-174-
中国科技信息2009年第12期CHINASCIENCEANDTECHNOLOGYINFORMATIONJun.2009
制造
1．引言
随着现代化科技的进步，在很多工业
控制场合需要非常精确的控制温度的变
化，而在日常生活中，水温的智能控制应用
也非常广泛，在这种环境下，便提出了智能
水温控制系统。
本设计以单片机AT89C51为控制核
心，用K型热电偶作温度传感器，信号经
基于单片机AT89C51的
温度控制系统的设计
罗云松李丹攀枝花学院电气信息工程学院617000
TheDesignofTemperatureControlSystemBasedonAT89C51SingleChip
Microcomputer
LuoYunsongLiDan
SchoolofInformationandElectricEngineeringofPanzhihuaUniversity,Panzhihua617000,
Sichuan
摘要
本文以单片机AT89C51为控制核心，温度信号
经输入模数转换器ADC0809，转换后的数字量
输入到单片机。单片机中采用PID控制算法对
测量数据和设定数据进行处理，处理后的数
据经数模转换器DAC0832转换为模拟量，以
此来控制全隔离单相交流调压模块，从而控
制锅炉水温稳定于设定值。
关键词
单片机；温度控制系统；PID控制
Abstract
Thispapertakesthesinglechipmicrocomputerof
AT89C51asthecentralcontroller,andthetemperature
signalisinputtedintotheA/DConverterADC0809,
thentheconverteddigitalsignalisimporttedintothe
SingleChipMicrocomputer.Single-chipMicrocomputer
usePIDcontrolalgorithmtoprocessthedata
measurementanddatasettings,andtheprocessed
dataisconvertedintoanalogsignalbytheD/A
ConverterDAC0832.Thesignalcontrolsthewhole
isolationsingle-phaseACvoltageregulatormodule,
andthencontrolstheboilerwatertemperaturestability
inthesettings.
Keywords
SingleChipMicrocomputer;TemperatureControlSystem;
PIDControl
放大后输入模数转换器ADC0809，转换
后的数字量输入到单片机AT89C51中。单
片机中采用PID控制算法对测量数据和设
定数据进行处理，处理后的数据经数模转
换器DAC0832转换为模拟量，以此来控
制全隔离单相交流调压模块，从而控制锅
炉水温稳定于设定值。
2.温度控制系统方案设计
采用K型热电偶测量温度，将温度信
号放大后通过A/D转换进入单片机，单片
机进行数字滤波和PID运算处理后，结果
经DAC0832转换为模拟量对全隔离单相交
流调压模块进行控制，达到控制电炉水温
的目的。系统方案如图1所示。
图1系统结构框图
3.温度控制系统硬件设计
温度控制系统硬件包括：AT89C51
单片机最小系统模块、A／D转换模块、D
／A转换模块、信号放大电路、温控电路
以及其它外围电路。
3.1单片机的选择
AT89C5l是ATMEL公司采用CM0S
工艺生产的低功耗、高性能8位单片机，与
MCS-51单片机兼容，其功能特点为：(1)
4K字节闪烁存储器(FLASH)，可进行1000
次写。(2)静态操作，外接OHZ-24MHZ晶
振。(3)三层程序存储器琐。(4)128字节内部
数据存储器(RAM)。(5)32跟可编程输入，输
出线。(6)两个6位定时／计数器。(7)六个中
断源。(8)一个可编程串口。(9)支持低功耗模
式和掉电模式。非常适合用作控制系统设
计。
3.2传感器电路和信号放大电路
采用K型热电偶作为温度传感器，它
是一种能测量较高温度的廉价热电偶。它
的价格便宜，重复性好，产生的热电势
大，约为0.041mV/度，因而灵敏度很
高，而且它的线性很好。虽然其测量精度
略低，但完全能满足工业测温要求，所以
它是工业上最常用的热电偶。由于热电偶
输出的电压信号频率较低、电压弱，所以
选用了一阶有源低通滤波电路。放大电路
用同相放大、负反馈方式。
3.3模数转换器ADC0809与单片机的
接口
模数转换器ADC0809是8位逐次比较
式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的
分时采集8路模拟开关，其模拟量输入电压
为0～5V，对应的数字量输出为00H-
