2011基于AT89C52单片机的温度监测控制系统研究全文

基于AT89C52单片机的温度监测控制系统研究
摘要：本文论述了基于A T89C52单片机的温度监测控制系统的原理、硬件构成、PID控制方法，并给出了温度监测控制系统的稳定性措施方案。

关键词：AT89C52；单片机；温度控制；PID
在现代工业高度发展的今天，许多环节对于温度的测量、监测、控制依然必不可少。

作为工业系统的重要参量之一，作为表征物体冷热程度的温度，关系到系统工作的安全性、稳定性。

在许多系统中，温度还作为其直接控制参量，参与系统的算法控制，实现系统的有效工作程序。

本文就通过单片机系统，实现对温度的控制展开探讨和研究。

1 温度监控方法
温度监测控制技术在理论上已经发展成熟，在技术应用层面上包含2个方面的内容：其一是对温度的测量，其二是对温度的控制；测量是温度控制的基础，温度控制反过来又影响测量、温度的数据采集、A/D转换的准确性等。

在对温度的监测控制方法上，目前比较常用的有定值开关控制法、PID线性温度控制法、智能温度控制法。

这三种温度控制方法特点不一。

定值开关控制法，是通过模拟电路实现对温度的控制，温度高于设定值时，关断加热装置，开启冷却设备；当温度低于设定值时，关断冷却装置开启加热装置。

这种方法具有一个明显的缺陷，即温度变化的滞后性、且温变较大，不适合精度高的系统。

PID线性温度控制法，控制的品质主要取决于三个PID参数，但当对象环境发生变化时，PID的三个参数需要重新调节。

智能温度控制法，是将智能控制与PID控制结合，通过模糊控制、神经网络等实现PID参数的自动整定。

本文采用的温度控制方法是最后一种，PID线性温度控制法[1]。

2 系统构成
根据设计要求，本系统要实现对温度的恒值控制，要求被控温度在350℃，精度范围±0.15%，系统设计框架及实现的主要功能如下。

2.1 总体框架
系统有硬件电路和软件电路2大部分构成。

其中硬件电路的构成如图1所示。

图1 系统硬件框图
2.2 系统功能
该系统必须要实现的主要功能如下：
(1) 能够实现对温度的外界写入，从PC键盘可以实现对温度设定值的设定和修改；
(2) 能够实现温度的自动恒值保持，即输入温度设定值T1时，系统可以在精度的要求范围内，实现对设定值的追踪，并在要求的时间内达到设定值；
(3) 系统状态和温度，可以通过液晶面板或电脑屏幕实现实时显示功能；
(4) 系统性能的可靠性和安全性功能，主要是对过温保护，当系统出现温度异常或超过规定的限制值时，过温保护电路通过断电、暂停工作的方式能够完成过温保护；
(5) 高度的可维护性，模块化设计；
(6) 系统体积小、功能强、成本低并且抗干扰。

3 硬件系统
3.1 工作原理
硬件系统主要包括控制主电路、采样保持电路、A/D转换电路、保护电路，如图1所示。

以AT89C52作为温度控制系统的核心，通过Pt100将采集到的温度信号转换成电压信号，再经过AD转换成数字量。

之后，通过数字滤波，实现温度显示。

而，对温度的恒值控制采用PID闭环，控制双向可控硅内的通断占空比来实现温控。

在出现过温时，保护电路进入工作状态对系统实施安全保护。

3.2 电路器件选择
根据系统的功能实现的要求，系统采用以AT89C52作为主控制电路控制芯片实现对温度控制系统地恒温控制和调节。

A T89C52具有运算速度快，可兼容MCS-51系列单片机，而且具有丰富的内部资源[2]。

对温度的采集通过温度传感器实现，采用Pt100铂电阻，它具有良好的温度特性，但Pt100铂电阻具有典型的非线性特征，所以必须注意的问题是在对系统进行温度采集、数据处理时，必须要对Pt100铂电阻的温度特性进行线性化处理。

在其他芯片、电子元器件的选择上，尽量选择典型、常见、便于替换的器件，以实现系统的高度可维护性。

4 软件系统
软件系统主要控制主程序、控制算法、输入输出模块等。

4.1 编程语言
系统的软件控制可以通过对A T89C52进行汇编或以C语言编程实现。

鉴于对系统语言的可维护性高、可移植性，我们选择C作为系统的工作语言进行编程。

同汇编语言相比较，C具有典型的优势：(1) 应用广泛，适用范围大，具有良好的可移植性；(2 ) 层次清晰，控制语句结构化[3]。

4.2 主程序
系统主程序主要实现系统的上电后对控制芯片的初始化、串口初始化、A/D初始化等。

然后，监测温度设定情况，判断温度过温与否，是否需要启动过温保护电路，以及控制系统运行。

主程序流程图如图2所示。

代码略。

4.3 控制算法
根据系统对温度控制的恒温要求，以简单、实用、可操作性强为前提和原则，我们确定系统的控制算法为经典PID算法，实现对系统温度的恒值操作。

经典PID具有良好的鲁棒性、可靠性，设计系统的温度PID控制器，通过实验得出PID控制器的三个参数，K p，K i，K d，之后通过Matlab C代码实现温度控制算法。

图2 系统主程序流程图
结果
依据整定结果，得出K p，K i，K d三个整定值分别为K p=1.70，K i =0.0120，K d=3。

根据Matlab仿真结果，系统的阶跃响应的动态性较理想，峰值响应为1.014，超调量1.6%，稳态误差为0.005，在系统要求的精度控制范围之内。

参考文献
[1] 刘国强,唐东红,李兴伟. 基于A T89C51单片机的高精度测温系统的研制[J].仪器仪表学报,
2005, (S1)
[2] 陈国将. 基于模糊PID控制的玻璃纤维机械温度控制系统研究[D].西安建筑科技大
学, 2006
[3] 陈忠华. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现[D].大连理工大学, 2006。