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基于51系列单片机的温度控制系统设计.pdf
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目录
摘要................................................................................................................................................... 3
一、 课程设计任务......................................................................................................................... 2
二、 基于 51 系列单片机的温度控制系统设计........................................................................... 2
2.1 方案设计............................................................................................................................ 2
2.1.1 方案选择................................................................................................................. 2
方案一:热电偶采集温度............................................................................................... 2
方案二:数字温度传感器 DS18B20 采集温度............................................................... 2
2.1.2 方案论证................................................................................................................. 2
2.2 基本芯片及 PID 算法简介 ...............................................................................................3
2.2.1 单片机 STC89C52................................................................................................... 3
2.2.2 DS18B20 基本工作原理......................................................................................... 3
2.2.3 PID 算法 ..................................................................................................................4
三、 系统硬件设计......................................................................................................................... 6
3.1 数码管显示模块................................................................................................................ 6
3.2 键盘输入模块.................................................................................................................... 7
3.3 温度采集模块.................................................................................................................... 7
3.4 报警模块............................................................................................................................ 8
四、 系统软件设计......................................................................................................................... 9
4.1 主程序流程图.................................................................................................................... 9
4.2 温度检测子程序................................................................................................................ 9
4.3 PID 计算子程序 ............................................................................................................10
4.4 PWM 子程序 .................................................................................................................13
五、 系统功能设计与实现........................................................................................................... 13
5.1 测试系统特性及其传递函数.......................................................................................... 13
5.2 实际温度显示功能的实现.............................................................................................. 14
5.2.1 Proteus 仿真图....................................................................................................... 14
5.2.2 实物图................................................................................................................... 15
5.3 控制温度的设定功能的实现.......................................................................................... 16
5.3.1 Proteus 仿真图....................................................................................................... 16
5.3.2 实物图................................................................................................................... 16
5.3.3 系统调试............................................................................................................... 17
六、 总结....................................................................................................................................... 18
1
基于 51 系列单片机的温度控制系统
摘要:
温度是工业控制中主要的被控参数之一,对典型的温度控制系统进行研究具有很广
泛的意义。根据不同场所、不同温度范围、精度等要求,所采用的测温元件、测温方法以及对温
度的控制方法也不同。本文以实验室提供的 SET-300 型温度测量控制仪为被控对象,以 STC89C52
