^L堑窒兰茎垄墨墨I冒墨宙墨I四重墨害置匿I茎函
基于AT89S52单片机的PID恒温控制系统的开发和实验研究
陈铁强，李克天，刘吉安，印波，蔡召虎
(广东工业大学机电工程学院。广东广．}Il510075)
摘要：设计开发r基于AT89S52单片机的温度控制系统。采用新璎数字器件MAX6675和K璎热电偶构成温度采集电路；应用
PID算法来嗣节温度，采用正交实验法对PID控制参数进行整定；并且开发了PC机监控软件，通过串口通信实时监控系统的状
态。泼系统经过实验验证，取得了较为满意的控制效果。
关键词：单片机；温度控制系统；MAX6675；PID控制
中图分类号：TP273+．5文献标识码：A文章编号：1009-9492(2009l09-0052-．03
l引言
温度是SMT生产过程中重要的工艺参数．温度控制的
优劣直接影响PcB产品的质量和生产效率的提高。设计开
发性能优良的温度控制系统，提高控温精度，便于人T操
作是SMT温度控制领域的重要问题。本文针对SMT波峰
焊锡炉部分的温度场(2700C左右)Ill。设计了一种基于
A1"89S52单片机的温度控制系统．采用新型数字器件
MAX6675和K型热电偶构成温度测量电路．用数字PID
算法对实验锡炉温度进行控制。具有精度高、稳定性好的
特点。并采用正交实验法对PID控制参数进行整定。本文
还设计了单片视与j二位机的通信软件，实现了远程温度控
制。该系统可大大地提高工作效率和控制精度，具有良好
的实用价值。本文研究内容和方法对其它温度控制精度要
求较高的场合有参考价值。
2工作原理
当采样周期r到达时．由热电偶检测锡炉内实际温
度，经数字转换器MAX6675将热电偶输出的毫伏信号直
接转换成数字信号送给单片机A鸭9S52．单片机将采集到
的温度信号与设定温度值进行比较。根据偏差信号进行
PID控制运算，得出相应输出量。并控制加热器进行加热
或停止加热。从而控制锡炉的温度，使锡炉的实际温度向
着给定温度变化并最终达到给定温度。系统时刻检测炉内
温度值。出现越限时启动蜂鸣器报警。
3系统硬件设计
本系统的硬件设计主要包括单片机的最小系统、温度
采集电路、显示接口、温度控制电路、键盘接口、蜂鸣器
报警电路、串口通信电路等。图1中AT89S52为主控制器
件。它是ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位
单片机．片内含有8k字节的Flash存储器和256字节的
RAM。以下是各部分电路功能介绍。
图1控制器系统硬件结构框图
3．1单片机
AT89S52是整个系统的CPU．首先采集得到当前温度
值，用采集值与设定值相减计算出温度偏差。然后进行
PID运算，控制加热器工作，从而实现温度控翩。
AT89S52还负责按键处理、LCD显示、报警处理以及串口
通信等丁作。
3．2温度采集电路
本系统采用K型热电偶作为高温测量传感器，热电偶
测量电路选用MAX6675[引。MAX6675是美国MAXIM公
司生产的基于SPI总线的带有冷端温度补偿、线性校正、
热电偶断线检测等功能的K型热电偶测量转换芯片．其输
出为12位二进制数字量。测温范围0"12～1023．75℃．温度
分辨率为O．25℃。冷端补偿范围为～20℃-+85℃。工作电压
‘广东省科技计划项目(2006A10401003、2007A010301002)和广州市科技计划项目
收稿嗍：舢邶埘[二]至工二]
万方数据
墨墨重量翟翟冒目墨l墓l重l茎函堡窒皇差≥
3．O～5．5V，可以满足大多数丁业应用场合f3】。
MAX6675与AT89$52单片机接口电路框图如图2所
示。K型热电偶接在MAX6675的T+、T_端，热电偶的冷
端接地。由于AT89s52不具备SPI总线接口．敝采用模拟
SPI总线的方法来实现其与MAX6675的接口。其中P1．O
模拟SPI的数据输入端(SO)，P1．1模拟SPl的串行时钟
输出端SCK，PI．2模拟SPI的从机选择端CS。
VCC
IVCC
Io．IpF
rGND
LMAX6675AT89S52
，T+SO
PI．O
、一T-SCK
PI．1
CSP1．2
图2AT89S52单片机与MAX6675接口电路
