單片機的溫度控制系統設計與PID調節

山西省機電設計研究院 朱 力

單片機的溫度控制系統設計與PID調節

山西省機電設計研究院 朱 力

本文以電阻爐為研究對象，設計了AT89C51單片機為處理器的溫度控制系統，并對控制系統的工作原理及電路設計，軟件開發做了簡單的闡述，采用PID調節，實現系統的全自動智能恒溫控制，最后利用Proteus軟件進行仿真，結果表明該系統具有精度高，可靠性好的特點，有一定的實用價值

單片機；電阻爐；PID

1 引言

在現在工業生產中，溫度控制技術在現代工業中被廣泛的應用，單片機是目前被廣泛的用于工業自動控制系統中的主要元件，通過對它編程能夠有效的運用在各類機電產品的制造中，電阻爐作為溫度控制的基本載體，它的溫度控制效果直接影響產品質量和生產效率，因為系統對溫度穩定要求較高，所以設計一個控制精度高運行穩定的控制系統具有很高的實用價值，為此本文設計利用AT89C51單片機做一個溫度控制系統，該系統實現電阻爐的溫度控制，檢測，顯示及報警，具有精度高，穩定性好，操作簡單，具有很好的實用價值。

2 電路設計

2.1 工作原理

系統工作原理如圖1所示，由溫度傳感器熱電偶采集爐內溫度，將電勢信號通過芯片MAX6675轉換成數字信號送到單片機AT89C51中，單片機中預設溫度與爐內溫度進行比對運算，根據PID控制算法，輸出控制輸出可調的方波信號，通過雙向晶閘管開通和關斷來調節電熱絲的加熱功率，使爐內的達到預設值，來保證裝置保持在恒溫狀態。

圖1 工作原理圖

2.2 電路設計

電路設計分為溫度采集（熱電偶），溫度顯示（液晶顯示器），溫度控制，超限報警等模塊。

2.2.1 溫度采集

該模塊是采用熱電偶溫度傳感器和熱電偶串型數模轉換器MAX6675來實現的，MAX6675可以將熱電偶輸出的毫伏級電壓信號轉換成數字信號，其中T+,T-，接熱電偶正負極，SCK是串行時鐘輸入，SO是串行數據輸出，是片選信號。單片機AT89C51的接口p1.0接收來自MAX6675傳送來的數字信號，p1.1為MAX6675提供串行時鐘，p1.2為MAX6675的片選信號。

圖2 MAX6675與AT89C51接線圖

2.2.2 顯示模塊

顯示部分采用液晶顯示器，和簡單的按鍵組成，顯示器可顯示數字和字符，按鍵由PLAS,SUBS和START組成，可以實現預設溫度的高低，溫度的多少在顯示器上對應顯示，設置完成按下開始，系統開始工作。

AT89C51的p0口p0。0-p0.7輸出信號與液晶顯示器的D0-D7數據總線相連，p0口在作為通用I/O口時需要加上拉電阻，鍵盤兩端接p3.2和p3.3，當溫度超過設定上限值時，本系統立即停止加熱，并開啟報警裝置，報警裝置是由單片機發出低電平PNP三級管導通來實現的，AT89C51單片機的p1.3口與三極管的基極相連，當P1.3低電平是，三極管導通，接在發射極的蜂鳴器工作報警，當p1.3高電平是，三極管截至導通，蜂鳴器停止工作。P1.3口的高低電平是溫度檢測程序給出的。

2.2.3 溫度控制

是將AT89C51單片機輸出端口信號通過光電耦合器加到晶閘管的控制極，從而控制電熱絲的功率變化，由于單片機的驅動電流較小，因此需要用三極管設計電路，增大驅動電流來控制電熱絲，當單片機p1.7口低電平時晶閘管導通，電熱絲通電，爐內開始加熱，當p1.7口高電平時，晶閘管截至，電熱絲失電，加熱停止。控制簡圖如圖3所示：

圖3 溫度控制電路

圖4 主程序流程圖

2.3 軟件設計

軟件設計的主要目的是通過熱電偶檢測的溫度，對單片機進行程序設定，控制電路來實現對爐溫的溫度的調節，并在液晶屏上顯示數據，通過鍵盤設定爐溫溫度的高低，這部分包括三個子程序，溫度采集程序的設計，PID溫度控制程序的設定，主程序流程的設計。

2.3.1 系統主程序的設計

主程序包括系統初始化，預設溫度值，采樣溫度比對，報警中斷請求，實時顯示模塊等。流程圖如圖4所示。

2.3.2 溫度采集程序

電阻爐溫主要是有熱電偶進行檢測，利用MAX6775把熱電偶發出的模擬信號轉換成數字信號，以利于單片機的運算，當實際溫度與設定溫度不一樣的情況下，就需要進行比對，通過控制電路晶閘管的閉合，來改變電熱絲加熱功率，最終達到溫度恒定的效果，流程圖如圖5所示：

圖5 溫度測量流程圖

2.3.3 PID溫度控制程序的設定

工程實際中，應用最為廣泛調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制主要技術之一。當被控對象結構和參數不能完全掌握，或不到精確數學模型時，控制理論其它技術難以采用時，系統控制器結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。

本系統PID算法程序采取增量式算法，表達式如：

其中系統采樣周期是T，在t=Ti時進行采樣，Δui是在i -1次輸出基礎上增加（或減少）的量。簡化后可變為：

3 仿真測試

為了測試系統的安全可靠性，我們用proteus 軟件來進行仿真，proteus特別適合對嵌入式系統進行軟硬件協同設計與仿真，其最大特點是可以仿真多種系列的處理器，由于場地條件有限，溫度采集模塊用DALLAS公司推出的DS18B20,來代替MAX6675實現溫度采集信號，溫度設定值和當前溫度在液晶顯示器上分別顯示，設上限溫度為100℃，當溫度超過時，蜂鳴器報警，設置單片機端口高電平時觸發電路，當P1.7口高電平時電阻絲加熱，按plus,subs鍵來調整溫度設定值，圖7所示就是仿真接線簡圖。

圖6 PID流程圖

圖7 仿真接線簡圖

4 結束語

本設計的溫度控制系統實現了對電阻爐溫度的調節，控制等基本功能，詳細的闡述設計理念，合理的確定了設計方案，通過加入了PID調節方法，更簡單的實現了溫度的快速達到及精確調整，使該系統的性能更穩定，操作更便利，確保了系統的安全可靠，從仿真結果看，該系統完全能夠達到設計要求的各項指標，具有小型化，實用性高，操作簡單，成本低等優點，對同類型的產品設計有一定的參考價值。

[1]徐錫存.單片機原理與接口技術[M].西安電子科技大學出版社,2001.

[2]陶永華.新型PID控制及其應用[M]北京:機械工業出版社,2002

[3]張宇.高精度恒溫箱溫度控制理論研究與系統設計[M].合肥工業大學,2005.

朱力（1963—），男，山西太原人，大學本科，高級工程師。