時間：2022-03-31 02:37:06
序論：在您撰寫溫度控制系統時，參考他人的優秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發您的創作熱情，引導您走向新的創作高度。
關鍵詞：計算機系統；現場總線；工業以太網
中圖分類號：S624.4+4 文獻標識碼：A
熱軋機溫度控制系統由可逆軋機溫度控制系統和連軋機溫度控制系統組成。它們之間采用高速工業以太網通訊方式進行數據傳輸，高溫測量傳感器的信號通過現場總線傳送到溫度控制單元，計算機通過數學模型的信息處理，輸出控制信號，控制軋機電機傳動系統的速度和噴射系統流量，實現帶材的溫度控制在允許的范圍內。
下圖為熱軋機計算機控制系統：
熱軋機軋制過程中，可逆軋機和連軋機的帶材溫度變化，直接影響帶材的質量和板形，所以，為了保證連軋機能軋制出優質的產品，精確控制可逆軋機出口轉移坯料的溫度是非常必要的。但是，需要考慮與溫度控制相關的主要問題：帶材寬度、不同的合金和用途。它們對溫度控制的要求是不同的。特別是不同的合金，軋制過程中，帶材的溫度變化是不同的?？紤]到上述問題，首先在可逆軋機出口安裝了帶材溫度控制系統，其包括：控制計算機系統、噴射系統、溫度檢測系統。
可逆軋機溫度控制過程：
可逆軋機出口安裝了冷卻帶材的噴射裝置，噴射設備分區控制，每個區域的噴嘴控制閥可以獨立控制。另外，一個高溫檢測傳感器T1安裝在噴射區的入口側，另外一個高溫檢測傳感器T2安裝在噴射區的出口側。帶材溫度控制過程中，預先設定冷卻液的流量、溫度和噴射區域，當帶材通過噴射區時，又控制計算機控制帶材的移動速度、冷卻液的流量和噴射時間，帶材通過噴射區的速度是根據噴射區入口高溫傳感器T1的測量溫度偏差進行修正的，帶材通過噴射區時，將導致帶材溫度下降，并且，溫度下降的多少是由帶材通過噴射區域的速度和時間長短決定的.速度控制由過程控制器完成，因此，帶材的溫度能精確控制。
帶材向前控制：噴射區入口的高溫傳感器T1測量帶材進入噴射區時刻的溫度，并且，將溫度信號通過現場總線傳輸到過程控制計算機，計算出該時刻帶材的速度和進入噴射區的溫度測量點的間隔。
帶材向后控制：帶材溫度由噴射區出口的高溫傳感器T2測量，根據帶材出口的目標溫度與設定溫度比較偏差，通過比例、積分控制對軋制速度進行修正，調節溫度測量點的間隔。
可逆軋機溫度控制的結果，帶材在整個長度方向的溫度偏差在正負5℃的穩定狀態。
下圖為可逆軋機帶材溫度控制圖：
連軋機的帶材溫度控制過程：
連軋機溫度控制系統中，連軋機的速度控制是預設定控制。連軋機F1#機架的入口安裝了一個高溫測量傳感器T3 ，用來檢測連軋機入口帶材的溫度，根據溫度的測量值，過程控制計算機通過計算機內部的數學模型預設軋制速度控制基準。F3#機架的出口安裝了一個高溫測量傳感器T4，用于測量最終帶材出口的溫度，兩個高溫傳感器的測量值通過現場總線傳送到計算機控制系統與目標溫度值比較，對軋制速度基準進行反饋修正。連軋機軋制時，F1#機架入口帶材的溫度和F3#機架出口的帶材溫是不同的，溫度變化范圍在正負150℃左右，校正軋制速度和反饋溫度控制是為了更有效地控制帶材長度方向的溫度更接近目標溫度，帶材的溫度直接影響帶材表面的光潔度和深度沖壓性能。
由于帶材與冷卻液、軋輥之間的熱傳遞，造成熱量的變化，影響出口帶材溫度的控制，所以，連軋機入口帶材的溫度衰減和波動用于溫度負反饋控制，校正每個機架的軋制速度基準。更好地控制帶材的溫度更接近目標溫度。
下圖為連軋機溫度控制系統塊圖：
文中系統介紹了本設計的硬件系統連接圖，軟件流程圖，同時簡要的介紹了該設計中所用到的各種元器件的主要用途及使用。經理論和實踐的證明，該設計有很高的使用價值，且其功能完善，抗干擾能力強.
關鍵詞：熱電偶 可控硅 溫室 單片機
ABSTRACT
This design is composed by independent temperature and humidity sensor and 8031 single-chip microcomputer. Through independent temperature and humidity recalled circus composed by independent temperature and humidity sensor， and enlarge equipment and A/D alternated department. Then showing it， the number could control the temperature of the warm room， the single-chip microcomputer looks into the temperature of the warm room， the data got from A/D alternation will be sent to the computer， and will be judged and calculated， then output the data， so that we can control the warm power of the electric oven， so that we can achieve the goal of controlling the temperature. The design also has the function of showing， warning and choosing the controlled state.
In the paper， we introduce systematic chant of the hardware and software， also， the paper introduced the main function and use of all kinds of parts briefly. All have been proved by the theory and practice， the design has high ratio performance to price， and its function was perfect， strong disturbance resistant， so it has good pragmatic value and great development in future.
