时间：2022-03-31 02:37:06
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关键词：计算机系统；现场总线；工业以太网
中图分类号：S624.4+4 文献标识码：A
热轧机温度控制系统由可逆轧机温度控制系统和连轧机温度控制系统组成。它们之间采用高速工业以太网通讯方式进行数据传输，高温测量传感器的信号通过现场总线传送到温度控制单元，计算机通过数学模型的信息处理，输出控制信号，控制轧机电机传动系统的速度和喷射系统流量，实现带材的温度控制在允许的范围内。
下图为热轧机计算机控制系统：
热轧机轧制过程中，可逆轧机和连轧机的带材温度变化，直接影响带材的质量和板形，所以，为了保证连轧机能轧制出优质的产品，精确控制可逆轧机出口转移坯料的温度是非常必要的。但是，需要考虑与温度控制相关的主要问题：带材宽度、不同的合金和用途。它们对温度控制的要求是不同的。特别是不同的合金，轧制过程中，带材的温度变化是不同的。考虑到上述问题，首先在可逆轧机出口安装了带材温度控制系统，其包括：控制计算机系统、喷射系统、温度检测系统。
可逆轧机温度控制过程：
可逆轧机出口安装了冷却带材的喷射装置，喷射设备分区控制，每个区域的喷嘴控制阀可以独立控制。另外，一个高温检测传感器T1安装在喷射区的入口侧，另外一个高温检测传感器T2安装在喷射区的出口侧。带材温度控制过程中，预先设定冷却液的流量、温度和喷射区域，当带材通过喷射区时，又控制计算机控制带材的移动速度、冷却液的流量和喷射时间，带材通过喷射区的速度是根据喷射区入口高温传感器T1的测量温度偏差进行修正的，带材通过喷射区时，将导致带材温度下降，并且，温度下降的多少是由带材通过喷射区域的速度和时间长短决定的.速度控制由过程控制器完成，因此，带材的温度能精确控制。
带材向前控制：喷射区入口的高温传感器T1测量带材进入喷射区时刻的温度，并且，将温度信号通过现场总线传输到过程控制计算机，计算出该时刻带材的速度和进入喷射区的温度测量点的间隔。
带材向后控制：带材温度由喷射区出口的高温传感器T2测量，根据带材出口的目标温度与设定温度比较偏差，通过比例、积分控制对轧制速度进行修正，调节温度测量点的间隔。
可逆轧机温度控制的结果，带材在整个长度方向的温度偏差在正负5℃的稳定状态。
下图为可逆轧机带材温度控制图：
连轧机的带材温度控制过程：
连轧机温度控制系统中，连轧机的速度控制是预设定控制。连轧机F1#机架的入口安装了一个高温测量传感器T3 ，用来检测连轧机入口带材的温度，根据温度的测量值，过程控制计算机通过计算机内部的数学模型预设轧制速度控制基准。F3#机架的出口安装了一个高温测量传感器T4，用于测量最终带材出口的温度，两个高温传感器的测量值通过现场总线传送到计算机控制系统与目标温度值比较，对轧制速度基准进行反馈修正。连轧机轧制时，F1#机架入口带材的温度和F3#机架出口的带材温是不同的，温度变化范围在正负150℃左右，校正轧制速度和反馈温度控制是为了更有效地控制带材长度方向的温度更接近目标温度，带材的温度直接影响带材表面的光洁度和深度冲压性能。
由于带材与冷却液、轧辊之间的热传递，造成热量的变化，影响出口带材温度的控制，所以，连轧机入口带材的温度衰减和波动用于温度负反馈控制，校正每个机架的轧制速度基准。更好地控制带材的温度更接近目标温度。
下图为连轧机温度控制系统块图：
文中系统介绍了本设计的硬件系统连接图，软件流程图，同时简要的介绍了该设计中所用到的各种元器件的主要用途及使用。经理论和实践的证明，该设计有很高的使用价值，且其功能完善，抗干扰能力强.
