基于PID算法烤箱温度控制系统设计.docx

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基于PID算法烤箱温度控制系统设计

辽宁工业大学

计算机控制课程设计（论文）

题目：

基于PID算法的烤箱温度控制系统设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

自动化

学号：

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

2013.12.30-2014.01.10

课程设计（论文）报告的内容及其文本格式

1、课程设计（论文）报告要求用A4纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括：

①封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、、起止时间等）

②设计（论文）任务及评语

③中文摘要（黑体小二，居中，不少于200字）

④目录

⑤正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）

⑥参考文献

2、课程设计（论文）正文参考字数：

2000字

周数。

3、封面格式

4、设计（论文）任务及评语格式

5、目录格式

①标题“目录”（小二号、黑体、居中）

②章标题（四号字、黑体、居左）

③节标题（小四号字、宋体）

④页码（小四号字、宋体、居右）

6、正文格式

①页边距：

上2.5cm，下2.5cm，左3cm，右2.5cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm，左侧装订；

②字体：

一级标题，小二号字、黑体、居中；二级标题，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字，小四号字、宋体；

③行距：

20磅行距；

④页码：

底部居中，五号、黑体；

7、参考文献格式

①标题：

“参考文献”，小二，黑体，居中。

②示例：

（五号宋体）

期刊类：

[序号]作者1,作者2,……作者n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:

页次.

图书类：

[序号]作者1,作者2,……作者n.书名.版本.出版地:

出版社，出版年:

页次.

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

自动化

学号

学生姓名

专业班级

课程设计（论文）题目

基于PID算法的烤箱温度控制系统设计

课程设计（论文）任务

课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数

实现功能

采用单片机作为控制器，由pt100测量温度，与设定温度进行比较，经过PID运算后调整温度控制信号的占空比，将温度控制在规定范围内，并要求实时显示当前温度值，用三位LED显示。

被控对象为，仿真研究时用近似。

设计任务及要求

1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路和报警电路；

2、建立被控对象的数学模型；

3、推导控制算法，设计算法的程序流程图或程序清单；

4、仿真研究，验证设计结果；

5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。

技术参数

1、温度设定范围：

室温+20~260℃

2、误差小于：

±5%

进度计划

1、布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）

2、被控对象建模（1天）

3、算法推导，程序设计（3天）

4、仿真研究（2天）

5、撰写、打印设计说明书（2天）

6、答辩。

（1天））

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

本设计采用单片机AT89S52来实现烤箱的自动控制过程，在控制过程中主要应用ADC0808、LED显示器，以单片机为核心控制部件，由pt100测量温度采集环境温度，与设定温度进行比较，经过PID运算后调整温度控制信号的占空比，将温度控制在规定范围内，并要求实时显示当前温度值，并通过3位LED数码管显示实时温度。

其中硬件部分包括：

单片机电路、传感器电路、以及按键电路和显示电路。

为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。

关键词：

单片机AT89S52；ADC0808；pt100测量温度；按键电路

第1章绪论

在现代工农业生产反科学实验中常常需要对温度进行控制和调节。

在控制精度要求不高的情况下，人们往往采用开环控制，这种控制方式结构简单，易于实现。

但是在控制精度要求较高时，单纯地采用开环控制往往达不到满意的控制效果，所以此时必须采用闭环控制方式，常规采用模拟量的ND调节方式。

尽管这种方法已经被人们广泛采用，但是由于控制对象的复杂及多样性，在有些情况下未能获得满意的控制精度。

微型计算机，特别是单片微助计算机的应用，使各种工业控制都发生了巨大的变化，由于单片机成本低、功能强、抗干扰性能好，从而使计算机控制应用于工业生产及各种领域成为可能，单片机在温度控制中的应用更具有其他控制手段无法比拟的优越性。

温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

根据温度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，本文设计了以AT89S52单片机为检测控制中心的烤箱自动控制系统。

温度控制采用改进的PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。

该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。

所设计的控制系统有以下功能：

（1）温度控制设定范围为+20~260℃，最小区分度为0.05℃，标定温差<0.6℃，静态误差<0.4℃；

（2）实现控制可以升温也可以降温；（3）实时显示当前温度值；（4）按键控制：

设置复位键、功能转换键、加一键、减一键；（4）越限报警。

该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。

第2章

课程设计的方案

2.1概述

二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，需要对各种参数进行温度测量。

因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语，同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。