Keywords: independent ; control ; show
目 錄
緒論 1
第一章 系統性能指標及方案確定 2
第二章 系統的硬件設計及芯片介紹 4
第一節 硬件系統的設計原則和采用方法 4
第二節 芯片介紹 5
第三章 前向通道的設計 17
第四章 后向通道的設計 23
第五章 人機通道的設計 27
第六章 抗干擾技術 29
第一節 干擾的作用機制及后果 29
第二節 數字信號輸入的軟件抗干擾措施 30
第七章 系統軟件的設計 31
第一節 專用模塊的程序設計 31
第二節 主程序設計 43
結束語 55
參考文獻 56
附錄………………………………………57
緒 論
溫度是工業對象中主要的被控參數之一，如冶金，機械，食品，化工等種類工業中廣泛使用的各種加熱爐，熱處理爐，反應爐等對工件的處理溫度要求嚴格控制，以及在農業等方面的溫室的溫度控制，微機控制技術在這方面的應用，使溫度控制技術指標得到了大幅度的提高。
本設計是溫室溫度控制系統，其基本控制原理是：單片機定時對爐溫進行檢測，經A/D轉換得到相應的數字量，在送到微機進行相應的判斷和運算，輸出控制量控制加熱功率，從而實現對溫度的控制。系統結構圖如下
點及用途：
由于該系統僅實現單一的溫度控制，所以硬件結構簡單，而接口及外擴芯片應用較少，成本低，在抗干擾措施上硬件采用了光電隔離，軟件采用濾波程序，所以系統抗干擾的能力強，穩定性好，能滿足工業中各類溫度控制要求。
第一章 系統性能指標及方案的確定
系統要求的主要技術指標：
（1）要求溫室溫度分三檔：一檔為溫室、二檔為40℃、三檔為50℃。
（2）具有實時顯示溫度（三位××.×℃）。
（3）當不能保證要求溫度時，給出報警信號。
系統分析及總體設計方案：
一、硬件電路方案的確定：
（1）溫度檢測元件及放大器，A/D轉換芯片選擇：
溫度檢測元件及放大器放大倍數的選擇，按控制范圍和精度要求考慮。該部分采用熱電偶，因為熱電偶是溫度測量中使用最廣泛的傳感器之一。放大器選擇AD521，A/D轉換用0801使量化誤差滿足性能指標要求。
（2）溫度控制電路選擇：
溫度控制電路采用了可控硅調節規律方式。雙向可控硅在50HZ交流電源和 加熱電路中，只要在給定周期里改變可控硅開關的接通時間，就能改變加熱功率的目的，從而實現溫度調節。
(3)人機通道方案選擇：
報警電路的選擇：由于該系統所控制的溫度有確定的范圍，這就要求報警電路有上下限報警并指示功能，因此，可采用聲光報警，即聲音報警采用蜂鳴器接到8031的P6口上，而發光報警采用發光二極管即可并有紅黃之分，區別上下限，正常運行時綠等亮。
定時電路的選擇：由于該系統主控電路的電源為220V/50HZ，工頻交流電，經電壓比較器LM311，過零觸發器MC14528后產生頻率為50HZ的單穩態脈沖，此時脈沖一路作為觸發脈沖，一路作為該系統的外部定時（100ms）送給T0，T1計數器計數。
二、 軟件方案確定：本設計是采用傳統的PID控制，比較實際溫度和爐溫得到的偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號來調節可控硅的通斷，用以實現對電阻爐的控制，從而調節溫室溫度。
三、 軟、硬件功能劃分
軟件和硬件是計算機系統的兩大組成部分，它們的目的是一致的都是為了解決特定的問題，實現特定的功能；他們的作用是相輔相成的，如果增加軟件的任務，就能減少硬件的任務，簡化硬件電路；相反加重硬件的任務，增強硬件的功能則可減輕軟件的負擔，簡化編程。因此，合理地分配軟件所承擔的任務充分利用MCS-51本身豐富的軟件硬件功能，特別是它的軟件控制功能，力爭用最少的外部電路構成系統，完成系統要求的任務。
1.硬件
（1） 前向通道：包括傳感器（熱電偶）、A/D轉換器（ADC0801）、放大器（AD521）
（2）人機通道：包括顯示電路、撥碼盤、報警電路
（3）后向通道：包括脈沖觸發電路、兩個加熱電路
2.軟件
（1）溫度檢測：包括定時采樣和軟件濾波。
（2）溫度控制的實現：即根據溫度給定值的大小，決定2臺電爐的通電與斷電實現溫度控制。
（3） T。定時器產生每一次的定時中斷，作為本系統的采樣周期，T1計數器決定控制脈沖的時間。
（4） 顯示有關狀態。
（5） 輸出報警信息。
四、 系統結構框圖及基本工作原理
應用程序與OPC服務器之間必須有OPC接口，OPC規范提供了兩套標準接口:Custom標準接口和OLE自動化標準接口，通常在系統設計中采用OLE自動化標準接口。OLE自動化標準接口定義了以下3層接口，依次呈包含關系。OPCServer(服務器):OPC啟動服務器，獲得其他對象和服務的起始類，并用于返回OPCGroup類對象。OPCGroup(組):存儲由若干OPCItem組成的Group信息，并返回OPCItem類對象。OPCItem(數據項):存儲具體Item的定義、數據值、狀態值等信息。3層接口的層次關系如圖2所示。
2菇棚溫度控制系統的設計
2．1菇棚的溫度控制原理寧夏南部山區杏鮑菇生產基地采用大棚式培養方式，作為對杏鮑菇生長起最重要影響的因素，溫度顯得尤為重要［8］。菇棚溫度采用自動記錄儀對溫度進行檢測，利用空調對菇棚溫度進行調節。由于溫度控制系統具有大時變、非線性、滯后性等特點，采用模糊控制非常合適［9－10］。本文對菇棚的溫度進行了控制設計，最終采用模糊PID控制方案，達到對溫度的實時控制，從而將出菇階段的溫度控制在14～17℃的范圍之內。菇棚溫度控制系統的原理如圖3所示。圖3中，虛線框內的部分在工業控制環境中大多由PLC等控制設備完成，而這些設備很難實現模糊PID的控制功能。因此，將虛線框部分在Simulink中實現，把在Simulink中創建的模糊PID控制器直接應用到現場設備中。菇棚實時溫度控制系統原理圖如圖4所示。圖4中，該系統以PCACCESS軟件作為OPC服務器，用MATLAB/OPC工具箱中的OPCWrite模塊和OPCRead模塊與Simulink進行數據交換。傳感變送裝置檢測溫度后將電信號傳送給S7－200PLC的模擬量輸入模塊EM231，經過A/D轉換后得出溫度值;PCACCESS軟件從PLC中讀取溫度值，通過OPCRead模塊傳送給Simulink;在Simulink中與設定的溫度值進行比較后，進行模糊PID計算，將結果通過OPCWrite模塊傳送給PCACCESS軟件，經PCACCESS軟件寫入到PLC中，計算分析得出數字量，輸出到模擬量輸出模塊EM232，經D/A轉換為電信號送給溫控裝置(空調)，實現對菇棚溫度的模糊PID控制。2．2模糊PID控制系統2．2．1模糊PID控制器的設計菇棚的溫度控制系統是一個復雜的非線性系統，很難建立精確的數學模型，而常規的PID控制則需建立被控對象的精確數學模型，對被控過程的適應性差，算法得不到滿意的控制效果。單純使用模糊控制時，控制精度不高、自適應能力有限，可能存在穩態誤差，引起振蕩［11－12］。因此，本文針對PID控制和模糊控制的各自特點，將兩者結合起來，設計了模糊PID控制器，可以利用模糊控制規則對PID參數進行在線修改，從而實現對菇棚溫度的實時控制，將出菇階段的溫度控制在14～17℃的范圍之內?；谏鲜龇治觯瑢⒐脚餃囟茸鳛檠芯繉ο?，E、EC作為模糊控制器的輸入，其中E為設定溫度值與實際溫度值的差值。PID控制器的3個參數KP、KI、KD作為輸出。設輸入變量E、EC和輸出變量的KP、KI、KD語言值的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}={負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，誤差E和誤差變化率EC的論域為{－30，－20，－10，0，10，20，30}，KP的論域為{－0．3，－0．2，－0．1，0，0．1，0．2，0．3}，KI的論域為{－0．06，－0．04，－0．02，0，0．02，0．04，0．06}，KD的論域為{－3，－2，－1，0，1，2，3}。為了論域的覆蓋率和調整方便，均采用三角形隸屬函數。根據對系統運行的分析和工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，得出KP、KI、KD的模糊控制規則表，如表1所示。利用Simulink工具箱，建立系統的模糊PID控制器的模型，如圖5所示。2．2．2系統的仿真菇棚溫度的傳遞函數采用G(s)=e－τsαs+k。其中，α為慣性環節時間常數，α=10．3s/℃;k=0．023;τ=10s，為純滯后時間。設定菇棚溫度值為15℃，常規PID控制器的仿真結果如圖6所示，模糊PID控制器的仿真結果如圖7所示。結果表明，菇棚溫度控制系統采用模糊PID控制器具有超調小、抗干擾能力強等特點，能較好地滿足系統的要求。
3Simulink與S7－200PLC數據交換的實現
PCACCESS軟件是專用于S7－200PLC的OPC服務器軟件，它向作為客戶機的MATLAB/OPC客戶端提供數據信息。在菇棚溫度控制系統中，模糊PID控制器的輸出值和反饋值就是Simulink與S7－200PLC進行交換的數據。實現數據交換的具體步驟如下:1)打開軟件PCACCESSV1．0SP4，在“MicroWin(USB)”下，單擊右鍵設置“PC/PG”接口，本文選用“PC/PPI(cable)”。然后，右鍵單擊“MicroWin(USB)”進入“新PLC”，添加監控S7－200PLC，本文默認名稱為“NewPLC”。右鍵單擊所添加的新PLC的名稱，進入“NewItem”添加變量，本文為輸出值“wendu1”和反饋值“wendu2”，設置完成，如圖8所示。PCACCESS軟件自帶OPC客戶測試端，客戶可以將創建的條目拖入測設中心進行測試，觀察通信質量，如圖9所示。測試后的通信質量為“好”。2)打開MATLAB，在工作空間輸入命令“opctool”后，將彈出OPCTool工具箱的窗口，在該窗口的MAT-LABOPCClients對話框下單擊右鍵，進入“AddClient”添加客戶端，用戶名默認“localhost”，ServerID選擇“S7200．OPCServer”;與PCACCESS軟件連接成功后，在“S7200．OPCServer”中添加組和項，把在PCACCESS軟件中創建的兩個變量“wendu1”和“wendu2”添加到項中，操作完成后結果如圖10所示。3)新建Simulink文件，導入模糊PID控制器模型，調用OPCWrite模塊、OPCRead模塊和OPCConfigura-tion模塊，設置OPCWrite模塊和OPCRead模塊的屬性，把OPC工作組中的變量“wendu1”添加到OPCWrite模塊中，把變量“wendu2”添加到OPCRead模塊中，設置完成后兩個模塊與控制器相連，如圖11所示。這樣，基于Simulink和S7－200PLC的模糊PID實時溫度控制系統的設計就完成了。
4結論
關鍵詞：單片機、溫度傳感器、模/數轉換器
一、單片機溫度控制系統的組成及工作原理
在工業生產和日常生活中，對溫度控制系統的要求，主要是保證溫度在一定溫度范圍內變化，穩定性好，不振蕩，對系統的快速性要求不高。以下簡單分析了單片機溫度控制系統設計過程及實現方法?，F場溫度經溫度傳感器采樣后變換為模擬電壓信號，經低通濾波濾掉干擾信號后送放大器，信號放大后送模/數轉換器轉換為數字信號送單片機，單片機根據輸入的溫度控制范圍通過繼電器控制加熱設備完成溫度的控制。本系統的測溫范圍為0℃～99℃，啟動單片機溫度控制系統后首先按下第一個按鍵開始最低溫度的設置，這時數碼管顯示溫度數值，每隔一秒溫度數值增加一度，當滿足用戶溫度設置最低值時再按一下第一個按鍵完成最低溫度的設置，依次類推通過第二個按鍵完成最高溫度的設置。然后溫度檢測系統根據用戶設定的溫度范圍完成一定范圍的溫度控制。
二、溫度檢測的設計
系統測溫采用AD590溫度傳感器，AD590是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：
1、流過器件的電流（mA）等于器件所處環境的熱力學溫度（開爾文）度數；即： ，式中：Ir—流過器件（AD590）的電流，單位為mA；T—熱力學溫度，單位為K。
2、AD590的測溫范圍為-55℃～+150℃；
3、AD590的電源電壓范圍為4V～30V；
4、輸出電阻為710MW；
5、精度高。
AD590溫度傳感器輸出信號經放大電路放大10倍，再送入模/數轉換器ADC0804，轉換后送單片機。根據AD590溫度傳感器特性以及放大10倍后的電壓值與現場溫度的比較發現，實際溫度轉換后送入單片機的值與按鍵輸入數值之間有一定的差值，模/數轉換器送入單片機的數值是按鍵輸入值得2.5倍。由于單片機不能進行小數乘法運算，所以先對按鍵輸入進行乘5，然后根據運算結果及程序狀態字的狀態再進行循環右移一位，如果溢出標志位為低電平時直接對累加器進行一次帶進位循環右移，如果溢出標志位為高電平時，先對進位標準位CY位置為高電平，然后再進行一次帶進位循環右移，通過上述操作使按鍵輸入的溫度值與模/數轉換器送入單片機的溫度值相統一。
三、具體電路連接如圖所示
四、軟件編程
單片機溫度控制系統由硬件和軟件組成，上述硬件原理圖搭建完成上電之后，我們還不能實現對溫度的控制，需要給單片機編寫程序，下面給出了溫度控制系統的編程方法。
ORG 00H
START：ANL P1，#00H；顯示00
JB
P3.4 ，$ ；T0=0？有鍵按下？
CALL DELAY1 ；消除抖動
JNB P3.4 ，$；T0=1？放下？
MOV R0 ，#00；計溫指針初值
L1： MOV A ， R0 ；計溫指針載入ACC
MOV P1 ， A ；輸出至P1顯示
MOV R5 ， #10 ；延時1秒
A1：MOV R6 ， #200
D1：MOV R7 ， #248 ；0.5毫秒
JNB P3.4 ，L2 ；第2次按下T0？
DJNZ R7，$
DJNZ R6，D1
DJNZ R5，A1
INC A
DA
A
MOV R0 ， A
JMP L1
L2：CALL DELAY1 ；第2次按消除抖動
JB
P3.4 ，L3 ；放開了沒？是則
；跳至L3停止
JMP L2
L3: MOV A ，R0
CALL CHANGE
MOV 31H ， A ；下限溫度存入31H
JB P3.5 ，$ ；T1=0？有鍵按下？
CALL DELAY1
；消除抖動
JNB P3.5 ，$ ；T1=1？放開？
MOV R0 ，#00 ；計溫指針初值
L4：MOV A ，RO ；計溫指針載入ACC
MOV P1 ， A ；顯示00
MOV R5 ，#10 ；延時1秒
A2：MOV R6 ，#200
D2：MOV R7 ，#248 ；0.5毫秒
JNB P3.5 ，L5 ；第二次按下T1？
DJNZ R7 ，$
DJNZ R6 ，D2
DJNZ R5 ， A2
ADD A ， #01H
DA
A
MOV R0 ， A
JMP L4
L5:CALL DELAY1 ；第2次按消除抖動
JB
P3.5 ，L6 ；放開了？是則跳至L6
JMP L5
L6：MOV A， RO ；
CALL CHANGE
MOV 30H ，A ；上限溫度存入30H
DELAY1：MOV R6 ，#60 ；30毫秒
D3：MOV R7 ， #248
DJNZ R7 ， $
DJNZ R6 ， D3
RET
CHANGE：MOV B ，#5
MUL AB
JNO
D4
SETB C
D4：RRC A
RET
MOV 32H ，#0FFH ；32H舊溫度寄存
；器初值
AAA：MOVX @R0 ， A；使BUS為高阻抗
；并令ADC0804開始轉換
WAIT：JB P2.0 ，ADC ；檢測轉換完成否
JMP WAIT
ADC：MOVX A ，@RO ；將轉換好的值送入
；累加器
MOV 33H ，A ；將現在溫度值存入33H
CLR C
；C=0
SUBB A ，32H
JC TDOWN ；C=0取入值較大，表示
；溫度上升，C=1表示下降
TUP：MOV A， 33H ；將現在溫度值存入A
CLR C
SUBB A ，30H ；與上限溫度作比較
JC LOOP ；C=1時表示比上限小須
；加熱，C=0表示比上限大，停止加熱
SETB P2.1
JMP LOOP
TDOWN：MOV A ，33H ；將現在溫度值存入A
CLR C
SUBB A ，31H ；與下限溫度作比較
JNC LOOP ；C=1時表示比下限小，須
；加熱，C=0表示比下限大
CLR P2.1 ；令P2.1動作
LOOP：MOV 32H ，33H
CLR A
MOV R4 ，#0FFH ；延時
DJNZ R4 ，$
JMP AAA
END
五、結語：
本文給出了用單片機在0℃～99℃之間，通過用戶設置溫度上限、下限值來實現一定范圍內溫度的控制；給出了溫度控制系統的硬件連接電路以及軟件程序，此系統溫度控制只是單片機廣泛應用于各行各業中的一例，相信通過大家的聰明才智和努力，一定會使單片機的應用更加廣泛化。
參考文獻
關鍵詞：溫度控制；PID；現場實驗整定法
PID調節是連續系統中技術最成熟,應用最廣泛的一種調節方式。PID調節的實質就是根據輸入的偏差值按比例、積分、微分的函數關系進行運算。運算結果用于控制輸出。
在實際應用中，根據被控對象的特性和控制要求，可靈活的改變PID結構，取其中的一部分環節構成控制規律，如比例調節、比例積分調節、比例積分微分調節等，特別在計算機控制系統中，更可以靈活運用，以充分發揮微型機的作用。PID調試最困難的部分是參數的設定與調整，即指系統PID參數整定方法。
本文介紹了PID的三個參數在實際控制中的作用如何設定與調整，及在實際中如何應用。提出了并實際驗證了系統PID現場實驗整定法在基于單片機基于鍵盤設定的溫度控制系統中實現PID控制的可行性。
1系統設計原理及功能
本系統采用典型的反饋式溫度控制系統，數字控制器的功能由AT89C51單片機實現。溫度控制系統由DS18B20單總線傳感器構成輸入通道，用于采集爐內的溫度信號。其中，熱敏電阻選用器mf12-26型號，它將溫度信號轉變為阻值變化信號再經電橋變為0~5v標準電壓信號，以供A/D轉換用。轉換后的數字量與與爐溫的給定值數字化后進行比較，即可得到實際爐溫和給定爐溫的偏差。爐溫的設定值由鍵盤輸入。由單片機構成的數字控制器按最小拍進行計算，計算出所需要的控制量。數字控制器的輸出經標度變換后送給由p3.0通過t0調制的pwm波送至ssr,從而改變電烤箱單位時間內電壓導通的百分比,從而控制電烤箱加熱功率，起到調溫的作用。溫度控制系統的硬件設計圖分別如圖1。
1.控制模塊：采用ATMEL公司的AT89C51作為控制器的方案；2.溫度采集模塊：采用數字式溫度傳感器DS18B20；3.開關電路：采用固態繼電器繼電器；4.鍵盤和顯示模塊：采用獨立式鍵盤；5.電源模塊：采用過濾，濾波，穩壓等電路實現。
本溫度控制系統的對象是電爐，針對日常生活，要求所設計的系統具有軟硬件結構簡單、成本低廉、可靠性高（即不易出錯）等特點。
2PID參數在實際控制中的作用及設定與調整
（1）比例調節作用：是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造系統的不穩定。（2）積分調節作用：是使系統消除穩態誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節就進行，直至無差，積分調節停止，積分調節輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強，反之積分作用就弱，加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與其他兩種調節規律結合，組成PI調節器或PID調節器。（3）微分調節作用：微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除。因此，可以改善系統的動態性能，在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節，對系統抗干擾不利。此外，微分反映的是變化率，而當輸入沒有變化是，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合，組成PD或PID控制器。
參數的設定與調整是PID最困難的部分，編程時按經驗值設定他們的大概數值，然后通過反復的參數整定才能找到相對比較理想的參數值。面對不同的控制對象參數都不同，所以我們無法提供參考數值，但是我們可以根據這些參數在整個PID過程中的作用原理，來討論我們的對策。1加溫很迅速就達到目標值，但是溫度過沖很大：a）比例系數太大，致使在未達到設定溫度過沖很大；b）微分系數過小，致使對對象反應不敏感；2加溫經常達不到目標值，小于目標值的時間較多：a）比例系數過小，加溫比例不夠；b）積分系數過小，對恒偏差補償不足；3基本上能控制在目標上，但上下偏差較大，經常波動：a）微分系數過小，對即時變化反映不夠快，反應措施不利；b）積分系數過大，使微分反應被淹沒鈍化；c）設定的基本定時周期過短，加熱沒有來得及傳到測溫點；4受工作環境影響較大，在稍有變化就會引起溫度的波動：a）微分系數過小，對即時變化反映不夠快，不能及時反應；b）設定的基本定時周期過長，不能及時得到修正；選擇一個合適的時間常數很重要，要根據我們的輸出單元采用什么器件來確定，如果是采用可控硅的，則可設定時間常數的范圍就很自由，如果采用繼電器的則過于頻繁的開關會影響繼電器的使用壽命，所以就不太適合采用較短周期。一般的周期設定范圍是1－10分鐘較為合適。
3系統PID參數整定方法及計算
系統整定是指選擇調節器的比例度、積分時間TI和微分時間Td的具體數值。系統整定的實質，就是通過改變控制參數使調節器特性和被控過程特性配合好，來改善系統的動態和靜態特性，求得最佳的控制效果。系統的良好控制效果一般要求：瞬時響應的衰減率(0.75-0.9)（以保證系統具有一定的穩定性儲備），盡量減小穩態偏差(余差)、最大偏差和過渡過程時間。
工程上得到廣泛應用的PID參數整定方法通常有：動態特性參數法、臨界比例度法、衰減曲線法、現場實驗整定法等。它直接在過程控制系統中進行，其方法簡單，計算簡便，而且容易掌握.。在實際應用中，將調節器的整定參數按先比例、后積分、最后微分的程序置于某些經驗數值后，再作給定位擾動，觀察系統過渡過程曲線。若曲線還不夠理想，則改變調節器的δ、TI、Td值，進行反復湊試，以尋求最佳的整定參數，直到控制質量符合要求為止。
控制器設計總體指標可以概括為：穩、準、快，均衡調節以Kp、Ki、Kd三參數則可一定程度上滿足上述三個指標的要求。在控制初期，關鍵要克服各環節的滯后，為了避免積分飽和造成較大超調，Ki應選的小一些。在控制中期，系統偏差以減小，但為了不過分影響穩定性，Ki可適當增大一些。在調節過程后期，為減小穩太誤差，提高控制精度，Ki可選取更大一些。在控制初期，為盡快消除偏差，提高響應速度，Kp應該取大一些；在控制過程中期，為了防止超調過大造成震蕩，Kp要減小些；在控制過程后期，則要克服超調，使系統盡快穩定，Kp值要再減小一些。純大滯后系統在控制中，容易產生超調，使系統失穩。其主要原因是：其時滯階段對誤差的積分太大。因此，為了改善純大滯后系統的相應特性，對積分因子提出了新的要求。
本次測試溫度定值，選用PID參數整定方法中的現場實驗整定法。現場實驗整定法是通過仿真或實際運行，觀察系統對典型輸入作用的響應曲線，根據各控制參數對系統的影響，反復調節試湊，直到滿意為止，從而確定PID參數。PID控制器各參數對系統的影響是；增大開環比例系數Kp，一般將加快系統的影響速度，在有靜差的情況下則有利于減小靜差；但過大的比例系數又會加大系統超調，甚至產生振蕩，使系統不穩定。在現場實驗整定法時，實行先比例、后積分、再微分的反復調整。積分時間和比例時間成反比，積分系數大，即積分時間短，導致超調過大。微分系數和微分時間成正比，微分系數過大，即微分時間過大，導致系統不穩定。
4系統軟件設計
軟件設計主程序流程圖2。其中PID數字控制器是本系統設計的核心，用它對被測參數進行自動調節。
5控制系統調節時間和超調量調試
1.測試儀器：秒表、溫度計2.測試方法：由于系統具有溫度調節和控制的作用，通過設定欲達到的溫度數值，然后對比設定值和實際測量值，測量出系統的最大超調量測量達到設定值所需要的時間（t）以及最終達到終值±0.2℃所需的時間（調節時間）；分析系統響應誤差，繪制出系統的響應曲線；完成響應的數據記錄。3.測試數據記錄：（1）測試傳感器DP18B20的，其測試數據如表1所示。(2)達到設定值時間的測試（系統的初始溫度為30℃，設定值為53℃）；通過5次觀察測試系統達到設定所需要的時間如表2所示。(3)系統最大超調量的測試。通過5次觀察測試系統的最大超調量數據如表3所示。(4)觀察系統的穩態誤差帶通過表1測量所得數據顯示值與測量值比較可以看出傳感起的誤差基本上在±0.1之間，由于所采用的溫度計的最小刻度值為2℃，所以用溫度計所測量的數值存在較大誤差。表2中所測量的數值可以看出系統達到所設定溫度所需的時間約為135.2s（5次測量所的平均時間）。分析表3中數據可以看出系統的最大超調量約為0.3℃，由于所用的無觸點固態繼電器在較高的工作頻率作用下不會像有觸電的繼電
器會有誤操作動作。經過多次觀察得出本系統穩態誤差為：0.2℃（約為：0.37%）。
6結語
本系統通過AT89C51單片機，運用數字PID算法，實現了爐溫的設定、采集與控制，并且通過鍵盤可以改變PID控制算法的參數，基本達到了設計的最初要求。由于在實際系統中各方面因素的干擾，往往同一PID參數不能適應各種要求，故設計專門添加了鍵盤可以改變參數的功能，為系統的調試帶來了很大的方便。該系統具有很好的通用性，只要將硬件和軟件稍加變動就可控制其他象水位、濕度、轉速等工業參數。如加適當的電路系統便可具有溫度上下限報警功能等。
參考文獻
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關鍵詞：單片機、溫度傳感器、模/數轉換器
一、單片機溫度控制系統的組成及工作原理
在工業生產和日常生活中，對溫度控制系統的要求，主要是保證溫度在一定溫度范圍內變化，穩定性好，不振蕩，對系統的快速性要求不高。以下簡單分析了單片機溫度控制系統設計過程及實現方法。現場溫度經溫度傳感器采樣后變換為模擬電壓信號，經低通濾波濾掉干擾信號后送放大器，信號放大后送模/數轉換器轉換為數字信號送單片機，單片機根據輸入的溫度控制范圍通過繼電器控制加熱設備完成溫度的控制。本系統的測溫范圍為0℃～99℃，啟動單片機溫度控制系統后首先按下第一個按鍵開始最低溫度的設置，這時數碼管顯示溫度數值，每隔一秒溫度數值增加一度，當滿足用戶溫度設置最低值時再按一下第一個按鍵完成最低溫度的設置，依次類推通過第二個按鍵完成最高溫度的設置。然后溫度檢測系統根據用戶設定的溫度范圍完成一定范圍的溫度控制。
二、溫度檢測的設計
系統測溫采用AD590溫度傳感器，AD590是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：
1、流過器件的電流（mA）等于器件所處環境的熱力學溫度（開爾文）度數；即： ，式中：Ir—流過器件（AD590）的電流，單位為mA；T—熱力學溫度，單位為K。
2、AD590的測溫范圍為-55℃～+150℃；
3、AD590的電源電壓范圍為4V～30V；
4、輸出電阻為710MW；
5、精度高。
AD590溫度傳感器輸出信號經放大電路放大10倍，再送入模/數轉換器ADC0804，轉換后送單片機。根據AD590溫度傳感器特性以及放大10倍后的電壓值與現場溫度的比較發現，實際溫度轉換后送入單片機的值與按鍵輸入數值之間有一定的差值，模/數轉換器送入單片機的數值是按鍵輸入值得2.5倍。由于單片機不能進行小數乘法運算，所以先對按鍵輸入進行乘5，然后根據運算結果及程序狀態字的狀態再進行循環右移一位，如果溢出標志位為低電平時直接對累加器進行一次帶進位循環右移，如果溢出標志位為高電平時，先對進位標準位CY位置為高電平，然后再進行一次帶進位循環右移，通過上述操作使按鍵輸入的溫度值與模/數轉換器送入單片機的溫度值相統一。
