基于PID控制算法的温度控制系统的设计与仿真.doc
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1、摘 要本设计是一种温度控制系统,温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节,具有大惯性、纯滞后、非线性等特点,导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制,具有电路设计简朴、精度高、控制效果好等优点,对提高生产效率、促进科技进步等具有重要的现实意义。PID控制法最为常见,控制输出采用PWM波触发可控硅来控制加热通断。使系统具有较高的测量精度和控制精度。单片机控制部分采用AT89S51单片机为核心,采用Keil软件进行编程,同时采用分块的模式,对整个系统的硬件设计进行分析,分别给出了系统的总体框图、温度检测调理电路、A/D转换接口电路,按键
2、输入电路以及显示电路,并对相应电路进行相关的阐述软件采用PID算法进行了建模和编程,在Proteus环境中进行了仿真。关键词:PID;单片机;温度控制;Keil;Proteus Abstract This design is a kind of temperature control system,The temperature control in industrial production and scientific research is of great significance.Belongs to pure first-order lag link, the control sy
3、stem has the characteristics of big inertia, pure lag and nonlinear, the traditional control overshoot and adjustment time is long, low control precision.By single chip microcomputer temperature control, has simple circuit design, high accuracy and good control effect, to improve the production effi
4、ciency, promote the progress of science and technology has important practical significance.PID control is the most common, the control output PWM wave triggering thyristor is used to control the heating on and off.Make the system has high accuracy of measurement and control precision.Single-chip mi
5、crocomputer control part adopts single chip microcomputer AT89S51 as the core,Using Keil software programming,Using block pattern at the same time, analyzes the hardware design of the whole system, respectively, of the overall system block diagram is given, the temperature detection circuit, A/D con
6、version interface circuit, key input circuit and display circuit, and the corresponding circuit are related in this paper, the software, the PID algorithm is used for modeling and programming in the Proteus simulation environment.Key words:PID;Single chip microcomputer;The temperature control;Keil;P
7、roteus目 录 1绪论12设计方案23系统硬件仿真电路33.1 温度测量调理电路33.2 A/D转换电路43.3 按键输入电路53.4 数码管显示电路63.5 温度控制电路74 程序设计94.1 程序整体设计94.2 子程序设计114.3 源程序设计195 软件调试与运营结果41结论42致谢43参考文献44 1绪论 现代工业生产过程中,用于热解决的加热炉,需要消耗大量的电能,并且温度控制是纯滞后的一阶大惯性环节。现有公司多采用常规仪表加接触器的断续控制,随着科技进步和生产的发展,这类设备对温度的控制规定越来越高,除控温精度外,对温度上升速度及下降速度也提出了可控规定,显而易见常规控制难于满
