温度PID控制-课程设计--.doc

温度PID控制-课程设计--

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目录

1 引言 1
2 设计方案 1
2.1 课题内容 1
2.2 总体方案 1
3 硬件设计 2
3。1 单片机控制电路 2
3。2 显示、按键、报警电路 2
3.2.1 LCD显示 2
3。2。2按键与报警电路 3
3.3 温度检测与A/D转换 3
3.3。1 温度变送器 3
3。3.2 A/D转换 4
3。4 输出电路 4
4 软件设计 6
4。1 周期采样程序 6
4。2 数字滤波程序 6
4。3 PID程序 7
4。4 主程序 8
5 心得与体会 9
参考文献 9
附件 系统原理图 10

1 引言
温度是工业对象中一种重要参数,特别在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉和反应炉等。由于炉子的种类不同，因此所采用的加入方法及燃料也不同，如煤气、天然气、由和电等。但是就其控制系统本身的动态特性来说,基本上都属于一阶纯滞后环节，因而在控制算法上亦基本相同。
用微型计算机对炉温进行控制,无论在控制品质,节约能源，还是在改善劳动环境等方面都显示了巨大的优越性。
本文介绍了温度测量及自动控制系统的设计。主要组成部分：AT89C51单片机、温度传感器、A/D转换、显示电路、温度控制及键盘电路。它可以实时地显示温度，实现对温度的自动控制并设有报警电路.还可以通过键盘对PID参数进行设置。

2 设计方案
2.1 课题内容
某工业电炉在对产品进行加工的过程中,炉温从室温上升到1000℃应为30min，然后温度保持到1000℃，其时间为1小时。最后断电,使电炉自然冷却.电炉的加热源是热阻丝，利用大功率可控硅控制热阻丝两端所加的电压大小,来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。
炉温控制的基本原理是:改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压可在0~140V内变化。温度传感器是通过一只热敏电阻及其放大电路组成,温度越高其输出电压越小。外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间,如果炉温低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。
要求设计一个以单片机为核心，包括主要过程输入输出通道及主要接口，外配LED显示、键盘操作以及包括传感变送器及执行器的小型计算机控制系统。

2.2 总体方案
为实现温度的检测,可以选用热电偶、热电阻等测温单元，然后通过变送器将其信号变换为标准的 信号，并经过A/D转换，供微型计算机处理。在微处理器内，输入信号经过相应算法的处理，如PID控制算法等，输出相应的控制信号.温度的控制主要是控制发热电阻丝的发热，而电阻丝发热量的控制，可以通过调功的方法实现，即控制电阻丝两端交流电压的通断时间的比例来实现，基于以上分析，可得流程图如图1所示。
51单片机
A/D转换器
温度检测与变送
光电隔离电路
外部驱动电路
键盘、显示单元
报警电路
图1设计框图

3 硬件设计
3。1 单片机控制电路
该温度控制系统中,选用AT89C52单片机作为处理器，其内部包含微处理器（CPU）、储存器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、串行接口等部件。完全能满足控制要求。同时由于该系统中要用到数码管显示、A/D转换、键盘、报警电路、信号输出,其外部扩展功能多,因此选用8255作为并行输出接口,方便外部数据寻址。单片机小系统如下图1所示。

图2单片机控制电路

由图可知，8255的A口、B口、C口、控制端口地址分别为：F8FFH、F9FFH、FAFFH、FBFFH.

