基于单片机在温度控制器的应用

基于单片机在温度控制器的应用摘要单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。单片机由于其微小的体积和极低的成本，广泛的应用于家用电器、工业控制等领域中。在工业生产中，电流、电压、温度、压力和流量也都是常用的被控参数。本文介绍了“基于单片机的温度控制系统”的设计及其相关内容。系统属于典型的基于单片机的大惯性环节的PID闭环控制装置，通用性很强，在工业过程控制中有着广泛的应用。控制系统中引入单片机，可以充分利用单片机在对采集数据加以分析并根据所得结果做出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制程序、管理程序，实现对被控参数的控制与管理。本论文介绍了基于单片机的温度控制系统的硬件设计和软件开发的过程。共分五章：第一章介绍了背景和总体的设计思路；第二章介绍了AT89C51单片机的基本知识；第三章对系统设计中所涉及的一些主要的芯片做了简单的介绍；第四章介绍了系统硬件电路的设计；第五章介绍了系统的软件设计过程。关键词：单片机；温度控制；PID目录基于单片机在温度控制器的应用................................................................................1摘要.........................................................................................................................1第一章绪论..................................................................................................................3第二章系统的需求和总体思路..................................................................................42.1功能需求...........................................................................................................42.2总体思路...........................................................................................................52.3操作模式的规划...............................................................................................5第三章系统元器件及相关算法介绍..........................................................................63.1ADuC812单片机.............................................................................................63.1.1ADuC812的主要性能...........................................................................63.1.2ADuC812的系统开发...........................................................................83.2温度检测元件的选择......................................................................................93.3PID算法介绍.................................................................................................14第四章系统设计........................................................................................................194.1硬件电路设计................................................................................................194.1.1温度检测电路.......................................................................................194.1.2温度控制原理.......................................................................................194.1.3PID控制算法的实现...........................................................................204.1.4控制器与PC之间的数据通信...........................................................224.2程序设计........................................................................................................22第五章系统调试…………………………………………………………….