单片机实现温度控制系统毕业设计.doc

目 录 第1章 设计思路 1 1.1 方案的论证 1 1.1.1利用单片机实现恒温控制系统 2 1.1.2利用PLC实现恒温控制系统 2 1.1.3利用模拟PID调节的恒温控制系统 3 1.2 设计方案 3 第2章 温度控制系统硬件设计 4 2.1 AT89S52单片机简介 5 2.1.1 AT89S52单片机资源简介 5 2.1.2 AT89S52单片机信号引脚介绍 6 2.1.3 AT89S52单片机时钟和复位电路 6 2.2 温度传感器 7 2.3电源电路 8 2.3.1 电源变压器 9 2.3.2 整流滤波电路 9 2.3.3 稳压电路 9 2.4 键盘和显示电路 9 2.5 加热控制电路 10 2.6与上位机通讯 11 第3章 温度控制系统软件设计 13 3.1 PID调节器控制原理 13 3.2 位置式PID算法 14 3.3 数字PID参数的整定 14 3.3.1 采样周期选择的原则 15 3.3.2 PID参数对系统性能的影响 16 3.4 PID计算程序 17 第4章 系统仿真与检测 27 4.1系统仿真方框图 27 4.2稳定边界法整定PID参数 28 总结 31 参考文献 32 第1章 设计思路 1.1 方案的论证 无论是工农业生产中，还是日常生活中，对温度的检测和控制都是必不可少的，对于温度的检测通常是采用热敏电阻在通过A/D（模/数）转换得到数字信号，但由于信号的采集对整个系统的影响很大，如果采样精度不高，会使这个系统准确性下降。因此本次设计采用高精度的温度传感器：数字温度传感器DS18B20。这种数字温度传感器是DALLAS公司生产的单总线，。而对于温度控制的方法也有很多：如单片机控制、PLC控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。综合各方面的意见，本设计采用单片机来实现温度的控制。 1.1.1利用单片机实现恒温控制系统 利用单片机系统实现温度恒定的控制，其总体结构图如图1.1所示。系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、和系统核心 图1.1 方案一的系统总体结构框图 温度采集电路以形式将现场温度传至单片机。单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的控制算法计算出实时控制量。以此控制量，决定加热电路的工作状态，使温逐步稳定于用户设定的目标值。系统运行过程中的各种状态参量均由数码管实时显示 图1.2 方案二的系统结构框图 1.1.3利用模拟PID调节的恒温控制系统 基于模拟PID调节的恒温控制系统由数字电路部分和模拟电路两部分组成，其控制系统的机构框图如图1.3所示。由按键设定某一温度，单片机对设定温度值进行查表计算后转换为对应的电压数字值，通过16位的数模转换器得到与之精确对应的电压信号，此电压值于热敏电阻实际测量的电压值进行比较产生一个误差信号，经过PID电路后，获得一个控制量给制冷元件构成实时闭环系统，同时实际测量的电压值并显示在液晶屏上。 图1.3 方案三的系统结构框图 1.2 设计方案 控制模块的选择，数字比较器与模拟控制器相比较，数字比较器具有以下几个优点： 1、模拟调节器调节能力有限，当控制规律较为复杂时，就难以甚至无法实现。而数字控制器能实现复杂控制规律的控制。 2、计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制。 3、数字控制器具有灵活性。起控制规律可灵活多样，可用一台计算机对不同的回路实现不同的控制方式，并且修改控制参数或控制方式一般只可改变控制程序即可，使用起来简单方便，可改善调节品质，提高产品的产量和质量。 4、采用计算机除实现PID数字控制外，还能实现监控、数据采集、数字显示等其他功能。综合考虑，本设计控制模块采用数字PID调节器。 对于方案一，采用单片机实现恒温控制，虽然该方案成本低，可靠性高，抗干扰性强，但对于系统的动态性能与稳态性能要求较高的场合是不合适的；而对于方案二，采用PLC实现恒温控制，由于PLC成本高，且PLC是外围系统配置复杂，不利于我们的设计，由于数字PID调节，运算量大，只要选择合适的参数对于温度的控制精度往往能达到较好的效果。为了使设计的成本低、抗干扰强，系统动态性能与稳态性能好的前提下，设计方案的总体结构框图如图1.4所示：通过单片机对偏差进行PID运算，输出控制D/A转换电路转换成0—8V电压信号来控制可控硅触发电路，从而控制可控硅通断率，通过调节加热功率即可达到控制温度恒定的目的。 图1.4 设计总体结构框图 第2章 温度控制系统硬件设计 考虑到尽量降低成本和避免与复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。而主控器采用低功耗、高性能、片内含8k byte可反复檫写的Flash 、只读程序器CMOS8位单片机AT89S52；温度传