基于數(shù)字PID和89C52單片機(jī)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(duì)溫度控制的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。及時(shí)準(zhǔn)確地得到溫度信息并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，在許多工業(yè)場(chǎng)合中都是重要的環(huán)節(jié)。對(duì)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(jī)的溫度控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制。它以溫度傳感器DSl820對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量、采樣與轉(zhuǎn)換，并將測(cè)量結(jié)果送給單片機(jī)；單片機(jī)將輸人的溫度值與內(nèi)部指定單元的給定溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，通過一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(可控硅)對(duì)加熱源(加熱爐的溫度)的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)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(shí)現(xiàn)上述功能。傳統(tǒng)的PID控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需配合相應(yīng)的可控硅控制電路完成對(duì)溫度的控制。具有器件多、生產(chǎn)成本高、電路調(diào)試復(fù)雜的缺點(diǎn)。所以，在該溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用單片機(jī)89C52進(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)算能充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的靈活性，具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要硬件電路設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    該系統(tǒng)的控制對(duì)象是水溫，水溫經(jīng)測(cè)溫傳感器DSl820轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字信號(hào)，保存在89C52單片機(jī)采樣值單元中；再利用鍵盤輸入設(shè)定溫度，經(jīng)溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，保存在單片機(jī)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(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)字PID控制算法的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果由單片機(jī)輸出，通過可控硅交流調(diào)壓裝置來控制時(shí)間的導(dǎo)通和關(guān)斷，在達(dá)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(jì)
    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(jiǎn)圖如圖2所示。該系統(tǒng)以高性能／價(jià)格比的89C252單片機(jī)為控制系統(tǒng)的核心，采用新型單片機(jī)數(shù)字測(cè)溫傳感器DSl820來測(cè)量溫度，由雙向可控硅驅(qū)動(dòng)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(bào)警電路等。

    89C52單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)水溫檢測(cè)、數(shù)字濾波、控制算法運(yùn)算、信息存儲(chǔ)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(cè)量機(jī)構(gòu)采用溫度傳感器DSl820作為溫度測(cè)量電路的核心器件，DSl820是一款兩端器件，只需要一個(gè)直流電壓源，功率的需求比較低，可量測(cè)范圍-40～180℃，其輸出是高阻抗電流，因而大阻值的電阻對(duì)器件工作影響不大，具有非常好的線性輸出性能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是可控硅交流調(diào)壓裝置，其輸入信號(hào)為高低電平，通過改變輸入信號(hào)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(gè)中斷，即串位鍵、+l鍵、-1鍵分別對(duì)應(yīng)3個(gè)中斷，當(dāng)某個(gè)鍵按下時(shí)，中斷口便產(chǎn)生一個(gè)下降沿，從而進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。顯示利用8155進(jìn)行擴(kuò)展成4位BCD碼，前2位為設(shè)定值，后2位為采樣值，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)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(duì)89C52單片機(jī)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(bào)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(jī)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(jì)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(jìn)一步擴(kuò)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(shí)現(xiàn)，所謂PID控制就是按設(shè)定值與測(cè)量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢(shì)進(jìn)行控制。它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此PID控制律的實(shí)現(xiàn)，必須用數(shù)值逼近法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，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(hào)，k=l，2，…；T為采樣周期。
    顯然，上述離散化過程中，采樣時(shí)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(jiǎn)化表示成e(k)等，即省去T?？梢缘玫诫x散的PID表達(dá)式為：
   
式中，k為采樣序號(hào)，k=1，2，…，；u(k)為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k-1)為第(k-1)次采樣時(shí)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(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲(chǔ)空間少，運(yùn)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(gè)方面具體描述了基于數(shù)字PID的89C52單片機(jī)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(jī)對(duì)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(hào)的導(dǎo)通時(shí)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(shí)用按鍵人為設(shè)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有高可靠性、高性價(jià)比、控制簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，大大提高測(cè)量的精度。