基于數(shù)字PID和89C52單片機的溫度控制系統(tǒng)

 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的工藝參數(shù)之一，對溫度控制的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。及時準確地得到溫度信息并對其進行適當?shù)目刂?，在許多工業(yè)場合中都是重要的環(huán)節(jié)。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式和控制方式均不同。本文介紹了一種基于89C52單片機的溫度控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)的任務(wù)是對溫度進行實時監(jiān)控與控制。它以溫度傳感器DSl820對溫度進行測量、采樣與轉(zhuǎn)換，并將測量結(jié)果送給單片機；單片機將輸人的溫度值與內(nèi)部指定單元的給定溫度值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果，通過一個執(zhí)行機構(gòu)(可控硅)對加熱源(加熱爐的溫度)的開關(guān)狀態(tài)進行控制。在控制環(huán)節(jié)中，本系統(tǒng)采用的是數(shù)字PID控制算法來實現(xiàn)上述功能。傳統(tǒng)的PID控制電路結(jié)構(gòu)復雜，需配合相應(yīng)的可控硅控制電路完成對溫度的控制。具有器件多、生產(chǎn)成本高、電路調(diào)試復雜的缺點。所以，在該溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計中，運用單片機89C52進行數(shù)字PID運算能充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的靈活性，具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要硬件電路設(shè)計
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    該系統(tǒng)的控制對象是水溫，水溫經(jīng)測溫傳感器DSl820轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的數(shù)字信號，保存在89C52單片機采樣值單元中；再利用鍵盤輸入設(shè)定溫度，經(jīng)溫度標度轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)，保存在單片機內(nèi)設(shè)定值單元；然后，調(diào)用顯示子程序，顯示設(shè)定溫度和采樣溫度，然后把采樣值與設(shè)定值輸入單片機內(nèi)進行數(shù)字PID控制算法的運算，運算結(jié)果由單片機輸出，通過可控硅交流調(diào)壓裝置來控制時間的導通和關(guān)斷，在達到設(shè)定溫度后利用PWM方法來保持此溫度，以此來調(diào)節(jié)溫度。該系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

l.2 硬件電路設(shè)計
    根據(jù)任務(wù)要求，確定了器件和系統(tǒng)電路。系統(tǒng)電路簡圖如圖2所示。該系統(tǒng)以高性能／價格比的89C252單片機為控制系統(tǒng)的核心，采用新型單片機數(shù)字測溫傳感器DSl820來測量溫度，由雙向可控硅驅(qū)動電路MOC3854和雙向可控硅TLC253A組成輸出控制通道。除此之外，還有鍵盤電路、顯示電路、報警電路等。

    89C52單片機是控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)水溫檢測、數(shù)字濾波、控制算法運算、信息存儲等功能。89C52通過數(shù)據(jù)、地址、控制總線與A／D轉(zhuǎn)換器相連，完成模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。測量機構(gòu)采用溫度傳感器DSl820作為溫度測量電路的核心器件，DSl820是一款兩端器件，只需要一個直流電壓源，功率的需求比較低，可量測范圍-40～180℃，其輸出是高阻抗電流，因而大阻值的電阻對器件工作影響不大，具有非常好的線性輸出性能。執(zhí)行機構(gòu)是可控硅交流調(diào)壓裝置，其輸入信號為高低電平，通過改變輸入信號來調(diào)節(jié)加熱爐絲的電壓。鍵盤部分主要在程序中引入3個中斷，即串位鍵、+l鍵、-1鍵分別對應(yīng)3個中斷，當某個鍵按下時，中斷口便產(chǎn)生一個下降沿，從而進入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。顯示利用8155進行擴展成4位BCD碼，前2位為設(shè)定值，后2位為采樣值，實現(xiàn)了動態(tài)循環(huán)顯示特性。

2 程序流程及溫控算法
2．1 程序流程
    系統(tǒng)的程序流程主要包括系統(tǒng)的主程序、對89C52單片機硬件電路的初始化、環(huán)境溫度采集子程序、溫度控制子程序、鍵盤控制子程序、報警子程序等部分構(gòu)成。程序流程圖如圖3所示，該系統(tǒng)的軟件是在89C5l單片機仿真開發(fā)環(huán)境下采用基于51系列的C語言編寫的，用C語言來設(shè)計程序大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于進一步擴展系統(tǒng)的功能。

2．2 溫控算法
    溫控系統(tǒng)采用數(shù)字PID算法，并由軟件實現(xiàn)，所謂PID控制就是按設(shè)定值與測量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢進行控制。它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此PID控制律的實現(xiàn)，必須用數(shù)值逼近法。當采樣周期相當短時，可以用求和代替積分，用差商代替微分，即做如下近似變換：
   
式中，k為采樣序號，k=l，2，…；T為采樣周期。
    顯然，上述離散化過程中，采樣時間T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書寫方便，將e(kT)簡化表示成e(k)等，即省去T?？梢缘玫诫x散的PID表達式為：
   
式中，k為采樣序號，k=1，2，…，；u(k)為第k次采樣時刻的計算機輸出值；e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k-1)為第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值；K1為積分系數(shù)，；KD為積分系數(shù)。
    該系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，是指數(shù)字控制器輸出只是控制量的增量，該算法編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運算快。
    根據(jù)遞推原理可得：
   

3 結(jié)束語
    本文主要從硬件和軟件兩個方面具體描述了基于數(shù)字PID的89C52單片機溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)造。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了89C52單片機對模擬量的采集處理和增量式數(shù)字PID控制算法的功能，可以比較靈活的調(diào)節(jié)控制信號的導通時間來控制加熱電路和冷卻電路的工作。該系統(tǒng)基本滿足了溫度控制的要求，具有超調(diào)量小，振蕩幅度小，設(shè)定值可以隨時用按鍵人為設(shè)定等優(yōu)點，同時該系統(tǒng)還避免了控制過程中的不確定性及噪聲，提高了系統(tǒng)的工作效率。理論和實踐證明，該系統(tǒng)具有高可靠性、高性價比、控制簡單方便等優(yōu)點，大大提高測量的精度。