基于单片机PID温度控制的设计与仿真.docx
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基于单片机PID温度控制的设计与仿真
摘要
本文是关于温度控制的单片机PID控制技术,加热电阻丝作为执行元件。
随着人类生产力的发展,在各行各业中对温度的要求日益提高,如啤酒的发酵、医用药品生产、以及食品加工等等;良好的温度控制技术不仅能提高产品品质而且能够有效节约能源。
而PID技术具有良好的控制能力,可以实现无误差调节,被广泛用于各个行业中。
本设计是以STC89C52RC单片机为核心,结合DS18B20温度传感器,1602LCD显示电路及键盘组成的系统。
采用PID控制技术对温度进行控制,以实现对温度准确控制。
该系统易于操作,灵活性强,方便携带等优点,有较好的发展前景。
关键词单片机,PID,温度
Abstract
ThispaperisaboutthetemperaturecontrolofthesinglechipmicrocomputerPIDcontroltechnology,heatresistancewireasexecutivecomponents.Alongwiththede-velopmentofthehumanproductivity,Inallwalksoflifetotherequirementsofthete-mperatureisincreasingdaybyday,suchasbeerfermentation,medicalpharmaceu-ticalproduction,andfoodprocessing,etc.Goodtemperaturecontroltechnologycannotonlyimprovethequalityoftheproductandcaneffectivelysaveenergy.AndPIDtechnologyhasgoodcontrolability,canachievewithouterroradjustment,iswidelyusedinvariousindustries.ThisdesignisbasedonSTC89C52RCmicrocontrollerasthecore,combiningthetemperaturesensorDS18B20,1602LCDdisplayandkeyboardcircuitofthesystem.PIDcontroltechnologyfortemperaturecontrol,inordertoaccuratetemperaturecontrol.Thesystemiseasytooperate,flexibility,easytocarryandotheradvantages,havegoodgrowthprospects.
Keywords:
Single-chipmicrocomputer,PID,temperature
第一章绪论
1、PID控制系统历史现状及发展趋势
温度是生活及生产中最基本的物理量,它表征的是物体的冷热程度。
自然界中任何物理、化学过程都要紧密地与温度相联系。
在很多生产过程中,温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。
自18世纪工业革命以来,工业过程离不开温度控制。
温度控制广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等。
温度控制的精确度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用,温度是锅炉生产质量的重要指标之一,也保证锅炉设备安全的重要参数。
温度控制大致可以分为:
定值开关温度控制法、PID线性温度控制法、智能温度控制法;其关系是最原始的就是定值开关温度控制法用很简单的模拟电路就能够实现。
随着科学技术的发展,PID控制技术也高速的发展起来由于PID控制算法简单、可靠性高等特点,它在今天已在工业过程控制中仍占主导地位。
随着技术发展智能控制系统理论出现;智能控制系统是某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统,它与人工智能的发展紧密联系,是一门交叉前沿学科,具有非常广泛的应用领域。
利用单片机控制温度给我们的生活带来了方便,如何提高生产效率是今后研究的主要方向,温度控制器的发展方向是数字化、智能化、标准化。
其中传感器和微处理器赋以智能的结合实现智能化将成为今后的温控系统发展的主要趋势。
近些年来人们采用了模糊PID温度控制技术得到了很大提高,它以适应环境变化能力强可以自我管理和调节等优点,将会在今后的发展中得到更广泛的应用,这也将成为温度控制的发展趋势。
2、本设计的主要工作与任务
(1)主要任务内容
要求以单片机为核心,利用PID算法来控制系统的温度平稳,给出完整的设计方案、注意事项,并利用单片机实验系统(实验室现有的或者自备的),完成系统的基本演示。
最低要求,能够使用Proteus软件进行仿真。
(2)任务的具体要求
需要对对PID算法及其在计算机控制中的应用进行详细的描述。
温度传感器自行确定,控制对象为水加热系统,要求温度在40-70℃范围内可以调节。
加热功率2Kw左右。
需要对系统进行比较,即使用PID和不使用PID控制的时候的效果比较。
需要对系统使用中易出现的问题进行说明。
分析自己所设计的系统需要作哪些方面的改进和完善,才可以更好地发挥作用。
要求系统的程序使用C语言编写。
在系统的程序软件设计说明中还应当描述出程序的编译环境配置,可执行代码的运行环境要求说明。
第二章系统总体设计
1、系统总体结构设计框图
本课题水壶温度作为控制对象,使用单片机、DS18B20、MOC3020、BTA06构成温度控制系统。