关键词：热电偶 可控硅 温室 单片机
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 录
绪论 1
第一章 系统性能指标及方案确定 2
第二章 系统的硬件设计及芯片介绍 4
第一节 硬件系统的设计原则和采用方法 4
第二节 芯片介绍 5
第三章 前向通道的设计 17
第四章 后向通道的设计 23
第五章 人机通道的设计 27
第六章 抗干扰技术 29
第一节 干扰的作用机制及后果 29
第二节 数字信号输入的软件抗干扰措施 30
第七章 系统软件的设计 31
第一节 专用模块的程序设计 31
第二节 主程序设计 43
结束语 55
参考文献 56
附录………………………………………57
绪 论
温度是工业对象中主要的被控参数之一，如冶金，机械，食品，化工等种类工业中广泛使用的各种加热炉，热处理炉，反应炉等对工件的处理温度要求严格控制，以及在农业等方面的温室的温度控制，微机控制技术在这方面的应用，使温度控制技术指标得到了大幅度的提高。
本设计是温室温度控制系统，其基本控制原理是：单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换得到相应的数字量，在送到微机进行相应的判断和运算，输出控制量控制加热功率，从而实现对温度的控制。系统结构图如下
点及用途：
由于该系统仅实现单一的温度控制，所以硬件结构简单，而接口及外扩芯片应用较少，成本低，在抗干扰措施上硬件采用了光电隔离，软件采用滤波程序，所以系统抗干扰的能力强，稳定性好，能满足工业中各类温度控制要求。
第一章 系统性能指标及方案的确定
系统要求的主要技术指标：
（1）要求温室温度分三档：一档为温室、二档为40℃、三档为50℃。
（2）具有实时显示温度（三位××.×℃）。
（3）当不能保证要求温度时，给出报警信号。
系统分析及总体设计方案：
一、硬件电路方案的确定：
（1）温度检测元件及放大器，A/D转换芯片选择：
温度检测元件及放大器放大倍数的选择，按控制范围和精度要求考虑。该部分采用热电偶，因为热电偶是温度测量中使用最广泛的传感器之一。放大器选择AD521，A/D转换用0801使量化误差满足性能指标要求。
（2）温度控制电路选择：
温度控制电路采用了可控硅调节规律方式。双向可控硅在50HZ交流电源和 加热电路中，只要在给定周期里改变可控硅开关的接通时间，就能改变加热功率的目的，从而实现温度调节。
(3)人机通道方案选择：
报警电路的选择：由于该系统所控制的温度有确定的范围，这就要求报警电路有上下限报警并指示功能，因此，可采用声光报警，即声音报警采用蜂鸣器接到8031的P6口上，而发光报警采用发光二极管即可并有红黄之分，区别上下限，正常运行时绿等亮。
定时电路的选择：由于该系统主控电路的电源为220V/50HZ，工频交流电，经电压比较器LM311，过零触发器MC14528后产生频率为50HZ的单稳态脉冲，此时脉冲一路作为触发脉冲，一路作为该系统的外部定时（100ms）送给T0，T1计数器计数。
二、 软件方案确定：本设计是采用传统的PID控制，比较实际温度和炉温得到的偏差，通过对偏差的处理获得控制信号来调节可控硅的通断，用以实现对电阻炉的控制，从而调节温室温度。
三、 软、硬件功能划分
软件和硬件是计算机系统的两大组成部分，它们的目的是一致的都是为了解决特定的问题，实现特定的功能；他们的作用是相辅相成的，如果增加软件的任务，就能减少硬件的任务，简化硬件电路；相反加重硬件的任务，增强硬件的功能则可减轻软件的负担，简化编程。因此，合理地分配软件所承担的任务充分利用MCS-51本身丰富的软件硬件功能，特别是它的软件控制功能，力争用最少的外部电路构成系统，完成系统要求的任务。
1.硬件
（1） 前向通道：包括传感器（热电偶）、A/D转换器（ADC0801）、放大器（AD521）
（2）人机通道：包括显示电路、拨码盘、报警电路
（3）后向通道：包括脉冲触发电路、两个加热电路
2.软件
（1）温度检测：包括定时采样和软件滤波。
（2）温度控制的实现：即根据温度给定值的大小，决定2台电炉的通电与断电实现温度控制。
（3） T。定时器产生每一次的定时中断，作为本系统的采样周期，T1计数器决定控制脉冲的时间。
（4） 显示有关状态。
（5） 输出报警信息。
四、 系统结构框图及基本工作原理
应用程序与OPC服务器之间必须有OPC接口，OPC规范提供了两套标准接口:Custom标准接口和OLE自动化标准接口，通常在系统设计中采用OLE自动化标准接口。OLE自动化标准接口定义了以下3层接口，依次呈包含关系。OPCServer(服务器):OPC启动服务器，获得其他对象和服务的起始类，并用于返回OPCGroup类对象。OPCGroup(组):存储由若干OPCItem组成的Group信息，并返回OPCItem类对象。OPCItem(数据项):存储具体Item的定义、数据值、状态值等信息。3层接口的层次关系如图2所示。
2菇棚温度控制系统的设计