如在日趋发达的工业之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。

在农业中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。

温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。

温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。

由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。

而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。

在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。

因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。

在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器，烤箱等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。

但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。

2.2设计的要求

采用单片机作为控制器，由pt100测量温度，与设定温度进行比较，经过PID运算后调整温度控制信号的占空比，将温度控制在规定范围内，并要求实时显示当前温度值，用三位LED灯显示。

温度控制范围：

室温+20~260℃，误差小于：

±5%。

2.3系统控制方案的分析

本文所要设计的课题是基于单片机控制的烤箱温度控制系统的设计，主要是介绍了对烤箱温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。

温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。

温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。

温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。

对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式：

本系统是一个典型的闭环控制系统。

从技术指标可以看出，系统对控制精度的要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，当烘干箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温的控制。

采用AT89S52单片机系统来实现。

单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。

单片机系统可以用数码管来显示烤箱温度的实际值，能用键盘输入设定值。

总体结构框图如图2.1所示：

图2.1总体结构框图

烤箱温度控制实现过程是：

首先温度传感器将烤箱的温度传回单片机，然后单片机将给定的温度值和反馈回来的温度值进行比较并且经过运算处理后，传给温度控制系统，判断加热器材输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。

第3章硬件设计

在温度控制中，经常采用是硬件电路主要有两大部分组成：

模拟部分和数字部分，对这两部分调节仪表进行调节，但都存在着许多缺点，用单片机进行温度控制使构成的系统灵活，可靠性高，并可用软件对传感器信号进行抗干拢滤波和非线性补偿处理，可大大提高控制质量和自动化水平；总的来说本系统由四大模块组成，它们是输入模块、单片机系统模块、显示与控制模块和输出控制模块。

输入模块主要完成对温度信号的采集和转换工作，由温度传感器及其与单片机的接口部分组成。

输出模块由可控硅和可控硅驱动器组成。

MOC304X芯片是一种集成的带有光耦合的双向可控硅驱动电路。

它内部集成了发光二极管、双向可控和过零触发电路等器件。

3.1单片机最小系统

3.1.1单片机的选择

随着社会发展，单片机以其体积小、可靠性高、使用方便的特点在社会生活中达到广泛应用。

根据温度控制特点，本次设计采用AT89S52。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，AT89S52有40个引脚，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89S52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

3.1.2单片机最小系统

单片机最小系统由AT89S52单片机、复位电路，晶振时钟电路组成，如图3.1所示：

图3.1单片机最小系统

说明:

①复位电路：

由电容，电阻构成，若要复位只需按“S1”键，此电源VCC经电阻分压，在RESET端产生一个复位高电平；

②振荡电路：

典型的晶振频率为11.0592MHz/12MHz。

3.2温度传感器

pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。

PT100的阻值与温度变化关系为：

当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工业原理：

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。

由于PT100热电阻的温度与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，发明并生产了PT100热电阻温度传感器。

它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。

Pt100温度传感器的主要技术参数如下：

测量范围：

-200℃～+850℃；允许偏差值△℃：

A级±（0.15＋0.002│t│）， B级±（0.30＋0.005│t│）；热响应时间<30s；最小置入深度：

热电阻的最小置入深度≥200mm；允通电流≤5mA。

另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

pt100铂热电阻采集温度后将温度转化为电量的温度电压转换由温度传感器-热敏电阻实现，A/D转换选择模数转换器ADC0808，将采集到的温度模拟信号转换为AT89S52能够处理的二进制数字信号。

