基于stc12单片机的PID恒温烙铁设计

1.设计灵感

一把普通的60W烙铁总是再焊接电路板时因为温度过高而对焊接的质量产生影响，但是如果可以用外部电路来控制烙铁的温度，就能很好的解决这个问题。

2.硬件采购

首先恒温烙铁那必须要有烙铁，我选取了60w的普通烙铁，因为便宜只要7块钱其次是这次的主控单片机stc12c5a60s2，这款单片机相较于普通单片机有更多的程序库，像PWM，ADC，也有更多的IO口，在做电路设计的时候，12单片机更为合适然后是烙铁的控制，采用固态继电器，有更高的通断频率，也可以控制交流220V电压

最后是反馈元件k型热电偶，PID的整定需要反馈元件的反馈，而k型热电偶，加上max6675热电偶温度转换芯片，非常合适作为这次的反馈原件

3.位置式PID概述

1. 位置式PID公式

在离散系统中，位置式PID的控制量输出公式为：

u(k)=Kp⋅e(k)+Ki⋅T⋅∑j=0ke(j)+Kd⋅e(k)−e(k−1)Tu(k)=Kp​⋅e(k)+Ki​⋅T⋅j=0∑k​e(j)+Kd​⋅Te(k)−e(k−1)​

• 参数说明：

  • u(k)u(k)：第kk次采样时刻的控制量输出。

  • e(k)e(k)：当前时刻的偏差（设定值与实际值之差）。

  • Kp,Ki,KdKp​,Ki​,Kd​：比例、积分、微分系数。

  • TT：采样时间。

  • 积分项通过累加历史偏差实现，微分项通过差分近似微分。

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2. 实现特点

• 积分项处理：需要保存历史偏差的累加和，通常通过变量累积实现，无需存储所有历史数据。

• 微分项处理：仅需保存前一次偏差e(k−1)e(k−1)。

• 计算复杂度：每次计算需更新积分累加值和微分项的前次偏差。

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3. 优缺点分析

• 优点：

  • 直接输出绝对控制量，适用于阀门开度、温度设定等场景。

  • 无需执行机构记忆前次输出，控制逻辑直观。

• 缺点：

  • 积分饱和：持续偏差导致积分项累积，可能超出执行机构限幅，需采用抗饱和措施（如积分限幅、积分分离）。

  • 对计算误差敏感，突发干扰可能导致输出突变。

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4. 参数整定与采样时间

• 参数调整：与常规PID一致，可采用试凑法、Ziegler-Nichols法等，需注意积分项限幅。

• 采样时间TT：

  • 过大：离散化误差显著，影响控制精度。

  • 过小：计算负担增加，硬件要求高。

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5. 与增量式PID对比

• 位置式：输出绝对控制量u(k)u(k)，积分项为偏差累加，易积分饱和。

• 增量式：输出控制量变化Δu(k)=u(k)−u(k−1)Δu(k)=u(k)−u(k−1)，积分效果通过偏差增量实现，抗饱和能力强，但需执行机构记忆前次输出。

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6. 应用场景

• 位置式PID：适用于需直接设定执行机构位置的场合（如伺服电机位置控制、阀门开度调节）。

• 增量式PID：适合步进电机等需控制量变化的场景。

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7. 抗积分饱和措施

• 积分限幅：限制积分项的最大值。

• 积分分离：偏差较大时暂停积分，避免过度累积。

• 变速积分：根据偏差大小动态调整积分速度。

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位置式PID以其直接输出绝对控制量的特性，在工业控制中广泛应用，但需合理处理积分饱和问题并结合实际场景调整参数。

其实PID就是通过比例调节，积分调节，和微分调节，来输出一个结果，再通过反馈元件来回馈一个值，然后再循环这个过程，不断的整定和调节，来达到最终的输出效果

4.硬件接线图

单片机通过PWM输出控制固态继电器，固态继电器控制烙铁是否加热，热电偶读取烙铁的温度，反馈给单片机，oled实时显示当前控制进度，不断循环这个过程，来完成这个过程

5.程序实现

1.热电偶程序库

这是基于51内核单片机的热电偶程序，可直接使用，连接后以数码管形式输出。

#include <REGX52.H>
#include "intrins.h"			//_nop_();延时函数

#define uchar unsigned char
#define uint  unsigned int

sbit  SO  = P3^6;  				//P3.6与SO连接
sbit  SCK = P3^4; 				//P3.4与SCK连接
sbit  CS  = P3^5;  				//P3.5与CS连接

sbit wx = P2^6;
sbit dx = P2^7;

const unsigned char DevID = 1;		//本机设备ID
unsigned char buffer;			//串口接收缓冲区
unsigned char rcv_buffer[20];
unsigned char send_buffer[20];
unsigned char flag_ok = 0;		//接收完毕的标识
unsigned int MAX6675_Temp;
unsigned char Flag_connect;
unsigned char CRCH,CRCL;
unsigned char wd[2];	  		//wd[]；BCD码的温度
unsigned char flag_dis;			//显示刷新的标识

unsigned char dis[4] = { 0x00, 0x00, 0x00,0x00 };
unsigned char code SMG[] = {0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90, 0x88, 0x83, 0xc6, 0xa1, 0x86, 0x8e};

unsigned int MAX6675_ReadReg(void)
{ 
	unsigned char i;   
	unsigned int dat;
	 
	i   = 0;   
	dat = 0;   
	
