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1、2003年青海师范大学学报(自然科学版)2003第3期JournalofQinghaiNormalUniversity(NaturalScience)No.3基于单片机系统烤箱温度闭环控制实验的设计与实现马俊(青海师范大学物理系,青海西宁810008)摘要:本文以单片机系统为平台,设计出烤箱温度闭环控制实验,着重阐述了实验的硬件组成及原理,并给出相应的程序流程图和初始化程序.实验结果表明,该系统具有优良的性能和较好的品质。关键词:单片机系统;温度;PID;闭环控制中图分类号:TP503.1文献标识码:A文章编号:1001-7542(2003)03-0025-04随着
2、计算机技术、电子技术的飞速发展,微控制技术正以其优异的控制性能日益为工业所接受,特别是以单片机为核心的计算机控制系统在大、中、小过程控制中起重要作用.本文就以MCS-51单片机与PC机连接组成单片机系统,以其为平台结合实际设计实验,利用成熟的PID算法实现烤箱温度闭环控制,并模拟其控制曲线。1实验硬件组成在一些简单的过程控制中,一般单片机作为控制的核心部件,将其嵌入到系统中来实现过程控制,由于大多数工业控制是一个复杂的过程,仅用单片机并不是最理想的选择,原因是许多复杂的过程需要大型程序,而在单片机上进行源程序的编辑、调试非常麻烦,速度慢、费时间.为此,将单片机与PC
3、机连接组成单片机系统,在PC机上安装相应的软件,可以直接在PC机上进行编辑、调试程序,需要时加载到单片机的ROM中,这种方法具有编辑快、调试直观方便的特点.以该系统为平台的实验硬件结构框图如图1所示。图12实验原理在实现对温度、压强等物理量的控制中,PID是一种较成熟的算法,该实验实现烤箱温度闭环控制,在设计实验中采用了这种算法。2.1PID算法在连续调节系统中,PID算法的表达式为:y(t)=Kp[e(t)+1/T1Qe(t)dt+TDde(t)/dt]式中:y(t))))调节器的输出信号e(t))))调节器的偏差信号Kp)))调节器的比例系数收稿日期:2002-
4、07-17作者简介:马俊(1973-),男(回族),青海民和人,青海师范大学物理系讲师。26青海师范大学学报(自然科学版)2003年T1)))调节器的积分时间TD)))调节器的微分时间2.2在烤箱温度闭环控制中采用一热敏传感器,首先把过程参数进行采样,通过模拟量输入通道将其模拟量变成数字量,这些数字量输入PID调节器,在调节器中与给定数字值进行比较,再把比较后的差值经PID算法进行运算处理,运算结果经D/A转换成模拟量后,有模拟量输出通道输出,并通过执行机构控制烤箱温度,以达到给定数字值,如图2为烤箱温度闭环控制框图。图22.3在控制过程中对PID相关参数要校正,其
5、原则是:在控制的起始阶段取较小的PID校正参数;当控制达到基本稳定时,根据系统的误差逐渐增大PID校正参数,以获得平稳上升并消除稳态误差;当整个系统已基本稳定时,则根据系统要求和误差适当减小PID校正参数,这样既消除误差,又提高了调节品质。3软件设计3.1控制系统的主程序和相关中断服务子程序流程图如图3所示,为了使温度控制响应速度快,必须选择系统的P、I、D等参数,实验系统利用PLC的高速运算和判断能力,由PID算法子程序算出控制量,对扰动作出动态调节,使稳态误差减小。图33.2软件设计由于篇幅有限这里仅给出相应的初始化程序:ORG0000HLJMPMAIN,MAI
6、N:,;主程序入口第3期马俊:基于单片机系统烤箱温度闭环控制实验的设计与实现27,INIT:MOVA,#00H;初始化MOVR0,#40HI0:MOV@R0,AINCR0CJNER0,#80H,I0MOV5EH,#01HMOV6AH,#7FHMOV68H,#7FHMOV90H,#0FEHCLR7FHMOVTMOD,#21HMOVIP,#20HSETBIT1SETBEX1MOVTH0,#0ECHMOVTL0,#78H;设置采样周期SETBET0SETBTR0LCALLTD;8251SETBEARET4实验结果该控制系统调试过程中,给定温度为100e,系统刚开始进行持续
7、加热,当烤箱温度升直100e左右图4时,由于PWM脉冲作用,能够在给定温度范围内进行调节,反应性能良好,调节精度可达?1e.经改变烤箱内温度实验,系统同样快速自动调节,恢复时间约为5S,其温度调节曲线如图4所示.5结语本实验系统充分利用了多种控制功能,控制算法采用了参数子整定PID算法,实现了精确的温度闭28青海师范大学学报(自然科学版)2003年环控制.实验数据表明,该系统能实现各种家用电器温度实现精确控制,实用性强,但由于实验中将导线直接接在热敏传感器两端,存在因导线长度而进行温度补偿问题,有待于进一步改进完善.参考文献:[1]顾滨,赵伟军,王泰.单片微计算
