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单片机PWM温度闭环控制系统设计.doc

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.24M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    沈阳理工大学课程设计专用纸 课 程 设 计 任 务 书 分 院（系） 信息学院 专 业 测控技术与仪器 学 生 姓 名 苏德川 学 号 0903020326 设 计 题 目 内容及要求： 单片机 PWM 温度闭环控制系统设计 1)利用数字温度传感器 DS18B20 采集和转换温度； 2)利用传感器得到的数据通过单片机编程实现温度的闭环控制； 3)了解和使用 PID 算法在闭环控制中的应用； 4）完成单片机外围电路的设计以及温度显示等程序工作； 要求在课程设计报告中给出： 1）装置的结构和电路原理图。 2）调试过程，说明发现的向题及处理过程。 3）分析存在的问题。 4）收获与改进方案。 进度安排： 2011 年 12 月 26 日—2011 年 12 月 30 日 根据设计要求和内容查阅参考文献或资料，提出设计方案，进 行原理设计。 2012 年 1 月 10 日—2012 年 1 月 12 日 根据设计方案，进行调试，测试，撰写课程设计报告，答辩。 指导教师（签字）： 分院院长（签字）： 年 月 日 年 月 日 1
    沈阳理工大学课程设计专用纸 目录 1 摘要…………………………………………………………………… 3 2 引言……………………………………………………………………4 3 设计内容与要求………………………………………………………4 3.1 设计内容…………………………………………………………4 3.2 设计要求…………………………………………………………4 4 系统总体设计方案……………………………………………………5 4.1 方案提出…………………………………………………………5 4.2 总体框图…………………………………………………………5 5 系统工作原理…………………………………………………………6 5.1 PID 算法………………………………………………………6 5.2 DS18B20 传感器工作原理……………………………………8 6 系统硬件设计…………………………………………………………9 7 系统软件设计………………………………………………………11 7.1 程序设计组成…………………………………………………11 7.2 程序代码………………………………………………………11 8 系统调试与测试结果……………………………………………….21 9 测试结果分析……………………………………………………….21 10 结论和体会…………………………………………………………21 11 参考文献……………………………………………………………22 2
    沈阳理工大学课程设计专用纸 摘要： 以温度控制系统为例研究嵌入式系统，实现了对工业现场的温度实时 监测和控制。以 AT89C51 单片机为控制核心，采用典型大惯性环节的 PID 闭环控制装置，可自动控制恶劣环境下的温度，使被控对象温度保持在恒 定范围内。本系统温度信号由数字温度传感器 DS18B20 采集，送 AT89C51 单片机进行处理，并通过数码管显示。当温度超过设定值范围后，单片机 将发出控制信号启动升温装置或降温装置，使温度保持在一定的范围。实 验测试证明，设计的样机系统测温控温精度均为 0．1℃，测温控温的范围 可达-55～+125℃。 关键词： 单片机；PID；工业控制；温度；DS18B20 3
    沈阳理工大学课程设计专用纸 2 引言 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，随着人 们生活水平的大幅提高，对温度测量控制的精度和范围也有着更高的要求。 在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员 和现场技术人员努力解决的问题，这类控制对象惯性大，滞后现象严重， 存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，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。PID 控制方式控制稳定且精 度高，但是控制对象的模型难以建立，并且当扰动因素不明确时，参数调 整较复杂。本文采用 DS18B20 数字温度传感器，该传感器具有微型化、封 装简单、低功耗、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。实验测试证明，设计的样机系统 测温控温精度均为 0．1℃，测温控温的范围可达-55～+125℃，可应用于 家用电器、汽车、冷库等领域。 3 内容及要求： 3.1 设计内容 1)利用数字温度传感器 DS18B20 采集和转换温度； 2)利用传感器得到的数据通过单片机编程实现温度的闭环控制； 3)了解和使用 PID 算法在闭环控制中的应用； 4）完成单片机外围电路的设计以及温度显示等程序工作； 3.2 设计要求 1）装置的结构和电路原理图。 2）调试过程，说明发现的向题及处理过程。 3）分析存在的问题。 4）收获与改进方案。 4
    沈阳理工大学课程设计专用纸 4 总体计设计方案 4.1 方案提出 考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器， 所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器 DS18B20，此传感 器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。 同时本系统采用 AT89C52 作为温度控制系统主控单元。AT89C51 是一种带 4 kB 闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能 CMOS 的 8 位微处理器。 指令系统和引脚与典型的 MCS-51 系列完全兼容，方便软件的编写。系统整 体电路包括：主控电路、数码管显示、控制输出、控制对象、双向可控硅 模块。 4.2 总体设计框图 温度控制电路设计总体设计方框图如图所示，控制器采用单片机 AT89C52，温度传感器采用 DS18B20，用 4 位 LED 数码管实现温度显示。 数码管显示 AT89C52 单片机 DS18B20 温 度传感器 输入电源 控制输出 双向控制 信号调理 控制对象 5
    沈阳理工大学课程设计专用纸 5 系统工作基本原理 5.1 PID 算法 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制。工业控制 算法常用位置型 PID 算法，经离散化后的算式为 式中，U(n)为第 n 个采样时刻控制器的输出量，e(n)第 n 个采样时刻的 偏差值，Kp 为比例系数，Ki 为积分作用系数，Kd 为微分作用系数。由于 位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中用到过去偏差的累加值 ，容易产生较大的累计误差。而增量式中只需计算增量，算式中不需 要累加，控制增量的确定仅与几次偏差采样值有关，当存在计算误差或精 度不足时，对控制量计算的影响较小，且容易通过加权处理获得较好的控 制效果。由于计算机只输出控制增量，所以误动作时影响较小，且必要时 可用逻辑判断的方法去掉，对系统安全运行有利。 由于上述优点，所以增量式 PID 控制算法得到广泛的应用。其控制算法 表达式为 6
    沈阳理工大学课程设计专用纸 式(3)是 PID 位置式的递推形式，是编程时常用的形式之一。按增量式 PID 控制算法编程时，a0，a1，a2 可预先算出存入固定单元。PID 算法流 程图如图 5 所示。 7
    沈阳理工大学课程设计专用纸 5.2 DS18B20 传感器工作原理 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进 型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被 测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现９～１２位的数字值读 数方式。 DS18B20 的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受 温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器１；高温 度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数 器２的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20 就对 低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的 开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－55℃所对应 的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，计数器１和温度寄存 器被预置在－55℃所对应的一个基数值。 减法计数器１对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减 法计数器１的预置值减到０时，温度寄存器的值将加１，减法计数器１的 预置将重新被装入，减法计数器１重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲 信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到０时，停止温度寄存器的 累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计 数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器 值大致被测温度值。 8
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