基于PID电加热炉温度控制系统设计Word文件下载.docx

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图2.1PID算法流程图

增量式PID控制算法公式：

=

=

式中

由上式可以看出，如果计算机系统采用恒定的采样周期T，一旦确定

只要使用前后测量三次的偏差值，就可以由上式求出控制量。

typedefstructPID

{

IntSetPoint;

//设定目标DesiredValue

LongSumError;

//误差累计

doublepropotion;

//比例常数PropotionConst

Doubleintegral;

//积分常数IntegralConst

Doublederivative;

//微分常数DerivativeConst

intLastError;

//Error[-1]

IntPrevError;

//Error[-2]

}PID;

ststicPIDsPID;

/*InitializePIDStructurePID参数初始化*/

voidIncPIDInit（void）

sptr->

SumError=0;

LastError=0;

PrevError=0;

Propotion=0;

//比例常数PropotionalConst

integral=0;

//积分常数IntegralConst

derivative=0;

//微分常数DerivativeConst

SetPoint=0;

}

/*增量式PID计算部分*/

intIncPIDCalc（intNextPoint）

{registerintierror,iIncpid;

//当前误差

ierror=sptr->

SetPoint-NextPoint;

//增量计算}

3锅炉温度控制系统硬件电路设计

本系统硬件电路主要由以下部分组成：

供电电源电路、温度检测电路、数模转换电路、键盘输入电路、声光报警电路、继电器输出电路、LED显示电路。

3.1主控单片机AT89S51芯片介绍

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

（1）主要性能特点

1、4kBytesFlash片内程序存储器；

2、128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；

3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；

4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断；

5、6个中断源；

6、2个16位可编程定时器/计数器；

7、2个全双工串行通信口；

8、看门狗（WDT）电路；

9、片内振荡器和时钟电路；

10、与MCS-51兼容；

11、全静态工作：

0Hz-33MHz；

12、三级程序存储器保密锁定；

13、可编程串行通道；

14、低功耗的闲置和掉电模式。

（2）管脚说明

VCC：

供电电压。

GND:

接地

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

AT89S51管脚图如图3.1所示。

图3.1AT89S51管脚图

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：

P3.0/RXD（串行输入口）

P3.1/TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4/T0（记时器0外部输入）

P3.5/T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。

读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。

只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。

89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。

除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；

当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

（3）下载程序

AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品。

3.2系统供电电源电路设计

主控电路所需的+5V电源；

外围电路（如继电器、运算放大器）所需的+12V和-12V电源。

如图3系统供电电源电路原理图所示：

此电路采用“降压整流滤波稳压滤波”的线形电源模式。

这里选用了78M12、79M12、78M05三端稳压器。

系统供电电源电路原理图如图3.2所示。

图3.2系统供电电源电路原理图

电路中两个二极管IN4007是：

防止系统不稳定时，输出电压高于输入电压，从而导致三端集成稳压器被烧毁，起到保护作用。

上述电源中所用的电源变压器功率为10W。

电路中的压敏电阻VDR是防雷、抑制过电压作用，保护电路免受过电压的损害。

压敏电阻VDR在它上面的电压低于它的阀值UN=471V时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过471V时，流过它的电流激增，相当于短路，这时FUSE会因为电流激增而烧毁，使电路断开。

3.3温度信号测量电路

温度信号测量处理电路，利用热电阻Pt100作为温度传感器件，然后通过运算放大器OP-07构建差分放大电路将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入标准电压信号。

将Pt100接入到电桥中，如图6温度测量信号处理电路所示，由Pt100的阻值来反映锅炉的温度的变化，电桥输出电压为：

Uba=Vcc[R1_4/（R1_2+R1_4）-R1_3/（R1_1+R1_3）]（其中下桥臂R1_3=100Ω，R1_4=1K，上桥臂R1_2=1K，Vcc=5V），所以Uba=5*[1K/（1K+1K）-R1_3/（R1_1+100）]=2.5-5*100/（R1_1+100）

其中AR1作用是将电桥电位Vb、Va作差分比例放大作用，由差分比例运算放大电路的计算方式：

Auf=Uo1/（U1_-U1+）=-R1_8/R1_6（其中R1_8=100K，R1_6=10K，U1_-U1+=-Uba）从而得到：

Uo1=10Uba=25-50*100/（R1_1+100）。

温度信号测量处理电路如图3.3所示。

图3.3温度信号测量处理电路

3.4A/D转换单元

经过温度信号测量处理电路后所得到的0—5V电压模拟信号要经过AD转换后才能送给单片机，经A/D转换电路，转换完成后，输送给单片机的P0口。

A/D转换电路如图3.4所示。

图3.4A/D转换电路

其中ADC0809的A、B、C三个端口作为它IN0-IN八个输入通道的选择信号，由于此处只用到了IN0通道，所以将此A、B、C三个端口全部接地，电路中ADC0809的转换结束信号引脚EOC接在单片机P3.5上，单片机启动ADC0809的转换后，延时一段时间，然后程序采取扫描方式检测ADC0809是否转换结束，单片机然后去检测P3.5电平，当接收到一个高电平时，发出一个READ信号，使得ADC0809输出锁存缓冲器开放，将数据输送到数据线上，从而完成温度数字信号的采集过程。