FFH，以及相应的通道抵制锁存用译码电
路，其转换时间为100μs左右。
温度传感器将温度信号转换为电信号
经放大后输入模数转换器ADC0809，转换
后的数字量输入到单片机AT89C51中，单
片机AT89C51中与模数转换器ADC0809
的接口电路2如图所示。
图2ADC0809与单片机AT89C51的
接口电路
3.4数模转换器DAC0832与单片机的
接口
DAC0832主要参数如下：分辨率为8
位，转换时间为1μs，满量程误差为±
1LSB，参考电压为(+10～-10)V，供电
电源为(+5～+15)V，逻辑电平输入与TTL
-175-
兼容。
本设计只需一个模拟量输出，因此，
DAC0832的输出采用单缓冲输出方式。
其接受从单片机送来的数字信号，并将其
转换为可在0V～＋5V范围内变化的模拟
信号，此信号输出至下一级全隔离单相交
流调压模块，从而调节该模块的输出功
率。DAC0832与单片机AT89C51的接口
电路如图3所示。
图3DAC0832与单片机接口电路
3.5功率驱动电路设计
当水温和设定值不等时，必须对其进
行控制以稳定于设定温度。本设计用全隔
离单相交流调压模块来响应DAC0832的输
出，以控制电阻丝的发热功率，进而控制
水温。电路原理图如图4所示。
图4全隔离单相交流调压模块实现水温
控制电路
4．PID温度控制算法程序
PID控制算法是温度控制系统软件的
核心部分。本设计采用增量式PID控制算
法，其算式如下：
式中，e
n
e
n-1
e
n-2
分别为第n次、n-
1次和n-2次的偏差值；K
p
，T
i
，T
d
分
别为比例系数、积分系数和微分系数；T为
采样周期。
控制模块工作过程为：单片机每隔固
定时间将现场温度与用户设定目标温度的
差值带入增量式PID算法公式，由公式输
出量决定加热器功率大小。如现场温度与
目标温度的偏差大则电压导通个数多，加
热电路的加热功率大，使温度的实测值与
设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差
小则电压导通个数小，加热电路加热功率
减少，直至目标值与实测值相等，形成一
个闭环调节系统。其控制流程如图5所
示。
图5软件控制流程
数字曾量式PID控制子程序关键代码
如下：
typedefstructPID{
doubleSetPoint;//设定目标Desired
Value
doubleProportion;//比例常数
ProportionalConst
doubleIntegral;//积分常数Integral
Const
doubleDerivative;//微分常数
DerivativeConst
doubleLastError;//Error[-1]
doublePrevError;//Error[-2]
doubleSumError;//SumsofErrors
}PID;
doublePIDCale(structPIDpp．
doubleNextPoint)
{
doubledError,Error;
Error=PP->SetPoint-NextPoint;//偏
差
PP->SumError+=Error;//积分
dError=pp->SumError-2pp->
LastError+pp->PrevError;//当前微分
PP->PrevError=PP->LastError;
PP->LastError=Error;
return(PP->ProportionError//比例
项
+pp->IntegralPP->SumError//积
分项
+pp->DerivativedError//微分项
);
}
5.结论
本系统以AT89C51单片机为控制核
参考文献
[1]李晓伟,郑小兵,周磊等.基于单片机的
精密温控系统设计[J].微计算机信息.
2007.32．
[2]杨丙聪,许忠仁,刘晓峰.基于AT89S52
单片机的智能温度控制器的设计[J].测控
技术.2007.10．
[3]丁元杰.单片微机原理及应用[M].北
京：机械工业出版社.2008.1.
[4]黄立宏，李莉娅.一种PID的温度控
制系统设计[J].现代机械.2009.1．
[5]关平,曲颖,刘红等.可实现的基于
MCS-51单片机的恒温控制系统的设计[J].
自动化技术与应用.2008.10．
[6]曹越刘超冯进良.基于AVR单片机
的精密温控系统设计J].仪器仪表用户.
2008.6．
[7]乔元劭曹衍龙.基于AT89C51的豆浆
液温度控制系统[J].组合机床与自动化加
工技术.2008.5．
作者简介
罗云松（1981～）：男，汉族，四川攀
枝花市人，助理实验师，电子科技大学在读
硕士，研究方向：微计算机及控制。
心，利用热电偶检测温度并配合PID控制
算法提高了水温的控制精度，使用PID控
制算法和移相触发可控硅调节方式实施自
动控制系统，具有控制参数精度高、反映
速度快和稳定性好的特点。
|
|
