1、毕 业 论 文 （ 设 计 ）中文题目：基于单片机的 PWM控制方法的精密温度控制系统设计英文题目：Design of Precise Temperature Control System Based on PWM Control Method of Microprocessor姓 名: 姚佑鹏 学 号: 090701224 专业班级: 09 电气工程及其自动化 2 班 指导教师: 李卫平 提交日期: 2013-05-15 惠州学院HUIZHOU UNIVERSITY教务处制摘 要本文设计了一种以单片机 STC89C52 为核心的精密温度控制系统。它使用一线制数字温度传感器 DS18B20 采
2、集温度，并通过四位数码管显示实时温度。通过设置按键，设定恒温运行时的温度值，并显示在数码管上。单片机采用 PID 控制算法对测量值和设定值进行处理，计算输出 PWM 波控制继电器调节发热电路的发热功率，最终控制被控对象温度。通过原理分析，软硬件设计及实验调试，温度能够实时检测和自动控制，系统的温度控制精度可达到0.5，表明该温度系统比较稳定并且精确，能够实现对温度的精密控制。关键词：温度控制 MCS-52 DS18B20 PID PWM AbstractA precise temperature control system with the core of microprocessor ST
3、C89C52 is designed in this paper. In this system, one-wire digital thermometer DS18B20 is used to transform analog temperature signal to digital signal,through four real-time digital of a digital thermometer temperature.by setting the button,set the thermostat temperature at the time of operation, a
4、nd digital display of the temperature.Single-chip Microcomputer used PID control algorithm to process the data measurement and data settings,and calculate the PWM signal, is outputted and magnified to drive a solid state relay so that the power of heat circuit is adjusted.Thus the temperature of the
5、 object can be control. Through many of theory, design and experiments, the temperature of real-time detection and automatic control test is reached,and the error of this system is 0.2. It show that the system is precise and steady, and control precise temperature.Keywords: Temperature control MCS-5
6、2 DS18B20 PID PWM 目 录1 前言 .12 设计理论基础 .22.1 PWM 控制技术 .22.2 数字 PID 算法 .23 系统的方案设计 .43.1 系统设计内容及要求 .43.1.1 设计内容 .43.1.2 设计要求 .43.2 方案设计的比较与论证 .44 系统硬件电路的设计 .64.1 单片机最小系统模块 .74.1.1 单片机 STC89C52 的简介 .74.1.2 单片机系统模块的硬件设计 .104.2 功能实现模块 .114.2.1 采样模块 .114.2.2 按键模块 .124.2.3 显示模块 .134.4 温度控制模块 .145 系统软件设计 .15
7、5.1 主程序模块 .155.2 功能实现模块 .175.2.1 温度采样子程序 .175.2.2 显示子程序 .175.3 运算控制模块 .186 系统调试 .196.1 Keil 软件的简介 .196.2 Proteus 软件的简介 .196.3 软件仿真 .206.4 硬件调试 .216.5 调试结果 .227 结论 .24致谢 .25参考文献 .26附录 .2701 前言温度是众多行业生产中的基础参数之一，也是与人们生活息息相关的一个重要物理量。温度的测量和控制在日常生活和工业领域中具有广泛的应用，随着社会的进步、工业的发展，温度控制技术的不断革新，人们生活水平的大幅提高，对温度测量控
8、制的精度和范围也有着更高的要求。因此，温度控制是生产工艺流程中极为重要的一个环节，尤其在电力、航天、交通、造纸、装备制造、食品加工等行业有广泛的应用。利用单片机来对温度进行控制，不仅能够有效地提升控制能力与生产的自动化，而且还有可能尽早实现智能化的目标。和传统的温度控制相比，基于单片机数字 PID算法和 PWM 控制技术的温度控制系统不仅能保持系统稳定精确，还可以降低能源消耗。因为传统的温度控制都是通过电阻限流的方式达到的温度控制，这类控制对象惯性大，滞后现象严重，从而导致控制系统性能不佳，甚至出现控制不稳定、失控等现象，而且其整体的功率并没有根本性的改变，造成了能源的浪费。而 PID 控制方
9、式控制稳定且精度高，能满足精密温度控制系统的稳定要求。PWM 控制技术则通过占空比的改变实现对加热电路发热功率的调节，不存在限流的损失，减少了能源的消耗。本设计又采用 DS18B20 数字温度传感器，该传感器具有微型化、封装简单、低能耗、高性能抗干扰能力、测量范围广、强易配处理器等优点，可使系统测量更加精确，电路更加简单。12 设计理论基础本设计系统以单片机 STC89C52 为核心,采用温度传感器 DS18B20 获取实时温度，结合数字 PID 控制算法和 PWM 控制技术，控制调节加热电路的发热功率，最终控制被控对象的温度。本章将逐一介绍以上所涉及到的控制算法和控制技术。2.1 PWM 控
10、制技术PWM 是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，即脉冲宽度调制，简称脉宽调制。它是一 种 模 拟 控 制 方 式 ， 其 根 据 相 应 载 荷 的 变 化 来 调 制 晶 体 管 栅 极 或 基 极 的 偏置 ， 来 实 现 开 关 稳 压 电 源 输 出 晶 体 管 或 晶 体 管 导 通 时 间 的 改 变 ， 这 种 方 式 能 使 电 源的 输 出 电 压 在 工 作 条 件 变 化 时 保 持 恒 定 ， 是 利 用 微 处 理 器 的 数 字 输 出 来 对 模 拟 电 路进 行 控 制 的 一 种 非 常 有 效 的 技 术 ， 广泛应用在从测量、通
