基于AT89S52单片机的温度控制系统

含 有 ８Ｋ 字 节 的 ＥＰＲＯＭ 和 ２５６ 字 节 的 ＲＡＭ。 本 系 统 采 用 ８１５５Ａ 芯片来扩展键盘和液晶显 示， 模数转换芯片 ＡＤＣ０８０９ 以 及 ＭＡＸ２３２ 实现 ＲＳ 一 ２３２Ｃ 标准接口通信电路。以下是各部分 电路功能：
（１） ＡＴ８９Ｓ５２ 单片机 ＡＴ８９Ｓ５２ 是 整 个 系 统 的 ＣＰＵ， 单 片 机 首 先 根 据 已 经 测 量 的 电压值计算出温度 偏 差 ， 然 后 进 行 ＰＩＤ 控 制 并 计 算 出 相 应 的 控 制输出量， 将控制输出量输出去控制加热器工作， 从而实现温度 控制。ＡＴ８９Ｓ５２ 还负责按键处理、液晶显示以及与上位机进行通 信等工作。
（广东工业大学）刘 绿 山 刘 建 群 李 仕 勇 王 飞
ＬＩＵ ＬＶＳ ＨＡＮ ＬＩＵ Ｊ ＩＡＮＱＵＮ ＬＩ Ｓ ＨＩＹＯＮＧ ＷＡＮＧ ＦＥＩ
摘要：本 文 介 绍 了 一 种 基 于 ＡＴ８９Ｓ５２ 单 片 机 的 电 阻 炉 温 度 控 制 系 统 ， 阐 述 了 系 统 的 工 作 原 理 、硬 件 电 路 以 及 软 件 设 计 。 详 细
论 述 了 数 字 ＰＩＤ 控 制 器 的 原 理 及 其 在 电 阻 炉 温 控 系 统 中 的 应 用 ， 采 用 Ｚｉｅｇｌｅｒ— Ｎｉｃｈｏｌｓ 参 数 整 定 法 与 经 验 法 对 ＰＩＤ 控 制 参 数
进 行 整 定 ， 并 且 在 ＰＣ 机 上 开 发 了 一 套 温 度 监 控 软 件 ， 通 过 串 口 实 时 监 控 系 统 的 温 度 。 该 系 统 经 过 实 验 ， 取 得 了 较 为 满 意 的
４ 软件设计
本系统需要实时采集温 度 数 据 ， 然 后 经 过 Ａ／Ｄ 转 换 为 数 字 信号， 存入 ＡＴ８９Ｓ５２ 的内部数据存储器， 送 液晶显示， 并与设 定 值进行比较， 经过 ＰＩＤ 算 法 得 到 控 制 量 并 由 单 片 机 输 出 去 控 制 加热器。进行温度控制程序的设计应考虑如下问题： ①温度采 样 ， 数 字 滤 波 ； ②ＰＩＤ 控 制 程 序 ； ③按 键 处 理 ， 液 晶 显 示 ； ④越 限 报警和处理； ⑤与上位机通信程序。
（１）ＰＩＤ 控制程序 ＰＩＤ 是对系统进行线性控制的一种控制器。所谓 ＰＩＤ 控制， 就是按设定值与测 量 值 之 间 偏 差 的 比 例 、偏 差 的 积 累 和 偏 差 变 化的趋势进行控制。经典的数字 ＰＩＤ 增量型算式为：
（１） 其 中 Ｋｐ 为 比 例 系 数 ， Ｔｉ 为 积 分 时 间 常 数 ， Ｔｄ 为 微 分 时 间 常数。 本温控系统采 用 的 数 字 ＰＩＤ 算 法 由 软 件 实 现 ， 增 量 ＰＩＤ 算 法的优点是编程简单， 数据可以递推使用， 占用存储空间少， 运 算快。但是对于温度这种响应缓慢、滞后性大的过程， 不能用标 准的 ＰＩＤ 算法进行控制。当扰动较大或者给定的温度值大幅度 变化时， 由于产生较大的偏差， 加上温控本身的惯性及滞后， 在 积分作用下， 系统往往产生较大的超调和长时间的振荡。因此， 为克服这种不良的影 响 ， 采 用 积 分 分 离 法 对 增 量 ＰＩＤ 算 法 进 行 改进。当偏差 ｅ（ｋ）较大时， 暂时取消积分作用； 当偏差 ｅ（ｋ）小于某 一设定值 Ｍ时， 才将积分作用投入。 ① 当 ｜ｅ（ｋ）｜＞Ｍ 时， 用 ＰＤ 控制。由于偏 差 大 ， 说 明 系 统 温 度 远 离 设 定 值 ， 应 快 速 加 热 ， 采 用 ＰＤ 控 制 ， 可 以 提 高 系 统 的 动 态 响应速度， 避免产生过大的超调， 减小动态误差。ＰＤ 控制算式为
