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2、绍了基于单片机 AT89S52 的智能温度控制器的设计。 利用软件编程实现 PID 温度控制，采用增量 式 PID 控制算法，用扩充响应曲线法进行 PID 参数整定。 结果表明，MATLAB 仿真的结果满足设计要求，且温 度控制系统的精度较高。 关键词： 单片机； 软件编程； 增量式 PID 控制 中图分类号： TP 211 文献标识码： A 文章编号： 16712153 （2010 ）05-0016-04 0 引 言 随着控制理论和电子技术的发 展 ， 工业控制 的液晶显示器显示出来； 另一方面将该温度值 与 设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采 用 PID 控制算法进行运算， 最后
3、通过控制双向可 控硅控制周期内的通断占空比 （即控制零度保鲜 箱制冷平均功率的大小），进而达到对零度保鲜 箱 温度进行控制的目的。 控制系统电路的核心器 件 是 Atmel 公 司 生 产 的 AT89S52 单 片 机 （ 图 2 所 示），它是一种低功耗、低电压、高性能的 8 位单片 机，片内带有一个 8 kb 的 Flash 可编程、可擦除、只 读存储器；它采用的工艺是 Atmel 公司的高密度非 器的高精度性要求越来越高。 其中以单片机为 核 心实现的数字控制器因其体积小、 成本低 、 功能 强、简便易行而得到广泛应用。 温度控制器作为一 种重要的控制设备，在化工、食品等诸多工业生 产
4、 过程和家用电器中得到了广泛的应用。 本 文主要 讨论在家用电器电冰箱中得到广泛应用的数字 PID 控制，在单片机温度控制系统中的应用。 通过 对实验数据的分析表明单片机的温度控制系统设 计的合理性和有效性。 1 硬件系统设计 本文所研究的温度控制系统硬 件部分按功能 大致可以分为以下几个部分：单片机主控模块、输 入通道、输出通道等。 硬件总体结构框图如图 1 所 示。 图 1 中，温度控制系统以 AT89S52 单片机为核 心，并扩展外部存储器构成主控模块。 零度保鲜箱 的温度由 Pt1OO 铂电阻温度传感器检测并转换成 微 弱 的 电 压 信 号 ， 再 通 过 16 位 的 A/D 转
5、换 器 AD77OS 转换成数字量。 此数字量经过数字滤波之 后， 一方面将零度保鲜箱的温度通过控制面板 上 图1 控制系统 收稿日期： 2010-06-03 作者简介： 郑成霞（1984- ），女，四川米易县人，助教，研究方向为智能芯片应用、电子信息技术。 16 2010 年第 5 期 郑成霞：基于单片机的软件实现 PID 温度控制系统 易失存储器技术， 其输出引脚和指令系统都与 法模块等组成。 主模块的功能是为其余几个模 块 构建整体框架及初始化工作； 数据采集模 块的作 用 是 将 A/D 转 换 的 数 字 量 采 集 并 储 存 到 存 储 器 中； 数据处理模块是将采集到的数据进行
6、一系列 的处理，其中最重要的是数字滤波程序；控制算法 模块完成控制系统的 PID 运算并且输出控制量。 MCS251 兼容，且价格低廉、性能可靠、抗干扰能力 强， 因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统中 。 2 为了节省成本和体积，采用多路 选择开关 CD4051 和模 数转换器 AD7705 协 同 工 作 组 成 多 路 数 据 采 集系统。 AT24C02 是 Atmel 公 司 生 产 的 EEPROM 器 件 ，存 储 容 量 256 字 节 ，可 擦 写 次 数 达 100 万 次 ， 主要用来存储设定温度。 后台 前台 21 主程序模块 主程序模块要做的主要工作是 上电后对系统 初
7、始化和构建系统整体软件框架， 其中初始 化包 括对单片机的初始化、A/D 芯片初始化和串口初始 化等。 然后等待温度设定，若温度已经设定好了， 判断系统运行键是否按下，若系统运行，则依次调 用各个相关模块，循环控制直到系统停止运行。 主 程序模块的程序流程如图 3 所示。 时间 I SR （ 中 断 服 务 程 序 ） I SR I SR 开始 系统初始化 执行代码 等待 图2 前后台系统 温度设定否 N 2 软件实现 PID 控制 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，在 Y 读温度设定值 微机测控系统中，软件与硬件同样重要。 硬件是系 统的躯体，软件则是灵魂，当系统的硬件电路设 计 好
8、之后，系统的主要功能还是要靠软件来实现，而 且软件的设计在很大程度上决定了测控系统的性 能。 很多的单片机软件系统都是采用如图 2 所 示 的前、后台系统（也称超循环系统）。 其中，应用 程 序是一个无限的循环， 循环中调用相应的 函数完 成相应的操作， 这部分可以看成是后台行为 （background ）。 中断服务程序处理异步 事件，这部 分可以看成是前台行为（foreground ）。 后台也可以 叫做任务级，前台也可以叫做中断级。 时间相关性 很强的关键操作 （critical eration ）一定是靠中断 服 务来保证的 4。 本系统软件正是基于这种软件思想 编制的。 由于整个系统
9、软件相对比较庞 大 ， 为了便于 编 写 、调 试 、修 改 和 增 删 ，系 统 软 件 的 编 制 采 用 了 模块化的设计。 即整个控制软件由许多独立 的小 模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块 内部数据关系紧凑， 模块之间数据关系松散的原 则，按功能形成模块化结构。 系统的软件主要由主 程 序 模 块 、数 据 采 集 模 块 、数 据 处 理 模 块 、控 制 算 Y 等待 运 行/ 停 止 键 按 下 否 N Y 数据采集 温度显示 PID 运算 控制输出 运行 / 停止 键按下 否 N 图3 主程序模块的程序流程 2.2 增量式 PID 控制算法 PID 控制的增量式为
10、5 u（t）=Kpe（t）+ 1 e（t）dt+TD de（t） ， TI 0 dt u（t）=a0e（k）-a1e（k-1）+a2e（k-2）， 式中：a0=Kp（1+ T + TD ）；a1=Kp（1+ 2TD ）；a2=Kp TD 。 T T TI T 因为在计算机控制中 a0，a1，a2 都可以事先求出，所 以 ，实 际 控 制 时 只 须 获 得 e （k ），e （k-1），e （k-2 ）三 乙 2010 年第 5 期 17 宁波职业技术学院学报 个有限的偏差值就可以求出控制增量。 增量式 PID 控制算法优点： （l ）增量式中只 须 计 算 增 量 ，算 式 中 不 需 要
