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1、PID温度控制器的设计【摘要】本文介绍了以AT89S51单片机为核心的温度控制器的设计,在该设计中采用高精度的温度传感器AD590对电热锅炉的温度进行实时精确测量,用超低温漂移高精度运算放大器OP07将温度-电压信号进行放大,再送入12位的AD574A进行AD转换,从而实现自动检测,实时显示及越限报警。控制部分采用PID算法,实时更新PWM控制输出参数,控制可控硅的通断时间,最终实现对炉温的高精度控制。【关键词】水温控制系统 PID控制单片机 温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温
2、度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。一 系统设计方案的论证与比较根据题目要求,电热锅炉温度控制系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。方案一 采用8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温。此方案简易可行,器件的价格便宜,但8031内部没有程序存储器,需要扩展,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。方案二 采用比
3、较流行的AT89S51作为电路的控制核心,使用12位的高精度模数转换器AD574A进行数据转换,控制电路部分采用PWM控制可控硅的通断以实行对锅炉温度的连续控制,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。综上分析,我们采用方案二。系统设计总体框图如下。 图1 控制器设计总体框图温度控制器设计原理图根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设计了以AT89S51单片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用3位LED静态显示。该设计结构简单,控制算
4、法新颖,控制精度高,有较强的通用性。所设计的控制系统有以下功能：·温度控制设定波动范围小于±1%,测量精度小于±1%,控制精度小于±2%,超调整量小于±4%;·实现控制可以升温也可以降温;·实时显示当前温度值;·按键控制：设置复位键、运行键、功能转换键、加一键、减一键;·越限报警。 二 硬件电路设计硬件电路主要有两大部分组成：模拟部分和数字部分：从功能模块上来分有：主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。 1主机电路的设计主机选用ATMEL公司的51系列单片机AT89S51来实现,利用单片机软件
5、编程灵活、自由度大的特点,力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的AT89S51芯片时钟可达12MHz,运算速度快,控制功能完善。其内部具有128字节RAM,而且内部含有4KB的flashROM不需要外扩展存储器,可使系统整体结构更为简单、实用。2 I／0通道的硬件电路的设计就本系统来说,需要实时采集水温数据,然后经过A／D转换为数字信号,送入单片机中的特定单元,然后一部分送去显示;另一部分与设定值进行比较,通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电热锅炉加热或降温。2.1数据采集电路的设计
6、数据采集电路主要由AD590,0P07,74LS373,AD574A等组成。由于控制精度要求为0.1度,而考虑到测量干扰和数据处理误差,则温度传感器和AD转化器的精度应更高才能保证控制精度的实现,这个精度可处粗略定为0.1度。故温度传感器需要能够区分0.1度;而对于AD转换器,由于测量范围为40-90度,以0.1度作为响应的AD区分度要求,则AD需要区分(90-40)/0.1=500个数字量,显然需要10位以上的AD转换器。为此,选用高精度的12位AD574A。为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器AD5
7、90,AD590具有较高精度和重复性(重复性优于0．1℃,其良好的非线形可以保证优于0．1℃的测量精度,利用其重复性较好的特点,通过非线形补偿,可以达到0.1℃测量精度.)超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A／D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。模拟电路硬件部分见图2。 图2 温度电压转换电路 2.2电控制执行电路的设计由输出来控制电炉,电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为：可控硅可以认为是线形环节实现对水温的控制
8、。单片机输出与电炉功率分别属于弱电与强电部分,需要进行隔离处理,这里采用光耦元件TLP521在控制部分进行光电隔离,此外采用变压器隔离实现弱强电的电源隔离。单片机PWM输出电平为0时,光耦元件导通,从而使三极管形成有效偏置而导通,通过整流桥的电压经过集电极电阻以及射集反向偏压,有7V左右的电压加在双向可控硅控制端,从而使可控硅导通,交流通路形成,电阻炉工作;反之单片机输出电平为0时,光耦元件不能导通,三极管不能形
