电加热器温度的数字PID控制毕业论文
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ABSTRACT
Temperature is an important physical quantities,The Temperature's measurement and control are very important In industrial production and scientific research work.This article introduces a automatic digital water's temperature control system using the STC89C52 microcontroller as the detect and control center.The temperature measurement part uses the one bus integrated temperature sensor DS18B20 ,which making the system more Simple and reliable,And easy to operate.Temperature setting part is made up of four separate buttons，and Display part adopts four LedDisplayto display, which made the system easy and efficient.The Temperatureis controled by thePIDDigital control algorithm.Theheater uses the common fast heater which the Ordinary families commonly used.
Convert Temp erature(温度变换) [ 44H]
RecallEPROM(重新调出) [B8H]
Read Power supply (读电源) [B4H]
（4）时序
主机使用时间隙(tim e slots)来读写DSl820的数据位和写命令字的位。
初始化
主机总线在开始时刻发送一复位脉冲(最短为480μS的低电平信号)接着在下一时刻释放总线并进入接收状态DSl820在检测到总线的上升沿之后等待15 -6 0u s接着DS18B20在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续60-240 μS).
13数字温度传感器ds18b20131单线数字温度计dsl8b20介绍18b20数字温度计提供9二进制温度读数指示器件的温度信息经过单线接l8b20l8b20送出因此从主机cl8b20仅需一条线l8b20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源因为每一个dl820在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个dl8b20可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件dl8b20的测量范围从55到125增量值为典型值内把温度变换成数字每一个dl8b20包括一个唯一的64l8b20内部的r只读存贮器中开始8位是产品类型编码8b20编码均为10h接着的48位是每个器件唯一的序号最后8位是前面56l8b20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器号存贮器存放温度值的符号如果温度为负号存贮器8位全为1否则全为0表示05将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值55125132dsl8b20工作过程及时序l8b20工作过程中的协议如下西安外事学院本科毕业设计论文1初始化单总线上的所有处理均从初始化开始操作指令总线主机检测到dl820的存在便可以发出r操作命令之一指令代码larm3存储器操作命令指令代码4时序主机使用时间隙timl820的数据位和写命令字的位初始化主机总线在开始时刻发送一复位脉冲最短为480的低电平信号接着在下一时刻释放总线并进入接收状态dl820在检测到总线的上升沿之后等待1518b20在t2时刻发出存在脉冲低电平持续6024018b20连接图18b20的连接电路如图13所示
1.6.3光耦器件MOC3040……………………………………………………….....8
1.7.1可控硅简介……………………………………………………………………8
前言
温度控制已成为工业生产、科研领域中很重要的一个环节,能否成功地将温度控制在需要的围关系到整个工作的成败。由于控制对象的多样性和复杂性,导致采用的温控手段也具有多样性。采用PID控制原理研制成适合用于小型电加热器的温度控制器。该控制器能够达到很好的控制效果,若精心选择PID的各种参数,温度控制的精度可以达到±0.05℃。
图1.5按键连接图
1
1.6.1光电耦合器件简介
1.3.2 DSl8B20工作过程与时序……………………………………………...........5
1.3.3 DS18B20连接图………………………………………………………...........5
1.6.1光电耦合器件简介……………………………………………………………7
1.6.2光电隔离技术的应用…………………………………………………………7
8.具有EEPROM功能；
9.具有看门狗功能；
10.共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2；
11.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；
12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；
13.工作温度围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。
STC89C52的主要特性如下：
1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；
2.工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）；
3.工作频率围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz；
1.3.2DSl8B20工作过程与时序
DSl8B20工作过程中的协议如下:
初始化RoM操作命令存储器操作命令处理数据
（1）初始化
单总线上的所有处理均从初始化开始
（2）ROM操作指令
总线主机检测到DSl820的存在便可以发出ROM操作命令之一
指令代码
ReadROM(读R OM ) [33H]
MatchROM(匹配ROM) [55H]
1.2.1单片机STC89C52
STC89C52是一种高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
4.用户应用程序空间为8K字节；
5.片上集成512字节RAM；
6.通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；
7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
1.3.3DS18B20连接图
