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基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系统设计资料.doc 基于AT89S51单片机的远程温度控制系
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引言
温度是工业生产中常见的被控参数之一。从食品生产到化工生产,从燃料生产到钢
铁生产等等,无不涉及到对温度的控制,可见,温度控制在工业生产中占据着非常重要
的地位,而且随着工业生产的现代化,对温度控制的速度和精度也会越来越高。近年来,
温度控制领域发生了很大的变化,工业生产中对温度的控制不再局限于近距离或者直接
的控制,而是需要进行远距离的控制,这就产生了远程温度控制。
远程温度控制的通信方式有多种,如通过网络,无线电等等。每一种方式都有其优
点和缺点。利用无线电通信,方便、灵活,而且经济。它不需要像网络控制耗费巨大的
通信资源,也不受网络速度的影响。
在温度控制的方法上,传统的控制方法(包括经典控制和现代控制)在处理具有非线
形或不精确特性的被控对象时十分困难。而温度系统为大滞后系统,较大的纯滞后可引
起系统不稳定。
在温度采集方法上,通常是利用热电偶把热化为电信号,再通过 A/D 转换得到温度
值。这种方法速度慢,而且精度不是很高。综合上面的考虑以及自己的爱好,设计了基
于无线电通信的远程温度控制系统。本文详细的介绍了系统的硬件设计,软件设计,以
及调试等,希望它能给初级电子制作爱好者带来一些无线电通信和温度控制的基本常识,
以及应该注意的一些事项。
1、温度控制的发展及意义
在人类的生活环境中,温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里,从事什么
工作,无时无刻不在与温度打着交道。自 18 世纪工业革命以来,工业发展对是否能掌
握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业,可以说几
乎%80 的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要
应用于工厂中,例如钢铁的水溶温度,不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现,
这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。在现代社会中,温度控制不仅
应用在工厂生产方面,其作用也体现到了各个方面,随着人们生活质量的提高,酒店厂
房及家庭生活中都会见到温度控制的影子,温度控制将更好的服务于社会。
2 总体设计与可行性分析
2.1 设计任务
1、利用所学的知识设计远程温度控制系统。电烤箱温度可在一定范围内由人工设
定,温度信号检测方案自行确定,用单片机采用 PID 控制算法实现温度实时控制,静态
误差 1 度,超调量〈2.5%,系统温度调节时间 ts〈4 分钟。控制输出采用脉冲移相触发
可控硅来调节加热有效功率。控制温度范围室温--125℃,用十进制数码显示箱内的温
度。
2、采用 PID 控制算法实现温度实时控制,并显示温度实际值。
3、了解计算机控制系统的基本原理和组成;
4、实现无线发送、接收,编码、解码校验。实现超限报警;
5、掌握计算机控制系统的软、硬件设计与调试,实现满足指标要求的控制系统。
主要技术指标:
(1)温度控制误差:≤±0.5℃;
(2)发射频率:≥300MHZ
(3)发射距离:≥500m
(4)误码率:≤10-6
2.2 总体设计框图及概述述
图 2.0 系统总体设计框图
图 2.1 键盘控制面示意图
如图 2.1 所示,键盘控制面采用 2*4 式键盘,K0,K1 的功能分别是左移一位和右
移一位;K4,K5 的功能分别是加 1 和减 1;K2,K3,K6 分别是向从系统 00,01,10
发送温度设定值的功能键。K7 为清楚报警鸣声且熄灭报警提示红绿灯。编码解码部分
采用通用编解芯片 PT2262/PT2272。PT2262/PT2272 工作电压低,可进行地址编码,地
址码多达 531441 种,数据最多可达 6 位。发射接收部分采用 F05T,J04T 模块,发射接
收频率为 433M,工作电压 3—12V,频率稳定度为 0.00001。温度传感器采用“一线总
线”数字温度传感器 DS18B20,DS18B20 测量范围为-55℃—125℃,测量精度为±0.5℃。
2.3 温度采集系统的设计
采用典型的反馈式温度控制系统,如图 2.2 所示。
图 2.2 温度采集系统框图
2.4 数字 PID 控制
数字 PID 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法,在冶金、机械、化工等
行业中获得广泛的应用。下面简单介绍 PID 控制的基本原理、数字 PID 控制算法及其改
进和 PID 的参数整定及其发展。
2.4.1 PID 控制原理
在模拟控制系统中,控制器最常用的控制规律是 PID 控制。PID 控制器是一种线性
控制器,它根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成控制偏差 e(t)=r(t)-c(t)。将偏差
的比例、积分和微分通过线形组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称 PID 控制器。
其控制规律为:
u(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Tdde(t)/dt] (1)
或写成传递函数形式
G(S)=U(S)/E(S)=Kp(1+1/TiS+TdS) (2)
式中 Kp 是比例系数,Ti 是积分时间常数,Td 是微分时间常数。简单地说,PID 控
制器各校正环节的作用如下:
(1)比例环节:及时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t),偏差一旦产生,控制
器立即产生控制作用,以减少偏差。
(2)积分环节:主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用取决于积分时
间常数 Ti,Ti 越大,积分作用越弱,反之则越强。
(3)微分环节:能反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号值变得
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,减小调
节时间。
2.4.2 数字 PID 控制算法
在计算机控制系统中,使用的是数字 PID 控制器,数字 PID 控制算法通常又分为
位置式和增量式控制算法。由于计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏
差值计算控制量,因此模拟式中的积分和微分项不能直接使用,需要进行离散化处理。
以一系列的采样时刻点 kT 代表连续时间 t,以和式代替积分,以增量代替微分,作近似
变换。采样周期足够短,才能保证有足够的精度。
(1)位置式 PID 控制算法
由于计算机输出的 u(k)直接去控制执行机构,u(k)的值和执行机构的位置是一一对
应的,所以通常称
u(k)=Kp{e(k)+T/Ti∑e(j)+Td/T[e(k)-e(k-1)]}} (3)
为位置式 PID 控制算法。
这种算法的缺点是:由于全量输出,所以每次输出均与过去的状态有关,计算时要
对 e(k)进行累加,计算机运算工作量大。而且,因为计算机输出的 u(k)对应的是执行
机构的时间位置,如计算机出现故障,u(k)大幅度变化,会引起执行机构位置的大幅度
变化,这种情况往往是生产实践中不允许的,在某些场合,还可能造成重大的生产事故,
因而产生了增量式 PID 控制的控制算法。
(2)增量式 PID 控制算法
所谓增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量。
△u(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) (4)
式中 A=Kp(1+T/Ti+Td/T)
B=Kp(1+2Td/T)
C=KpKd/T
采用增量式算法时,计算机输出的控制增量对应的是本次执行机构位置的增量。对
应阀门实际位置的控制量,即控制量的积累需要采用一定的方法来解决,例如用有累积
作用的元件来实现;而目前较多的是利用算式通过执行软件来完成。
增量式控制虽然只是算法上作了一点改进,却带来了不少优点:
①由于计算机输出增量,所以误动作时影响小,必要时可用逻辑判断的方法去掉。
②手动/自动切换时冲击小,便于实现无扰动切换。此外,当计算机发生故障时,
由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用,故仍能保持原值。
③算式中不需要累加。控制增量的确定,仅与最近 K 次的采样值有关,所以较容易
通过加权处理而获得比较好的控制效果。
但增量式控制也有其不足之处:积分截断效应大,有静态误差;益出的影响大。因
此,在选择时不可一概而论,一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系
统中,可采用位置算法,而在以步进电机或电动阀门作为执行器的系统中,则可采用增
量控制算法。
2.4.3 改进的数字 PID 控制算法
在计算机控制系统中,PID 控制规律是用计算机程序来实现的,因此它的灵活性很
大。一些原来在模拟 PID 控制器中无法实现的问题,在引入计算机以后,就可以得到解
决,于是产生了一系列的改进算法:积分分离 PID 控制算法、遇限削弱积分 PID 控制算
法、不完全微分 PID 控制算法、微分先行 PID 控制算法和带死区的 PID 控制算法等。
(1)积分分离 PID 控制算法
在普通的 PID 数字控制器中引入积分环节的目的,主要是为了消除静差、提高精度。
但在过程的启动、结束或大幅度增减的设定值时,短时间内系统输出有很大的偏差,会
造成 PID 运算的积分积累,致使算得的控制量超过执行机构困难最大的动作范围对应的
极限控制量,最终引起系统较大的超调,甚至引起系统的振荡,这是某些生产过程中绝
对不允许的。引进积分分离 PID 控制算法,既保持了积分作用,又减小了超调量,使得
控制性能有了较大的改善。其具体实现如下:
①根据实际情况,人为设定一阀值 q>0。
②当|e(k)|>q 时,也即偏差值|e(k)|比较大时,采用 PD 控制,可避免过大的超调,
又使系统有较快的响应。
③当|e(k)|<=q 时,也即偏差值|e(k)|比较小时,采用 PID 控制,可保证系统控制
精度。
(2)遇限削弱积分 PID 控制算法
积分分离 PID 控制算法在开始时不积分,而遇限削弱积分 PID 控制算法则正好与之
相反,一开始就积分,进入限制范围后即停止积分。遇限削弱积分 PID 控制算法的基本
思想是:当控制进入饱和区以后,便不再进行积分项的累加,而只执行削弱积分的运算。
因而,在计算 u(k)时,先判断 u(k-1)是否已超出限制值。若 u(k-1)>umax,则只累加负
偏差;若 u(k-1)<umax,则累加正偏差。遇限削弱积分 PID 控制算法可以避免控制量长时
间停留在饱和区。
(3)不完全微分 PID 控制算法
微分环节的引入,改善了系统的动态特性,但对于干扰特别敏感。在误差扰动突变
时微分项有不足之处。即微分项仅在第一个周期有输出,且幅值为 KD=KP×TD/T,以后均
为零。该输出的特点为:
①微分项的输出仅在第一个周期起激励作用,对于时间常数较大的系统,其调节作
用很小,不能达到超前控制误差的目的。
②幅值一般比较大,容易造成计算机中数据溢出。
克服上述缺点的方法之一是,在 PID 算法中加一个一阶惯性环节(低通滤波器),
既可构成不完全微分 PID 控制。可以将低通滤波器直接加在微分环节上,也可将低通滤
波器加在整个 PID 控制器之后。
引入不完全微分后,微分输出在第一个采用周期内的脉冲高度下降,之后又逐渐衰
减。所以不完全微分具有较理想的控制特性。尽管不完全微分 PID 控制算法比普通 PID
控制算法要复杂些,但由于其良好的控制特性,近些年来越来越得到广泛的应用。
(4)微分先行 PID 控制算法
微分先行 PID 控制的特点是只对输出量 c(t)进行微分,而对给定值 r(t)不作微分。
这样在改变给定值时,输出不会改变,而被控量的变化,通常总是比较缓和的。这种输
出量先行微分控制适用于给定值 r(t)频繁升降的场合,可以避免给定值升降时所引起的
系统振荡,明显地改善了系统的动态特性。
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- 2301_769824962023-12-16这个资源对我启发很大,受益匪浅,学到了很多,谢谢分享~
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