基于PID的恒温箱温度控制系统设计

基于PID的恒温箱温度控制系统设计（2008届）2008年6月摘要本设计是恒温箱温度控制系统设计。可供各类实验室、医疗机构、食品加工、生产部门等使用。在周围温度不断变化条件下，使用恒温箱，可以使一定范围的温度恒定在特定温度下，从而适应生活和工作。控制的温度范围为50—1200C。恒温箱可以在线设定温度，并对温度进行实时数码显示。设计内容包括硬件和软件两个部分。硬件主要由AT89S52单片机、DS18B20数字温度传感器、8155片外存储器、继电器，LED数码管和报警器等组成。电原理图包括数据采集、温度显示、键盘设定、温度控制和复位电路等几个模块。软件部分主要对PID算法进行了数学建模和编程。本设计由键盘电路输入设定温度信号给单片机，温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机，单片机根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算，输出控制信号给加温控制电路，实现加温和停止。当实际温度比设定温度大2摄氏度以上时，则清P1.3输出口，从而停止对电阻丝的加热。当实际温度比设定温度小2摄氏度以上时，取PID的最大值，实现全功率输出。在它们之间时，实现PID算法控制，控制可控硅的接触时间，调节电阻丝功率。显示电路实现现场温度的实时监控。软件部分，采用PID控制和时间最优控制相结合的控制方案，实现了控制速度快、超调小、线性控制精度高和实现成本低等的优点。硬件部分采用单片机来实现温度控制，不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度的提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量。关键词：恒温控制，单片机，数字PID算法ABSTRACTThesystemofthisdesignisthetemperaturecontrollerofaconstanttemperaturebox.Canbeprovidedaseachkindoflaboratory,medicaltreatmentorganization,foodprocessingandproducethesectionetc.usage.Undertheconditionthatthesurroundingstemperaturecontinuouslychange,theusageconstanttemperaturebox,canmakethetemperaturemaintainingofthecertainscopesettleundertheparticulartemperature,thusadaptthelifeandworks.Thetemperaturescopeofthecontrolis50-120,Theconstanttemperatureboxcanwithon-lineenactmenttemperature,andcarryonthesolidhourtothetemperaturefiguresmanifestation.Whenbeplacedintosettheappearance,figurestubemanifestationenactmenttemperature,circulate,manifestationactualtemperature.Designcontentincludinghardwareandsoftwaretwoparts.Thehardwaremainlybyat89S52monolithicintegratedcircuit,theDS18B20digittemperaturesensor,8155pieceofexternalmemory,therelay,theLEDnixietubeandthealarmapparatusandsooniscomposed.Electricityschematicdiagramincludingdataacquisition,temperaturedemonstration,keyboardhypothesis,temperaturecontrolandresetcircuitandsoonseveralmodules.ThesoftwarepartmainlyhascarriedonmathematicsmodellingandtheprogrammingtothePIDalgorithm.Thecircuitdesignofthekeyboardinputfromthesettemperaturesignaltothemicrocontroller,TemperatureSignalAcquisitionCircuitcollecttemperaturesignaltothemicrocontroller,AccordingtoSCMinputandfeedbacksignal,theerrorforPID,theoutputcontrolsignalstotheheatingcontrolcircuit,Heatingandachievestop.Showcircuitsceneofthereal-timemonitoringoftemperature.Whenactualtemperaturecomparestosettemperaturebigmorethan2degrees,thenthepureexportation,thusstoptoelectricresistancesilkofheating.Whentheactualtemperaturecomparestosetsmallerthan2degrees,takingthePIDbiggestvalue,carryingoutthewholepowerexportation.amongthetwo,carryoutthePIDcalculatewaycontrol,controlcontacttimethatcontrovablesilicon,regulatetheelectricresistancesilkpower.softwarepart