基于单片机的温度控制系统的软件设计

本设计的控制对象为一电加热炉，输入为加在电阻 丝两端的电压，输出为电加热炉内的温度。控温范围为 0－+800℃，要求实时显示当前温度值、控制精度±5%。 由于温度控制系统存在大延时、纯滞后特性，被控对 象的这种特性常引起系统产生超调和震荡，降低系统的 稳定性或降低系统的反馈性能，用常规的控制方法是难 以达到系统的稳定性的，因此要对系统进行纯滞后补偿， 消除系统的超调和震荡，使系统稳定。运用史密斯预估器 对系统进行纯滞后补偿，采用数字PID 控制器，为实现高 精度控制的要求，采用PWM方式的电源控制，通过控制 大功率电力电子器件的导通和关断时间实现对给定电压 的控制，从而保持设定的温度基本不变，采用LED 静态显 示温度值，方便人工监视；用键盘输入温度给定值 《基于单片机的温度控制系统软件设计》 在工业生产中，温度控制是自动化领域不可或缺的部分，而基于单片机的温度控制系统因其高效、精准的特点，被广泛应用。本设计主要探讨了一个针对电加热炉的温度控制系统，其核心目标是实现0至800℃范围内±5%的控温精度，并实时显示温度值。 系统的关键挑战在于温度控制对象具有显著的大延时和纯滞后特性，这可能导致系统超调和振荡，影响稳定性。为解决这个问题，设计采用了史密斯预估器进行纯滞后补偿，通过对系统的预测，提前调整控制策略，从而消除超调和振荡，确保系统稳定运行。同时，结合数字PID控制器，通过调整PWM（脉宽调制）来精确控制大功率电子器件的导通和关断时间，进而实现对电压的精确控制，保持设定的温度恒定。此外，系统利用LED静态显示温度值，便于人工监控，且允许通过键盘输入温度设定值，满足不同工况的需求。 系统结构包括温度变送器、A/D转换器、单片机、PID控制器和PWM电源控制等部分。温度变送器将温度信号转化为0-20mA的电流信号，进一步转换为0-5V的电压信号，供A/D转换器使用。单片机接收转换后的数字信号，与预设温度值比较，PID控制器根据两者的差值调整PWM的占空比，以控制加热炉的温度。同时，LED显示器实时显示当前温度，键盘则用于设定控制目标。 Smith预估器与PID控制器相结合的方案在应对纯滞后问题上具有显著优势。Smith预估器通过并联补偿环节，将纯滞后移出闭环，提高了系统的响应速度和稳定性。PID控制器则以其简单算法和良好的鲁棒性，确保了控制精度，其参数可以通过现场在线整定，以优化控制效果。 在软件设计阶段，主要关注定时采样、数据处理和控制算法的实现。系统使用T0定时器以5S为采样周期，通过中断服务程序启动A/D转换，以获取温度数据。为了提高数据准确性，采用三次采样中间值滤波法。数据处理后，PID算法计算出的控制信号通过PWM发送给电源控制，调整加热炉的功率，实现温度控制。 通过SIMULINK仿真工具，可以对系统进行动态模拟，验证控制策略的有效性和系统性能。这种方法提供了一个图形化的界面，方便用户直观地理解和优化控制系统。 基于单片机的温度控制系统结合了史密斯预估器和PID控制，实现了对电加热炉温度的精确控制，克服了大延时和纯滞后带来的问题，提升了系统的稳定性和反馈性能，确保了工业生产过程中的温度控制需求。