3．3温度控制电路
本温度控制系统采用通断控制．通过改变给定控制周
期内加热器的导通和关断时间，达到调节温度的目的。系
统控制电路由双向可控硅输出型光电耦合器MOC306l和
双向可控硅BTAl2组成，如图3所示。当单片机的P1．7
口输出低电平时，同向驱动器7407输出低电平，
MOC3061的输入端有电流输入，输出端的双向可控硅导
通。触发外部的双向可控硅BTAl2导通，加热器通电；当
P1．7端输出高电平时．MOC306l输出端的双向可控硅关
断，外部的双向可控硅BTAl2也关断，加热器断电。
+Tl
茸翌蛭默厂21。NCNC1r2
图3温度控制电路
3．6串口通信电路
本系统采用RS232标准总线接口实现单片机和PC机
的通信，以实现PC机对单片机的实时监控[“。AT89S52
单片机与PC机的接口电路如图4所示。
0．IuFl16五…
宅lCl+VCC2一"I-
PC机O．1H旺三C1‘V+6圭
(上位机)乙￡C2+．MAX23V—v一二1fo．Ip
FATs9S52
llTIIN
TIOUT旦菌五(下位机)12
RIOUTR1IN13暑——一
RXD
2710ll
38
T20UTT2INTXD
TXDR2INGNDR20UT910&)(D
51520GNDGND
图4AT89S52与PC机的接口电路
4系统软件设计
本系统通过热电偶检测锡炉内实际温度，由MAX6675
将热电偶输出的信号直接转换成数字信号，存人AT89S52
的内部数据存储器．经处理送LCD显示．并将采集值与设
定值进行比较．经过PID运算得到控制量并由单片机输出
去控制加热器。进行温度控制程序的设计考虑如下问题：
①按键处理和LCD显示：②温度采样和数字滤波；(函PID
控制；④越限报警和处理；(萤串口通讯。
4．1系统控制算法
本控制系统中．使用的是数字PID控制器。PID控制
器是一种线性控制器．它将设定值与测量值之间偏差的比
例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，
对被控对象进行控制。PID控制算法可分为位置式PID算
法和增量式PID控制算法。由于位置式PID算法存在某些
缺点，而增量式PID控制算法具有误动作时影响小的优
点：手动／自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换；算
式中不需要累加，控制增量拉(||})的确定仅与最近蠡次采
样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制
效果[51，因而本文选用增量式PID控制算法，经典的数字
PID增量型算式为：
电加热器△‰=‰—‰．t=％【(e。唧，t)+万Ten+争(岛一如一t帕村)】=
3．4按键处理、LCD显示
显示电路采用1602LCD显示模块。P0口的8根线作
为液晶显示器的数据线．用P2．0、P2．1和P2．2作为3根控
制线。按键主要负责温度的设定和PID参数的输入。
3．5蜂鸣器报警电路
蜂鸣器报警电路由三极管和蜂鸣器组成。由单片机
PI．6口输出高低电平信号控制三极管的导通或截止。三极
管导通．则蜂鸣器报警。
墨(e，e，1)+K，一如(e，2e，I托祝)(1)
其中恐为比例系数；蜀为积分系数；KD为微分系数；
中m
KJ=Kp百1；Kv=Kp且s''p。比例环节即成比例的反映控制系统
1I』
的偏差信号e(t)，偏差一旦产生。控制器立即产生控制
作用，以减少偏差。积分环节主要用于消除静差，提高系
统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数乃，乃
越大。积分作用弱。反之则越强。微分环节能反映偏差信
号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大
之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快
万方数据
图5主程序流程图
系统的动作速度，减
小调节时间。式(1)
为PID控制软件的编
制依据。
4．2主程序
主程序主要完成
系统初始化、温度采