11、累 加， 控制增量的确定仅与最近几次偏差采样值有 关，当存在计算误差或者精度不足时，对控制量的 影响较小， 且较容易通过加权处理获得比较好的 控制效果； （2 ）由于计算机只输出控制增量 ，所 以误动作 影响小，而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉 ， 对系统安全运行有利； （3 ）手动自动切换时冲击比较小。 鉴于以上优点， 本系统的控制算 法即采用增 量式的 PID 控制算法。 其程序流程如图 4 所示。 入口 统的仿真模型，结果如图 5 所示；仿真后得到系统 的阶跃响应曲线如图 6 和图 7 所示。 图5 PID 控制仿真的 Slmulink 框图 输 入 并 采 样 r （k ） ，y （
12、k ） 计 算 偏 差 e （ k ） =r （ k ） -y （ k ） 计 算 u （ k ） =a0e （ k ） +a1e （ k-1 ） +a2e （ k-2 ） 超调百分比 t/s 存 u （ k ） 以备输出 图6 e （k-1 ）e （k-2 ） e （k ）e （k-1 ） 返回 仿真的阶跃响应 参数序号调整 2.3 PID 参数整定 扩充响应曲线法不需要预先知 道对象的动态 特 性 ， 而 是 直 接 在 闭 环 系 统 中 进 行 PID 参 数 整 定的。 如果已知系统的动态特性曲线，数字控 制器的参数也可以采用扩充响应曲线法进行 整定。 稳态误差 图4 增量式 PID
13、 控制算法程序流程 t/s 图 7 仿真的响应误差 3 MATLAB 仿真结果 通过对上述的整定方法的综合 运用 ， 整定后 由图 6 和图 7 可以看 出，系统阶跃响 应的动 态性能还是比较理想的，超调很小，系统的响应误 差是也是比较小的（稳态误差为 0.005），在系统要 求的精度范围之内。 得到 PID 控制器的参数为 Kp=1.75， KI=0.0125， KD=3 。 在 MATLAB/Simulink 环境下建立温 度控制系 18 2010 年第 5 期 郑成霞：基于单片机的软件实现 PID 温度控制系统 4 结束语 本 文 设 计 的 温 度 控 制 系 统 具 有 成 本 低
14、、控 制 （3 ）：176-179. 2 陈友桂， 王文哲 . 基于 AT89S52 的半导体激光器驱动 电源设计 J. 应用激光，2008 ，28 （5 ）：402-405. 可靠等优点。 经过实验验证该温度控制系统达 到 了 预 期 的 设 计 要 求 。 同 时 ，该 控 制 系 统 作 为 一 个嵌入式温度控制系统适合温度控制精度高的 场合。 参考文献： 1 李凤琴， 郑耀辉， 张 宽 收 . 全 固 态 高 功 率 连 续 单 横 模 Nd：YVO4/ LBO 绿光激光器 J. 量子光学学报，2006 ，12 3 刘国强，唐东红，李兴伟 . 基于 AT89C51 单片机的高精 度测温
15、系统的研制 J. 仪器仪表学报：增刊，2005. 4 薛定宇 . 控制系统计算机辅助设 计 M. 2 版 . 北 京 ：清 华大学出版社，2006. 5 冯 建 华 ， 赵 亮 . 单 片 机 应 用 系 统 设 计 与 产 品 开 发 M. 北京：人民邮电出版社，2004. 6 张 志 良 . 单 片 机 原 理 与 控 制 技 术 M. 北 京 ：机 械 工 业 出版社，2005. PID-Temperature-Control system of implement software based on the single-chip ZHENG Cheng-xia （Department
16、 of Electrical Engineering of Xinjiang Changji Technology College ，Changji ，China ） Abstract： This paper introduces the design of a intelligent temperature controller based on a microcontrollerAT89S52. With PID temperature control for software programmers, an incremental control to a PID-algorithm i
17、s adopted. By enlarging the response curve PID parameters set out the whole，Matlab simulation results meet design requirement，and temperature control system has higher accuracy than before. Key words ： microcontroller ； software programming ； incremental control to a pid （上接第 15 页） Analysis and summ
18、ary of a power black out from the perspective of power plant JI Feng1， MEI Xiao-yan2， HE Jin1 （1.Yunnan University of Nationalities ，Kunming ，China ；2.Ningbo Polytechnic ，Ningbo ，China ） Abstract： An investigation was made to a power black out in the power grid of Jiangxi province. The accident caus
19、ed a main thermal power plant (4 300 MW) and several substations lost power.The paper describes the causes of the accident from the perspective of power plant.And some suggestions and recommendations were made to prevent or minimize the scope of future blackouts. For example,keeping the balance of t
20、he active power in order to prevent or weaken the system oscillation,increasing the excitation by manual to improve the system stability and ensuring the basic power supply for power plant to make the units shut down safely after power black out. Key words ： power plant ； power oscillation ； unit trip ； safety and stability 2010 年第 5 期 19专心-专注-专业