控制系统综合设计-基于51单片机的pid温度控制系统设计

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1、集美大学诚毅学院控制系统综合设计专业班级  姓 名   学 号姓 名   学 号指导教师 日 期  一、引言进入21世纪后，自动控制正朝着高精度、多功能、标准化、高可靠性及安全性发展。温度控制也正朝着开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位,温度控制技术是一种比较重要的工业技术，不仅在化工，航天，航空，医疗等高科技领域，在食品、机械、冶金、化工、建材、石油等工业领域,占据着具有举足轻重

2、的作用。在我们日常的生活中，我们也是经常应用到的。随着工业技术的不断发展，传统的控制方式已经不能满足高精度、高速度的控制要求。如接触器温度控制仪表，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(ExpertControl)，鲁棒控制（RobustControl），推理控制等，PID控制，，神经网络及遗传算法

3、控制等[1]。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。仿真技术的优良特性和巨大效益，可能将成为今后人们特别重视和大力发展的综合技术。仿真系统将应用于人类生产实践的全过程，这样可以避免决策失误，可以预测可能发生的问题，达到避免故障、安全控制的目的。有关专家预言，在2l世纪，仿真技术的发展必将对经济、社会以及人们的观念产生巨大影响。MATLAB具有以下几个特点：1.功能强大的数值运算功能2.强大的图形处理能力3.高级但简单的程序环境4.是一种丰富的工具箱。单片

4、微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高。在温度控制技术在温度控制当中，PID控制技术应用相对来说比较广泛，PID控制器算法简单，计算量小，恒温效果稳

5、定。本文则以单片机（C51）为核心、PID算法为控制方式、MATLAB仿真、串口通讯而设计的温度控制系统。一、本控制系统的综述此次课程设计的温度控制系统，以单片机AT89C51为控制核心。主要内容是通过Pt100温度传感器，将水壶的温度值转化成电阻值。再通过自设计的温度变送器进行放大输出电压量，由AD模块（ADC0809芯片）将电压信号采集进单片机。与我们系统的给定值rk进行比较得到误差量ek，采用PID控制算法得到控制量。将控制量经DA模块（DAC0832芯片）产生电压信号驱动功率模块实现对水壶的温度控制。此次课程设计采用

6、的控制算法采用的是Bang-BangPID算法，当温度低于设定范围以下，可以使温度较低时能够快速的升温。水壶的温度控制也可采用模糊控制算法等智能控制算法，并且温度系统存在较大的滞后，也可以增加Smith预估算法。本次课程设计的目的在于，在对水壶温度控制系统的设计中，了解温度控制系统基本的控制方案。将理论应用与实际，对过程控制技术、自动控制技术的应用得到一定的提升。一、温度控制系统硬件设计4.1、温度变送器模块Pt100的电阻受温度的变化而变化，其计算公式：Rt=R0(1+aT)=100(1+0.00392T)，其中T为温度，

7、Rt的单位为欧姆，Rt与温度呈有一个零点的线性关系。在变送器模块设计中为了将温度的变化转化成电压的变化，需设计一个恒流电路，使电阻的变化转化成电压的变化。根据公式：Vt=Rt×Is=100×Is+0.392T×Is，故需要设计一个恒压抬高电路，抵消100×Is，使温度与电压呈线性关系。最后，由于Pt100的电路产生的电压变化比较小，所以还需要设计放大电路。图2温度变送器原理图由图2可知：（1）系统前级电路由三极管、二极管和稳压管组成的电路产生恒定的电流Is，使Vi随温度的变化而变化；（2）Vi为铂电阻的转换电压，U1和U2组

8、成二级放大器，Vi1为一级放大电压，V11抬高电压，Vo为最终输出电压(0~10V),Vo1输出0~5V；（3）U3是射极跟随器，产生稳定的抬高电压V11。图3温度变送器实物图温度变送器设计完成后，对各电位器进行调节，使得传感器输入为0~100℃，输出为0~5V。对水壶的水温进行测量，将得