基于單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)PID溫度控制系統(tǒng)

1、姓名：專業(yè)：學(xué)號(hào)：學(xué)科：基于單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)PID溫度控制系統(tǒng)引言 隨著控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制器的高精度性要求越來(lái)越高，其中以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器因其體積小，成本低，功能強(qiáng)，簡(jiǎn)便易行而得到廣泛應(yīng)用。溫度控制器作為一種重要的控制設(shè)備，在化工，食品等諸多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和家用 電器中得到了廣泛的應(yīng)用，本文主要討論在家用電器電冰箱中得到廣泛應(yīng)用的數(shù) 字PID控制，在單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控模塊，輸入通道輸出通道等 。硬件總體結(jié)

2、構(gòu)框圖如圖所示。圖1中，溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，并擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，構(gòu)成主控模塊零度保鮮箱的溫度由鉑Pt100電阻溫度傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)，再通過(guò)位的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，此數(shù)字量經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波之后，一方面將零度保鮮箱的溫度通過(guò)控制面板上的液晶顯示器顯示出來(lái)，另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度 值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過(guò)控制雙向可控硅控制周期內(nèi)的通斷占空比，即控制零度保鮮箱制冷平均功率的大小，進(jìn)而達(dá)到對(duì)零度保鮮箱溫度進(jìn)行控制的目的?？刂葡到y(tǒng)電路的核心器件是Atmel公司生產(chǎn)的單片機(jī),圖2所示.它是一種低功耗低電壓高性能的位單片機(jī)片，內(nèi)帶有一個(gè)的可編程可

3、擦除只讀存儲(chǔ)器，它采用的工藝是Atmel公司的高密度非易失存儲(chǔ)器技術(shù)。其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS51兼容且價(jià)格低廉,性能可靠,抗干擾能力強(qiáng),因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng) 中。為了節(jié)省成本和體積采用多路選擇開關(guān)和AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作，組成多路數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng).AT24C02是Atmel公司生產(chǎn)的EEPROM器件,存儲(chǔ)容量256字節(jié)可擦寫次數(shù)達(dá)100萬(wàn)次,主要用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)定溫度。2軟件實(shí)現(xiàn)PID控制PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一,在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中,軟件與硬件同樣重要.硬件是系統(tǒng)的軀體,軟件則是靈魂,當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)好之后,系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),而且軟件的設(shè)計(jì)

4、在很大程度上決定了測(cè)控系統(tǒng)的性能,很多的單片機(jī)軟件系統(tǒng)都是采用如圖2所示的前后臺(tái)系統(tǒng)也稱超循環(huán)系統(tǒng)。其中，應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。這 部分可以看成是后臺(tái)行為。中斷服務(wù)程序處理異步事件這部分可以看成是前臺(tái)行為，后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí)前臺(tái)，也可以叫做中斷級(jí)。時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一 定是靠中斷服務(wù)來(lái)保證的。本系統(tǒng)軟件正是基于這種軟件思想編制的。由于整個(gè)系統(tǒng)軟件相對(duì)比較龐大，為了便于編寫，調(diào)試，修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計(jì)，即整個(gè)控制軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過(guò)軟件接口連接 ，遵循模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊之間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則。按功

5、能形成模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，控制算法模塊等組成。主模塊的功能是為其余幾個(gè)模塊構(gòu)建整體框架及初始化工作，數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量采集并儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，其中最重要的是數(shù)字濾波程序，控制算法模塊完成控制系統(tǒng)的運(yùn)算并且輸出控制量。2.1主程序模塊主程序模塊要做的主要工作是上電后對(duì)系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對(duì)單片機(jī)的初始化，A/D芯片初始化和串口初始化等。然后等待溫度設(shè)定，若溫度已經(jīng)設(shè)定好了，判斷系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下，若系統(tǒng)運(yùn)行，則依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行

6、，主程序模塊的程序流程如圖3所示。2.2增量式PID控制算法PID控制的增量式為因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)控制中a0,a1,a2都可以事先求出,所以實(shí)際控制時(shí)只須獲得e(k),e(k-1),e(k-2)三個(gè)有限的偏差值就可以求出控制增量.增量式PID控制算法優(yōu)點(diǎn):增量式中只須計(jì)算增量,算式中不需要累加,控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān),當(dāng)存在計(jì)算誤差或者精度不足時(shí),對(duì)控制量的影響較小,且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果.由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量,所以誤動(dòng)作影響小,而且必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉,對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行有利.手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)沖擊比較小.鑒于以上優(yōu)點(diǎn),本系統(tǒng)的控制算法即采用增量式的PID控制算法.其程序流程如圖4所示2.3PID參數(shù)整定擴(kuò)充響應(yīng)曲線法不需要預(yù)先知道對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，而是直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行PID參數(shù)整定的.如果已知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性曲線,數(shù)字控制器的參數(shù)也可以采用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法進(jìn)行整定.3 MATLAB仿真結(jié)果通過(guò)對(duì)上述的整定方法的綜合運(yùn)用,整定后得到PID控制器的參數(shù)為Kp=1.75,Ki=0.0125,Kd=3.在MATLAB環(huán)境下建立溫度控制系統(tǒng)的仿真模型,結(jié)果如圖5所示,仿真后得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖6和圖7所示由圖6和圖7可以看出,系統(tǒng)階躍響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能還是比較理想的,超調(diào)很小,系統(tǒng)的響應(yīng)誤差是也是比較小的,穩(wěn)