DS18B20的连接电路如图1.3所示。
图1.3DS18B20连接图
1
温度显示部分采用4位共阳数码管来显示，位选端采用4个PNP型三极管9012来驱动。数码管前两位显示温度，后两位显示摄氏度符号。具体连接电路如图1.4所示：
图1.4温度显示部分
1
温度设定部分采用四个独立按键来完成，按键S0负责进入设定部分，S1和S2分别为温度加和温度减，按键S3为切换到显示当前温度。独立按键的工作原理比较简单，其具体连接图如图1.5所示。
专业：电子信息工程
学生：王阿东签名：
指导教师：世强签名：
摘要
温度是重要的物理量，温度的测量和控制，在工业生产和科研工作中都非常重要。本文介绍了一种以STC89C52单片机为检测控制中心的数字式水温自动控制系统。温度测量部分采用单总线集成温度传感器DS18B20，使系统简单可靠，且易于操作。温度设置部分采用四个独立按键组成，显示部分采用四位共阴数码管显示，使系统变得简便而高效。温度控制采用PID数字控制算法，通过计算偏差值来控制光耦合和可控硅的通断，从而控制加热器的加热程度。实际调试表明，采用PID算法能使温度稳定在设定值附近。
关键词:PID算法；单片机；温度控制；光耦合；可控硅
Title:The digital PID control of electric heater
Major:Electronic information engineering
Name:Wang Adong Signature:
Supervisor:Zhao ShiqiangSignature:
1
1.1
系统总体设计思路为：当系统上电后，数码管会显示当前的温度，然后等待按键输入设定值，设定完毕后，系统开始温度自动控制过程，如果当前温度高于设定温度，系统会断开光耦器件与可控硅使水温冷却，如果当前温度低于设定温度，若低于2度以上，系统会采取全加热的方式，如果温差小于2度，则采用PID算法进行控制加热。定时器0每半秒钟会进行一次温度采样然后与设定值进行比较，比较出来的值将会决定定时器1控制的可控硅器件的通断时间长短，从而实现对温度的精确控制。系统的总体框图如图1.1所示，具体连接电路如图1.2所示。
温度控制的目的就是将电加热器的工作温度以一定的精度稳定在一定的围,这就要求根据电加热器工作时的实际情况(如产热量大小等)采取一定的措施,来控制电加热器的加热程度。
在温控系统中,首先将需要控制的被测参数温度由传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较,把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值,将控制量送给控制系统进行相应的控制,不停地进行上述工作,从而达到自动调节的目的。当控制对象的精确数学模型难以建立时,比较成熟且广泛使用的控制方法是采用按差值信号的比例（Proportionality），积分(Integration)和微分(Differentiation)进行计算控制量的方法,即PID算法。
图1.1系统框图
图1.2总体电路
1.2
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机（单片机）的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
2013届本科毕业设计（论文）
电加热器温度的数字PID控制
The digital PID control of electric heater
学院：工学院
专业班级：电子信息工程0902班
姓名：王阿东
学号：2
指导教师：世强副教授
完成时度的数字PID控制
Key words：PID algorithm;MCU;Temperature control;Optocoupler;Siliconcontrolled
1.2.1单片STC89C52………………………………………………………………3
1.3.1单线数字温度计DSl8B20介绍………………………………………...........4
1.3
1.3.1单线数字温度计DSl8B20介绍
DS18B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线) DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源因为每一个DSl820在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件DSl8B20的测量围从-55到+125增量值为0. 5可在l s(典型值)把温度变换成数字每一个DSl8B20包括一个唯一的64位长的序号该序号值存放在DSl8B20部的ROM(只读存贮器)中开始8位是产品类型编码(DS l 8B20编码均为10H )接着的48位是每个器件唯一的序号最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码DSl8B20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM编号为0号和1号存贮器存放温度值的符号如果温度为负( )则1号存贮器8位全为1否则全为0 0号存贮器用于存放温度值的补码LSB(最低位)的1表示0.5将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值(-55~125度)。
SkipROM(跳过ROM] [CCH]
Search ROM(搜索R OM ) [ F0 H]
Alarm search(告警搜索) [ECH]
（3）存储器操作命令
指令代码
Write Scratchpad(写暂存存储器) [4EH]
Read Scratchpad(读暂存存储器)[BEH]
Copy Scratchpad(复制暂存存储器) [ 48H]
Temperature is an important physical quantities,The Temperature's measurement and control are very important In industrial production and scientific research work.This article introduces a automatic digital water's temperature control system using the STC89C52 microcontroller as the detect and control center.The temperature measurement part uses the one bus integrated temperature sensor DS18B20 ,which making the system more Simple and reliable,And easy to operate.Temperature setting part is made up of four separate buttons，and Display part adopts four LedDisplayto display, which made the system easy and efficient.The Temperatureis controled by thePIDDigital control algorithm.Theheater uses the common fast heater which the Ordinary families commonly used.