8、足这些工艺规定。随着微电子技术的发展,采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置控制加热炉已成为现实。 采用单片机来对温度进行控制不仅具有控制方便、简朴灵活性等优点,并且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而可以大大提高产品的质量和数量,比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好的多。 微机控制系统的快速计算、灵活多样的逻辑判断和高效的信息加工能力使自动控制进入了更高一级的领域,提高了生产过程的自动化限度,减少了人工干预,并不断地完善和满足工农业生产和国防科技日益增长的需要。微机控制系统由于具有成本低、体积小、功耗小、可靠性高和使用灵活等特点,因而广泛的应用于工农业生产、交通运送、
9、国防建设和空间技术等各个领域。其控制对象已从单一的工厂流程扩展到公司生产过程的管理和控制。随着微机和单片机的推广使用,实现信息自动化与过程控制相结合的分级分布式计算机控制,使计算机控制技术的水平发展到一个崭新的阶段。 现在,许多常规的控制仪表和调节器已经为计算机所取代。计算机不断地监视整个生产过程,对生产中的各个参数进行采样,迅速进行复杂的数据解决,打印和显示工艺过程的记录数字和参数,并发出各种控制命令。 温度控制是工业生产过程中经常碰到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为抱负的温度控制系统是非常有价值的。2设计方案 在温度测量控制系统中,实际温度值
10、由PT100恒流工作调理电路进行测量。为了克服PT100线性度不好的缺陷,在信号调理电路中加入负反馈非线性校正网络;调理电路的输出电压经ADC0808转换后送入单片机AT89S51;对采样数据进行滤波及标定解决后,由3位7段数码管显示。输入的设定值由4位独立按键电路进行设定,可分别对设定值的十位和个位进行加1、减1操作。设定值送入单片机后,由此外一组3位7段数码管显示。数码管的段码由74HC05驱动,位码由三极管2N2222A驱动。为了使两组数码管实时显示,对两组数码管进行动态扫描。整体的电路原理框图如图1-1所示。图1-1整体电路原理框图系统采用PID闭环控制方案。如图1-2所示,将预置初值
11、与温度传感器反馈信号比较得到偏差(e)进行PID运算解决得到控制量(u),通过此量来控制加热器的加热时间,从而控制加热功率。由于水自身具有很大的热惯性,所以必须对水温的变化趋势作出预测,并且根据需要及时反方向克制,以防止出现较大的超调量的波动。在PID控制中,积分环节(I)具有很强的滞后效应,而微分环节(D)具有预见性,所以该方案最终采用PD算法,可以很好的控制超调,并且稳态误差也很小。图1-2 系统控制方案 3系统硬件仿真电路3.1 温度测量调理电路图3-1温度测量调理电路本系统采用恒流工作调理电路,铂电阻选用标称值为100的PT100作为温度传感器。A1、A2、A3采用低漂移运放OP07C
12、,由于有电流经PT100传感器,所以当温度为0时,在PT100传感器上有电压降,这个电压为PT100传感器的偏置电压,是运放A1输出电压的一部分,使恒流工作调理电路的输出实际不为零。所以需要对这个偏置电压调零,R3为调零电阻,其作用为当温度为0时,将恒流工作调理电路的输出调到零。又由于PT100的电阻特性为非线性,PT100在0到100变化范围内非线性误差为0.4%(0.4),由于本系统无小数显示,0.4的误差自身不会对A/D量化和数码管显示导致影响,但由于软件编制中,对标度变化程序中的变换系数做了近似解决,使得非线性误差接近0.79%(0.79),就有也许对A/D量化和数码管显示导致影响,所
13、以加进了线性化电路,运放A3及电阻R1、R4和R6一同构成了负反馈非线性校正网络。R5用于调整运放A2的增益。电路的调整方法如下(用普通电阻代替PT100进行调整):(1) 接入相称于0的100的电阻,用于R3调零。(2) 接入相称于50的119.70的电阻,用于R5调整增益。(3) 接入相称于100的139.10的电阻,用于R1或R4调整线性。 反复调整多次,在0到100温度范围内适宜为止。以温度值为横坐标,电压值为纵坐标,由表3-1分析非线性误差可知:在50时,存在最大偏差为0.005,故非线性校正后非线性误差变为0.1%(0.1),A/D量化及数码管显示不会产生误操作。表3-1 显示对照
