基于单片机的软件实现PID温度控制系统

1、姓名 专业 学号 学科基于单片机的软件实现 PID 温度控制系统 引言 随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的高精度性要求越 来越高，其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小， 成本低， 功能强，简便易行而得到广泛应用。 温度控制器作为一种重要的控制 设备，在化工，食品等诸多工业生产过程和家用 电器中得到了广泛 的应用，本文主要讨论在家用电器电冰箱中得到广泛应用的数 字 PID 控制，在单片机温度控制系统中的应用。通过对实验数据的分析 表明单片机的温度控制系统设计的合理性和有效性。1 硬件系统设计 本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几 个部分：单片机主控模块，输入通

2、道输出通道等 。硬件总体结构框 图如图所示。图 1 中，温度控制系统以单片机为核心，并扩展外部存 储器，构成主控模块零度保鲜箱的温度由铂 Pt100 电阻温度传感器检 测并转换成微弱的电压信号， 再通过位的转换器转换成数字量， 此数 字量经过数字滤波之后， 一方面将零度保鲜箱的温度通过控制面板上 的液晶显示器显示出来，另一方面将该温度值与设定的温度 值进行 比较，根据其偏差值的大小，采用控制算法进行运算，最后通过控制 双向可控硅控制周期内的通断占空比， 即控制零度保鲜箱制冷平均功 率的大小， 进而达到对零度保鲜箱温度进行控制的目的。 控制系统电 路的核心器件是 Atmel 公司生产的单片机 ,

3、图 2 所示.它是一种低功耗 低电压高性能的位单片机片，内带有一个的可编程可擦除只读存储 器，它采用的工艺是 Atmel 公司的高密度非易失存储器技术。 其输出引脚和指令系统都与 MCS51 兼容且价格低廉 ,性能可靠 ,抗干扰能力强,因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统 中。为了节省成本和体积采用多路选择开关和 AD7705 模数转换器协同工作，组成多路数据采集系统 .AT24C02是Atmel 公司生产的 EEPROM器件,存储容量 256字节 可擦写次数达 100 万次,主要用来存储设定温度。2 软件实现 PID 控制PID 控制是最早发展起来的控制策略之一 ,在微机测控系统中 ,软 件与

4、硬件同样重要 .硬件是系统的躯体 ,软件则是灵魂 ,当系统的硬件 电路设计好之后 ,系统的主要功能还是要靠软件来实现 ,而且软件的设 计在很大程度上决定了测控系统的性能 ,很多的单片机软件系统都是 采用如图 2 所示的前后台系统也称超循环系统。 其中，应用程序是一 个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作。这 部分可 以看成是后台行为。 中断服务程序处理异步事件这部分可以看成是前 台行为，后台也可以叫做任务级前台，也可以叫做中断级。时间相关 性很强的关键操作一 定是靠中断服务来保证的。本系统软件正是基 于这种软件思想编制的。由于整个系统软件相对比较庞大，为了便于编写，调试，修改和 增删

5、，系统软件的编制采用了模块化的设计， 即整个控制软件由许多 独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接 ，遵循模块内部数 据关系紧凑，模块之间数据关系松散的原则。 按功能形成模块化结构。 系统的软件主要由主程序模块，数据采集模块，数据处理模块，控制 算法模块等组成。 主模块的功能是为其余几个模块构建整体框架及初 始化工作，数据采集模块的作用是将 A/D 转换的数字量采集并储存 到存储器中， 数据处理模块是将采集到的数据进行一系列的处理， 其 中最重要的是数字滤波程序， 控制算法模块完成控制系统的运算并且 输出控制量。2.1 主程序模块主程序模块要做的主要工作是上电后对系统初始化和构建系统整体软

6、件框架， 其中初始化包括对单片机的初始化， A/D 芯片初始化和串口初始化等。然后等待温度设定，若温度已经设定好了，判断系 统运行键是否按下，若系统运行，则依次调用各个相关模块，循环控 制直到系统停止运行，主程序模块的程序流程如图 3 所示2.2 增量式 PID 控制算法PID 控制的增量式为因为在计算机控制中 a0,a1,a2都可以事先求出 ,所以实际控制时只须获得 e(k),e(k-1),e(k-2)三个有限的偏差值就可以求出控制增量 .增量式 PID 控制算法优点 :增量式中只须计算增量 ,算式中不需要累加 ,控制增量的确定仅与 最近几次偏差采样值有关 ,当存在计算误差或者精度不足时 ,

7、对控制量 的影响较小 ,且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果 .由于计算机只输出控制增量 ,所以误动作影响小 ,而且必要时可以 用逻辑判断的方法去掉 ,对系统安全运行有利 .手动自动切换时冲击比较小 .鉴于以上优点 ,本系统的控制算法即采用增量式的 PID 控制算法 . 其程序流程如图 4 所示2.3PID 参数整定扩充响应曲线法不需要预先知道对象的动态特性， 而是直接在闭 环系统中进行 PID 参数整定的 .如果已知系统的动态特性曲线 ,数字控 制器的参数也可以采用扩充响应曲线法进行整定 .3 MATLAB 仿真结果通过对上述的整定方法的综合运用 ,整定后得到 PID 控制器的参 数为 Kp=1.75,Ki=0.0125,Kd=3.在 MATLAB 环境下建立温度控制系统的仿真模型 ,结果如图 5 所 示,仿真后得到系统的阶跃响应曲线如图 6 和图 7所示图6仿真的阶跃响应由图 6和图 7 可以看出 ,系统阶跃响应的动态性能还是比较理想 的 ,超调很小 ,系统的响应误差是也是比较小的 ,稳