基于PID的恒温箱温度控制系统设计综述Word格式.docx
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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—120
。
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
ABSTRACT
Thesystemofthisdesignisthetemperaturecontrollerofaconstanttemperaturebox.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
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50-120
,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
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