主要有以下工作:
(1)系统方案设计
查阅资料,总结温度传感器、光耦隔离器、以及可控硅的的优缺点,确定系统方案。
(2)加热器件驱动
用一个三极管驱动光耦隔离器器件MOC3020、通过光耦隔离驱动可BTA06,在通过BTA06开关加热器件。
(3)加热器件控制器
在确定总体方案并掌握系统工作原理的基础上,选用STC89C53RC单片机及外围电路组成一个单片机系统。
电路设计包括时钟模块、复位模块、显示模块、电源模块、驱动电路等模块。
以STC89C52RC为控制器,以DS18B20作为温度检测器返回实际温度值,以LCD1602作为显示器显示实时温度与设定温度值,以MOC3020作为可控硅BTA06的驱动器实现强弱隔离,在加上4个按键作为键盘构成整个硬件系统。
其系统框图如图3-1:
2、PID控制理论介绍
PID控制就是将控制目标以一定的精度稳定在所需的的范围内。
在控制系统中,将被测参数与设定值进行比较,将比较结果经过一定的控制规律运算得到相应的控制值,通过执行器进行相应的控制,不停进行上述过程,进而打到控制目的。
PID控制中包含三种基本控制规律,即比例(P)、积分(I)和微分(D)控制规律,每种控制规律所起的作用是不同的,既可以单独应用,也可以组合起来应用。
PID控制兼有比例、积分和微分三种基本控制规律的优点,可使系统的稳态和动态性能以及系统的稳定性都得到改善,因而应用最为广泛。
连续的PID微分方程为:
⑴
式中:
e(t)=r(t)-c(t);⑵
而要应用于单片机控制这必须离散化:
⑶
经整理后可以得到两种类型:
①位置型PID控制:
⑷
②增量型PID控制:
;⑸
在单片机程序设计中还需要对以上式子进行整理:
(1)增量式子整理:
⑹
式子中
⑺
增量式与位置式程序流程图如图:
(2)位置式整理:
⑻
位置式只需在增量式基础上增加如图1中位置式控制流程图和计算即可。
在实际运用中根据具体的应用场合选择合适的控制类型对控制质量有很好的提升。
而本系统是温度加热系统不会出现出现温度突变的情况,所以本系统采用增量型PID控制方式,编写控制PID算法。
第三章系统硬件设计
2、单片及其外围电路
(1)单片机
1)品种多样,型号繁多
品种型号逐年扩充以适应各种需要。
使系统开发者有很大的选择自由。
CPU从4、8、16、32到64位,有些还采用RISC技术。
2)集成度高
提高性能,扩大容量。
集成度已达200万个晶体管以上。
总线工作速度已达数十微秒。
工作频率达到30MHz甚至40MHz。
指令执行周期减到数十微秒。
存储器容量RAM发展到1K、2K,ROM发展到32K、64K。
3)控制功能强
增加控制功能,向外部接口延伸。
把原属外围芯片的功能集成到本芯片内。
现今的单片机已发展到在一块含有CPU的芯片上,除嵌入RAM、ROM存储器和I/O接口外,还有A/D、PWM、UART、Timer/Counter、DMA、Watchdog、SerialPort、Sensor、driver、还有显示驱动、键盘控制、函数发生器、比较器等,构成一个完整的功能强的计算机应用系统。
4)低功耗
供电电压从5V降到3V、2V甚至1V左右。
工作电流从mA级降到μA级。
在生产工艺上以CMOS代替NMOS,并向HCMOS过渡。
5)应用软件配套
提供了软件库,包括标准应用软件,示范设计方法。
使用户开发单片机应用系统时更快速、方便。
使有可能做到用一周时间开发一个新的应用产品。
6)扩展性能好
有供扩展外部电路用的三总线结构DB、AB、CB,以方便构成各种应用系统。
根据单片机网络系统、多机系统的特点专门开发出单片机串行总线。
此外,还特别配置有传感器,人机对话、网络多通道等接口,以便构成网络和多机系统。
(2)单片机选择
单片机的种类是很多的,有PIC系列、Motorola系列、Intel系列8051类
单片机等。
各个系列的单片机各有所长,在处理速度、稳定性、I/O性能、功耗、价格等方面各有优点。
51系列单片机具有功能强大、价格低廉、体积小、开发工具易操作等特点,在市场中占有很大的份额,为了是系统简单且便宜,本系统采最常用STC89C52RC,其功能大致如下:
①与MCS51产品兼容,8位CPU;
②片内时钟振荡器,最高时钟频率为12MHz~24MHz;
③8KB程序存储器EEPROM,可进行1000次写/擦除操作;
④片内有256个字节的数据存储器RAM;
⑤可寻址外部程序存储器和数据存储器空间均为64KB;
⑥21个特殊功能寄存器SFR;
⑦4个8位并行I/O口,共32根I/O线,1个双工串行口;;
⑧3个16位定时器/计时器,6个中断源,有2个优先级;
⑨具有位寻址功能,适用于布尔运算。
其封装管脚图为如图3-2:
图3-2STC89C52RC单片机
(3)电源电路设计
电源是经过变压器将220v转换成12v在经过整流桥整流得到直流12v在经过电容滤波以及稳压芯片7805稳压得到电源5v电源,供给单片机以及其他模块的电。
电路中串接限流电阻R1,防止二极管被烧坏,电路中接入发光二极管显示通电状况。
如图3-3所示:
图3-3电源电路
(4)时钟电路设计
80C51单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作时间基准。
80C51单片机的时钟信号通常有两种电路形式:
内部振荡和外部振荡方式。
本设计用内部振荡方式。
引脚XTAL1和XTAL2外接晶体震荡电路,如图3-4所示。
图3-4晶振电路
电容C1和C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。
电容值一般为5pF~30pF,晶振的振荡频率范围在1.
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