样、数字滤波、按键
处理、温度显示、PID
计算等。主程序的流
程网。如图5所示。
4．3死定时器中断
服务程序
死定时器中断服
务程序用于产生8S采
样周期和可控硅的通
断周期。是温度控制
电路的主体程序。PID
运算结束后，输出控
制增量Ⅱ(k)，在利
用“(||})进行控制输
出前．对其进行限幅
处理，限幅处理算式如式(2)所示。使其成为0—200之
间的数。因此，某一周期可控硅的导通时间(加热时间)
为M(k)8／200，剩余的时间为可控硅的关断时间。％
中断服务程序的流程图如图6所示。
图6TO定时器中断服务程序流程图
控制增量／／．(k)的限幅处理算式：
fo，“(晟)≤o
U(k)={U(蠡)，O
L200，Ⅱ(蠡)>200
4．4串口通讯程序
在本温控系统中，以单片机AT89S52作为下位机，PC
机作为上位机．下位机与上位机通过串口进行通信。通过
运行上位机的监控软件，用户可方便的对温度设定值和
PID参数值进行修改。下位机将实时温度信息传递给t位
机．以实现上位机对下位机的状态进行远程监控。上位机
软件上显示温度实际值及温度变化曲线，曲线随着焊锡炉
实际温度值的变化两变化。用户可方便的观测系统对温度
的控制状况。图7是温度设定值为2700C时的温度控制曲
线。
图7温控系统的控制曲线图
5温控系统的调试和PID参数的整定
数字PID控制器参数的整定是一项十分复杂的工作。
必须依靠经验和现场调试来确定控制器的参数K，、K，、
％。合理的选择采样周期r，是数字PID控制系统的关键
问题之一，从理论上说，采样频率越高，失真越小，但是
从控制器本身而言。是依靠偏差信号E进行调节计算的，
当采样周期r过小．控制器将失去调节作用，采样周期r
过长。又会引起误差。由于温度为响应慢、滞后较大的被
控对象，采样周期f选得长些，取r为8s，双向可控硅控
制周期与采样周期一样为8s。在PID参数整定过程中，首
先按Ziegler—Nichols提出的参数整定法则选取一组初始
PID参数值，本文通过正交实验的方法来确定主要影响因
素，然后在实际操作中对参数进行修订，直至最终满足要
求为止。
初始实验时各参数的取值为：
Kp={14．0，16．0，18．0l；
K，=10．5，1．O，1．5}；
Ka={16．0，18．0，20．ol。
PID参数整定的目的是找到一组使温控系统的超调值
小、响应快、稳态精度高的参数值。由于初始实验各组参
数所产生的超调值相差不大．因此。将稳定在2700C±2℃
的时间作为本次实验的实验指标。
(下转第125页)
万方数据
开。经设定时间3008后，B004输出0，Fl阀打开，B001
输出l。输入B010。接着重复开始的T作过程，进入下一
个工作周期。如此循环，10min为一个周期。当12有输入
(按钮S2接通)时，输出分为四路，分别去延时断开功能
块B003、B004、B005、B006的复位端，使其全部复位输
出为0，从而关掉系统。编程可通过面板的操作键完成。
还可方便地修改工作周期，只需重新设定时间即可。
3结束语
Siemens通用逻辑模块IX)CO!是一稳定可靠、经济实
用的控制器。采用它实现无热再生空气干燥净化装置的自
动控制，提高了控制系统的可靠性．延长了其维护周期和
使用寿命。增加了控制系统的控制功能。方便了工作人员
的操作。
参考文献：
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第一作者简介：方建华，男。1962年生，浙江杭州人，硕士，讲
师。研究领域：电气自动化技术和电子测量。
(编辑：向飞)
j妇jkj蟹夸函誓拿毒kjkj蟹逝誓拿qej蟹业业童泛业jk夸譬迎夸函jk夸譬业螺业j咯妇业j函夸k夸蟹j咯
(上接第54页)
经实验和数据处理，可得初始实验的数据统计表，见
表l。
表l初始实验的数据统计裹
^BC
实验号Xi=yI-800
l234
l1(14．o)11(0．5)1(16．O)一34
21(14．0)22(1．O)2(t8．0)2科
3t(t4．O)33(t．5)3(20．0)500
42(16．o)l2(1．0)3(卸．o)194
82(16．o)23(1．5)l(18．0)500
