MCU的PID水箱温度控制器设计
MCU的PID水箱温度控制器设计[20200128191127]
【摘要】
本文从硬件和软件两方面来讲述水温的自动控制过程，在控制过程中主要应用AT89C51、DS18B20、MAX232等，而主要是通过DS18B20数字温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件。软件方面采用汇编语言来进行程序设计，这样可以使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加的简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。
而系统的过程则是：首先，设定恒温运行时的温度值。然后，在运行过程中将采样的温度数字量送入单片机，最后用单片机来控制加热器，进行加热或停止加热，直到能在规定的温度下恒温加热。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】单片机系统传感器数据采集模数转换器温度
一、引言 1
（一）课题研究的背景及意义 1
（二）国内外研究现状和发展 1
（三）本设计的主要研究内容及设计思路 2
二、系统硬件设计 2
（一）系统设计方案 2
（二）主控模块器件选型及设计 2
1.单片机的选用 2
2. 数字温度传感器 DS18B20 5
3.RS-232总线接口芯片 MAX232 7
（三）硬件系统功能模块设计 10
（四）硬件系统电路连接设计 12
1.温度检测电路 12
2.继电器控温电路 12
3.串口通信接口电路 13
4.外部电路 13
（五）PID控制算法 14
1.PID控制理论 14
2.增量式PID控制算法程序流程图 15
三、 系统软件设计 15
（一）软件设计思想 15
（二）软件组成 15
（三）电脑显示温度界面 18
总结 19
谢辞 20
参考文献 21
附录 温度控制系统源程序 22
（一）DS18B20温度传感器 22
（二）PID控制 30
一、引言
（一）课题研究的背景及意义
二十一世纪是科学技术高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，需要对各种参数进行温度测量。温度一词在生产生活中所出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语，同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。如在日趋发达的工业生产中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行；在农业中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。
温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个十分重要且普遍的参数。温度的测量及其控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中占据了首位。而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来用于满足生产生活中的需要。
单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中可以得到广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中担负着重要的测量任务。在日常生活中，也能广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量，如果采用相适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但却成本较高，电路复杂。
（二）国内外研究现状和发展
温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。
在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是： 简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。
温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。
（三）本设计的主要研究内容及设计思路
本课题以水为测量对象，温度测量电路接收传感器的信号，并将模拟信号通过模/数转换器转换为数字信号，送入单片机系统，与预设的温度对比，通过一定的控制算法，控制继电器的通断，从而控制加热器的工作，使得水温维持在设定的温度。温度控制算法精确控制温度加热，以温度最小为优化目标。
温度是工业控制对象的主要的被控参数之一，如冶金，机械，食品，化工各类工业中广泛使用的各种加热炉，热处理炉，反应炉等。在过去多是采用常规的模拟调节器对温度进行控制，本课题采用了单片微型机对温度实现自动控制。[6]
使用单片机对其进行温度自动控制，难度就在于测量温度和单片机输出的温度误差是不是太大，导致无法输出，利用ATMEL单片机核心程序对其进行编码，实现温度在一段范围内的变化，实验成功控制语言的代码，并进行烧片，烧片成功后，运行实验，若能看到实验的结果，则实验完成。
二、系统硬件设计
（一）系统设计方案
本课题首先从数字温度传感器DS18B20从水箱的不同位置采集温度，并将数字信号送入AT89C51单片机系统，单片机获取采集的温度值，经过处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，根据PC机上设定的温度上下限值，再通过PID控制算法控制继电器的通断，从而控制加热器的工作，使得水箱温度维持在设定温度值，当数字温度传感器采集的温度经单片机处理后没有达到设定的温度值时，单片机通过PID控制算法控制继电器开启升温设备（加热器）。
图2-1 系统框图
（二）主控模块器件选型及设计
1.单片机的选用
AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。而在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求非常低，开发时间也能大大缩短。
AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可以构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k，四个I/O口就会全部提供给用户。可采用5V的电压来编程，而且写入时间仅10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89C51 芯片有三级程序存储器锁定加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。另外，AT89C51还同时具有MCS-51系列单片机的所有优点。128×8位内部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时器/计时器，5个中断源，两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51具有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的，当外围器件仍然处于工作状态时，CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态，内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态会被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是指VCC电压低于电源下限，当振荡器停止振动时，CPU停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值会保持不变，一直到掉电模式被终止。只有在VCC电压恢复到正常工作范围内并且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式才可被终止
