基于数字PID和89C52单片机的温度控制系统

文章摘要： 在工业生产过程中，温度是工业生产过程中常见的工艺参数之一，对温度控制的好坏直接影响产品的质量。及时准确地得到温度信息并对其进行适当的控制，在许多工业场合中都是重要的环节。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式和控制方式均不同。本文介绍了一种基于89C52单片机的温度控制系统，本系统的任务是对温度进行实时监控与控制。它以温度传感器DSl820对温度进行测量、采样与转换，并将测量结果送给单片机；单片机将输人的温度值与内部指定单元的给定温度值进行比较，根据比较结果，通过一个执行机构(可控硅)对加热源(加热炉的温度)的开关状态进行控制。在控制环节中，本系统采用的是数字PID控制算法

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 在工业生产过程中，温度是工业生产过程中常见的工艺参数之一，对温度控制的好坏直接影响产品的质量。及时准确地得到温度信息并对其进行适当的控制，在许多工业场合中都是重要的环节。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式和控制方式均不同。本文介绍了一种基于89C52单片机的温度控制系统，本系统的任务是对温度进行实时监控与控制。它以温度传感器DSl820对温度进行测量、采样与转换，并将测量结果送给单片机；单片机将输人的温度值与内部指定单元的给定温度值进行比较，根据比较结果，通过一个执行机构(可控硅)对加热源(加热炉的温度)的开关状态进行控制。在控制环节中，本系统采用的是数字PID控制算法来实现上述功能。传统的PID控制电路结构复杂，需配合相应的可控硅控制电路完成对温度的控制。具有器件多、生产成本高、电路调试复杂的缺点。所以，在该温度控制系统的设计中，运用单片机89C52进行数字PID运算能充分发挥软件系统的灵活性，具有控制方便、简单和灵活性大等优点。

1 系统结构及主要硬件电路设计
1．1 系统结构
    该系统的控制对象是水温，水温经测温传感器DSl820转换成电压信号，经A／D转换成计算机可以接收的数字信号，保存在89C52单片机采样值单元中；再利用键盘输入设定温度，经温度标度转换成二进制数，保存在单片机内设定值单元；然后，调用显示子程序，显示设定温度和采样温度，然后把采样值与设定值输入单片机内进行数字PID控制算法的运算，运算结果由单片机输出，通过可控硅交流调压装置来控制时间的导通和关断，在达到设定温度后利用PWM方法来保持此温度，以此来调节温度。该系统原理图如图1所示。

l.2 硬件电路设计
    根据任务要求，确定了器件和系统电路。系统电路简图如图2所示。该系统以高性能／价格比的89C252单片机为控制系统的核心，采用新型单片机数字测温传感器DSl820来测量温度，由双向可控硅驱动电路MOC3854和双向可控硅TLC253A组成输出控制通道。除此之外，还有键盘电路、显示电路、报警电路等。

www.88dzw.com2．2 温控算法
    温控系统采用数字PID算法，并由软件实现，所谓PID控制就是按设定值与测量值之间偏差的比例、偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制。它根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此PID控制律的实现，必须用数值逼近法。当采样周期相当短时，可以用求和代替积分，用差商代替微分，即做如下近似变换：
   
式中，k为采样序号，k=l，2，…；T为采样周期。
    显然，上述离散化过程中，采样时间T必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去T。可以得到离散的PID表达式为：
   
式中，k为采样序号，k=1，2，…，；u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)为第(k-1)次采样时刻输入的偏差值；K1为积分系数，；KD为积分系数。
    该系统采用增量式PID控制算法，是指数字控制器输出只是控制量的增量，该算法编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。
    根据递推原理可得：
   

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