畢業(yè)論文-基于at89c51單片機的pid溫度控制系統(tǒng)設計(已修改)
2025-06-22 10:45 本頁面
【正文】 集美大學誠毅學院 控制系統(tǒng)綜合設計 專業(yè) 班級 姓 名 學 號 姓 名 學 號 指導教師 日 期 一、 引言 進入 21 世紀后， 自動控制 正朝著高精度、多功能、標準化、高可靠性及安全性 發(fā)展。溫度控制也正朝著 開發(fā)虛擬溫度控制器和網(wǎng)絡溫度控制器、研制單片測溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。 溫度已成為工業(yè)對象控制中一種重要的參數(shù) ， 在科學研究和生產(chǎn)實踐的諸多 領域中 ,溫度控制占有著極為重要的地位 , 溫度控制技術是一種比較重要的工業(yè)技術，不僅在化工，航天，航空，醫(yī)療等高科技領域，在食品、機械、冶金、化工、建材、石油等工業(yè)領域 ,占據(jù)著具有舉足輕重的作用。在我們日常的生活中，我們也是經(jīng)常應用到的。 隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足高精度、高速度的控制要求。如接觸器溫度控制儀表，其主要缺點是溫度波動范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如： 直接數(shù)字控制（ DDC），推斷控制，預測控制，模糊控制（ Fuzzy），專家控制 (Expert Control)，魯棒控制（ Robust Control），推理控制等 ， PID 控制，神經(jīng)網(wǎng)絡及遺傳算法控制等 [1]。這些控制技術大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。 仿真技術的優(yōu)良特性和巨大效益，可能將成為今后人們特別重視和大力發(fā)展的綜合技術。仿真系統(tǒng)將應用于人類生產(chǎn)實踐的全過程，這樣可以避免決策失誤，可以預測可能發(fā)生的問題，達到避免故障、 安全控制的目的。有關專家預言，在 2l 世紀，仿真技術的發(fā)展必將對經(jīng)濟、社會以及人們的觀念產(chǎn)生巨大影響。 MATLAB 具有以下幾個特點： 力 豐富的工具箱 。 單片微型計算機的功能不斷的增強，為先進的控制算法提供的載體，許多高性能的新型機種應運而生。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化領域和其他測控領域中廣泛應用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機更是起到了不可替代的核心作用。像用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的坩鍋電阻爐等類似工業(yè)用加熱爐中都可以廣泛應用，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，一些設備對溫度的控制要求越來越高。在溫度控制技術在溫度控制當中， PID 控制技術應用相對來說比較廣泛， PID 控制器算法簡單，計算量小，恒溫效果穩(wěn)定。 本文則以單片機（ C 51）為核心、 PID 算法為控制方式、 MATLAB 仿真 、串口通訊 而設計的溫度控制系統(tǒng) 。 二、 本 控制系統(tǒng)的綜述 此次課程設計的溫度控制系統(tǒng)，以單片機 AT89C51 為控制核心。主要內容是通過 Pt100 溫度傳感器，將水壺的溫度值轉化成電阻 值。再通過自設計的溫度變送器進行 放大輸出電壓量，由 AD模 塊（ ADC0809 芯片）將電壓信號采集進單片機。與我們系統(tǒng)的給定值 rk進行比較得到誤差量 ek，采用 PID 控制算法得到控制量。將控制量經(jīng) DA 模塊（ DAC0832 芯片）產(chǎn)生電壓信號驅動功率模塊實現(xiàn)對水壺的溫度控制。 此次課程設計采用的控制算法采用的是 BangBang PID 算法，當溫度低于設定范圍以下，可以使溫度較低時能夠快速的升溫。水壺的溫度控制也可采用 模糊控制算法等智能控制算法，并且溫度系統(tǒng)存在較大的滯后，也可以增加 Smith預估算法。 本次課程設 計的目的在于，在對水壺溫度控制系統(tǒng)的設計中，了解溫度控制系統(tǒng)基本的控制方案。將理論應用與實際，對過程控制技術、自動控制技術的應用得到一定的提升。 三、 溫度控制系統(tǒng) 硬件設計 、 溫度變送器模塊 Pt100 的 電 阻 受 溫 度 的 變 化 而 變 化 ， 其 計 算 公 式 ：Rt=R0(1+aT)=100(1+)，其中 T 為溫度， Rt 的單位為歐姆， Rt 與溫度呈有一個零點的線性關系。 在變送器模塊設計中 為了將溫度的變化轉化成電壓的變化，需設計一個恒流電路，使電阻的變化轉化成電壓的變化。根據(jù)公式： Vt=Rt Is=100 Is+ Is， 故需要設計一個恒壓抬高電路，抵消 100 Is，使溫度與電壓呈線性關系。最后，由于 Pt100 的電路產(chǎn)生的電壓變化比較小，所以還需要設計放大電路。 圖 2 溫度變送器原理圖 由圖 2可知： （ 1） 系統(tǒng)前級電路 由三極管、二極管和穩(wěn)壓管組成的電路產(chǎn)生恒定的電流Is， 使 Vi隨 溫度的變化而變化 ； （ 2） Vi 為鉑電阻的轉換電壓， U1和 U2 組成二級放大器， Vi1為一級放大電壓， V11 抬高電壓， Vo 為最終輸出電壓 (0~10V),Vo1 輸出 0~5V； （ 3） U3 是射極跟隨器，產(chǎn)生穩(wěn) 定的抬高電壓 V11。 圖 3 溫度變送器實物圖 溫度變送器設計完成后，對各電位器進行調節(jié)，使得傳感器輸入為 0~100℃，輸出為 0~5V。對水壺的水溫進行測量，將得到的溫度及對應的電壓值用 Excel進行繪圖并擬合。 溫度（℃） 12 20 30 40 50 60 70 80 90 100 電壓（ V） 表 1 溫度與采集電壓數(shù)據(jù)表 圖表標題y = + 01234560 20 40 60 80 100 120電壓線性 ( 電壓) 圖 4 溫度與采集電壓曲線圖 擬合公式為： y=+ (1) 其中 y 表示水溫， x 表示輸出電壓。經(jīng)過調試后，基本上能夠滿足線性要求。 、 功率可調模塊 功率可調模塊選用 EUV10A ? ，該模塊采用單片機設計，可實現(xiàn)軟啟動、軟停車功能，廣泛應用于交直流電機調速，單相 220VAC、 380VAC 變壓器初級原邊調壓、電磁鐵振動、調光、焊機、電鍍等功率調節(jié)場合。 技術參數(shù) ? 工作電壓 220VAC、 380VAC ? 有效值電流 10A ? 偏置電壓 Vb 12VDC
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