温度的精确度和稳定性均有较高的要求。模糊控制虽然能够得 路 以 及 串 口 通 信 等 。 图 １ 中 ＡＴ８９Ｓ５２ 为 主 控 制 器 件 ， ＡＴ８９Ｓ５２
到较好的动态响应特性， 但模糊控制也存在固有的缺点， 容易受 是 ＡＴＭＥＬ 公 司 生 产 的 低 电 压 、高 性 能 ＣＭＯＳ ８ 位 单 片 机 ， 片 内
① 当 Ｋｐ＝１０，Ｔｉ＝１，Ｔｄ＝１ 时， 系统的上升到设定值的时间较 短， 但系统超调量大， 温度最
大值接近 ３５０℃， 而且振荡时间也较长。 ② 实 验 所 用 的 电 阻 炉 在 纯 比 例 器 的 控 制 作 用 下 ， Ｋｕ＝１４， Ｔｕ＝１０。用 Ｚｉｅｇｌｅｒ 和 Ｎｉｃｈｏｌｓ 提出的参数整定方法对 ＰＩＤ 参数进 行 整 定 ， 有 Ｋｐ＝８．４，Ｔｉ＝５，Ｔｄ＝１．２， 用 此 参 数 重 新 对 电 阻 炉 进 行 加 热控制， 结果发现系统超调量变小， 经过小幅振荡后趋向稳定， 达到稳定状态的时间较短。 ③ 在②的基础上根据实际情况调整控制参数， 寻求最佳的 ＰＩＤ 控制参数组合。由②的结果可以预见， 应适当减少 Ｋｐ 值， 以
创
新
１ 引言
温度在工业控 制 中 是 个 很 重 要 的 参 数 ， 特 别 在 冶 金 、机 械 、
３ 系统硬件设计
本系统的硬件设计主要包括单片机的最小系统、温度采集
食品、化工等工业中， 对 工 件 的 处 理 温 度 都 要 求 严 格 控 制 ， 对 于 电 路 、８１５５ 扩 展 电 路 、液 晶 显 示 接 口 、键 盘 接 口 、蜂 鸣 器 报 警 电
２ 炉由热电偶检测炉内实际温 度 ， 经 过 放 大 电 路 将 温 度 值 转 换 为 ０～４Ｖ 的 电 压 信 号 ， 再 由 Ａ／Ｄ 转换芯片 ＡＤＣ０８０９ 将电压值转换成数字量， 经单片机采集 后与设定温度进行比较， 根据偏差信号进行 ＰＩＤ 控制运算，得出 相应控制输出量， 将控制输出量输出到执行机构进行加热， 从 而控制电阻炉内温度， 使电阻炉的实际温度向着给定温度变化 并最终达到给定温度。系统时刻检测炉内温度值， 出现异常时 启动蜂鸣器报警。
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《现场总线技术应用 ２００ 例》
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单片机接口技术
比 较 精 确 ， 由 ＯＰ０７ 放 大 器 将 信 号 放 大 ， 当 温 度 从 ０℃￣５００℃变 化时输出的电压范围为 ０￣４Ｖ 之间。由于温 度信号为缓慢变 化 的信号， 对 Ａ／ Ｄ 转换速度要求不高， 可选用价廉的集成 Ａ／Ｄ 芯 片 ＡＤＣ０８０９。ＡＤＣ０８０９ 是一种 ８ 路模拟输入 ８ 位数字输出的逐 次逼近式 Ａ／Ｄ 转换器件， 转换时间为 １００ｕｓ。ＡＤＣ０８０９ 将经过 ＯＰ０７ 放大的电压值转化成与其大小成正比的数字 量， 通过 Ｐ０ 口送给单片机。