11、信到功率控制与变换的许多领域中。PWM 是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了 PWM 型，还有 PFM 型和 PWM、PFM 混合型。脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。 其中方波高电平时间跟周期的比例叫占空比，例如 1 秒高电平 1 秒低电平的 PWM波占空比是 50% 。PWM 的 一 个 优 点 是 从 处 理 器 到 被 控 系 统 信 号 都 是 数 字 形 式 的 ， 无 需 进 行 数 模 转换 ， PWM 相 对 于 模 拟 控 制 的 另 一 个 优 点 是 增 强
12、 对 噪 声 抵 抗 的 能 力 。2.2 数字 PID 算法PID 算法是本系统软件程序中的核心部分。我们采用 PID 模糊控制技术,通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。其原理如下： 本系统的温度控制器的电热元件是发热片。发热片通过电流加热时，内部温度都很高。当容器内温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热片的温度会高于设定温度，发热片还将会对被加热的器件进行加热，即使温度控制器2发出信号停止加热，被加热器件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热
13、的信号，开始加热，但发热片要把温度传递到被加热器件需要一定的时间，这就要视发热热与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新加热时，温度继续下降几度。所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。增量式 PID 算法的输出量为 式中，e（k）、e（k-1）、e（k-2）分别为第 n 次、n-1 次和 n-2 次的偏差值，Kp、Ki、Kd 分别为比例系数、积分系数和微分系数，采样周期为 T。 计算机每隔固定时间 T 将现场温度与用户设定目标温度的差值带入增量式 PID 算法公式，由公式输出量决定
14、 PWM 方波的占空比，后续加热电路根据此 PWM 方波的占空比决定加热功率。现场温度与目标温度的偏差大则占空比大，加热电路的加热功率大，使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，加热电路加热功率减少，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。 PID 参数的选择是系统设计成败的关键，它决定了温度控制的准确度。数字 PID 调节器参数的整定可以仿照模拟 PID 调节器参数整定的各种方法，根据工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数。各个参数对系统性能的影响如下： 1.比例系数 P 对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；P 偏大，振
15、荡次数加多，调节时间加长；P 太大时，系统会趋于不稳定；P 太小，又会使系统的动作缓慢。P 可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。如果 P 的符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远，如果出现这样的情况 P 的符号就一定要取反。 2.积分控制 I 对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，I 小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。3.微分控制 D 对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，D 偏大时，超调量较大，调节时间较短；D 偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有 D 合适，才能使超调量较小，减短调节时间。33
16、 系统的方案设计3.1 系统设计内容及要求3.1.1 设计内容1.温度信号采集与处理；2.PID 算法的设计；3.PWM 占空比的改变；4.设计电路并进行仿真；5.制作硬件电路并完成软件、硬件的联调及测试。3.1.2 设计要求1.温度控制范围：室温 0+100；2.温度控制精度：0.5；3.温度设置：由按键设置控制温度；4.显示：四位有效值显示；5.报警装置：实时温度超过设置温度时蜂鸣器提示报警。 3.2 方案设计的比较与论证对本次设计进行深入的分析和思考，可将整个系统分为控制电路、温度测量电路、显示电路、按键电路、加热电路和报警装置六部分。系统整体结构如图 3-1 所示。4图 3-1 系统整
17、体结构框图根据系统设计要求，选择发热片作为加热电路的加热元件，所需供电电源 12V 直流电。这具体的方案有二：1.方案一采用 AT89C51 作为控制核心,使用热敏电阻作为测温元件，配合使用最为普遍的器件 ADC0809 作模数转换,在控制上使用对电阻丝加电使其升温。此方案简易可行,器件的价格便宜,但其扩展的外围电路较多,增加了电路的复杂性,且 ADC0809 是 8 位的模数转换,不能满足本题目的精度要求。2.方案二采用比较流行的 STC89C52 作为电路的控制核心,使用自带模数转换的温度传感器DS18B20,结合数字 PID 算法，实现闭环控制，并通过 PWM 控制技术控制继电器的通断以
18、实行对发热片温度的连续调节,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。 综上所述，本着简单实用的原则，最后选择第二种方案，并通过四位数码管显示电路和按键电路来完善整个系统的功能。单片机按键电路温度测量电路加热电路显示电路报警装置54 系统硬件电路的设计硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，以此同时用软件对电路原理图进行仿真，以确定电路图的正确性，以及电路板的焊接等。硬件电路主要由三大模块构成，分别是：单片机最小系统模块、功能实现模块、温度控制模块。其硬件原理框图如图 4-1 所示：图
19、4-1 硬件原理框图温度传感器 DS18B20 将获取到的温度值以数字量形式传至单片机，并在 LED 数码管上实时显示出来，单片机结合现场实时温度与通过按键设定的目标温度，按照已经编程好的数字 PID 控制算法计算出实时控制量，并转化为输出 PWM 波所需的占空比值，以此控制继电器的开通和关断，决定加热电路的工作状态，使发热片的温度逐步稳定于设定的目标温度。在发热片的温度到达设定的目标温度后，由于自然冷却而使其温度下降时，单片机通过采样的实时温度与设置的目标温度比较，做出相应的控制，开启继电器，为发热片通电加热。当所测温度超出设定好的温度值，报警装置的蜂鸣器将会报警提示。单片机温度控制系统设计的硬件设计仿真图如图 4-2 所示：蜂鸣器报警发热片数码管显示继电器单片机STC89C52DS18B20 采样按键电路