,theadoptionPIDcontrolandthecontrolprojectthattimesuperiorcontrolcombinetogether,carriedouttocontrolthespeedquick,superadjustsmall,linecontroltheaccuracyishighandcarryoutthecostadvantageoflowetc..Thehardwarepartadoptsamachinetocarryoutthetemperaturecontrol,notonlyhavethecontrolconvenience,simple,vividetc.advantage,andcaniscontrolwiththesignificantexaltationthetechniqueindexsignofthetemperature,raisethequantityoftheproductthusandconsumedly.Keywords:Temperature，control，microcontroller，PID，algorithm,MATLAB目录绪论把温度作为被控参数进行研究无论在工业生产，还是在日常生活中，都已经变得非常适用和广泛了。在工业生产中，例如冶金工业、化工生产、电力工程、食品加工、机械制造、医疗以及科研研究室等，人们对需要对温度进行监测和控制；而日常生活中的家用电器如电烤箱、微波炉、烘干箱、保温箱等等，也是我们不可或缺的。因此，就恒温箱的研究就有极其重要的现实意义。本设计系统主要由AT89S52单片机、8155片外存储器、继电器、27128片外存储器和DS18B20数字温度传感器等组成。电原理图包括数据采集、BCD码转换和温度显示、键盘设定、温度控制和复位电路等几个模块。通常，采用单片机系统来实现对温度的控制，不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度的提高被控温度的技术指标。在本设计中，需要达到以下几点技术要求：（1）控制温度范围50-1200C，控制精度为2℃。（2）温度采集数字量输入。（3）键盘按键输入，具有设定功能。（4）显示功能，数码管显示设定值及当前所测温度值。（5）具有超温报警功能。本课题应该解决的问题：在设计过程中，对硬件选型时一定要注意控制精度。所选用的芯片必须达到我们设计任务书中的精度要求。显然，恒温箱的微机系统的设计是一个闭环控制系统，虽然可以到达一定的精度，但是仍然有极限。核心设计内容是硬件和软件部分，硬件是基础，在软件设计中，分析清楚各个功功能模块，如主程序，中断服务程序，以及包含在中断程序中的数据采集，PID控制，温度显示子程序。第一章方案设计分析控制模块的选择，数字比较器与模拟控制器相比较，数字比较器具有以下几个优点：1、模拟调节器调节能力有限，当控制规律较为复杂时，就难以甚至无法实现。而数字控制器能实现复杂控制规律的控制。2、计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制。3、数字控制器具有灵活性。起控制规律可灵活多样，可用一台计算机对不同的回路实现不同的控制方式，并且修改控制参数或控制方式一般只可改变控制程序即可，使用起来简单方便，可改善调节品质，提高产品的产量和质量。4、采用计算机除实现PID数字控制外，还能实现监控、数据采集、数字显示等其他功能。综合考虑，本设计控制模块采用数字PID调节器。本系统是一个恒温箱的温度控制器。其控温范围是50-120摄氏度。控制器可以在线设定控制温度，并对温度进行实时数码显示。当系统处于设定状态时，数码管显示设定温度值，平时显示实际温度。当实际温度与设定温度偏差达小于负2时，全功率加热电阻丝，当偏差值在正负2的范围内时，实行PID控制来达到控制温度的目的，当偏差值大于2时，停止加热，从而达到恒温控制的目的。这样的一闭环控制系统，其控制速度快，超调小、线性控制精度高和实现成本低。根据上面分析，结合控制要求，总体方案确定如下为了使设计的成本低、抗干扰强，系统动态性能与稳态性能好的前提下，设计方案的总体结构框图如图1.4所示：图1.4设计总体结构框图此系统主要有单片机系统、用户接口、温度控制电路、传感器等组成。单片机系统主要用来运行控制软件，接受温度设定和控制指令，输入采样温度信息，输出加热控制信号、温度显示数据。（1）用户接口包括温度显示，报警和按键三部分。由于控温范围为50-120摄氏度，可以采用三位8段LED数码管显示。温度超过一定的范围报警。按钮设置四个，分别为设定键、增键、减键和移位键。（2）DS18B20采集到的就是为数字信号。（3）继电器的接通时间来控制电阻丝的加热功率，而继电器的接通时间又由P1.3上的触发脉冲来控制。其中我主要负责按键、LED显示、温度采集AT89S52单片机按键LED显示温度采集EEPROM控制继电器越限报警第2章恒温控制系统硬件设计考虑到尽量降低成本和避免与复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。而主控器采用低功耗、高性能、片内含8kbyte可反复檫写的Flash、只读程序器CMOS8位单片机AT89S52；温度传感器采用DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20；采用控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动；单片机所需要的+5V工作电源是通过220V交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。用DS18B20定时采集环境温度存到EEPROM，通过三个LED实时显示采集到的温度值，并用此温度与设定的温度比较，通过单片机对偏差进行PID运算，控制继电器的通断，加热或断开热敏电阻，使温度上升或下降，温度达到时断开继电器，使温度自然下降，不够时接通继电器加热，控制显示器、键盘并通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。2.1AT89S52单片机简介2.1.1AT89S52单片机资源简介AT89S52的结构如图2.1所