3.5输出模块

本控制系统的输出单元主要有三个：

（1）继电器输出控制加热执行机构的开与关。

（2）当水温高于上限温度和低于下限温度时，系统进行声光报警。

（3）数码管用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值。

（1）继电器输出

加热执行机构的开与关状态由固态继电器（SolidStateRelay），如图3.5所示。

图3.5固态继电器输出电路

当系统采集到温度信号后与设定温度进行比较得到一个偏差，然后通过PID运算，从单片机P1.0口输出一个PWM波，PWM波形的高电平期间，固态继电器SSR输入端IN1为高电平，从而OUT1和OUT2两触点闭合，将加热执行机构加热丝连入到交流220V回路中，控制加热机构对锅炉进行加热动作，与此同时工作指示灯LED点亮。

PWM波形低电平期间，SSR输入端IN1为低电平，从而OUT1和OUT2两触点断开，将加热执行机构加热丝从220V回路中切断，控制加热机构对锅炉停止加热，与此同时工作指示灯LED点熄灭。

（2）声光报警电路

当水温高于上限温度、低于下限温度或者在误输入时，单片机P1.1口给warn一个低电平信号来导通三极管8550以驱动蜂鸣器和LED灯，进行系统声光报警。

当温度恢复到设置范围内后，声光报警自动撤销。

声光报警电路如图3.6所示。

图3.6声光报警电路

（3）显示电路

用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值等，精确到小数点后一位。

如图3.7所示，单片机的P2口输出段选编码，P3.0、P3.1、P3.2、P3.3分别为四位数码管的位选编码。

当其中位选编码输出低电平时，三极管8550导通，使得共阳极数码管公共端得到一个高电平，同时P2口输出相应的要显示的数字共阳极字型码并通过74HC573将段码信号锁存输出。

图3.7温度数码管显示

（4）键盘电路

键盘是用来给用户提供设置设定温度上限值、下限值、显示温度等功能。

键盘电路如图3.8所示。

功能键：

选择修改温度设定值、上限值、下限值、显示温度

位选键：

选择修改百位、十位、个位、十分位这四位的标志

加1键：

每按一次键，位选标志所指的当前位的值加1

减1键：

每按一次键，位选标志所指的当前位的值减1

确定键：

保存设置值并返回到显示温度状态

图3.8键盘电路及功能说明

键没有被按下时，P1.3-P1.7通过下拉电阻接地，单片机此时检测的电平是低电平，当有键按下时，对应P1.3-P1.7中的引脚与VCC接通，单片机此时检测的电平是高电平。

4、锅炉温度控制系统软件设计

4.1主程序流程图及分析

炉温度控制系统中，主程序的功能主要是实现初始化，温度采集A/D转换，温度值。

主程序如图4.1所示。

开始

是否满足报警条件?

N

Y

是否有按键？

图4.1主程序流程图

温度值显示，将实际温度与设定值进行比较进行PID运算，输出PWM波形控制SSR并判断是否要启动报警，反复对键盘进行扫描从而更新温度参数设置、显示。

4.2子程序流程图及分析

本系统子程序主要有：

数码管显示程序、AD转换程序、键盘扫描程序。

数码管显示程序操作流程图如图4.2所示。

图4.2数码管显示程序操作流程图

A/D转换结束中断服务程序流程图如图4.3所示。

图4.3A/D转换结束中断服务程序流程图

按键检测与处理流程图如图4.4所示

图4.4按键检测与处理流程图

编写D/A转换控制程序:

DAC0832实现D/A转换，可以采用下面程序段。

设定要转换的数据放在1000H单元中。

MOVBX,1000H

MOVAL,[BX];

取转换资料

MOVDX,PORTA;

PORTA为D/A转换端口地址

OUTDX,AL

5结论

在此系统设计中，用AT89S51单片机作为主控芯片，通过电桥是的PT100来检测温度模拟信号，然后通过AD0809进行模/数转换并传送给单片机，单片机把数据进行进一步处理后一方面送给LED实现实时显示，并判断是否需要报警，另一方面与给定值进行比较，然后根据偏差值进行PID运算，此外程序需要对5个设置按键进行循环扫描，一旦有键按下，会做出相应设置过程。

此系统硬件主要分为5个模块：

电源模块、采样模块、控制模块、输出模块、设置模块。

电源模块采用降压和整流实现从市电转成各器件所需驱动的电压。

采样模块是由PT100、运放、AD芯片组合而成。

控制模块则为整个系统的核心部分，采用的是AT89S51单片机实现，输出模块是用来由PWM控制SSR的通断来控制加热丝执行过程以及声光报警模块。

设置模块是由5个按键组合成，可以对温度设定值、上限值、下限值进行修改以及显示温度。

此系统软件控制部分采用经典的PID算法控制，方法简单且对锅炉温度恒温控制起到良好的效果。

6参考文献

[1]曾屹．单片机原理与应用[M]中南大学出版社，2010

[2]戴永．微机控制技术湖南大学出版社，2010

[3]王丽娟．单片机在锅炉温度控制系统中的应用研究[J]．微计算机信息,，2007，

[4]张丽丽，黄赫松．单片机应用系统抗干扰技术［J］．技术交流，2004（3），

[5]王遇春．三端集成稳压器原理及应用[J]．开发与应用，2003

（1），64～67

附录

系统总体电路图