2．1菇棚的温度控制原理宁夏南部山区杏鲍菇生产基地采用大棚式培养方式，作为对杏鲍菇生长起最重要影响的因素，温度显得尤为重要［8］。菇棚温度采用自动记录仪对温度进行检测，利用空调对菇棚温度进行调节。由于温度控制系统具有大时变、非线性、滞后性等特点，采用模糊控制非常合适［9－10］。本文对菇棚的温度进行了控制设计，最终采用模糊PID控制方案，达到对温度的实时控制，从而将出菇阶段的温度控制在14～17℃的范围之内。菇棚温度控制系统的原理如图3所示。图3中，虚线框内的部分在工业控制环境中大多由PLC等控制设备完成，而这些设备很难实现模糊PID的控制功能。因此，将虚线框部分在Simulink中实现，把在Simulink中创建的模糊PID控制器直接应用到现场设备中。菇棚实时温度控制系统原理图如图4所示。图4中，该系统以PCACCESS软件作为OPC服务器，用MATLAB/OPC工具箱中的OPCWrite模块和OPCRead模块与Simulink进行数据交换。传感变送装置检测温度后将电信号传送给S7－200PLC的模拟量输入模块EM231，经过A/D转换后得出温度值;PCACCESS软件从PLC中读取温度值，通过OPCRead模块传送给Simulink;在Simulink中与设定的温度值进行比较后，进行模糊PID计算，将结果通过OPCWrite模块传送给PCACCESS软件，经PCACCESS软件写入到PLC中，计算分析得出数字量，输出到模拟量输出模块EM232，经D/A转换为电信号送给温控装置(空调)，实现对菇棚温度的模糊PID控制。2．2模糊PID控制系统2．2．1模糊PID控制器的设计菇棚的温度控制系统是一个复杂的非线性系统，很难建立精确的数学模型，而常规的PID控制则需建立被控对象的精确数学模型，对被控过程的适应性差，算法得不到满意的控制效果。单纯使用模糊控制时，控制精度不高、自适应能力有限，可能存在稳态误差，引起振荡［11－12］。因此，本文针对PID控制和模糊控制的各自特点，将两者结合起来，设计了模糊PID控制器，可以利用模糊控制规则对PID参数进行在线修改，从而实现对菇棚温度的实时控制，将出菇阶段的温度控制在14～17℃的范围之内。基于上述分析，将菇棚温度作为研究对象，E、EC作为模糊控制器的输入，其中E为设定温度值与实际温度值的差值。PID控制器的3个参数KP、KI、KD作为输出。设输入变量E、EC和输出变量的KP、KI、KD语言值的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，误差E和误差变化率EC的论域为{－30，－20，－10，0，10，20，30}，KP的论域为{－0．3，－0．2，－0．1，0，0．1，0．2，0．3}，KI的论域为{－0．06，－0．04，－0．02，0，0．02，0．04，0．06}，KD的论域为{－3，－2，－1，0，1，2，3}。为了论域的覆盖率和调整方便，均采用三角形隶属函数。根据对系统运行的分析和工程设计人员的技术知识和实际操作经验，得出KP、KI、KD的模糊控制规则表，如表1所示。利用Simulink工具箱，建立系统的模糊PID控制器的模型，如图5所示。2．2．2系统的仿真菇棚温度的传递函数采用G(s)=e－τsαs+k。其中，α为惯性环节时间常数，α=10．3s/℃;k=0．023;τ=10s，为纯滞后时间。设定菇棚温度值为15℃，常规PID控制器的仿真结果如图6所示，模糊PID控制器的仿真结果如图7所示。结果表明，菇棚温度控制系统采用模糊PID控制器具有超调小、抗干扰能力强等特点，能较好地满足系统的要求。
3Simulink与S7－200PLC数据交换的实现
PCACCESS软件是专用于S7－200PLC的OPC服务器软件，它向作为客户机的MATLAB/OPC客户端提供数据信息。在菇棚温度控制系统中，模糊PID控制器的输出值和反馈值就是Simulink与S7－200PLC进行交换的数据。实现数据交换的具体步骤如下:1)打开软件PCACCESSV1．0SP4，在“MicroWin(USB)”下，单击右键设置“PC/PG”接口，本文选用“PC/PPI(cable)”。然后，右键单击“MicroWin(USB)”进入“新PLC”，添加监控S7－200PLC，本文默认名称为“NewPLC”。右键单击所添加的新PLC的名称，进入“NewItem”添加变量，本文为输出值“wendu1”和反馈值“wendu2”，设置完成，如图8所示。PCACCESS软件自带OPC客户测试端，客户可以将创建的条目拖入测设中心进行测试，观察通信质量，如图9所示。测试后的通信质量为“好”。2)打开MATLAB，在工作空间输入命令“opctool”后，将弹出OPCTool工具箱的窗口，在该窗口的MAT-LABOPCClients对话框下单击右键，进入“AddClient”添加客户端，用户名默认“localhost”，ServerID选择“S7200．OPCServer”;与PCACCESS软件连接成功后，在“S7200．OPCServer”中添加组和项，把在PCACCESS软件中创建的两个变量“wendu1”和“wendu2”添加到项中，操作完成后结果如图10所示。3)新建Simulink文件，导入模糊PID控制器模型，调用OPCWrite模块、OPCRead模块和OPCConfigura-tion模块，设置OPCWrite模块和OPCRead模块的属性，把OPC工作组中的变量“wendu1”添加到OPCWrite模块中，把变量“wendu2”添加到OPCRead模块中，设置完成后两个模块与控制器相连，如图11所示。这样，基于Simulink和S7－200PLC的模糊PID实时温度控制系统的设计就完成了。
4结论
关键词：单片机、温度传感器、模/数转换器
一、单片机温度控制系统的组成及工作原理
在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。以下简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器，信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送单片机，单片机根据输入的温度控制范围通过继电器控制加热设备完成温度的控制。本系统的测温范围为0℃～99℃，启动单片机温度控制系统后首先按下第一个按键开始最低温度的设置，这时数码管显示温度数值，每隔一秒温度数值增加一度，当满足用户温度设置最低值时再按一下第一个按键完成最低温度的设置，依次类推通过第二个按键完成最高温度的设置。然后温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一定范围的温度控制。
二、温度检测的设计
系统测温采用AD590温度传感器，AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数；即： ，式中：Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。
2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃；
3、AD590的电源电压范围为4V～30V；
4、输出电阻为710MW；
5、精度高。
AD590温度传感器输出信号经放大电路放大10倍，再送入模/数转换器ADC0804，转换后送单片机。根据AD590温度传感器特性以及放大10倍后的电压值与现场温度的比较发现，实际温度转换后送入单片机的值与按键输入数值之间有一定的差值，模/数转换器送入单片机的数值是按键输入值得2.5倍。由于单片机不能进行小数乘法运算，所以先对按键输入进行乘5，然后根据运算结果及程序状态字的状态再进行循环右移一位，如果溢出标志位为低电平时直接对累加器进行一次带进位循环右移，如果溢出标志位为高电平时，先对进位标准位CY位置为高电平，然后再进行一次带进位循环右移，通过上述操作使按键输入的温度值与模/数转换器送入单片机的温度值相统一。
三、具体电路连接如图所示
四、软件编程
单片机温度控制系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能实现对温度的控制，需要给单片机编写程序，下面给出了温度控制系统的编程方法。
ORG 00H
START：ANL P1，#00H；显示00
JB
P3.4 ，$ ；T0=0？有键按下？
CALL DELAY1 ；消除抖动
JNB P3.4 ，$；T0=1？放下？
MOV R0 ，#00；计温指针初值
L1： MOV A ， R0 ；计温指针载入ACC
MOV P1 ， A ；输出至P1显示
MOV R5 ， #10 ；延时1秒
A1：MOV R6 ， #200
D1：MOV R7 ， #248 ；0.5毫秒
JNB P3.4 ，L2 ；第2次按下T0？
DJNZ R7，$
DJNZ R6，D1
DJNZ R5，A1
INC A
DA
A
MOV R0 ， A
JMP L1
L2：CALL DELAY1 ；第2次按消除抖动
JB
P3.4 ，L3 ；放开了没？是则
；跳至L3停止
JMP L2
L3: MOV A ，R0
CALL CHANGE
MOV 31H ， A ；下限温度存入31H
JB P3.5 ，$ ；T1=0？有键按下？
CALL DELAY1
；消除抖动
JNB P3.5 ，$ ；T1=1？放开？
MOV R0 ，#00 ；计温指针初值
L4：MOV A ，RO ；计温指针载入ACC
MOV P1 ， A ；显示00
MOV R5 ，#10 ；延时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次按消除抖动
JB
P3.5 ，L6 ；放开了？是则跳至L6
JMP L5
L6：MOV A， RO ；
CALL CHANGE
MOV 30H ，A ；上限温度存入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旧温度寄存
；器初值
AAA：MOVX @R0 ， A；使BUS为高阻抗
；并令ADC0804开始转换
WAIT：JB P2.0 ，ADC ；检测转换完成否
JMP WAIT
ADC：MOVX A ，@RO ；将转换好的值送入
；累加器
MOV 33H ，A ；将现在温度值存入33H
CLR C
；C=0
SUBB A ，32H
JC TDOWN ；C=0取入值较大，表示
；温度上升，C=1表示下降
TUP：MOV A， 33H ；将现在温度值存入A
CLR C
SUBB A ，30H ；与上限温度作比较
JC LOOP ；C=1时表示比上限小须
；加热，C=0表示比上限大，停止加热
SETB P2.1
JMP LOOP
TDOWN：MOV A ，33H ；将现在温度值存入A
CLR C
SUBB A ，31H ；与下限温度作比较
JNC LOOP ；C=1时表示比下限小，须
；加热，C=0表示比下限大
CLR P2.1 ；令P2.1动作
LOOP：MOV 32H ，33H
CLR A
MOV R4 ，#0FFH ；延时
DJNZ R4 ，$
JMP AAA
END
五、结语：
本文给出了用单片机在0℃～99℃之间，通过用户设置温度上限、下限值来实现一定范围内温度的控制；给出了温度控制系统的硬件连接电路以及软件程序，此系统温度控制只是单片机广泛应用于各行各业中的一例，相信通过大家的聪明才智和努力，一定会使单片机的应用更加广泛化。
参考文献
关键词：温度控制；PID；现场实验整定法
PID调节是连续系统中技术最成熟,应用最广泛的一种调节方式。PID调节的实质就是根据输入的偏差值按比例、积分、微分的函数关系进行运算。运算结果用于控制输出。
在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活的改变PID结构，取其中的一部分环节构成控制规律，如比例调节、比例积分调节、比例积分微分调节等，特别在计算机控制系统中，更可以灵活运用，以充分发挥微型机的作用。PID调试最困难的部分是参数的设定与调整，即指系统PID参数整定方法。
本文介绍了PID的三个参数在实际控制中的作用如何设定与调整，及在实际中如何应用。提出了并实际验证了系统PID现场实验整定法在基于单片机基于键盘设定的温度控制系统中实现PID控制的可行性。
1系统设计原理及功能
本系统采用典型的反馈式温度控制系统，数字控制器的功能由AT89C51单片机实现。温度控制系统由DS18B20单总线传感器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号。其中，热敏电阻选用器mf12-26型号，它将温度信号转变为阻值变化信号再经电桥变为0~5v标准电压信号，以供A/D转换用。转换后的数字量与与炉温的给定值数字化后进行比较，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差。炉温的设定值由键盘输入。由单片机构成的数字控制器按最小拍进行计算，计算出所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给由p3.0通过t0调制的pwm波送至ssr,从而改变电烤箱单位时间内电压导通的百分比,从而控制电烤箱加热功率，起到调温的作用。温度控制系统的硬件设计图分别如图1。
1.控制模块：采用ATMEL公司的AT89C51作为控制器的方案；2.温度采集模块：采用数字式温度传感器DS18B20；3.开关电路：采用固态继电器继电器；4.键盘和显示模块：采用独立式键盘；5.电源模块：采用过滤，滤波，稳压等电路实现。
本温度控制系统的对象是电炉，针对日常生活，要求所设计的系统具有软硬件结构简单、成本低廉、可靠性高（即不易出错）等特点。
2PID参数在实际控制中的作用及设定与调整
（1）比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造系统的不稳定。（2）积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强，反之积分作用就弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与其他两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。（3）微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能，在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反映的是变化率，而当输入没有变化是，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。
参数的设定与调整是PID最困难的部分，编程时按经验值设定他们的大概数值，然后通过反复的参数整定才能找到相对比较理想的参数值。面对不同的控制对象参数都不同，所以我们无法提供参考数值，但是我们可以根据这些参数在整个PID过程中的作用原理，来讨论我们的对策。1加温很迅速就达到目标值，但是温度过冲很大：a）比例系数太大，致使在未达到设定温度过冲很大；b）微分系数过小，致使对对象反应不敏感；2加温经常达不到目标值，小于目标值的时间较多：a）比例系数过小，加温比例不够；b）积分系数过小，对恒偏差补偿不足；3基本上能控制在目标上，但上下偏差较大，经常波动：a）微分系数过小，对即时变化反映不够快，反应措施不利；b）积分系数过大，使微分反应被淹没钝化；c）设定的基本定时周期过短，加热没有来得及传到测温点；4受工作环境影响较大，在稍有变化就会引起温度的波动：a）微分系数过小，对即时变化反映不够快，不能及时反应；b）设定的基本定时周期过长，不能及时得到修正；选择一个合适的时间常数很重要，要根据我们的输出单元采用什么器件来确定，如果是采用可控硅的，则可设定时间常数的范围就很自由，如果采用继电器的则过于频繁的开关会影响继电器的使用寿命，所以就不太适合采用较短周期。一般的周期设定范围是1－10分钟较为合适。
3系统PID参数整定方法及计算
系统整定是指选择调节器的比例度、积分时间TI和微分时间Td的具体数值。系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。系统的良好控制效果一般要求：瞬时响应的衰减率(0.75-0.9)（以保证系统具有一定的稳定性储备），尽量减小稳态偏差(余差)、最大偏差和过渡过程时间。
工程上得到广泛应用的PID参数整定方法通常有：动态特性参数法、临界比例度法、衰减曲线法、现场实验整定法等。它直接在过程控制系统中进行，其方法简单，计算简便，而且容易掌握.。在实际应用中，将调节器的整定参数按先比例、后积分、最后微分的程序置于某些经验数值后，再作给定位扰动，观察系统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的δ、TI、Td值，进行反复凑试，以寻求最佳的整定参数，直到控制质量符合要求为止。
控制器设计总体指标可以概括为：稳、准、快，均衡调节以Kp、Ki、Kd三参数则可一定程度上满足上述三个指标的要求。在控制初期，关键要克服各环节的滞后，为了避免积分饱和造成较大超调，Ki应选的小一些。在控制中期，系统偏差以减小，但为了不过分影响稳定性，Ki可适当增大一些。在调节过程后期，为减小稳太误差，提高控制精度，Ki可选取更大一些。在控制初期，为尽快消除偏差，提高响应速度，Kp应该取大一些；在控制过程中期，为了防止超调过大造成震荡，Kp要减小些；在控制过程后期，则要克服超调，使系统尽快稳定，Kp值要再减小一些。纯大滞后系统在控制中，容易产生超调，使系统失稳。其主要原因是：其时滞阶段对误差的积分太大。因此，为了改善纯大滞后系统的相应特性，对积分因子提出了新的要求。
本次测试温度定值，选用PID参数整定方法中的现场实验整定法。现场实验整定法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各控制参数对系统的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。PID控制器各参数对系统的影响是；增大开环比例系数Kp，一般将加快系统的影响速度，在有静差的情况下则有利于减小静差；但过大的比例系数又会加大系统超调，甚至产生振荡，使系统不稳定。在现场实验整定法时，实行先比例、后积分、再微分的反复调整。积分时间和比例时间成反比，积分系数大，即积分时间短，导致超调过大。微分系数和微分时间成正比，微分系数过大，即微分时间过大，导致系统不稳定。
4系统软件设计
软件设计主程序流程图2。其中PID数字控制器是本系统设计的核心，用它对被测参数进行自动调节。
5控制系统调节时间和超调量调试
1.测试仪器：秒表、温度计2.测试方法：由于系统具有温度调节和控制的作用，通过设定欲达到的温度数值，然后对比设定值和实际测量值，测量出系统的最大超调量测量达到设定值所需要的时间（t）以及最终达到终值±0.2℃所需的时间（调节时间）；分析系统响应误差，绘制出系统的响应曲线；完成响应的数据记录。3.测试数据记录：（1）测试传感器DP18B20的，其测试数据如表1所示。(2)达到设定值时间的测试（系统的初始温度为30℃，设定值为53℃）；通过5次观察测试系统达到设定所需要的时间如表2所示。(3)系统最大超调量的测试。通过5次观察测试系统的最大超调量数据如表3所示。(4)观察系统的稳态误差带通过表1测量所得数据显示值与测量值比较可以看出传感起的误差基本上在±0.1之间，由于所采用的温度计的最小刻度值为2℃，所以用温度计所测量的数值存在较大误差。表2中所测量的数值可以看出系统达到所设定温度所需的时间约为135.2s（5次测量所的平均时间）。分析表3中数据可以看出系统的最大超调量约为0.3℃，由于所用的无触点固态继电器在较高的工作频率作用下不会像有触电的继电
器会有误操作动作。经过多次观察得出本系统稳态误差为：0.2℃（约为：0.37%）。
6结语
本系统通过AT89C51单片机，运用数字PID算法，实现了炉温的设定、采集与控制，并且通过键盘可以改变PID控制算法的参数，基本达到了设计的最初要求。由于在实际系统中各方面因素的干扰，往往同一PID参数不能适应各种要求，故设计专门添加了键盘可以改变参数的功能，为系统的调试带来了很大的方便。该系统具有很好的通用性，只要将硬件和软件稍加变动就可控制其他象水位、湿度、转速等工业参数。如加适当的电路系统便可具有温度上下限报警功能等。
参考文献
［1］吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用［M］.北京：清华大学出版社,2000,8.260-265.
［2］李建忠编著.单片机原理及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社,2001.
［3］潘新民,王燕芳编著.微型计算机控制技术［M］.北京：高等教育出版社,2001.
