1、基于单片机与PC机的温度控制系统硬件设计摘 要在工业生产中，人们需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制具有控制方便、简单和灵活性大、精度高等优点。本文介绍了一种基于AT89S52单片机与PC机串口通信的温度控制系统，用单片机作下位机完成温度数据的采集和执行PC机发出的控制执行命令;用PC机作上位机接收单片机发送的数据,进行数据处理,向单片机发送控制命令。 PC机与单片机采甪串行通信,可实现远距离温度检测和控制。本设计充分利用PC机VB6.0软件强大的数据处理功能和友好的人机界面,对温度进行实时曲线显示。本设计由硬件和软件二部分组成,本文主要进行
2、硬件部分设计。经样机实验证明本设计性能稳定可靠,各项性能指标高,可用于实际工程。关键词：单片机,PC机,温度控制,串行通信目 录摘 要I第一章 绪论41.1 概述41.2 温度测控技术的发展与现状41.3系统总体设计思想61.4 功能要求7第二章 系统硬件设计82.1硬件系统框图82.2 硬件电路82.3最小单片机系统82.4 温度传感器的选取122.5温度传感器DS18B20的介绍122.6 输出通道设计182.7 串行通信接口202.8 电源电路232.9 系统特点24第三章 系统软件简介253.1 系统开发工具介绍253.2 软件系统简介及界面26第四章 系统调试28总 结29参考文献3
3、0附 录31附录一、单片机程序31附录二、PC机程序38135第一章 绪论1.1 概述随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。（
4、1）研究的目的和意义电阻加热炉是热处理生产中应用最广的加热设备，这样加热时升温过程的测量与控制就成为关键性的技术。首先，控温度精度要高。其次，当生产环境发生变化而影响到控温精度时，要有合适的手段进行调整以达到精度要求。而且，为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。最后，由于生产中的实际情况，电阻加热炉要求操作方便，易于维护，成本较低等等。（2）国内外发展情况目前，我国电阻炉控制设备的现状时是小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。整体上，我国的电阻炉控制系统与国外发达国家相比还比较落后。占主导地位的是仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不
5、准确。控制精度依赖于试验者的调节。控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员劳动强度大、劳动效率低，这些都影响企业的效率。1.2 温度测控技术的发展与现状温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制
6、中，如何保证快速实时地进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、低廉，测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于极高温测量，难于测量运动物体的温度。非接触式测温是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。
7、但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表表观温度，结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少人力和物力的投入。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。本课题所研制的电阻炉智能温度控制仪就是
8、要实现恒值温度控制的要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：（1）定值开关控温法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当
9、系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。（2）PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID调节器，后者称为数字PID调节器。其中数字PID调节
10、器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（即比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。（3）智能温度控制法为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PI参数的方法，如PID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法1采用神经元网络和模糊数
11、学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以更好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控
12、制精度不稳定等。针对上述不足，本文以探索新的PID自整定方法为目的，设计和开发一种新型电阻炉智能温度控制仪，以简化控制电路，提高系统运行的可靠性。1.3系统总体设计思想（1）系统硬件方案分析目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路2(Analog Circuit)和单片机(Single-chip Computer)两种形式。模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于温度的变化是一个相
13、对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不高，所以模拟电路的优势得不到体现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理器CPU(Centeral Processing Unit)、随机存取存储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器ROM(ReadOnly Memory)、定时器/计数器以及I/0(Input/Output)接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是:功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见
14、，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，可以提高系统的兼容性和可移植性。另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，SoC(System on chip，片上系统)得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种Soc芯片应用到先进的控制仪表中。SoC芯片通常含有一个微处理器核(CPU)，同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器(RAM,ROM)，并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。从实现复杂系统功能和
15、简化硬件结构的角度出发，SoC是实现电阻炉智能温度控制仪的最佳选择，但目前市场上SoC的价格还比较昂贵，并且SoC的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。针对这些单片机的不同特点，尤其从降低成本和方便实验的角度出发，以89S52为核心器件组成的控制系统是比较理想的选择。此外，在选取外围扩展芯片时，本着节约成本的原则，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片及器件。（2）系统软件方案分析温度控制算法方面，基于解析模型的经典控制方法主要体现在PID控制上，这主要是由于PID控制器的原理简单，使用方便的缘故。但是，经典控制方法一般是建立在被控对象精确或近似的数学模型上，而数学模型的建立本身就存在许多不足之处，因而其表面上看是精确控制，而实际上却是简单的控制器。此外，在设计PID控制器时，传统的做法是依靠经验和试验在系统调试时确定PID控制器的参数Kp，Ki，Kd，在随后的控制过程中PID参数一般是保持不变的，当外部条件发生重大变化时，再由工程人员重新手动进行选择。然而，被控系统在实际运行中会受到负荷变化、外界噪声等各种因素的干扰，都会引起被控对象的近似数学模型参数变化较大，
