2023年基于单片机的软件实现PID温度控制系统.doc

姓名： 专业： 学号： 学科： 基于单片机的软件实现PID温度控制系统 引言 随着控制理论和电子技术的开展，工业控制器的高精度性要求越来越高，其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小，本钱低，功能强，简便易行而得到广泛应用。温度控制器作为一种重要的控制设备，在化工，食品等诸多工业生产过程和家用 电器中得到了广泛的应用，本文主要讨论在家用电器电冰箱中得到广泛应用的数 字PID控制，在单片机温度控制系统中的应用。通过对实验数据的分析说明单片机的温度控制系统设计的合理性和有效性。 1硬件系统设计 本文所研究的温度控制系统硬件局部按功能大致可以分为以下几个局部：单片机主控模块，输入通道输出通道等 。硬件总体结构框图如以下图。图1中，温度控制系统以单片机为核心，并扩展外部存储器，构成主控模块零度保鲜箱的温度由铂Pt100电阻温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，再通过位的转换器转换成数字量，此数字量经过数字滤波之后，一方面将零度保鲜箱的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来，另一方面将该温度值与设定的温度 值进行比拟，根据其偏差值的大小，采用控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比，即控制零度保鲜箱制冷平均功率的大小，进而到达对零度保鲜箱温度进行控制的目的。控制系统电路的核心器件是Atmel公司生产的单片机,图2所示.它是一种低功耗低电压高性能的位单片机片，内带有一个的可编程可擦除只读存储器，它采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术。其输出引脚和指令系统都与MCS51兼容且价格低廉,性能可靠,抗干扰能力强,因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统 中。为了节省本钱和体积采用多路选择开关和AD7705模数转换器协同工作，组成多路数据 采集系统. AT24C02是Atmel公司生产的EEPROM器件,存储容量256字节可擦写次数达100万次,主要用来存储设定温度。 2软件实现PID控制 PID控制是最早开展起来的控制策略之一,在微机测控系统中,软件与硬件同样重要.硬件是系统的躯体,软件那么是灵魂,当系统的硬件电路设计好之后,系统的主要功能还是要靠软件来实现,而且软件的设计在很大程度上决定了测控系统的性能,很多的单片机软件系统都是采用如图2所示的前后台系统也称超循环系统。其中，应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作。这 局部可以看成是后台行为。中断效劳程序处理异步事件这局部可以看成是前台行为，后台也可以叫做任务级前台，也可以叫做中断级。时间相关性很强的关键操作一 定是靠中断效劳来保证的。本系统软件正是基于这种软件思想编制的。 由于整个系统软件相比照拟庞大，为了便于编写，调试，修改和增删，系统软件的编制采用了模块化的设计，即整个控制软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接 ，遵循模块内部数据关系紧凑，模块之间数据关系松散的原那么。按功能形成模块化结构。系统的软件主要由主程序模块，数据采集模块，数据处理模块，控制算法模块等组成。主模块的功能是为其余几个模块构建整体框架及初始化工作，数据采集模块的作用是将A/D转换的数字量采集并储存到存储器中，数据处理模块是将采集到的数据进行一系列的处理，其中最重要的是数字滤波程序，控制算法模块完成控制系统的运算并且输出控制量。 2.1主程序模块 主程序模块要做的主要工作是上电后对系统初始化和构建系统整体软件框架，其中初始化包括对单片机的初始化，A/D芯片初始化和串口初始化等。然后等待温度设定，假设温度已经设定好了，判断系统运行键是否按下，假设系统运行，那么依次调用各个相关模块，循环控制直到系统停止运行，主程序模块的程序流程如图3所示。 2.2增量式PID控制算法 PID控制的增量式为 因为在计算机控制中a0,a1,a2都可以事先求出,所以实际控制时只须获得e(k),e(k-1),e(k-2)三个有限的偏差值就可以求出控制增量.增量式PID控制算法优点: 增量式中只须计算增量,算式中不需要累加,控制增量确实定仅与最近几次偏差采样值有关,当存在计算误差或者精度缺乏时,对控制量的影响较小,且较容易通过加权处理获得比拟好的控制效果. 由于计算机只输出控制增量,所以误动作影响小,而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉,对系统安全运行有利. 手动自动切换时冲击比拟小. 鉴于以上优点,本系统的控制算法即采用增量式的PID控制算法.其程序流程如图4所示 2.3PID参数整定 扩充响应曲线法不需要预先知道对象的动态特性，而是直接在闭环系统中进行PID参数整定的.如果系统的动态特性曲线,数字控制器的参数也可以采用扩充响应曲线法进行整定. 3 MATLAB仿真结果 通过对上述的整定方法的综合运用,整定后得到PID控制器的参数为Kp=1.75,Ki=0.0125,Kd=3. 在MATLAB环境下建立温度控制系统的仿真模型,结果如图5所示,仿真后得到系统的阶跃响应曲线如图6和图7所示 由图6和图7可以看出,系统阶跃响应的动态性能还是比拟理想的,超调很小,系统的响应误差是也是比拟小的,稳态误差为0.005,在系统要求的精度范围之内. 4总结 本文设计的温度控制系统具有本钱低，控制可靠等优点。经过实验验证该温度控制系统到达了预期的设计要求。同时，该控制系统作为一个嵌入式温度控制系统适合温度控制精度高的场合。