［4］何立民编著.单片机应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社,2000.
［5］韩志军,沈晋源,王振波编著.单片机应用系统设计［M］.北京：机械工业出版社,2005.
关键词：单片机、温度传感器、模/数转换器
一、单片机温度控制系统的组成及工作原理
在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。以下简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器，信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送单片机，单片机根据输入的温度控制范围通过继电器控制加热设备完成温度的控制。本系统的测温范围为0℃～99℃，启动单片机温度控制系统后首先按下第一个按键开始最低温度的设置，这时数码管显示温度数值，每隔一秒温度数值增加一度，当满足用户温度设置最低值时再按一下第一个按键完成最低温度的设置，依次类推通过第二个按键完成最高温度的设置。然后温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一定范围的温度控制。
二、温度检测的设计
系统测温采用AD590温度传感器，AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数；即： ，式中：Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。
2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃；
3、AD590的电源电压范围为4V～30V；
4、输出电阻为710MW；
5、精度高。
AD590温度传感器输出信号经放大电路放大10倍，再送入模/数转换器ADC0804，转换后送单片机。根据AD590温度传感器特性以及放大10倍后的电压值与现场温度的比较发现，实际温度转换后送入单片机的值与按键输入数值之间有一定的差值，模/数转换器送入单片机的数值是按键输入值得2.5倍。由于单片机不能进行小数乘法运算，所以先对按键输入进行乘5，然后根据运算结果及程序状态字的状态再进行循环右移一位，如果溢出标志位为低电平时直接对累加器进行一次带进位循环右移，如果溢出标志位为高电平时，先对进位标准位CY位置为高电平，然后再进行一次带进位循环右移，通过上述操作使按键输入的温度值与模/数转换器送入单片机的温度值相统一。
三、具体电路连接如图所示
四、软件编程
单片机温度控制系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能实现对温度的控制，需要给单片机编写程序，下面给出了温度控制系统的编程方法。
ORG 00H
START：ANL P1，#00H；显示00
JB
P3.4 ，$ ；T0=0？有键按下？
CALL DELAY1 ；消除抖动
JNB P3.4 ，$；T0=1？放下？
MOV R0 ，#00；计温指针初值
L1： MOV A ， R0 ；计温指针载入ACC
MOV P1 ， A ；输出至P1显示
MOV R5 ， #10 ；延时1秒
A1：MOV R6 ， #200
D1：MOV R7 ， #248 ；0.5毫秒
JNB P3.4 ，L2 ；第2次按下T0？
DJNZ R7，$
DJNZ R6，D1
DJNZ R5，A1
INC A
DA
A
MOV R0 ， A
JMP L1
L2：CALL DELAY1 ；第2次按消除抖动
JB
P3.4 ，L3 ；放开了没？是则
；跳至L3停止
JMP L2
L3: MOV A ，R0
CALL CHANGE
MOV 31H ， A ；下限温度存入31H
JB P3.5 ，$ ；T1=0？有键按下？
CALL DELAY1
；消除抖动
JNB P3.5 ，$ ; ；T1=1？放开？
MOV R0 ，#00 ；计温指针初值
L4：MOV A ，RO ；计温指针载入ACC
MOV P1 ， A ；显示00
MOV R5 ，#10 ；延时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次按消除抖动
JB
P3.5 ，L6 ；放开了？是则跳至L6
JMP L5
L6：MOV A， RO ；
CALL CHANGE
MOV 30H ，A ；上限温度存入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旧温度寄存
；器初值
AAA：MOVX @R0 ， A；使BUS为高阻抗
；并令ADC0804开始转换
WAIT：JB P2.0 ，ADC ；检测转换完成否
JMP WAIT
ADC：MOVX A ，@RO ；将转换好的值送入
；累加器
MOV 33H ，A ；将现在温度值存入33H
CLR C
；C=0
SUBB A ，32H
JC TDOWN ；C=0取入值较大，表示
；温度上升，C=1表示下降
TUP：MOV A， 33H ；将现在温度值存入A