（２） ② 当 ｜ｅ（ｋ）｜＜Ｍ 时， 用 ＰＩＤ 控制。偏差小， 说明系统温度已经 接近设定值， 此时加入了积分作用， 可以消除系统静差， 保证系 统的控制精度。 （２）主程序流程图如图 ２ 所示
技
术
图 ２ 主程序流程图 （３）ＰＩＤ 参数的整定 数字 ＰＩＤ 控制器参数的整定是一项十分复杂的工作， 必须 依 靠 经 验 和 现 场 调 试 来 确 定 控 制 器 的 参 数 Ｋｐ、Ｔｉ、Ｔｄ 及 采 样 周 期 Ｔ。在本系统的设计过程中， 首先根据 Ｚｉｅｇｌｅｒ 和 Ｎｉｃｈｏｌｓ 提出 的 参 数 整 定 方 法（表 １）对 各 参 数 进 行 整 定 ， 得 到 一 个 初 始 值 ， 然 后在实际操作中进行修订， 直至最终满足要求为止。 表 １ 由 Ｚｉｅｇｌｅｒ 和 Ｎｉｃｈｏｌｓ 闭环整定方法得到的调节参数
刘绿山： 硕士研究生 基 金 项 目 ： 广 东 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （０３２４８４）
图 １ 控制器系统硬件结构框图 （２） 数据采集电路 本系统采用 Ｋ 型热电偶作为高温测量传感器， 其测温范围 为 ０℃￣１７００℃， 温度变化 １℃， 可产生 ４０μＶ 左右的电压。热电 偶冷端温度补偿采用电桥补偿法， 利用不平衡电桥产生的电动 势补偿热电偶因冷端波动引起的热电动势的变化。运算放大器 采用低漂移高精度的 芯 片 ＯＰ０７， 其 对 几 十 μＶ 变 化 信 号 测 量
模糊规则有限等级的限制而引起误差。而数字 ＰＩＤ 控制则能够 较好地解决控制精度的问题， 并且计算机能够用程序既简单又 方便地实现数字 ＰＩＤ 控制 规 律 ， 对 精 度 调 整 起 来 也 很 方 便 。 本 文设计了一种基于数字 ＰＩＤ 算法的温度控制系统， 用 ＡＴ８９Ｓ５２ 作 为控制内核， 并采用了 数 字 ＰＩＤ 算 法 结 合 积 分 分 离 方 法 对 电 阻炉温度进行控制， 具有精度高、稳定性好的特点。此系统还设 计了单片机与上位机的通信， 实现了远程温度控制。这种方案 可大大地提高工作效率和控制精度， 有助于自动化水平的提 高， 具有良好的经济效益和推广价值。
创 新
其中 Ｋｕ 为临界增益， Ｔｕ 为临界振荡周期， 这两个值均是由 纯比例器的作用下产生等幅振荡时的临界值。
５ 温度控制系统的调试
通过对电阻炉加热实验， 对温控系统进行调试。温度设定值 为 ３００℃， 由于温度为响应慢、滞后较大的被控对象， 采样周期 Ｔ 应选得长些， 取 Ｔ 为 １０ 秒 ， 继 电 器 控 制 周 期 与 采 样 周 期 一 样 为 １０ 秒， Ｍ 设定为 ２０℃。改变 ＰＩＤ 参数， 通过实验得到如下结果：
控制效果。
关键字：单片机； ＡＴ８９Ｓ５２； 温度控制系统； ＰＩＤ 控制
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｐ ２７３．２
文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＴ８９Ｓ５２ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎ－
ｃｉｐｌｅ， ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｒｅ－