基于PID的恒温箱温度控制系统设计.docx

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基于PID的恒温箱温度控制系统设计

基于PID的恒温箱温度控制系统设计

2008届）

2008年6月

摘要

本设计是恒温箱温度控制系统设计。

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—1200C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°C，控制精度为2C。

（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）DS18B2C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，而继电器的接通时间又由P1.3上的触发

脉冲来控制。

其中我主要负责按键、LED显示、温度采集

第2章恒温控制系统硬件设计

考虑到尽量降低成本和避免与复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。

而主控器采用低功耗、高性能、片内含8kbyte可反复檫写的Flash、只读程序器CMOS位单片机AT89S52温度传感器采用DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20采用控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动；单片机所需要的+5V工作电源是通过220V交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。

用DS18B20定时采集环境温度存到EEPRQM通过三个LED实时显示采集到的温度值，并用此温度与设定的温度比较，通过单片机对偏差进行PID运算，控制继电器的通断，加热或断开热敏电阻，使温度上升或下降，温度达到时断开继电器，使温度自然下降，不够时接通继电器加热，控制显示器、键盘并通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。

2.1AT89S52单片机简介

2.1.1AT89S52单片机资源简介

AT89S52的结构如图2.1所示。

由于它的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是很经济的。

该芯片具有如下功能：

①有1个专用的键盘/显示接口；②有1个全双工异步串行通信接口；③有2个16位定时/计数器。

这样，1个89S52,承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。

89S52有40个引脚，有32个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复插除。

所以可以降低成本。

主要功能特性：

（1）兼容MCS5指令系统

（2）32个双向I/O口线

（3）3个16位可编程定时/计数器中断

（4）2个串行中断口

（5）2个外部中断源

（6）2个读写中断口线

（7）低功耗空闲和掉电模式

（8）8k可反复擦写（＞1000次）FlashROM

（9）256x8bit内部RAM

（10）时钟频率0-24MHZ

（11）可编程UART串行通道

（12）共6个中断源

（13）3级加密位

（14）软件设置睡眠和唤醒功能

2.1.2

AT89S52芯片

AT89SS2

2.1.3AT89S52单片机时钟和复位电路

时钟电路

单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端

为引脚XTAL2。

而在芯片外部XTAL1和XTAL?

之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。

晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电

路板的工艺要求也高，所以，这里使用震荡频率为6MHZ勺石英晶体。

震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的

时钟信号。

在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。

需要注意的是：

电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生

电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图如图2.2所示

复位电路

单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式。

（a）上电复位：

在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。

当Vcc的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的初始化电路原理图。

RST上的电压必须

保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，满足复位操作的要求。

（b）按键复位：

程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动。

RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。

按键复位又分按键脉冲复位（图2.3）和按键电平复位。

电平复位将复位端通过电阻与Vcc相连，按键脉冲复位

是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位的。

（c）注意：

因为按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的。

所以电平复位要将复位端通过电阻与Vcc相连.如复位电路中R、C的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。

故本设计采用按键复位。

2.2DS18B20数字温度传感器简介

2.2.1DS18B2C数字温度传感器资源简介

新的"一线器件"DS18B20体积更小、适用电压更宽、更经济。

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-BOAR）专利技术。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

一线总线独

特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。

使你可以充分发挥“一线总线”的优点。

目前DS18B20批量采购价格仅10元左右。

DS18B20DS1822"一线总线"数字化温度传感器

同DS1820-样，DS18B20也支持"一线总线"接口，测量温度范围为-55°C〜+125°C,在-10〜+85°C范围内，精度为土0.5°GDS1822的精度较差为土2°Co现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗

干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V〜5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

DS18B20DS1822的特性

DS18B20可以程序设定9〜12位的分辨率，精度为土0.5°G可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPRO中，掉电后依然保存。

DS18B20勺性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20勺简化版本。

省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM精度降低为土2°C,适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。

继"一线总线"的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。

DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

2.2.2DS18B20数字温度传感器引脚介绍

DS18B20引脚定义：

（1）DQ为数字信号输入/输出端；

（2）GND为电源地；

（3）

VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

DALLAS

DS18B20电路图参考图：

2.2.3DS18B20数字温度传感器的使用

一、DS18B20勺主要特性

（1）适应电压范围更宽，电压范围：

3.0〜5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电

（2）独特的单线接口方式，DS18B2睢与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20勺双向通讯

（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B2呵以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温

（4）DS18B2唯使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内

（5）温范围—55C〜+125C，在-10〜+85C时精度为土0.5C

（6）可编程的分辨率为9〜12位，对应的可分辨温度分别为0.5C、0.25C、0.125C和0.0625C,可实现高精度测温

（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快

（8）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力

（9）负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

二、DS18B20勺内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

三、DS18B2C工作原理

DS18B20的读写时序和测温原理与DS182C相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750msDS18B20测

温原理如图3所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生

固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在-

55C所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

DS18B20有4个主要的数据部件：

（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20勺地址序列码。

64位光刻ROM勺排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1。

光刻ROM勺作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20勺目的。

（2）DS18B2C中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625C/LSB形式表达,其中S为符号位。

表1:

DS18B20温度值格式表

LSbyte

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

23

22

21

20

2-1

2-2

2-3

2-4

LSbyte

:

Bit15

:

Bit14

:

Bit13

:

Bit12

Bit11

Bit10

Bit9

Bit8

S

SS

S

S

S

26

25

24

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如+125C的数字输出为07D0H+25.0625C的数字输出为0191H,

-25.0625C的数字输出为FF6FH-55C的数字输出为FC90H

TEMPERATURE

DIGITALOUTPUT

DIGITALOUTPUT

+125C

0000011111010000

[07D0H

+85C

0000010101010000

0550H

+25.0625C

0000000110010001

0191H

+10.125C

0000000010100010

r00A2H

+0.50C

000000000000