14、表抱负温度值0102030405060708090100相应电阻值100103.9107.9111.8115.7119.7123.9127.4131.3135.2139.1实际输出电压0.0020.5021.0041.5022.0042.5053.0013.5024.0014.4984.996显示温度值0102030405060708090100注释1;温度单位/;电阻值单位/;电压单位/V。3.2 A/D转换电路本系统采用5V的电压源,用PT100电阻传感器组成的信号调理电路作为信号的输入装置,当PT100传感器置于温度场时,调理电路将根据PT100的阻值输出相应的电压值。将该输出电压送到A
15、DC0808的模拟量输入通道IN0,经ADC0808进行模数转换,将标准的模拟信号转换为等价的数字信号。本设计选用IN0作为模拟量输入通道,则将ADC0808的A、B、C三条地址线均置为低电平。转换启动信号START接到AT89S51的P2.0口,转换结束状态信号EOC接P3.7口,输出允许信号OE接P3.6口,地址锁存允许信号ALE接P3.3口,由于ADC0808内部没有时钟电路,所以用AT89S51的ALE经二分频接ADC0808的CLK端,VREF-接地,VREF+接+5V电压。ADC0808的转换结果输出到AT89S51的P0.0到P0.7口,作为AT89S51的输入信号。A/D转换接
16、口电路如图3-2所示。 图3-2 A/D转换接口电路3.3 按键输入电路 本系统采用4个按键搭建键盘电路,如图3-3所示。第一个按键用来判断是转入控制解决程序运营,还是转入键盘解决子程序运营;若未按下则转入控制解决子程序运营,按下则转入键盘解决子程序运营;若第一个按键按下,则第二个按键开始起作用,用第二个按键来判断是十位进行加减操作。若第二个按键未按下,转十位进行加减操作,否则转个位进行加减操作;第三个按键为减一操作,第四个按键为加一操作。为了方便按键操作,将个位和十位的设定值均设立为5,假如加一操作结果等于11,给加一单元重新赋值5,假如减一操作结果等于0FFH,给减一单元重新赋值5。这样考
17、虑最坏情况,即用键盘设立离初始设定值最远的值,第三个按键最多按5次,第四个按键最多按5次。从而大大减少了按键次数,且更方便地给出设定值。第一个键和第二个键的加入,也充足考虑了总程序的整体调度。图3-3 按键输入电路3.4 数码管显示电路显示电路采用两个4位LED显示数码管,共阴极接法。第一个数码管显示A/D转换数据采集的采样值,选用3位显示采样值,显示范围为0到100;第二个数码管显示由键盘输入的设定值,用于显示对系统的温度设定,也选用3位显示设定值,显示范围为0到100。由于LED显示电路较多选用动态扫描方式,为了实现LED显示器的动态扫描,除了要给显示器提供段的输入外,还要对显示器的位进行
18、控制,即段控和位控。所以需要用P1口输出8条段控线;位控线由挑选的P2.1、P2.2、P2.3、P3.0、P3.1和P3.2输出,其中P2.1、P2.2和P2.3用于驱动键盘输入的设定值和数码管位控线,其余用于驱动显示A/D转换数码管的数据码位控线,位控线的数目等于数码管显示的位数。P1接口最多可连接8个LED显示器。为提高显示亮度,通常加74HC05进行段控输出驱动,与7段数码管的段码驱动输入端相连,由于位控的驱动电流较大,8段全亮需40到60mA,所以用三极管9012提高驱动能力,其集电极接到7段数码管的位码驱动输入端,三极管的发射极接地,将AT89S51的P3.0、P3.1、P3.2分别
19、与一个2k的电阻连接到三极管的基极,用于驱动采样值显示数码管,将AT89S51的P2.0、P2.1和P2.2口分别与一个2k的电阻连接到三极管的基极,用于驱动设定值显示数码管。显示电路如图3-4所示。图3-4 显示电路3.5 温度控制电路系统的电阻丝和风扇均采用如图3-5所示的电路形式。此电路采用晶体管驱动固态继电器。当P3.4为低电平,继电器RL1吸合;当P3.4或P3.5为高电平时,继电器RL1释放。采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机复位时不吸合。继电器由晶体管2N2222A驱动,它可以提供所需的驱动电流。图3-5 继电器控制电路 PT100温度测控系统的完整电路如图3-6所示
20、。图3-6 温度测控系统电路图4 程序设计4.1 程序整体设计程序的控制思想:设立目的温度后,系统采样水温,并通过预设温度、当前温度、历史偏差等进行PID运算产生fout输出参数,通过该参数控制加热时间,从而调节加热器的平均功率,实现系统的PID控制。整体功能通过主程序和中断服务程序配合实现。主程序流程:系统一方面初始化I/O、定期器,之后进入主循环,进行温度采样和相关解决。在系统运营过程中通过按键重新设立目的温度值。PT100温度测控系统的主程序流程图如图4-1所示。图4-1 温度测控系统主程序4.2 子程序设计 1.PID控制的实现 (1)PID简介。PID(Proportional In
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