基于AT89S51单片机的PID温度控制系统设计

温度控制技术不仅在工业生产中起着非常重要的作用，在日常生活中也起着至关重要的作用。本文对系统的硬件和软件进行了设计。在建立温度控制系统数学模型的基础上，通过对PID控制的分析，设计了系统控制器，并完成了系统的软硬件调试。该算法简单、可靠、鲁棒性强，PID控制器的参数直接影响控制效果。

1.系统概况

1.1系统的总体结构

该系统利用AT89S51丰富的外围模块搭建硬件平台。系统的硬件电路包括：模拟部分和数字部分。基本电路由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块和控制执行模块组成。

1.2系统工作流程

系统开始工作时，首先由单片机控制软件发出温度读取指令，由数字温度传感器采集被控对象的当前温度值，并发送到显示屏进行实时显示。然后，将测得的温度值与设定值t进行比较，并将差值发送给PID控制器。PID控制器经处理后输出一定值的控制量，经D/A转换成模拟电压量，控制被控对象加热。

1.3系统软件设计方法

整个系统的软件设计包括两部分：管理程序和控制程序。管理程序包括LED显示的动态刷新、指示灯的控制、处理键盘的扫描和响应。控制程序包括A/D转换、中值滤波、超限报警处理、PID计算等。

2.系统硬件结构

2.1电源电路设计

系统所用的DC电源由三端集成稳压器组成的DC系列稳压电源提供。设计中选用三个三端集成稳压器LM7805LM7815和LM7915提供5V DC电压，输出电流为1A。变压器将220V市电的电压降低，然后通过整流桥整流，再用大容量电解电容滤波，降低输出电压纹波。电源电路图如图1所示。

图1电源电路图

2.2复位电路设计

单片机复位电路的设计直接影响整个系统的可靠性。只有可靠的复位电路才能防止系统“死机”和“程序飞”。电路图如图2所示。

图2复位电路图

2.3时钟电路设计

这种控制器利用内部振荡来获取单片机的时钟信号，这样得到的时钟信号比较稳定。图3是时钟电路。

图3时钟电路图

2.4 SCR输出电路

晶闸管是一种功率半导体器件，缩写为SCR，又称晶闸管。该部分分为两路可控硅驱动电路控制电加热炉的功率，驱动电路采用MOC3041。如图4所示。

图4可控硅输出电路

2.5声光报警电路模块

当某个通道的温度测量值超过预设的上下限报警值或系统出现故障时，系统发出声光报警，提醒用户注意。如图5所示。

图5声光报警器电路图

3.系统软件设计

3.1系统主程序设计

在反应堆系统中，主程序的主要功能是设置程序执行过程中使用的相关变量，分配寄存器，初始化所需参数，根据时间中断程序，调用相应的功能模块，完成一定的任务。

3.2系统子程序设计

显示子程序

LED显示模式包括静态显示和动态显示。动态扫描显示电路将显示位的所有相同场线连接在一起，由一个8位I/O端口控制，而每一位的公共端(共阳极或共阴极COM)由另一个I/O端口控制。因为这种连接把同一个场的每一位的场线连接在一起，所以当输出场码时，每一位都会显示相同的内容。因此，如果要显示不同的内容，必须轮流显示。

定时子程序

定时程序主要用来完成查表的占空比控制。总的思路是根据控制表中占空比控制变量U的不同值，在不同时刻改变继电器的通断。根据继电器的特性，要求不能频繁开关，所以开关需要较长的时间，但也要考虑控制能根据新采集值和设定值的变化及时做出相应的动作。

4.控制方案

4.1 PID控制

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值形成控制偏差，通过偏差比例、积分和微分的线性组合形成控制量来控制被控对象。

4.2 PID参数设置

由于PID控制器的输出是系统偏差的比例、微分和积分效应的线性组合，调整各部分的线性系数是PID控制器控制性能的关键。PID控制器的参数必须根据具体的被控对象进行调整，采用扩展临界比例带法：

(a)选择一个合适的采样周期t，所谓合适，是指周期足够小，一般应小于其他对象纯滞后时间的1/IO；

(b)只让控制器进行纯比例控制，由小到大逐渐增加比例系数Kp，直到系统出现临界振荡，记录此时的临界振荡周期Ts和临界振荡增益Ks；

(c)选择适当的控制程度。所谓控制度，就是数字控制器和模拟调节器对应的过渡过程的误差平方的积分之比；

(d)根据控制程度查表。

4.3 Matlab仿真

通过上述整定方法的综合应用，整定后得到PID控制器的参数：Kp=1.75，Ki=0.0125，Kd=3，在MATLAB/Simulink环境下建立温度控制系统的仿真模型，如图6所示。仿真后得到了系统的阶跃响应曲线。

图6模拟模型

仿真后得到的系统阶跃响应的动态性能比较理想，超调很小(峰值响应为1.017，超调Q%=1.7%)。系统的响应误差也比较小(稳态误差为0.005)，在系统要求的精度范围内。

总结

系统采用模块化设计，具有很强的可扩展性。模块化设计使控制器具有通用性，安全可靠。成本低、操作简单、体积小、安装方便、反应灵敏、控制精度高。