温度的输入调整，LCD实现温度的显示。121PIC单片机PIC16F877PIC16F877是美国微芯公司的一款中端产品，它的程序存储器是FLASH型的，内置了EEPROM，而且这个EEPROM存取并不是使用I2C通信模式，而是以存储器映像寄存器的方式来控制存取的，使用更加方便。在AD转换方面，分辨率提3高到了1OBIT，而SSP模块是完整的MSSP，它的好处就是支持I2C通信模式下作为主控制器件时的硬件控制能力。微芯公司还专门为PIC16F87X系列单片机设计了一套小巧廉价的在线调试工具套件，即MPLABICD。借助于这套在线调试工具，不需要购买其他昂贵的仿真器和烧写器，就能使用户实现实时仿真和程序烧写，还保留了一块用户可以随意焊接一些元器件的布满焊孔的电路板空间。122温度传感器DS18B20DS18B20是美国达拉斯DALLAS公司的单线数字温度传感器芯片，与传统的热敏电阻不同，DS18B20可直接将被测温度转换为串行数字信号供单片机处理。测温范围从一55125OC，且在一L085之间精度为士05，可以程序设定912BIT的分辨率。DS18B20通过一个单线接口发送或接收信息，因此在单片机和DS18B20之间仅需一条连接线加上地线，用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无须外部电源。另外，每片DS18B20都有一个独特的片序列号，所以多片DS18B20可以同时连载到一根单线总线上，这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程检测和控制等方面非常有用。DS18B20的核心功能部件是数字温度传感器，其分辨率可配置为9、10、11和L2BIT，对应的温度值分辨率分别为05、025、0125和00625。默认设置为12BIT分辨率，在本系统中采用默认的L2BIT分辨率，对应的温度值分辨率为00625，可在最多750MS内把温度值转换为数字且实现12BIT分辨率。温度信息的低位、高位字节内容中，还包括了符号位S是正温度还是负温度和二进制小数部分，具体形式为低位字节231021234高位字节SSSS654这是12BIT分辨率的情况，如果配置为低的分辨率，则其中无意义位为0。温度和数据关系如表1所示，表中T为温度。4T/数据输出（二进制）数据输出（十六进制）125000001111101000007D0H25062500000001100100010191H1/200000000000010000008H000000000000000000000H1/211111111111111000FFF8H25062511111111001101111FF6FH551111110010010000FC90H表1温度和数据的对应关系在DS18B20完成温度变换之后，温度值与储存在TH和TL内的告警触发值进行比较。由于是8BIT寄存器，所以912BIT在比较时忽略；TH或TL的最高位直接对应于16BIT温度寄存器的符号位。如果温度测量的结果高于TH或低于TL，那么器件内告警标志将置位，每次温度测量都会更新此标志。只要告警标志置位，DS18B20就将响应告警搜索命令，允许单线上多个DS18B20同时进行温度测量，即使某处温度越线，也可以识别出正在告警的器件3。附录A图中是系统温度控制电路原理图。附录A图中U2是DS18B20，U3是三端稳压块MC78L05，因为PIC16F877需要5V的电压，而从外部输入的电压为12V，所以还要有分压，电位计起分压的作用。图中U1的PROTC口作为LCD芯片MDLS16265B的控制信号，PROTD口作为数据口与MDLS16265B的DB0一DB7相连4J。RC0口通过一个反向器SN7404和运放LF353把电压从5V放大到24V，驱动固态继电器JGX5F工作。123单总线技术单片机与外设之间数据传输常用的是I2C总线采用同步串行两线时钟线、数据线和SPI总线采用同步串行三线。DS18B20采用单总线技术，既可以传输时钟，又可以双向传输数据。单总线技术适用于单主机系统，单主机能够控制多个从机设备，它们之间的控制和数据交换都由这根线完成。由于只有一根线通信，所以必须采用严格的主从结构，只有当主机呼叫从机时，从机才能应答，主机访问每5个单线期间必须严格遵循单线命令的序列，如果命令序列混乱，单线器件不会响应主机。2温度控制原理在上述温度控制实例中，器件工作时产生的热量将使器件本身工作温度升高，最后达到很高的基本稳定的温度。较高的温度将严重影响器件的各种性能参数，也很可能导致器件不能正常工作，甚至损坏。温度控制的目的就是将器件的工作温度以一定的精度稳定在一个较低的水平上，这样一来就要求根据器件工作时的实际情况（如产热量大小等）采取一定的措施，随时将产生的热量即时散掉，并且要求器件在单位时间里产生的热量等于控制器在单位时间里吸取的热量，若两者达到动态平衡，则可以保持器件工作温度的稳定。在一定的控制系统中，首先将需要控制的被测参数（如温度）由传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值，将控制量送给控制系统进行相应的控制，不停地进行上述工作，从而达到自动调节的目的。当控制对象的精确数学模型难以建立时，比较成熟且广泛使用的控制方法时采用按差值信号的比例、积分和微分进行计算控制量的方法，即PID算法，器控制规律的数学模型为VTKVODIPOTEET11其中为比例系数；E为差值信号，ETTSET（T温度测量值，TSET温度P设定值）；TI为积分常数；TD为微分常数；V0、V01为当时及前一时刻的控制量。实现PID控制原理的具体方法因系统的不同而不同。在我们的系统中，采用了增量式计算方法，而控制量的输出则采用了位置式的输出形式。在数值控制系统中，其控制规律的数学模型演化为ETEEKUIIIDIIIPO2111其中T为采集周期；、为此时刻、前一时刻、再前一时刻的差值信III26号。