CLR C
SUBB A ，30H ；与上限温度作比较
JC LOOP ；C=1时表示比上限小须
；加热，C=0表示比上限大，停止加热
SETB P2.1
JMP LOOP
TDOWN：MOV A ，33H ；将现在温度值存入A
CLR C
SUBB A ，31H ；与下限温度作比较
JNC LOOP ；C=1时表示比下限小，须
；加热，C=0表示比下限大
CLR P2.1 ；令P2.1动作
LOOP：MOV 32H ，33H
CLR A
MOV R4 ，#0FFH ；延时
DJNZ R4 ，$
JMP AAA
END
五、结语：
本文给出了用单片机在0℃～99℃之间，通过用户设置温度上限、下限值来实现一定范围内温度的控制；给出了温度控制系统的硬件连接电路以及软件程序，此系统温度控制只是单片机广泛应用于各行各业中的一例，相信通过大家的聪明才智和努力，一定会使单片机的应用更加广泛化。
参考文献：
关键词:温度控制;PID算法;单片机
中图分类号:TP29文献标识码:A文章编号: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
温度是一个基本的物理量,也是一个极为普遍又极为重要的热工参数之一,几乎所有的科研和生产过程都和温度密切相关。因而,准确地测量和控制温度,对于获得正确的科研数据和保证产品质量都是十分重要的。
本设计主要是对特定空间内的温度进行精准的控制。在一个密闭的空间里,把温度作为控制目标,无论是在启动或设定值的升降,还是各种干扰因素,我们都希望系统能向快、稳、准这三方面靠近。温控系统的控制电路由单片机控制继电器来调节电热丝和风扇达到加热和制冷目的,一旦温度的超调,控制系统的非线性、时滞性和不确定性等相关因素的出现,一般的控制方式达不到要求。因此,在软件上采用PID算法,在硬件上采用PWM(脉宽调制)控制继电器工作,实现升温和降温的处理。
1 整体框架设计
系统是以单片机为控制核心,其整体结构如图1所示,温度传感器从鱼缸中采集温度送入单片机,通过键盘中输入的设定温度进行比较,采用PID控制算法进行处理,通过控制电路对与刚好进行温度调节最后达到稳定,同时显示屏上进行显示当前温度曲线。
2 硬件电路设计
硬件电路包含键盘显示电路和温度采集控制电路两部分内容:
2.1 键盘显示电路
1)键盘电路:系统键盘由四个按键组成,分别实现“设定初始温度加一”,“初始温度减一”,“开始/原始坐标系”,“放大坐标系”等功能。
“设定初始温度加减一”两个按键可以用来设定鱼缸的预置温度;“开始/原始坐标系”是系统进行初始化后用户用来使系统开始工作;系统采用两种坐标系进行温度曲线的显示,“放大坐标系”可以使坐标放大,即使温度曲线精度更高。初始时系统显示曲线范围是0-40摄氏度,放大坐标放温度范围是30-34摄氏度。
2)显示电路:显示电路LCD液晶显示器TS12864A构成,通过控制单片机的I/O来实现浴缸温度在LCD的实时显示。该显示屏可以通过键盘中的放大坐标按键可以调整坐标的范围,使其更有利于观察温度的变化;并能显示温度从开始到稳定所需要的时间。
2.2 温度采集与控制电路
1) 温度采集电路:温度采集电路采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20数字温度采集器组成,该芯片独特的单线接口方式,在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯,该数字温度传感器接线简单,编程方便,可与单片机直接相连。
2) 温度控制电路:温度控制电路主要是执行鱼缸的制冷与升温操作,其控制命令通过分析采集的数据进行判断处理。
温度控制电路中若采集温度高于设定温度,则P1.3端置0,P1.2置1,继电器开关置右边,处于降温状态,反之则P1.3置1,P1.2置1,处于升温状态;若设定温度与采集温度相等则P1.2置0,使继电器两端的加热丝和电风扇的压降为零处于非工作状态。
3 软件系统设计
该系统硬件部分较简单,主要是软件部分的实现,系统上电复位,首先对各存储单元进行初始化,并对LCD进行初始化,显示开机界面,提示是否进入系统,若开始按键按下,则进入系统,判断放大坐标系是否按下,若按下则以温度为30―34坐标系显示,反之,以0―40坐标系显示;调用温度采集程序采集鱼缸温度,并与设定温度进行判断,调用处理子程序进行控制,该温度控制算法采用PID算法来实现。其流程图如图2所示。
4 系统测试
首先通过软件仿真实现系统的功能,最后通过硬件焊接实现了鱼缸的温度控制系统的设计。其仿真的结果如图3所示。
温度调节时间结果记录如表1:
表1 实际测试结果
分析可知,温差相同时,升温时间比降温时间要快,原因在于升温采用电阻丝加热,而降温采用的是12V普通风扇降温,效率较低。若采用加热致冷芯片来完成升温和降温则温度稳定时间会更少。
5 小结
通过软件仿真,系统实际设计制作,最终完成了系统的设计,该系统简单实用,成本低,可靠性强,安装方便简单,可扩展声光报警等功能。
参考文献:
[1] 徐爱钧.8051单片机实践教程[M].北京:电子工业出版社,2005.