3。2 显示、按键、报警电路
3.2.1 LCD显示
液晶显示器LCD 问世以来，以其微功耗、小体积、轻质量、超薄等诸多优点，广泛应用于微型计算机控制系统和智能化仪器中.另外，LCD在大小和形状上更加灵活,接口简单，不但可以显示数字、字符，而且可以显示汉字和图形，因此在各种仪器仪表、电子产品上得到广泛应用.LCD已成为一种站主导地位的显示器件。
在本温度控制系统中,选用AMPIRE 128X64型LCD作为显示部件,该液晶模块可以显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵)，128个字符(16X16点阵），及64X256点阵显示RAM。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理器：8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式。AMPIRE 128X64型LCD驱动电路如图3所示。

图3 LCD显示电路

3。2。2按键与报警电路
按键为触发式按键，当按下时导通，松开时断开，当按键未按下时,相应管脚电平为“1”，当按键按下时，相应管脚电平被拉低，即“0”；因此检测管脚电平的高低,即可判断键是否按下。
报警电路采用黄、红、绿三种颜色的发光二极管进行显示,黄灯亮表示温度偏低，绿灯亮表示温度正常，红灯亮表示温度过高。电路如图4所示。

图4按键、报警电路
3。3 温度检测与A/D转换
3。3.1 温度变送器
ST1000一体化温度变送器将温度传感元件（热电阻或热电偶）与信号转换放大单元有机集成在一起,用来测量各种工艺过程中—200~1600℃范围内的液体、蒸汽及其它气体介质或固体表面的温度。它通常和显示仪表、记录仪表以及各种控制系统配套使用。
ST1000系列变送器有如下特点：DC24V供电，二线制 ，直接输出标准4-20mA信号，精度高、抗干扰、长期稳定性好、免维护、可远传（最大1000米）。 该系列产品分普通型和隔爆型两种,已广泛应用于各种工业控制领域。
温度变送输出的4-20mA的电流信号经250Ω电阻转换为1-5V电压,供A/D转换器转换。

3.3.2 A/D转换
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。其接线如图5所示。

图5 A/D转换电路
由图可知，A/D转换的启动地址为：7FFFH；数据读取地址8255 PB口地址,即：F9FFH。A/D转换程序为：

START: MOV DPTR，＃7FFFH
MOVX @DPTR，A
WAIT: MOV A,P0
ANL A,＃80
JZ WAIT
MOV DPTR,#0F9FFH
MOV A，@DPTR

3.4 输出电路
为实现温度控制,就得对热阻丝的功率进行控制，热阻丝两端用220V交流进行加热，因此要控制热阻丝功率，可以通过调功实现，即控制交流电的通断时间比例来实现.基本过程是，检测到的温度信号，经微处理器用PID算法进行运算，输出一定占空比的PWM波，该PWM波控制热阻丝电路的通断，以实现热阻丝的调功。
单片机输出信号不能直接驱动继电器，同时由于某些外部设备可能会产生很强的电磁干扰，可能使单片机受到影响;因此采用光电隔离器进行隔离.电路如图6所示。

图6 PWM波输出电路

在该电路中，当开关量PC7输出高电平是，经反相驱动器变为低电平,使发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，进而使三极管9031导通，继电器线圈通电,K1闭合，使得热阻丝电路接通.反之，PC7输出为低时，K1断开，热阻丝停止输出热量。
PWM波调功原理如图7所示。
图7 PWM调功原理

PWM波
交流调功波形

通过以上分析,该电路通过调功的方法，配合PID算法，能够实现热阻丝功率的调节。从而可以将炉温控制在希望值。

4 软件设计
在该温度控制程序中,温度信号要经过周期采样、数字滤波、PID运算、输出等过程，其过程如图8所示.
信号
周期
采样
数字
滤波
PID
运算
输出
图8 信号流程图

4.1 周期采样程序
在计算机内部，执行算法时，需要将外部信号进行离散化处理，因此需要对外部模拟信号进行周期采样。从理论上讲，采样频率越高，失真越小,但从控制器本身而言，大都依靠偏差信号E(k)进行调节器计算。当采样周期T太小时，偏差信号E（k），也会过小，此时计算机将会失去调节作用，而采样周期T过长又会引起误差。因此采样周期必须综合考虑，一般而言采样周期根据外部信号变化快慢而定，如在该温度控制系统中，水箱温度变化比较缓慢，因此采样时间T应该适当大一些.其程流程图如图9.
周期采样程序
定时计数器初始化
初值设置
开定时计数器
中断程序
定时器重赋初值
启动A/D转换
读取转换结果
图9 周期采样程流程图

4.2 数字滤波程序
在工业过程控制系统中，由于被控对象所处的环境比较恶劣，常存在干扰源，如环境温度、电场和磁场等，使得采样值可能偏离真实值.对于各种随机出现的干扰信号，在计算机控制系统中，应该对采样的数据进行判断，以及平滑加工，以提高信号的可信度，减小乃至消除各种干扰及噪声,以保证系统的可靠性。
在该系统中，我选用限幅滤波.限幅滤波的基本思路是:求出本次采样值与前一次采样值之差，该差值与最大允许差值比较，若小于或等于，则取本次采样值，若大于，则取上一次采样值,即：

数字滤波程流程图如图10所示.
数字滤波程序
计算

返回

图10 数字滤波程序框图

4。3 PID程序
PID调节由比例调节、积分调节、微分调节三者组成，是技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用于控制输出。在实际应用中，根据被控对象的特征和控制要求，可灵活地改变PID的结构，取其中一部分环节构成控制规律，如比例调节、比例积分调节、比例积分微分调节等。
PID算法表达式：
（1)
离散化后的PID表达式:
（2）
在该系统中,选用位置型PID进行程序设计,位置型PID输出表达式如下：
（3)
在进行程序编写时,一般将（3）式作一下改进:
（4)
根据该表达式,在计算机内进行具体的PID运算，PID程序流程图如图11.
图11 PID程序框图

PID程序
返回
输入

计算

，
计算

计算

计算

计算

4.4 主程序
当把以上程序都编好后，主程序只需要调用子程序即可，这样方便参数调整，以及程序修改，在该系统中主程序需要调用的子程序有：周期采样子程序、数字滤波子程序、PID运算子程序、输出子程序以及系统初始化。主程序程序流程图如图12。
总程序
初始化
周期采样子程序
数字滤波子程序
PID子程序
输出子程序
返回
图12 主程流程图

5 心得与体会
在这次课程设计中,我完整地经历了一次课题设计的全过程，从系统要求的解读，系统的整体设计，器件选型，硬件电路的设计以及软件的设计。在这些过程中，涉及到到各方面理论知识的应用,相关软件的应用；同时也锻炼了全局性思维。在这次课程设计中有如下收获和体会：
1、理论知识有很大长进.特别是对PID算法有更深刻的理解，进一步理解离散化思想，能理解位置型PID与增量型PID的不同与各自应用的范围。对采样周期有进一步理解，在数字滤波方面也有很大收获。
2、对关电隔离有进一步认识.以前认为光电器件只是进行信号传递，而没有考虑隔离作用，经过这次课程设计,才知道光电隔离可以防止电磁干扰，保护微处理器等.
3、学习单片机I/O口的扩展。以前做的电路都非常简单,从不用考虑扩展I/O，而本次设计外围器件比较多，需要对单片机I/O口进行扩展，因此在硬件设计时，采用8255拓展I/O口,同时学会用外部寻址的方式对外部硬件进行编程，这样可以节约I/O口。
4、体会整体与局部的兼顾.在本次课程设计中，由于模块较多，模块之间又相互联系,共同构成一个整体,因此必须考虑到模块与模块之间，模块与整体之间的兼顾问题。如在硬件设计时，应考虑软件编写.即设计的硬件，是否能与软件较好的结合，以及能否用软件的方法简化硬件,或用硬件的方法简化软件等。

参考文献

［1］ 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术（第二版）,北京：电子工业出版社，2011。1
[2] 谢维成,杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计（第二版），北京：清华大学出版社，2009。7
［3] 张荣标.微型计算机原理与接口技术(第二版），北京：机械工业出版社，2009.2

附件 系统原理图

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