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毕 业 论 文（设 计）

题目：   基于单片机的温度控制系统的研究
办学单位：  常州市天宁区江南职业培训学校
专    业：计算机科学与技术	班级：    18计本
学生姓名：     XXX	学号：   18223271000
指导教师：     XXX	职称：      XXX
评阅教师：	职称：

 
 
2020年  4  月

摘要

随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实。其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。PID温度控制器作为一种重要的控制设备，在化工、食品等诸多工业生产过程中得到了广泛的应用。本文主要讨论在过程控制中得到广泛应用的数字PID控制在单片机温度控制系统中的应用。
 
关键词：单片机；温度控制；数字PID控制
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Abstract
 
 
With the development of control theory and electronic technology, the adaptiveness and high intelligence of industrial controller are becoming reality.The digital controller based on single chip microcomputer is widely used because of its small size, low cost, strong function and easy to use.PID temperature controller, as an important control equipment, has been widely used in chemical, food and other industrial processes.This paper mainly discusses the application of digital PID control which is widely used in process control in the temperature control system of single chip microcomputer.
 
Keywords:  single chip microcomputer; Temperature control; Digital PID control
 

目录

第一章 绪 论
1.1 概述
1.2 温度测控技术的发展与现状
1.2.1 定值开关控温法
1.2.2 PID线性控温法
第二章 硬件设计
2.1 系统硬件总体结构
2.2 主控模块器件选型及设计
2.2.1 单片机的选用
2.2.2 单片机介绍
2.3 输入通道设计
2.3.1 Pt100温度传感器
参考文献
致谢
 

第一章 绪 论

1.1 概述

温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。

1.2 温度测控技术的发展与现状

近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。
从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：

1.2.1 定值开关控温法

所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置（或冷却装置）进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。

1.2.2 PID线性控温法

这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能^[1]。

第二章 硬件设计

2.1 系统硬件总体结构

本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几个部分：
单片机主控模块、输入通道、输出通道、保护电路等。硬件总体结构框图如图2-1所示^[2]。由结构框图可见，温度控制系统以AT89C52单片机为核心，并扩展外部存储器构成主控模块。温控箱的温度由Pt100铂电阻温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，再通过16位的A/D转换器AD7705转换成数字量。此数字量经过数字滤波之后，一方面将温控箱的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来；另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比（即控制温控箱加热平均功率的大小），进而达到对温控箱温度进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过了系统给定的极限安全温度，保护电路会做出反应，从而保护温控箱。
图2-1 硬件总体结构框图

2.2 主控模块器件选型及设计

2.2.1 单片机的选用

针对一定的用途，恰当的选择所使用的单片机是十分重要的。有句古话为“杀鸡焉用牛刀”就是说做事要选用合适的工具。对于明确的应用对象，选择功能过少的单片机，无法完成控制任务；选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费，使产品的性能价格比下降。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不同。在实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机时要注意下几点：
(1)单片机的基本性能参数，例如指令执行速度，程序存储器容量，中断能力及I/O口引脚数量等；
(2)单片机的增强功能，例如看门狗，双串口，RTC（实时时钟），EEPROM，CAN接口等；
(3)单片机的存储介质，对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP（一次性可编程）存储器相比较，最好是选择Flash存储器；

2.2.2 单片机介绍

本系统选用ATMEL公司生产的AT89系列单片机中的AT89C52，AT89C52单片机是一种新型的低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，与工业标准MCS-51指令系列和引脚完全兼容。具有超强的三级加密功能，其片内闪电存储器(Flash Memory)的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程/擦除速度快。AT89C52单片机DIP封装的引脚如图2-2所示。AT89C52的主要特点有：

2.3 输入通道设计

系统输入通道的作用是将温控箱的温度（非电量）通过传感器电路转化为电量(电压或电流)输出，本系统就是将温度转化为电压的输出。由于此时的电量（电压）还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行A/D转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给单片机判断和控制。输入通道由传感器、A/D转换等电路组成。

2.3.1 Pt100温度传感器

温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围!测量精度也各不相同。因此在不同的应用场合，应选择不同的温度传感器。Pt100型铂电阻，在-200℃到850℃范围内是精度最高的温度传感器之一。与热电偶!热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能都非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好。这些特点使得铂电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。由于在本系统中，测温范围较大（在室温到600℃之间），且要求检测精度高、稳定性好，因此选用Pt100铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器。
铂电阻温度传感器是利用其电阻值随温度的变化而变化这一特性进行温度测量的，根据IEC（International Electrician Committee）标准751-1983：
(-200℃<t<0℃) （2-1）
(-0℃<t<850℃) （2-2）
  其中，为t℃时的电阻值，为0℃时的电阻值。图2-7所示为铂电阻温度电阻曲线。图2-7 铂电阻温度/电阻曲线
求解出测温多项式后，在0-800℃之间随机抽取10个点，对此多项式进行检验，其结果如表2-1所示。
表2-1 实际温度、测得温度对照表

实际温度（℃）	计算温度（℃）	误差（℃）
39.00	38.993	-0.007
117.00	117.019	0.019
195.00	195.013	0.013
273.00	272.995	-0.005
351.00	350.982	-0.018
429.00	428.982	-0.018
507.00	506.996	-0.004
624.00	624.023	0.023
702.00	702.019	0.019
780.00	779.961	-0.039

由上表可以看到经过最小二乘法优化之后，（2-3）式误差绝对值的最大值仅为0.039℃，测量精度已经满足系统的要求。
 

参考文献

[1] 陈国将.基于模糊PID控制的玻璃纤维机械温度控制系统研究[D] .西安建筑科技大学硕士学位论文，2006.
[2] 苏卫东，任思聪等.温控箱数学模型的建立及其自适应PID控制[J].中国惯性技术学报，1995年第3卷第4期.
[3] 徐建林.热处理电阻炉炉温控制系统的分析与仿真[J].金属热处理，2002年第27卷第11期.
[4] Ljung，Lennard.Theory And Practice of Recursive Identification [M]. The MIT Press，1983.
[5] 齐志才，赵继印.MCS-51系列单片机原理及接口技术[M].北京:中国建筑工业出版社，2005.