如图3.2所示：

图3.2温度转换电路图

3.3按键电路设计

按键控制电路设置了：

“设置”、“加1”、“减1”、“确定”四个按键，来实现人机对话。

人为地设定温度门限值，使电路在人为设定的某一温度值相对稳定的工作。

电路如图3.3所示：

图3.3按键电路

3.4显示电路设计

因为显示部分只是用于显示数字，所以可以选用LED数码管，在显示数字方面完全可以满足本设计的要求。

因为烤箱的温度范围是20℃～260℃，需要3个8段LED数码管显示。

根据对显示内容的分析，显示驱动芯片要驱动3个共阴的8段LED数码管，且为节省I/O口线，优先考虑串行的显示驱动芯片。

根据上述分析，本设计选用MAXIM公司的MAX7219显示驱动芯片。

MAX7219显示驱动芯片有八条位控线，八条段控线，位控线低电平有效，段控线高电平有效，可同时驱动八个共阴极LED。

同时MAX7219还可以进行解码/不解码两种模式的选择，当选择解码模式时，只需向MAX7219输入十进制的BCD码它就可自动翻译成LED显示所需要的字形代码，大大减轻了编程的工作量。

MAX7219和单片计算机连接有三条引线（DIN、CLK、LOAD），采用16位数据串行移位接收方式。

MAX7219通过加在V+和ISET之间的一个电阻来控制显示亮度。

段驱动电流一般是流入ISET端电流的100倍，其最小值为9.53KΩ，它设定段电流为40mA。

MAX7219各引脚的功能为：

DIN：

串行数据输入端 

DOUT：

串行数据输出端，用于级连扩展 

LOAD：

装载数据输入 

CLK：

串行时钟输入

DIG0~DIG7：

8位LED位选线，从共阴极LED中吸入电流 

SEG A~SEG G DP ：

7段驱动和小数点驱动 

ISET：

  通过一个10k电阻和Vcc相连，设置段电流

三位LED显示电路结构图如图3.4所示：

图3.4三位LED显示电路图

3.5输入输出通道设计

3.5.1烤箱的功率调节方式

烤箱的温度控制是通过调节电阻炉的输入电功率来实现的。

目前多数温控仪采用晶闸管来实现功率调节。

由晶闸管实现交流功率调节的途径有两条：

一种是通过改变交流电压每周期内电压波形的导通角，使得负载端电压有效值得以调节，进而实现电功率调节。

由于这种调节方式下触发脉冲的触发时刻与电压波形的相位有关，因此称为相位控制调功；另一种调节方式是电压波形不变而只改变电压周波在控制周期内出现的次数，这种调节方式称为通断控制调功。

就触发方式而言，前者为移相触发，后者为过零触发。

两者的电压波形比较如图3.5所示:

（a）位控制的电压波形

（b）通断控制的输出波形

图3.5两者的电压波形比较

通过比较发现：

相位控制的电压波形不“规整”，但正负半周对称，无直流成分，可直接用于电感负载。

其最大的缺点是：

大电流的切入造成对电网的冲击，不规整的脉冲负载电流引起电网波形的畸变及对其它电设备的中频干扰。

输出线性范围窄而线性度又不好，只能靠反馈来改善。

通断控制的输出波形仍为正弦波，其优点是，不会对电网造成严重污染和干扰其它用电设备，而且电炉的功率愈大，优点愈突出。

但通断控制也存在抗电源干扰能力弱等缺点。

对于纯阻性负载的电阻炉来说，温控仪采用过零触发方式可使电路结构简单，软件计算方便。

因此，在本系统中采用通断控制的方式来进行功率调节。

3.5.2固态继电器及应用

固态继电器[7]（Solid State Relays），简写成“SSR”，是一种全部由固态电子元件（如光电耦合器、晶体管、可控硅、电阻、电容等）组成的新型无触点开关器件。

与普通继电器一样，它的输入侧与输出侧之间是电绝缘的。

但是与普通电磁继电器比，SSR体积小，开关速度快，无机械触点，因而没有机械磨损，不怕有害气体腐蚀，没有机械噪声，耐振动、耐冲击，使用寿命长。

它在通、断时没有火花和电弧，有利于防爆，干扰小（特别对微弱信号回路）。

另外，SSR的驱动电压低，电流小，易于与计算机接口。

因此SSR作为自动控制的执行部件得到越来越广泛的应用。

SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类。

交流SSR工作原理框图如图3.6所示：

图3.6交流SSR工作原理框图 

图中的部件①~④构成交流SSR的主体。

从整体上看，SSR只有两个输入端（A和B）及两个输出端（C和D），是一种四端器件。

工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的（电）联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘（耐压）等级高；由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用时可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”的逻辑电平控制。