Convert Temp erature(温度变换) [ 44H]
RecallEPROM(重新调出) [B8H]
Read Power supply (读电源) [B4H]
（4）时序
主机使用时间隙(tim e slots)来读写DSl820的数据位和写命令字的位。
初始化
主机总线在开始时刻发送一复位脉冲(最短为480μS的低电平信号)接着在下一时刻释放总线并进入接收状态DSl820在检测到总线的上升沿之后等待15 -6 0u s接着DS18B20在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续60-240 μS).
13数字温度传感器ds18b20131单线数字温度计dsl8b20介绍18b20数字温度计提供9二进制温度读数指示器件的温度信息经过单线接l8b20l8b20送出因此从主机cl8b20仅需一条线l8b20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源因为每一个dl820在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个dl8b20可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件dl8b20的测量范围从55到125增量值为典型值内把温度变换成数字每一个dl8b20包括一个唯一的64l8b20内部的r只读存贮器中开始8位是产品类型编码8b20编码均为10h接着的48位是每个器件唯一的序号最后8位是前面56l8b20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器号存贮器存放温度值的符号如果温度为负号存贮器8位全为1否则全为0表示05将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值55125132dsl8b20工作过程及时序l8b20工作过程中的协议如下西安外事学院本科毕业设计论文1初始化单总线上的所有处理均从初始化开始操作指令总线主机检测到dl820的存在便可以发出r操作命令之一指令代码larm3存储器操作命令指令代码4时序主机使用时间隙timl820的数据位和写命令字的位初始化主机总线在开始时刻发送一复位脉冲最短为480的低电平信号接着在下一时刻释放总线并进入接收状态dl820在检测到总线的上升沿之后等待1518b20在t2时刻发出存在脉冲低电平持续6024018b20连接图18b20的连接电路如图13所示
1.6.3光耦器件MOC3040……………………………………………………….....8
1.7.1可控硅简介……………………………………………………………………8
前言
温度控制已成为工业生产、科研领域中很重要的一个环节,能否成功地将温度控制在需要的围关系到整个工作的成败。由于控制对象的多样性和复杂性,导致采用的温控手段也具有多样性。采用PID控制原理研制成适合用于小型电加热器的温度控制器。该控制器能够达到很好的控制效果,若精心选择PID的各种参数,温度控制的精度可以达到±0.05℃。
图1.5按键连接图
1
1.6.1光电耦合器件简介
1.3.2 DSl8B20工作过程与时序……………………………………………...........5
1.3.3 DS18B20连接图………………………………………………………...........5
1.6.1光电耦合器件简介……………………………………………………………7
1.6.2光电隔离技术的应用…………………………………………………………7
8.具有EEPROM功能；
9.具有看门狗功能；
10.共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2；
11.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；
12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；
13.工作温度围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。
STC89C52的主要特性如下：
1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；
2.工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）；
3.工作频率围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz；
1.3.2DSl8B20工作过程与时序
DSl8B20工作过程中的协议如下:
初始化RoM操作命令存储器操作命令处理数据
（1）初始化
单总线上的所有处理均从初始化开始
（2）ROM操作指令
总线主机检测到DSl820的存在便可以发出ROM操作命令之一
指令代码
ReadROM(读R OM ) [33H]
MatchROM(匹配ROM) [55H]
1.2.1单片机STC89C52
STC89C52是一种高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
4.用户应用程序空间为8K字节；
5.片上集成512字节RAM；
6.通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；
7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
1.3.3DS18B20连接图
DS18B20的连接电路如图1.3所示。
图1.3DS18B20连接图
1