总结参考文献附录第一章绪论温度的测量与控制是生产过程自动化的重要任务之一。温度控制系统在工业控制中应用广泛，如在电厂建设、石油化工、冶金、机械制造、食品加工等行业中应用十分普遍。主要是通过将工业控制现场的温度模拟量通过传感器采集，再经过AD/转换成数字量输入计算机，由温度控制系统软件实现数据的存储、处理、显示的过程。如今在很多温度控制系统中，一般是选用单片机来实现。温度控制有很多方式，如采用模拟仪表控制、数字仪表控制、单片机控制、PLC控制、微机控制等等。近年来，随着计算机技术、电力电子技术的飞速发展以及对控制对象在线控制条件、技术参数、控制效果及质量等方面越来越高的要求，使得采用工业控制计算机进行温度控制在现代化的工农业领域中得到了愈来愈广泛的应用。大到粮库、程控交换机、大型温室等场合，小到变频空调甚至现在的一些CP机的主板都用到了温度监控系统。由于温度控制是工业生产中典型的过程控制问题，对温度进行准确的测量和有效的控制是一些设备优质高产、低耗和安全生产的重要指标。随着生产的发展，对温度控制的要求将会越来越高。本课题属工业控制过程研究领域，所谓过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及HP值等这样一些过程变量的系统。如今，随着自动控制理论与技术的迅速发展，特别是现代控制理论和微机技术的发展，大大促进了工业自动化的进程，但PDI控制仍旧是工业控制的主力军。最初的PID控制器是利用气动系统构成的。在50年代运算放大器出现以后，电子元器件取代了气动元件。60年代后，由于计算机控制的出现使得PDI控制发展到DDC阶段，即计算机直接作为执行机构来控制被控对象。70年代微处理器的出现，使过程控制发展到分散控制阶段，PID控制器则是它的主要组成部分。80年代开始在单回路PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID控制理论从此进入了高速发展阶段。PDI控制器在实际控制工程中应用最广，其被广泛应用主要是因为它结构简单、在实际中容易被理解和实现，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。传统的PID控制器主要问题是参数整定问题。方法是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定PDI参数，其整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，既耗时又耗力，加之实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素，使PID参数的整定有一定的难度，致使许多PID控制器没能整定的很好，这样的系统自然无法工作在令人满意的状态。而且参数一旦整定计算好以后，在整个控制过程中都是固定不变的。而在实际系统中，由于系统在控制过程中会出现状态和参数的不确定性，因此在现代工业控制中，采用传统的PDI控制器已难以获得满意的控制效果。所以越来越多的新型PDI控制器得到了人们的重视。近几年来有众多的先进PDI技术不断涌现出来，如最优控制、模糊控制、智能控制、自适应控制等，本人也将以温度控制实验系统为实际工程背景对一些先进的PDI技术进行研究。第二章系统的需求和总体思路2.1功能需求单回路温度控制器实际上是以单片机控制为核心，根据社顶目标温度值进行自动或手动调节的单回路温度控制系统，主要包括温度检测，温度控制，参数显示，报警指示等部分。根据模式值，可查看相应的参数，如温度值，温度上限报警值等，并根据需要可对参数进行修改，保存等。同时本系统还配有上位机，可以由上位修改设定温度，并启动通信，实时显示温度值和趋势曲线，与下位机配合可构成一套完整的温度监控系统。主要功能如下：①设定温度显示，实时温度显示②温度上限报警，温度报警上限值设定③温度下限报警，温度报警下限值设定④目标温度设定⑤放大电路放大倍数设定⑥P，I，D控制参数的设定⑦手动加热设定值⑧手动/自动设定⑨温度零点标定⑩参数保存⑾上位机设定目标温度值⑿上位机显示实时温度波形曲线图2.2总体思路温度控制系统包括实现温度控制的CPU——ADUC812，温度测量装置，加热元件，温度参数显示，SSR，辅助控制电路等。整个系统硬件结构如图10.1所示，其对应的硬件线路可参考。数码管用来显示模式值及相应的参数，通过控键可改变模式值及修改相应的参数值。CPU根据温度值对上，下限报警值进行比较，控制报警灯的状态。本系统采用周波来控制加热炉的温度。K分度热电偶作为温度传感器，是检测电路关键部件。传感信号通过放大，滤波等处理，可直接有CPU进行A/D转换，换算为相应的温度测量值。根据测量值和设定值之差，进行PID运算，将计算结果转换为周波数，通过控制SSR通过的周波数来控制加热炉的温度。2.3操作模式的规划基于数码管的单回路控制器，往往使用菜单模式来切换所有的显示参数，只有在当前模式下才能修改和显示其对应的参数。本系统可用3个按键实现模式切换和参数修改操作，所以这3个键分别定义为模式键，数值增加键和数值减少键，用8个数码管显示模式和对应的参数，左边4个数码管显示模式值，右边4个数码显示相应的参数值。根据系统的功能需求，应该设计10种模式，各模式的定义如下：模式0：温度设定值和温度实时值显示；模式1：设置和显示温度上限报警值（0~1200）模式2：设置和显示温度下限报警值（0~1200）模式3：设置和显示设定值得（0~1200）模式4：设置实时温度采集放大电路的方法倍数模式5：设置和显示PID算法中的比例系数（0.00~50.00）模式6：设置和显示PID算法中的积分系数（0.00~50.00）模式7：设置和显示PID算法中的微分系数（0.00~50.00）模式8：设置和显示手动输入值（0~100）模式9：手动/自动切换（1：手动；0：自动）模式10：标定和显示实时温度的零点。第三章系统元器件及相关算法介绍3.1ADuC812单片机目前,单片机开发者接触的数字控制系统,还有很大一部分反馈和最终控制的都是模拟量,这种控制系统,都需要有A/D、D/A转换,为了节约这类嵌入式控制系统的体积以及开发成本