毕业设计（论文）温度控制系统的程序设计.doc

温度控制系统的程序设计系 别：专 业 班：姓 名：学 号：指导教师： 摘 要本系统采用单片机（C8051F020）作为温度自动控制系统的控制、计算、显示的核心部件，来实现对控制系统的温度的自动控制与可调电路由温度信号采集、温度控制、PWM变换、显示及声光指示等四部分组成温度传感器选用线性温度/电压传感器LM35，采用TI公司生产的四位半双积分A/D转换器ICL7135读取温度值采样，利用它所采集的反馈值与目标温度进行比较后，采用PID控制算法，有效地减小系统的超调量与稳态误差，来快速地达到所要求的5℃～35℃的范围内的某一设定值采用陶瓷半导体制冷片作为加热、制冷的换能元件系统采用闭环控制原理，使用PID算法，调试整定其比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD，决定PWM的占空比，变换成0—12V的可调电压作用在制冷片的两端，通过继电器的切换，实现加热与制冷 关键词：温度采集与变换 PID算法 PWM波输出 温升曲线显示 目 录 摘要 IAbstract Ⅱ绪论 1 1　温度控制的发展 21.1　温度控制的发展及意义 21.2　课题的背景 22 PID 控制原理 42.1　PID控制的原理和特点 42.1.1　PID增量型算法 42.1.2　PID参数整定 42.1.3　PID算法程序 43　系统总体设计 63.1 方案的设计与论证 63.1.1　控制对象分析 63.1.2 方案选择 63.2　系统总体结构 73.3　系统的具体设计与实现 73.3.1　硬件系统设计 73.3.2　软件系统设计 103.3.3　PID参数工程整定法 113.3.4　16位脉宽调制器方式 113.3.5　16位脉宽调制器方式PWM输出子函数 123.3.6　PCA CLOCK信号 133.3.7　数字滤波 133.4　系统调试与测试 133.4.1　温度采集部分调试 143.4.2　控制与采集电路调试 143.4.3　温度自动控制测试结果 14结论 15注释 16致谢 17参考文献 18附录1系统总硬件原理图 19附录2系统总硬件PCB板图 20附录3 系统主程序 21I绪 论伴随着电子技术、半导体技术的发展，数字系统在测控领域的应用日益广泛。

以集成电路为基础的数字系统逐渐取代了以分立元件为基础的模拟系统单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑在单片机诞生之前，为了满足工控对象的嵌入式应用要求，只能将通用计算机进行机械加固、电气加固后嵌入到对象体系中但由于通用计算机的巨大体积和高成本无法嵌入到大多数对象体系中单片机应嵌入式应用而生，它的微小体积和低成本可广泛应用在仪器仪表和工业控制单元中近些年计算机领域的变化令人目不暇接，而单片微型计算机（简称单片机），作为微型计算机家族中的一员、发展中的一个分支，以其体积小、单一电源、功能强、价格低廉、低功耗、运算速度快、可靠性高、面向控制等独特优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大在我国高校的工科院校中，已普遍开设单片机及其相关课程，单片机已成为电子系统中最普便的应用手段在许多实践环节中，如课程设计、毕业设计、电子竞赛等，采用单片机系统来解决各类电子技术问题已成趋势在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用基于以上的条件，我们选择了单片机系统作为本毕业设计的应用手段温度检测与控制系统在工业控制中应用广泛，像在半导体、冶金、化工等领域随处可见。

温度采集与控制系统的设计对自动化专业的学生而言是经典的、涵盖知识面广的题目温度采集与控制系统是单片机系统应用、高精度检测以及控制算法的程序实现的集合采用单片机为CPU的系统对某些控制系统的控制可以得到良好的效果作为毕业设计的课题，它具有很强的实用性 1 温度控制的发展1.1 温度控制的发展及意义现代工业设计、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1.2 课题的背景随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用特别是其中的C51系列的单片机的出现，具有更好的稳定性，更快和更准确的运算精度，推动了工业生产，影响着人们的工作和学习［1］。

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control），推理控制等　　随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，在工业生产中如：用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉、反应炉、锅炉等，在日常生活中如：热水器、电热毯等等，都用到了电阻加热的原理随着生产的发展，在工业中，上述设备对温度的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到自动控制品质的目的本温度控制系统的对象是一封闭木盒，针对日常生活，要求所设计的系统具有软硬件结构简单、成本低廉、可靠性高（即不易出错）等特点。

本系统的设计则以上述特点为宗旨设计本次设计的论文题目是温度控制系统的程序设计主要涉及三个方面：控制算法的实现以及应用程序的设计；设计系统输出驱动电路的实现；单片机系统设计及将其应用于温度采集与控制系统中围绕着实际应用的要求，重点解决：单片机应用系统中控制程序设计、系统对输出控制精度、对可靠性、稳定性的要求等方面的电路设计2 PID 控制原理2.1 PID控制的原理和特点 2.1.1 PID增量型算法PID增量型算法表达式见公式（2-1） △U（n）=KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)] (2-1) 误差为e(n)=r(n)-c(n) 其中，n—第n次采样，r(n)—设定温度，c(n)—实际温度当|e|>c时，uk(n)=最大（Max）或最小（Min）；当0<|e|

增量型算法具有以下优点：（1） 增量型算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近的几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小2） 增量型算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作3） 采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换2.1.2 PID参数整定调试 比例系数KP的增大能够加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差但过大的比例系数Kp会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏积分系数KI的减小有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢微分系数KD的增大亦将有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应在对参数实行下述先比例、后积分、再微分的整定步骤1） 整定比例部分将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只需要比例控制器即可，比例系数可由此确定2） 加入积分环节如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计的要求，则需要加入积分环节。

整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原值的0.8倍），然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，消除静差在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数3）加入微分环节若使用比例积分控制器消除了静差，但动态过程经反复调整依旧不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分控制器在整定时，可先置微分时间TD为零在第二步整定的基础上，增大TD，同时相应地改变比例系数与积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数［2］2.1.3 PID算法程序增量式PID算法 ,Y为采样值 ,Rk为目标温度控制值，返回的结果来控制PWM波的生成此函数按照一定的控制周期不断地调用，RK≥Y 返回正值，RK≤Y返回负值double IncrementPID(double Rk,double Y) {double Ek;double result; Ek=Rk-Y; err=Ek; result=Kp*(Ek-Ek1)+Ki*Ek+Kd*(Ek-2*Ek1+Ek2); Ek2=Ek1; Ek1=Ek;return (result*10);}3 系统总体设计3.1 方案的设计与论证3.1.1 控制对象分析：被测对象是100mm*100mm*100mm的箱体，对于温控对象，其数学模型一般可认为具有以下的传递函数形式，见式（3-1）： (3-1) 其中，K—比例系数，T—时间常数，τ—滞后时间。

由于被控制对象的非线性，并且具有较大的惯性和滞后的特点，设计时采用PID控制算法，利用单片机的脉宽调制输出达到系统性能指标的要求3.1.2方案选择(1) 单片机的选择 方案一：此方案采用单片机89C52作为系统控制核心该单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制但由于其I/O口线较少，片内数据存储器与程序存储器有限，若扩展外部存储器，则系统较为复杂，故不选用此方案方案二：本方案采用的单片机C8051F020作为温度自动控制系统的控制、计算、显示的核心部件该单片机内部存储空间大，运算速度快，其内部自带PWM输出模块，可大大提高单片机的控制效率其Ｉ/Ｏ口线较多，能处理繁杂的键盘与液晶显。