62(16．o)31(0．5)2(18．O)—38
73(18．O)l3(1．5)2(18．O)500
83(18．0)21(0．5)3(20．O)—147
93(18．0)32(1．0)I(18．o)98
Kl720鲫—2175斛
配艏8∞7啪718T-∑而=1829
K345l562l枷547M
kI172咖145200156∞．33lO∞32；。三堋．2
也14432lt3122816．39937217184I．3厅
¨67∞0．33105281．375000099738．3
口3鲥921．7373297．78650胡．3377609．7∞!．37l嘲．4
月
S=‘卜cT13228．221604．22493374．95916．2
根据各列极差S计算结果。可得出该控制系统影响
PID品质指标最为显著的是局，然后是群，最后是‰。根
据k。、k：、k，的计算结果，绘制因素水，平关系图，如图8
所示：并可得出本轮实验对系统最好的参数取值应该是
KP=18．0．K尸--0．5．Ko=20．0。
经过反复实验．最终将本系统的参数定为Kv=18．3．
为=0．5，Ko=21．8，温控曲线见图7。用此参数控制实验锡
炉。系统超调量小，过渡过程时间短。当温度偏离设定的
温度值时。由于PID的控制作用，温度总在设定值做上下
波动，误差很小。可以将温度控制在±l℃以内。
6结语
本文介绍了一种基于AT89S52单片机的SMT波峰焊
锡炉温度控制系统．采用新型数字器件MAX6675作为温
8000∞
70c10I∞
6c10000
50c1000
400000
300000
20c1000
loclo∞
0
◆
|
|
|
l
，
-—’1．^
．．．’◆．．．，．．．’．．’
^141618B0．5l1．5C16墙∞
因素水平
图8因素水平关系图
度测量电路。系统测温电路与单片机直接接口，采样数据
可靠性高；应用PID算法来调节温度，控制精度高，且编
程简单方便；通过正交实验的方法整定出了控制器的PID
参数，减少了重复实验的次数；通过单片机和PC机的串
口通信，还实现了远程温度显示和PID参数的设定。使用
户能够随时对温度进行监控。经过实验验证。该温度控制
器结构简单、体积较小、测温范围宽、控温精度高。具有
一定的实用价值。
参考文献：
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【3】Cold-Junction-Compensatedhermocouple-to—DigitalConverter
[EB／OL]．http：／／www．maxim-it．corn．cn．
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术。2005(14)：50—53．
【5]陶永华．新型PID控制度其应用【M]．北京：机械工业出版
社．2002．
第一作者简介：陈铁强，男，1983年生，河南洛阳人，硕士研究
生。研究领域：微电子装备制造及其自动化。
(编辑：梁玉)
单露馨稼
万方数据
基于AT89S52单片机的PID恒温控制系统的开发和实验研究
作者：陈铁强，李克天，刘吉安，印波，蔡召虎
作者单位：广东工业大学
刊名：机电工程技术
英文刊名：MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGTECHNOLOGY
年，卷(期)：2009，38(9)
引用次数：0次
参考文献(5条)
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4.张淑俭PC机与单片机之间的串行通信2005(14)
5.陶永华新型PID控制及其应用2002
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绿色发光二极管,当温度高于设定的上限时,单片机启动致冷器降温,同时点亮红色发光二极管.给出了系统总体框架、程序流程图和Proteus仿真结果,并
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