【正文】 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 課程考查報(bào)告 題 目 基于 PID 的電熱 爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 授課教師 蓋寧 學(xué)生姓名 龐德淼 學(xué) 號(hào) 202100802024 專 業(yè) 電子信息工程 教學(xué)單位 物理系 完成時(shí)間 2021年 7 月 5 目 錄 1 緒論 .................................................................................................................................................. 1 2 總體方案設(shè)計(jì) .................................................................................................................................. 2 3 控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì) .............................................................................................. 2 PID 控制器結(jié)構(gòu) : ..................................................................................................................... 2 PID 控制算法 ........................................................................................................................... 3 4 方案論證與選擇 .............................................................................................................................. 5 單片機(jī)型號(hào)的選擇 ................................................................................................................... 6 溫度傳感器的選擇 ................................................................................................................... 6 電熱爐控制模塊 ....................................................................................................................... 6 5 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) .......................................................................................................................... 7 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................................................................................................... 7 單元電路設(shè)計(jì) ........................................................................................................................... 7 6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................................................................................................................ 13 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說明 ................................................................................................................. 13 軟件的有關(guān)算法 ..................................................................................................................... 13 各模塊軟件的流程圖及軟件系統(tǒng)總流程圖 ......................................................................... 15 結(jié)論 ...................................................................................................................................................... 17 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................................. 17 附錄 A WZP 型鉑熱電阻（ Pt100）分度特性表 ............................................................................. 20 附錄 B 總體電路圖 .......................................................................................................................... 21 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 1 基于 PID 的電熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 龐德淼 （德州學(xué)院物理系，山東德州 253023） 摘 要 設(shè)計(jì)由 STC12C5A60S2單片機(jī)、鉑電阻 PT100、 LM324放大器、 DS1302時(shí)鐘芯片、 12864液晶等組成。系統(tǒng)以 STC12C5A60S2為微處理器， PID算法為核心算法。以鉑電阻 (PT100)作為溫度傳感器，采用 三 線制鉑電阻恒流測(cè)溫的方法，減小了測(cè)量電路及 PT100自身的誤差，使溫控精度在 0℃～ 100℃范圍內(nèi)達(dá)到177。 ℃。用 LM324放大器、 A/D轉(zhuǎn)換器對(duì) 溫度采集 信號(hào)進(jìn)行處理 ，通過單片機(jī) PID算法進(jìn)行控制。另外，還設(shè)計(jì)了時(shí)鐘電路模塊，能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。編寫了相應(yīng)的軟件 程序 ,使其實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制和顯示。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：使用簡(jiǎn)便；測(cè)量精確、穩(wěn)定、可靠；測(cè)量范圍大。 關(guān)鍵詞 STC12C5A60S2 DS1302時(shí)鐘芯片 PID 算法 PT100 LM324放大器 1 緒論 隨著科技的發(fā)展和 “ 信息時(shí)代 ” 的到來，作為獲取信息的手段 —— 傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對(duì)其要求越來越高，需求越來越迫切。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。 傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例的分析了解，才能將傳感器和信息通信與信息處理結(jié)合起來，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效，各自都在開發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。其發(fā)展速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。 為了提高 對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一 溫度測(cè)量系統(tǒng) 。文中將傳感器理論與單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)地講述了利用熱電阻作為溫度傳感器來測(cè)量實(shí)時(shí)的溫度，以及實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的原理過程。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 2 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、生產(chǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。本課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度檢測(cè)并顯示溫度和實(shí)時(shí)的時(shí)間。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活移植性強(qiáng)等 優(yōu)點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括溫度傳感器，信號(hào)放大電路， A/D 轉(zhuǎn)換模塊 ，時(shí)鐘模塊，數(shù)據(jù)處理與控制模塊，溫度、時(shí)間顯示模塊六個(gè)部分。文中對(duì) 每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。整個(gè)系統(tǒng)的核心是 PID 算法 進(jìn)行溫度測(cè)量 、控制 與顯示，完成了課題所有要求。 2 總體方案設(shè)計(jì) 電加熱爐控制系統(tǒng)主要包括：微處理器模塊、溫度采樣模塊、 AD 轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、按鍵、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、電源模塊。微處理器模塊選擇以八位單片機(jī) STC12C5A60S2 微處理器為系統(tǒng)的核心，在溫度采樣模塊為 WZP231 鉑熱電阻（ Pt100），采用三線制接法， 采樣電路為橋式測(cè)量電路，其采樣為 50350176。 C，經(jīng)測(cè)量電路采樣后輸出 05V電壓，經(jīng) STC12C5A60S2自帶的 10位 AD 功能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量后送入單片機(jī) STC12C5A60S2 進(jìn)行分析處理，控制雙向可控硅控制模塊。通過按鍵設(shè)置控制參數(shù)， 單片機(jī)根據(jù)公式換算把測(cè)量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并將數(shù)據(jù)送出到 液晶 進(jìn)行顯示。另外，外接一個(gè)時(shí)鐘芯片 DS1302 產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理控制，并 將時(shí)間顯示出來，以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 A / D 轉(zhuǎn)換顯 示模 塊溫 度采 樣S T C 1 2 C 5 A6 0 S 2 微 控開 關(guān) 電路鍵 盤電 熱 爐時(shí) 鐘模 塊 圖 41 系統(tǒng)總體框圖 3 控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì) PID 控制器結(jié)構(gòu) : PID 控制：對(duì)偏差信號(hào) e(t)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律 。 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 3 K D SK PK I / S傳 感 器 （ P t 1 0 0 ）被 控 制 對(duì) 象（ 電 熱 爐 ）++++輸 入反 饋 信 號(hào)被 控 制 量 （ 溫 度 ） 圖 31 PID 控制結(jié)構(gòu)圖 PID 控制算法 PID 是一種在單片機(jī)控制中常用的算法 , PID 控制由于其具有控制方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高和易于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。 其輸入 e (t)與輸出 u (t)的關(guān)系為 ? ??? t dip dtde (t )Kde( τKe (t )Ku(t ) 0 ) ? 數(shù)字 PID 控制算法是以模擬 PID 調(diào)節(jié)器控制為基礎(chǔ)的，由于單片機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量。但是如果采樣周期 T 取得足夠小，采用數(shù)值計(jì)算的方法逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)控制十分接近。離散化后的 PID 算式為： ? ? 00 1 ueeTTeTTeKu ij iidjiii??????? ???? ?? ? 式中： K : 比例系數(shù) uo : 偏差為零時(shí)的控制作用 Ti : 積分時(shí)間 Td : 微分時(shí)間 T : 采樣時(shí)間 。 以上公式稱為位置式算法。由它可推出增量式算法： ? ??????? ??????? ??? 211 2 iiidiiiiieeeTTeTTeeKu 在 本設(shè)計(jì)中采用了增量式算法，這是由于增量式算法只需保持以前三個(gè)時(shí)刻的偏差即可，既節(jié)省了資源又不會(huì)產(chǎn)生較大的積累誤差。式中各系數(shù)由反復(fù)實(shí)踐后確定，實(shí)驗(yàn)證明，這種控制方式可以加快系統(tǒng)階躍響應(yīng)、減小超調(diào)量，并具有較高的精度。 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 4 （ 1） 比例（ P）控制 : +U i( t )U o ( t )R 1R 2 圖 32比例（ P）控制框圖 21