基于单片机的PID温度控制器研究【文献综述】.doc

毕业设计文献综述 电气工程与自动化 基于单片机的PID温度控制器研究 摘 要：在现代工业生产的许多环节中，温度是非常重要的一个指标。随着控制理论和电子技术的发展，温度控制器的适应能力增强和高智能化正逐步成为现实。其中以单片机为核心的数字控制器以其体积小、成本低、功能强而得到广泛应用。本文主要研究在过程控制中得到广泛应用的PID控制在单片机温度控制系统中的作用。该温度控制系统是一个典型的闭环反馈调节系统，采用一种新型的数字温度传感器（DS18B20），不需复杂的信号处理电路和A／D转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理，并将所得的温度值与设定温度值相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号，采用PWM调节加热器的通断，从而实现对电热壶水温度的显示和控制。本文主要介绍了电热壶水温控制系统的工作原理和设计方法，论文主要由三部分构成。① 系统整体方案设计。② 硬件设计，主要包括温度检测电路、显示电路、键盘输入电路和控制电路等。③ 系统软件设计，软件的设计采用模块化设计，主要包括温度采集模块、显示模块、键盘模块、控制模块和报警模块。 关键词：单片机；温度传感器；PID控制 1.课题研究的目的及意义 在现代工业生产中，电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。温度作为一个基本物理量，与人们的生产生活密切相关。在工业生产过程中，温度作为一种常用的被控参数，在许多生产过程中都需要我们对温度参数进行检测控制。例如：在化工生产、电力工程、冶金工业、造纸行业、食品加工和机械制造等领域中，人们都需要对各类加热炉、反应炉、热处理炉和锅炉中的温度进行检测控制。通常的温度控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是求出实测值对所需值的偏差量，然后通过对偏差量处理获得控制信号去调节加热器的功率，以实现对温度的控制。通常，对偏差进行比例、积分和微分控制称为PID控制，是一种应用较为广泛的控制形式。本课题是结合生产实际的科研工作，以单片机为核心，运用PID算法对温度进行控制，以达到较好的控制效果。PID控制是具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，因此被广泛运用与工业控制中。采用单片机实现温度控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度地提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量。 2.温度控制器控制方法的发展现状和前景 在过去的50年，温度控制器的控制方法从定值开关温度控制法向PID温度控制法转变。其中PID温度控制法基于经典控制理论中的PID控制原理，PID控制是较早发展起来的控制方法之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用温度控制中。采用这种控制方法的温度控制器，其控制效果好坏主要取决于三个PID参数，即比例值、积分值和微分值。只要PID三个参数选取适当，对于一个确定的控制系统来说，其控制精度是比较令人满意的。目前，温度控制器的控制方法从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到改善。 3.本课题研究的方法与技术路线 本设计是基于单片机的PID温度控制器系统，其目的是对电热壶水温进行温度调节控制。壶内水温能够稳定在60℃，并且稳态误差符合要求。根据控制系统的设计任务和要求，采用闭环控制结构进行控制的，其具体控制图如图2-1所示。 图2-1 系统控制原理图 3.1 系统硬件电路设计 该温度控制器系统硬件部分大致可以分为以下几个部分：单片机主控制电路、温度采集电路、键盘输入电路、报警电路、固态继电器控制电路及显示电路。 3.1.1温度采集电路 系统的信号采样电路主要由数字温度传感器DS18B20和一个电阻组成。DS18B20只需与微机的一个I/O通讯，并且不需复杂的信号处理电路和A／D转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理。 3.1.2温度控制电路 本温度控制系统采用通断控制，通过改变给定控制周期内加热器的导通和关断的时间，，达到调节温度的目。在本次设计中，我采用固态继电器作为控制电路主模块。 3.1.3单片机控制电路 此部分是系统的核心部分，采用AT89C51单片机。AT89C51单片机内部有8KB 单元的程序存储器及256 字节的数据存储器。加一些基本的外围电路构成单片机最小系统。 3.1.4键盘输入电路 此部分采用独立式按键电路，独立式按键是指直接用一根I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键占一个I/O，各按键工作状态互不影响。独立式按键接口电路具有配置灵活，软件结构简单等优点，但缺点是占用大量I/O口。 3.1.5报警电路 该电路主要由三极管和蜂鸣器组成。由单片机的P1.4口输出高低电平信号控制三极管的导通和截止以控制蜂鸣器的发声报警。 3.2 系统软件设计 本系统采用C语言编程，在KEIL