温度显示部分采用4位共阳数码管来显示，位选端采用4个PNP型三极管9012来驱动。数码管前两位显示温度，后两位显示摄氏度符号。具体连接电路如图1.4所示：
图1.4温度显示部分
1
温度设定部分采用四个独立按键来完成，按键S0负责进入设定部分，S1和S2分别为温度加和温度减，按键S3为切换到显示当前温度。独立按键的工作原理比较简单，其具体连接图如图1.5所示。
专业：电子信息工程
学生：王阿东签名：
指导教师：世强签名：
摘要
温度是重要的物理量，温度的测量和控制，在工业生产和科研工作中都非常重要。本文介绍了一种以STC89C52单片机为检测控制中心的数字式水温自动控制系统。温度测量部分采用单总线集成温度传感器DS18B20，使系统简单可靠，且易于操作。温度设置部分采用四个独立按键组成，显示部分采用四位共阴数码管显示，使系统变得简便而高效。温度控制采用PID数字控制算法，通过计算偏差值来控制光耦合和可控硅的通断，从而控制加热器的加热程度。实际调试表明，采用PID算法能使温度稳定在设定值附近。
关键词:PID算法；单片机；温度控制；光耦合；可控硅
Title:The digital PID control of electric heater
Major:Electronic information engineering
Name:Wang Adong Signature:
Supervisor:Zhao ShiqiangSignature:
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1.1
系统总体设计思路为：当系统上电后，数码管会显示当前的温度，然后等待按键输入设定值，设定完毕后，系统开始温度自动控制过程，如果当前温度高于设定温度，系统会断开光耦器件与可控硅使水温冷却，如果当前温度低于设定温度，若低于2度以上，系统会采取全加热的方式，如果温差小于2度，则采用PID算法进行控制加热。定时器0每半秒钟会进行一次温度采样然后与设定值进行比较，比较出来的值将会决定定时器1控制的可控硅器件的通断时间长短，从而实现对温度的精确控制。系统的总体框图如图1.1所示，具体连接电路如图1.2所示。
温度控制的目的就是将电加热器的工作温度以一定的精度稳定在一定的围,这就要求根据电加热器工作时的实际情况(如产热量大小等)采取一定的措施,来控制电加热器的加热程度。
在温控系统中,首先将需要控制的被测参数温度由传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较,把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值,将控制量送给控制系统进行相应的控制,不停地进行上述工作,从而达到自动调节的目的。当控制对象的精确数学模型难以建立时,比较成熟且广泛使用的控制方法是采用按差值信号的比例（Proportionality），积分(Integration)和微分(Differentiation)进行计算控制量的方法,即PID算法。
图1.1系统框图
图1.2总体电路
1.2
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机（单片机）的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
2013届本科毕业设计（论文）
电加热器温度的数字PID控制
The digital PID control of electric heater
学院：工学院
专业班级：电子信息工程0902班
姓名：王阿东
学号：2
指导教师：世强副教授
完成时度的数字PID控制
Key words：PID algorithm;MCU;Temperature control;Optocoupler;Siliconcontrolled
1.2.1单片STC89C52………………………………………………………………3
1.3.1单线数字温度计DSl8B20介绍………………………………………...........4
1.3
1.3.1单线数字温度计DSl8B20介绍
DS18B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线) DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源因为每一个DSl820在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件DSl8B20的测量围从-55到+125增量值为0. 5可在l s(典型值)把温度变换成数字每一个DSl8B20包括一个唯一的64位长的序号该序号值存放在DSl8B20部的ROM(只读存贮器)中开始8位是产品类型编码(DS l 8B20编码均为10H )接着的48位是每个器件唯一的序号最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码DSl8B20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM编号为0号和1号存贮器存放温度值的符号如果温度为负( )则1号存贮器8位全为1否则全为0 0号存贮器用于存放温度值的补码LSB(最低位)的1表示0.5将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值(-55~125度)。
SkipROM(跳过ROM] [CCH]
Search ROM(搜索R OM ) [ F0 H]
Alarm search(告警搜索) [ECH]
（3）存储器操作命令
指令代码
Write Scratchpad(写暂存存储器) [4EH]
Read Scratchpad(读暂存存储器)[BEH]
Copy Scratchpad(复制暂存存储器) [ 48H]