三、具體電路連接如圖所示
四、軟件編程
單片機溫度控制系統由硬件和軟件組成，上述硬件原理圖搭建完成上電之后，我們還不能實現對溫度的控制，需要給單片機編寫程序，下面給出了溫度控制系統的編程方法。
ORG 00H
START：ANL P1，#00H；顯示00
JB
P3.4 ，$ ；T0=0？有鍵按下？
CALL DELAY1 ；消除抖動
JNB P3.4 ，$；T0=1？放下？
MOV R0 ，#00；計溫指針初值
L1： MOV A ， R0 ；計溫指針載入ACC
MOV P1 ， A ；輸出至P1顯示
MOV R5 ， #10 ；延時1秒
A1：MOV R6 ， #200
D1：MOV R7 ， #248 ；0.5毫秒
JNB P3.4 ，L2 ；第2次按下T0？
DJNZ R7，$
DJNZ R6，D1
DJNZ R5，A1
INC A
DA
A
MOV R0 ， A
JMP L1
L2：CALL DELAY1 ；第2次按消除抖動
JB
P3.4 ，L3 ；放開了沒？是則
；跳至L3停止
JMP L2
L3: MOV A ，R0
CALL CHANGE
MOV 31H ， A ；下限溫度存入31H
JB P3.5 ，$ ；T1=0？有鍵按下？
CALL DELAY1
；消除抖動
JNB P3.5 ，$ ; ；T1=1？放開？
MOV R0 ，#00 ；計溫指針初值
L4：MOV A ，RO ；計溫指針載入ACC
MOV P1 ， A ；顯示00
MOV R5 ，#10 ；延時1秒
A2：MOV R6 ，#200
D2：MOV R7 ，#248 ；0.5毫秒
JNB P3.5 ，L5 ；第二次按下T1？DJNZ R7 ，$
DJNZ R6 ，D2
DJNZ R5 ， A2
ADD A ， #01H
DA
A
MOV R0 ， A
JMP L4
L5:CALL DELAY1 ；第2次按消除抖動
JB
P3.5 ，L6 ；放開了？是則跳至L6
JMP L5
L6：MOV A， RO ；
CALL CHANGE
MOV 30H ，A ；上限溫度存入30H
DELAY1：MOV R6 ，#60 ；30毫秒
D3：MOV R7 ， #248
DJNZ R7 ， $
DJNZ R6 ， D3
RET
CHANGE：MOV B ，#5
MUL AB
JNO
D4
SETB C
D4：RRC A
RET
MOV 32H ，#0FFH ；32H舊溫度寄存
；器初值
AAA：MOVX @R0 ， A；使BUS為高阻抗
；并令ADC0804開始轉換
WAIT：JB P2.0 ，ADC ；檢測轉換完成否
JMP WAIT
ADC：MOVX A ，@RO ；將轉換好的值送入
；累加器
MOV 33H ，A ；將現在溫度值存入33H
CLR C
；C=0
SUBB A ，32H
JC TDOWN ；C=0取入值較大，表示
；溫度上升，C=1表示下降
TUP：MOV A， 33H ；將現在溫度值存入A
CLR C
SUBB A ，30H ；與上限溫度作比較
JC LOOP ；C=1時表示比上限小須
；加熱，C=0表示比上限大，停止加熱
SETB P2.1
JMP LOOP
TDOWN：MOV A ，33H ；將現在溫度值存入A
CLR C
SUBB A ，31H ；與下限溫度作比較
JNC LOOP ；C=1時表示比下限小，須
；加熱，C=0表示比下限大
CLR P2.1 ；令P2.1動作
LOOP：MOV 32H ，33H
CLR A
MOV R4 ，#0FFH ；延時
DJNZ R4 ，$
JMP AAA
END
五、結語：
本文給出了用單片機在0℃～99℃之間，通過用戶設置溫度上限、下限值來實現一定范圍內溫度的控制；給出了溫度控制系統的硬件連接電路以及軟件程序，此系統溫度控制只是單片機廣泛應用于各行各業中的一例，相信通過大家的聰明才智和努力，一定會使單片機的應用更加廣泛化。
參考文獻：
關鍵詞:溫度控制;PID算法;單片機
中圖分類號:TP29文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)09-2216-02
The Design of the Temperature Control System for Aquarium
XIONG Jie, ZHANG Li-yong
(Technology Information, Yangtze University Department of Engineering and Technology, Jingzhou 434020, China)
Abstract: This paper introduces a method about the design of the temperature control system for Aquarium. System takes the 89C51 as a core, discuss the design from not only hardware but also software. Adopted PID control algorithm keeps the temperature precise and stable. This paper gives the actual measured data, realized the Aquarium temperature control system design.
