畢業(yè)論文-基于at89c51單片機的pid溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(已修改)
2025-06-22 10:45 本頁面
【正文】 集美大學(xué)誠毅學(xué)院 控制系統(tǒng)綜合設(shè)計 專業(yè) 班級 姓 名 學(xué) 號 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 日 期 一、 引言 進(jìn)入 21 世紀(jì)后， 自動控制 正朝著高精度、多功能、標(biāo)準(zhǔn)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(luò)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(xué)研究和生產(chǎn)實踐的諸多 領(lǐng)域中 ,溫度控制占有著極為重要的地位 , 溫度控制技術(shù)是一種比較重要的工業(yè)技術(shù)，不僅在化工，航天，航空，醫(yī)療等高科技領(lǐng)域，在食品、機械、冶金、化工、建材、石油等工業(yè)領(lǐng)域 ,占據(jù)著具有舉足輕重的作用。在我們?nèi)粘５纳钪?，我們也是?jīng)常應(yīng)用到的。 隨著工業(yè)技術(shù)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(dá)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(jìn)的溫度控制方式，如： 直接數(shù)字控制（ DDC），推斷控制，預(yù)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(luò)及遺傳算法控制等 [1]。這些控制技術(shù)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(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。 仿真技術(shù)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(shù)。仿真系統(tǒng)將應(yīng)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(yù)測可能發(fā)生的問題，達(dá)到避免故障、 安全控制的目的。有關(guān)專家預(yù)言，在 2l 世紀(jì)，仿真技術(shù)的發(fā)展必將對經(jīng)濟(jì)、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(jìn)的控制算法提供的載體，許多高性能的新型機種應(yīng)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(lǐng)域和其他測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)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(yīng)用，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，一些設(shè)備對溫度的控制要求越來越高。在溫度控制技術(shù)在溫度控制當(dāng)中， PID 控制技術(shù)應(yīng)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(shè)計的溫度控制系統(tǒng) 。 二、 本 控制系統(tǒng)的綜述 此次課程設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)，以單片機 AT89C51 為控制核心。主要內(nèi)容是通過 Pt100 溫度傳感器，將水壺的溫度值轉(zhuǎn)化成電阻 值。再通過自設(shè)計的溫度變送器進(jìn)行 放大輸出電壓量，由 AD模 塊（ ADC0809 芯片）將電壓信號采集進(jìn)單片機。與我們系統(tǒng)的給定值 rk進(jìn)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(qū)動功率模塊實現(xiàn)對水壺的溫度控制。 此次課程設(shè)計采用的控制算法采用的是 BangBang PID 算法，當(dāng)溫度低于設(shè)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(yù)估算法。 本次課程設(shè) 計的目的在于，在對水壺溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計中，了解溫度控制系統(tǒng)基本的控制方案。將理論應(yīng)用與實際，對過程控制技術(shù)、自動控制技術(shù)的應(yīng)用得到一定的提升。 三、 溫度控制系統(tǒng) 硬件設(shè)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(guān)系。 在變送器模塊設(shè)計中 為了將溫度的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化，需設(shè)計一個恒流電路，使電阻的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化。根據(jù)公式： Vt=Rt Is=100 Is+ Is， 故需要設(shè)計一個恒壓抬高電路，抵消 100 Is，使溫度與電壓呈線性關(guān)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)計完成后，對各電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得傳感器輸入為 0~100℃，輸出為 0~5V。對水壺的水溫進(jìn)行測量，將得到的溫度及對應(yīng)的電壓值用 Excel進(jìn)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(biāo)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(diào)試后，基本上能夠滿足線性要求。 、 功率可調(diào)模塊 功率可調(diào)模塊選用 EUV10A ? ，該模塊采用單片機設(shè)計，可實現(xiàn)軟啟動、軟停車功能，廣泛應(yīng)用于交直流電機調(diào)速，單相 220VAC、 380VAC 變壓器初級原邊調(diào)壓、電磁鐵振動、調(diào)光、焊機、電鍍等功率調(diào)節(jié)場合。 技術(shù)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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