【摘要】
本文从硬件和软件两方面来讲述水温的自动控制过程，在控制过程中主要应用AT89C51、DS18B20、MAX232等，而主要是通过DS18B20数字温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件。软件方面采用汇编语言来进行程序设计，这样可以使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加的简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。
而系统的过程则是：首先，设定恒温运行时的温度值。然后，在运行过程中将采样的温度数字量送入单片机，最后用单片机来控制加热器，进行加热或停止加热，直到能在规定的温度下恒温加热。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】单片机系统传感器数据采集模数转换器温度
一、引言 1
（一）课题研究的背景及意义 1
（二）国内外研究现状和发展 1
（三）本设计的主要研究内容及设计思路 2
二、系统硬件设计 2
（一）系统设计方案 2
（二）主控模块器件选型及设计 2
1.单片机的选用 2
2. 数字温度传感器 DS18B20 5
3.RS-232总线接口芯片 MAX232 7
（三）硬件系统功能模块设计 10
（四）硬件系统电路连接设计 12
1.温度检测电路 12
2.继电器控温电路 12
3.串口通信接口电路 13
4.外部电路 13
（五）PID控制算法 14
1.PID控制理论 14
2.增量式PID控制算法程序流程图 15
三、 系统软件设计 15
（一）软件设计思想 15
（二）软件组成 15
（三）电脑显示温度界面 18
总结 19
谢辞 20
参考文献 21
附录 温度控制系统源程序 22
（一）DS18B20温度传感器 22
（二）PID控制 30
一、引言
（一）课题研究的背景及意义
二十一世纪是科学技术高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，需要对各种参数进行温度测量。温度一词在生产生活中所出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语，同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。如在日趋发达的工业生产中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行；在农业中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。
温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个十分重要且普遍的参数。温度的测量及其控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中占据了首位。而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来用于满足生产生活中的需要。
单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中可以得到广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中担负着重要的测量任务。在日常生活中，也能广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量，如果采用相适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但却成本较高，电路复杂。
（二）国内外研究现状和发展
温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。
在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是： 简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。
温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。
（三）本设计的主要研究内容及设计思路
本课题以水为测量对象，温度测量电路接收传感器的信号，并将模拟信号通过模/数转换器转换为数字信号，送入单片机系统，与预设的温度对比，通过一定的控制算法，控制继电器的通断，从而控制加热器的工作，使得水温维持在设定的温度。温度控制算法精确控制温度加热，以温度最小为优化目标。
温度是工业控制对象的主要的被控参数之一，如冶金，机械，食品，化工各类工业中广泛使用的各种加热炉，热处理炉，反应炉等。在过去多是采用常规的模拟调节器对温度进行控制，本课题采用了单片微型机对温度实现自动控制。[6]
使用单片机对其进行温度自动控制，难度就在于测量温度和单片机输出的温度误差是不是太大，导致无法输出，利用ATMEL单片机核心程序对其进行编码，实现温度在一段范围内的变化，实验成功控制语言的代码，并进行烧片，烧片成功后，运行实验，若能看到实验的结果，则实验完成。
二、系统硬件设计
（一）系统设计方案
本课题首先从数字温度传感器DS18B20从水箱的不同位置采集温度，并将数字信号送入AT89C51单片机系统，单片机获取采集的温度值，经过处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，根据PC机上设定的温度上下限值，再通过PID控制算法控制继电器的通断，从而控制加热器的工作，使得水箱温度维持在设定温度值，当数字温度传感器采集的温度经单片机处理后没有达到设定的温度值时，单片机通过PID控制算法控制继电器开启升温设备（加热器）。
图2-1 系统框图
（二）主控模块器件选型及设计
1.单片机的选用
AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。而在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求非常低，开发时间也能大大缩短。
AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可以构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k，四个I/O口就会全部提供给用户。可采用5V的电压来编程，而且写入时间仅10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89C51 芯片有三级程序存储器锁定加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。另外，AT89C51还同时具有MCS-51系列单片机的所有优点。128×8位内部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时器/计时器，5个中断源，两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51具有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的，当外围器件仍然处于工作状态时，CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态，内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态会被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是指VCC电压低于电源下限，当振荡器停止振动时，CPU停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值会保持不变，一直到掉电模式被终止。只有在VCC电压恢复到正常工作范围内并且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式才可被终止
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