Key words: temperature control; PID algorithm; single chip
溫度是一個基本的物理量,也是一個極為普遍又極為重要的熱工參數之一,幾乎所有的科研和生產過程都和溫度密切相關。因而,準確地測量和控制溫度,對于獲得正確的科研數據和保證產品質量都是十分重要的。
本設計主要是對特定空間內的溫度進行精準的控制。在一個密閉的空間里,把溫度作為控制目標,無論是在啟動或設定值的升降,還是各種干擾因素,我們都希望系統能向快、穩、準這三方面靠近。溫控系統的控制電路由單片機控制繼電器來調節電熱絲和風扇達到加熱和制冷目的,一旦溫度的超調,控制系統的非線性、時滯性和不確定性等相關因素的出現,一般的控制方式達不到要求。因此,在軟件上采用PID算法,在硬件上采用PWM(脈寬調制)控制繼電器工作,實現升溫和降溫的處理。
1 整體框架設計
系統是以單片機為控制核心,其整體結構如圖1所示,溫度傳感器從魚缸中采集溫度送入單片機,通過鍵盤中輸入的設定溫度進行比較,采用PID控制算法進行處理,通過控制電路對與剛好進行溫度調節最后達到穩定,同時顯示屏上進行顯示當前溫度曲線。
2 硬件電路設計
硬件電路包含鍵盤顯示電路和溫度采集控制電路兩部分內容:
2.1 鍵盤顯示電路
1)鍵盤電路:系統鍵盤由四個按鍵組成,分別實現“設定初始溫度加一”,“初始溫度減一”,“開始/原始坐標系”,“放大坐標系”等功能。
“設定初始溫度加減一”兩個按鍵可以用來設定魚缸的預置溫度;“開始/原始坐標系”是系統進行初始化后用戶用來使系統開始工作;系統采用兩種坐標系進行溫度曲線的顯示,“放大坐標系”可以使坐標放大,即使溫度曲線精度更高。初始時系統顯示曲線范圍是0-40攝氏度,放大坐標放溫度范圍是30-34攝氏度。
2)顯示電路:顯示電路LCD液晶顯示器TS12864A構成,通過控制單片機的I/O來實現浴缸溫度在LCD的實時顯示。該顯示屏可以通過鍵盤中的放大坐標按鍵可以調整坐標的范圍,使其更有利于觀察溫度的變化;并能顯示溫度從開始到穩定所需要的時間。
2.2 溫度采集與控制電路
1) 溫度采集電路:溫度采集電路采用美國DALLAS公司生產的 DS18B20數字溫度采集器組成,該芯片獨特的單線接口方式,在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊,該數字溫度傳感器接線簡單,編程方便,可與單片機直接相連。
2) 溫度控制電路:溫度控制電路主要是執行魚缸的制冷與升溫操作,其控制命令通過分析采集的數據進行判斷處理。
溫度控制電路中若采集溫度高于設定溫度,則P1.3端置0,P1.2置1,繼電器開關置右邊,處于降溫狀態,反之則P1.3置1,P1.2置1,處于升溫狀態;若設定溫度與采集溫度相等則P1.2置0,使繼電器兩端的加熱絲和電風扇的壓降為零處于非工作狀態。
3 軟件系統設計
該系統硬件部分較簡單,主要是軟件部分的實現,系統上電復位,首先對各存儲單元進行初始化,并對LCD進行初始化,顯示開機界面,提示是否進入系統,若開始按鍵按下,則進入系統,判斷放大坐標系是否按下,若按下則以溫度為30―34坐標系顯示,反之,以0―40坐標系顯示;調用溫度采集程序采集魚缸溫度,并與設定溫度進行判斷,調用處理子程序進行控制,該溫度控制算法采用PID算法來實現。其流程圖如圖2所示。
4 系統測試
首先通過軟件仿真實現系統的功能,最后通過硬件焊接實現了魚缸的溫度控制系統的設計。其仿真的結果如圖3所示。
溫度調節時間結果記錄如表1:
表1 實際測試結果
分析可知,溫差相同時,升溫時間比降溫時間要快,原因在于升溫采用電阻絲加熱,而降溫采用的是12V普通風扇降溫,效率較低。若采用加熱致冷芯片來完成升溫和降溫則溫度穩定時間會更少。
5 小結
通過軟件仿真,系統實際設計制作,最終完成了系統的設計,該系統簡單實用,成本低,可靠性強,安裝方便簡單,可擴展聲光報警等功能。
參考文獻:
[1] 徐愛鈞.8051單片機實踐教程[M].北京:電子工業出版社,2005.