这种方法的好处在于只需保持前三个时刻的差值信号，同时输出控制量的初始设定值不必准确，就能较快地进入稳定控制过程。3电路工作原理31硬件设计本控制器的电路原理图见附录32软件设计单片机实现温度转换读取温度数值程序的流程图如图32所示。开始初始化DS18B20跳过ROM接收到应答脉冲开始温度转换转换完成初始化DS18B20接收到应答脉冲读取暂存器和CRC字节读取1、2字节NYNYNY7图32程序流程图4智能PID控制的实现分段设置PID参数在常规控制系统中，PID控制是迄今为止算法比较简单、动能比较完善、效果比较好的一种控制算法，其一般形式为NEENEUKDIP式中N为采样序号；U（N）为第N次采样时刻的控制器输出；E（N）为第N次采样时刻输入的偏差；E（N）为第N次采样时刻输入的偏差与第N1次采样时刻输入的偏差之差；KP为比例增益；KI为积分系数（）；KD为微分TIPI系数（）；T为采样周期；TI、TD分别为积分时间常数和微分时KDPD间常数。由于控制对象程序升温时，其特性变化较大（如01000），若采用一组固定的PID参数，则个温区的控制效果不能兼顾，控制效果较差。因此，关键问题在于设计处一个PID参数随温区的不同而自动调整到最佳值上的控制器，可以将整个测温范围分为高、中、低3温区，并分别用反应曲线法求出对象在各温区的近似数学模型为3,21ISETKGIIII，“YMAXYMIN”为测量表头量程范MINAXMINAXXYKIII围，“XMAXXMIN”为调节器输出范围。此外，也可以在不同温区利用SPLC自身具有的专家自整定功能，对PID参数进行控制。在本系统中，采用可编程数字调节器（SPLC）即可实现分段PID参数设置。841PID算法实现的程序设计程序启动后，首先进行PID参数初始化，最主要的是对KP、TI、TD、T的初始化，然后进入控制循环体。首先是采集温度值，按上述的PID控制规律及压控电流源的控制特性计算热电偶冷却器的工作电流IO的大小及极性，然后输出到D/A转换器，由其产生VCCS的输入控制电压VO。程序延迟0305S后，重复上述过程，不断根据最新测到的温度计算最近的控制量。这样多次重复后，就可以达到稳定控制温度的目的。控制程序设计如下图所示输入设定值测温计算EI及IO输出IO延时0305S程序入口PID参数初始化结束否021EIIEII132IO0退出程序否是图41控制程序设计流程图95PID参数的选择PID控制是自动控制中产生最早的一种控制方法，在实际控制工程中的应用最广。据不完全统计，在工业过程控制和航空航天控制等领域，应用PID控制占80以上。然而，传统的PID控制算法有它的局限性和不足之处，只有在系统模型参数为非时变的情况下才能获得理想的效果，当应用到时变系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定。另外，在对PID参数整定过程中，往往得不到全局性的最优值。因此，这种控制作用无法从根本上解决动态品质和稳定精度的矛盾。为此，以实验室热电偶检定炉温度控制系统为例，借助于可编程调节器（SPLC），说明在程序升温控制系统中如何实现智能PID控制。如前所述，PID的主要参数是KP、TI、及TD。其选择方法是首先根据控制的特性确定KP的极性。在本文中，其极性应为负，而不是正极性；并且实验发现，本系统虽然属于具有延迟效应的温度控制系统，但KP不能选择过大，否则将不稳定。其次，TI及TD的选择相对而言就不是很严格了，可根据设计者的要求（如希望积分作用明显还是微分作用明显）而定。关于采样周期在可以根据系统响应的延迟时间而定，一般可选择必系统响应稍快些即可，选择过小的采样周期反而不好。本文选择的是与系统响应时间相当的采样周期，约0305S。PID参数的选择不是唯一的，单一定要选择好关键参数。在本文中则应仔细选择KP，然后在选择其它参数。只要一组PID参数能够较好地用于控制系统，并且控制效果也是较好的，则说明这样一组参数是合适的。本设计中的PID参数选择如下KP10，TI2,TD15,T03,这样的一组PID参数可以达到良好的控制效果。106温度控制设计实验结果为了验证控制器的工作情况，我们设计了一种模拟试验条件，电路如图61所示。通过改变R2的阻值，便可相应地改变稳压器MC78L05消耗的功率，也即其自身的温度会相应地改变。在环境温度为24时，当不进行控制时其温度可以达到约70；后采用本控制器对其进行温度控制，测得的结果如图62（A）（B）所示（图中横坐标为采样时间序列，每点对应约04S），可见精度达到了005，控制效果是很好的。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE2JAN2009SHEETOFFILEDPROGRAMFILESPROTEL99SE化化化EXAMPLESMYDESIGN3DDBDRAWNBY132VVGNDINOUTU178L05C210UFC11UFR21KR1120R313KVOVI12V图6111图62（A）（B）1213参考文献1胡寿松自动控制原理（第四版）M北京科学出版社，20012陈汝全，夏利实用微机与单片控制技术M电子科技大学出版社，19983姜学军计算机控制技术M北京清华大学出版社，20054李学海PIC单片机实践M北京北京航空航天大学出版社，20045沈聿令传感器及应用技术M北京化学工业出版社，20026刘亚利，HIRFICSR工程中的智能温度控制系统J微计算机信息，20057中尾真治外围接口控制用微机入门M北京科学出版社，20038肖洪兵，李朝晖一种高精度低成本温度控制器的设计与实现J自动化仪表2004，251125279张华，龚义建一种微型高精度温度控制器的设计J光学与光电技术，2004229311410沙占友集成传感器应用M北京中国电力出版社，200511何希才传感器及其应用电路M北京电子工业出版社，200012刘畅生传感器简明手册及应用电路M西安西安电子科技大学出版社，200613姜志海单片机原理与应用