触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路④工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。

所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点（零电位）时，SSR才为断态。

这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。

吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌（电压）对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰（甚至误动作）而设计的，一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻（压敏电阻器）。

3.6报警电路设计

本设计采用峰鸣音报警电路。

蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源上面，另一端接到三极管的集电极，三极管的基极由单片机的P2.7管脚来控制，当P2.7管脚为高时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。

当P2.7管脚为低时，三极管截至，蜂鸣器不发出声音。

其电路图如3.7所示：

3.7报警电路

第4章软件设计

4.1PID烤箱温度控制系统流程图

烤箱温度控制系统流程图如图4.1所示：

图4.1程序流程图

4.2推导控制算法

模拟PID控制图如图4.2所示：

图4.2模拟PID控制图

1.PID控制规律的离散化

PID控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统的给定值r与实际输出值y构成的控制偏差

的比例（P）、积分（I）、微分（D），通过线性组合构成控制量，所以简称PID控制器。

连续控制系统中的模拟PID控制规律为：

（1）

上面式中

是控制器的输出，

是系统给定量与输出量的偏差，

是比例系数，

是积分时间常数，

是微分时间常数。

其相应传递函数为：

（2）

2.比例调节器、积分调节器和微分调节器的作用

（1）比例调节器：

比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数

。

比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。

加大比例系数

可以减小静差，但是，

过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。

（2）比例积分调节器：

为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。

积分调节具有累积成分，只要偏差

不为零，它将通过累积作用影响控制量

，从而减小偏差，直到偏差为零。

如果积分时间常数

大，积分作用弱，反之为强。

增大

将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。

引入积分词节的代价是降低系统的快速性。

（3）比例积分微分调节器：

为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。

微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。

由于计算机系统是一种采样控制系统，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，利用外接矩形法进行数值积分，一阶后向差分进行数值微分，当采样周期为T时，

（3）

如果采样周期足够小，这种离散逼近相当准确。

上式中

为全量输出，它对应于被控对象的执行机构第i次采样时刻应达到的位置，因此，上式称为PID位置型控制算式。

可以看出，按上式计算

时，输出值与过去所有状态有关。

当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，可导出下面的公式：

（4）

上式（4）称为增量型PID控制算式。

增量型控制算式具有以下优点：

（1）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小。

（2）在i时刻的输出

，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差

、

，和前一次的输出值

，这大大节约了内存和计算时间。

（3）在进行手动—自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡；控制过程的计算机要求有很强的实时性，用微型计算机作为数字控制器时，由于字长和运算速度的限制，必须采用必要的方法来加快计算速度。

下面介绍简化算式的方法。

第5章PID算法仿真

5.1PID算法的响应曲线

5.2

根据式子知道放大系数，经分析后硬件连接及响应曲线图如图5.1所示：

图5.1硬件连接及响应曲线图

根据响应曲线得时间：

，

所以根据，，得，

。

因为，所以由，

，

得

，

，

。

5.3PID算法的仿真

根据PID算法的响应曲线得出

，

，

，则PID算法的仿真硬件连接及仿真图如图5.2所示：

图5.2仿真硬件连接及仿真图

第6章课程设计总结

本设计通过对目前烤箱控制的发展趋势和控制管理需求的分析，设计了基于PID算法的烤箱温度控制系统设计从而达到控制烤箱的开启和关闭的软硬件组成，仪烤箱温度采集实现自动控制，比单纯的人员控制烤箱温度更合理，更有效的降低烤箱的资源费用，对传统的不太科学的烤箱温度控制系统进行了优化改进。

其主要特点是电路结构简单、工作稳定可靠，性能优异。

本控制系统的设计对于各类烤箱管理具有重要的意义，也适用于各类办公室的灯光控制。

在保证装置能稳定可靠工作的前提下，硬件设计上尽量采用性价比高的元器件，以降低成本。

软件设计上采用多任务形式对信号的采集、处理，达到最终控制烤箱温度的目的。

系统的硬件及软件设计，系统具有很好的稳定性，提高了电能资源的利用率。

本次烤箱的温度控制系统是以AT