单片机为控制核心,采用温度传感器 DS18B20 作为检测变送器,通过键盘向单片机输入设置温
度,单片机将温度偏差进行 PID 运算后,输出 PWM 波。PWM 波作为执行机构的输入从而来决
定温度控制仪工作电压的大小 ,最终实现温度的智能控制,整个系统的电路结构简单,可靠性能
高。经实验测试,该系统无震荡现象,响应时间较短,稳态误差较小,达到超调量小于等于
5%,调节时间小于等于 30s 的指标要求。
关键词:
STC89C52
DS18B20 PID 算法 温度控制系统
一、课程设计任务
设计一个基于 51 系列单片机的温度控制系统。
要求:
① 根据实验室提供的温度控制对象,测试其特性及其传递函数。
② 具有同时显示实际温度、温度设定功能。
③ 具有控制温度的设定功能。控制算法采用 PID 控制。要求温度控制的超调量小于等于 5%,
调节时间小于等于 30s。
二、基于 51 系列单片机的温度控制系统设计
2.1 方案设计
2.1.1 方案选择
方案一:热电偶采集温度
热电偶利用热电势原理进行温度测量的。其测量精度高、 测量范围广。常用的热电偶从
-50℃+1600℃均可正常测量,某些特殊热电偶最低可测到 -269℃(如金铁镍铬),最高可达
+2800℃(如钨-铼)。但热电偶测量需要温度补偿。而且输出量为电压,需要经过测量放大器、
AD 转换后才能送入微处理器处理。
方案二:数字温度传感器 DS18B20 采集温度
DS18B20 采用独特的单线接口方式,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 的双向通讯。在使用中不需要任何外围元件,测温范围 -55℃~+125℃,最小分
辨率达 0.0625℃。
2.1.2 方案论证
经过比较,因为采用 DS18B20 测量温度,硬件电路简单,测量精度高,信号易处理,故采
用方案二,即温度变送器选用 DS18B20。基于 51 系列单片机的温度控制系统电路总体设计方框
图如图 2-1 所示,
2
时钟电路
温度检测
温度传感器
按键输入
数码管显示
温度控制
温
度
控
制
仪
STC89C52
报警电路
图 2-1 数字式温度控制仪总体设计框图
2.2 基本芯片及 PID 算法简介
2.2.1 单片机 STC89C52
STC89C52 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 89C52,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。
STC89C52 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。
其主要功能特性有:
(1)兼容 MCS51 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)Flash ROM
(9) 256x8 bit 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。
2.2.2 DS18B20 基本工作原理
图 2-2 STC89C52 引脚图
DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,
与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编
程实现 9-12 位的数字值读数方式。
DS18B20 的测温原理:器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固
3
定频率的脉冲信号送给减法计数器 1;高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变,所产生
的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入。器件中还有一个计数门,当计数门打开时, DS18B20 就
对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系
数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器 1、温度寄
存器中,计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
表 2-1 部分温度对应值表
温度/℃
+125
+85
+25.0625
+10.125
+0.5
0
-0.5
-10.125
-25.0625
-55
二进制表示
0000 0111 1101 0000
0000 0101 0101 0000
0000 0001 1001 0000
0000 0000 1010 0001
0000 0000 0000 0010
0000 0000 0000 1000
1111 1111 1111 0000
1111 1111 0101 1110
1111 1110 0110 1111
1111 1100 1001 0000
十六进制表示
07D0H
0550H
0191H
00A2H
0008H
0000H
FFF8H
FF5EH
FE6FH
FC90H
预置值减到 0 时,温度寄存器的值将加 1,减法计数器 1 的预置将重新被装入,减法计数器
1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器计数到 0 时,
停止温度寄存器的累加,此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器
的预置值,只要计数器门仍未关闭就重复上述过程,直到温度寄存器值大致被测温度值。
另外,由于 DS18B20 单线通信功能是分时完成的,它有严格的时隙概念,因此读写时序很
重要。系统对 DS18B20 的各种操作按协议进行。操作协议为:初使化 DS18B20(发复位脉冲)
→发 ROM 功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
2.2.3 PID 算法
2.2.3.1 PID 调节器控制原理
在控制系统中,控制器最常用的控制规律是 PID 控制。PID 控制系统原理框图如图 2-3 所示。
系统由 PID 控制器和被控对象组成。
比例
Rin(k)
+
-
微分
积分
+
+
被控对象
Yout(k)
图 2-3 PID 控制系统原理框图
PID 控制器是一种线性控制器,它根据给定值 rin(t)与实际输出值 yout(t)构成控制偏差:
Error(t)=rin(t)-yout(t)
PID 控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后,形成一种控制规律。即,控制器
的输出为:
4
1
u(t) k
p
error(t)
T
1
或写成传递函数的形式:
t
0
error(t)dt
T
D
derror(t)
dt
G(s)
U (s) 1
k
p
1 T s
D
T sE(s)
1
其中, kp——比例系数;Ti——积分时间常数;T d——微分时间常数。
简单说来,PID 控制器各校正环节的作用如下:
比例环节:成比例地反映控制系统的偏差信号 error(t),偏差一旦产生,控制器立即产生控制
作用,以减小偏差。
积分环节:主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强尽弱取决于积分时间常
数 Ti,Ti 越大,积分作用越弱,反之则越强。
微分环节:反偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号变得太大之前,在系统中
引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。
2.2.3.2 数字 PID 参数的整定
PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控
制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法很多,概括起来有
两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参
数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是
工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌
握,在工程实际中被广泛采用。本设计采用 PID 归一整定法把对控制台三个参数(Kc、Ti、Td,)
转换为一个参数
K
P
, 从而使问题明显简化。以达到控制器的特性与被控过程的特性相匹配 ,
满足某种反映控制系统质量的性能指标。
2.2.3.3 采样周期选择的原则
(1)根据香农采样定理,系统采样频率的下限为 fs=2fmax,此时系统可真实地恢复到原来
的连续信号。
(2)从执行机构的特性要求来看,有时需要输出信号保持一定的宽度。采样周期必须大于
这一时间。
(3)从控制系统的随动和抗干扰的性能来看,要求采样周期短些。
(4)从微机的工作量和每个调节回路的计算来看,一般要求采样周期大些。
(5)从计算机的精度看,过短的采样周期是不合适的。
(6)当系统滞后占主导地位时,应使滞后时间为采样周期的整数倍
下表 2-2 列出了几种常见的被测参数的采样周期 T 的经验选择数据。可供设计时参考。实际
上生产过程千差万别,经验数据不一定就合适,可用试探法逐步调试确定。
表 2-2 采样周期的经验数据表
被测参数
流量
压力
液位
采用周期 T(s)
1~5s
3~10s
6~8s
备注
优先选用 1s
优先选用 5s
5
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