	CS  = 0; 
	SCK = 0;     
	
	for(i=0; i<16; i++)		//get D15-D0 from 6675  
	{      
		SCK = 1;     
		dat = dat<<1;    
		if( SO==1 )   
			dat = dat|0x01;   
		SCK = 0;    
	} 
	CS = 1;   
	  
	return dat;   
}  
/*
* 功能；延时，若干毫秒
* 参数；毫秒数
* 返回值；无
*/
void DelayMs(unsigned int i)	//一个延时函数，这个函数再11.092Mhz下延时时间大概为1ms
{
	unsigned int j,k;

	for(j=i; j>0; j--)
		for(k=114; k>0; k--);
}
/*
* 数码管显示
*/
void SMG_DisChar(unsigned char place, unsigned char num)
{
	unsigned char i;

	i = 0x80 >> place;		

	P0 = SMG[num];	 
	dx = 1;
	dx = 0;
	
	P0 = i;	
	wx = 1;
	wx = 0;

	DelayMs(1);	
}
 
void Display(unsigned int temp)
{
	if(Flag_connect==0)		  	//Flag_connect为0，表示热电偶已经连接，这里显示温度
	{
		if(temp > 999)
		{
			SMG_DisChar(3,temp/1000);
		}
		if(temp > 99)
		{
			SMG_DisChar(2,(temp%1000)/100);
		}
		if(temp > 9)
		{
			SMG_DisChar(1,(temp/10)%10);
		}
		SMG_DisChar(0,temp%10);
	}
	else						//Flag_connect为1，表示热电偶未连接，这里显示fff
	{
		SMG_DisChar(3, 0x0F);
		SMG_DisChar(2, 0x0F);
		SMG_DisChar(1, 0x0F);
		SMG_DisChar(0, 0x0F);
		
	}
}

void main(void)
{
	unsigned char cnt = 11;
	unsigned int t;

	while(1)
	{
		t=MAX6675_ReadReg();

  		Flag_connect=t&0x04;		 	//读出数据的D2位是热电偶掉电标志位，该位为1表示掉线，该位为0表示连接
  		Flag_connect=Flag_connect>>2; 	//MAX6675是否在线

		t = t<<1;					   	//读出数据的D3-D14是温度值
		t = t>>4;
		MAX6675_Temp = t/4;				//测量单位为0.25，所以要乘0.25，（即除以4）才能得到准确的温度值
		
		for(t=0; t<200; t++)			//标识温度
		{  
			Display(MAX6675_Temp);
		}

	}
}

2.PID设定值给定

在一个函数里把一下不需要随时改变的变量赋值，方便后面的算法直接拿取使用

void PID_Init()//PID设定值给定
{
	sv=120;/默认设定温度
	kd=3;//Dout输出
	T=200;
	Ti=2000;
	Td=600;
	PIDpwm=500;
	OUT0=5;
}

3.PID计算

对于PID的计算，这里要注意的是，Pout,Iout以及Dout都有不同的加入时段，调节这三个输出的进入时间对于PID的控制也至关重要，下面的程序是我在PID控温时采取的PID计算

void PID_Calc()//PID计算
{
	int DelEK;
	float ti,Ki;
	float Iout;
	float Pout;
	float Dout;
	float td;
	float out;
	if(C10ms<T)
	{
		return;
	}
	if(C10ms>T)
	{
		EK=sv-pv;   //当前偏差
		Pout=kp*EK;  //比例输出
	
		if(pv<=(sv+4)&&pv>=(sv-4))
		{
			ki = 1.6;
			kp = 8;
			SEK+=EK;    //历史偏差总和
			ti=T/Ti;
			Ki=ti*ki;
			Iout=SEK*Ki*ki; //积分输出
			num3=Iout;
			out=Pout+Iout;//本次计算
			DelEK=EK-EK_1;//最近两次偏差
			td=Td/T*kd;
			Dout=DelEK*td; //微分输出
			out=Pout+Iout+Dout;//本次计算
		}
		else if(pv<=(sv+20)&&pv>=(sv-20))//设定Iout加入运算时间
		{
			if(pv<=(sv+20)&&pv>=sv)
			{
				kp = 0.5;
				ki = 0.8;
			}
			else if(pv>=(sv-20)&&pv<=sv)
			{	
				kp = 0.5;
				ki = 1.2;
			}
			SEK+=EK;    //历史偏差总和
			ti=T/Ti;
			Ki=ti*ki;
			Iout=SEK*Ki*ki; //积分输出
			num3=Iout;
			out=Pout+Iout;//本次计算
		}
		else{out = Pout;kp = 3;}//单纯的Pout输出
		num1=Dout;
		num3=Iout;
		num4=SEK;

		if(out>PIDpwm)
		{OUT=PIDpwm;}
		else if(out<0)
		{OUT=OUT0;}
		else{OUT=out;}
		num2 = out;
		EK_1=EK; //更新偏差
		C10ms=0;
	}
}

4.PWM输出

我的PWM采取的是计时器输出，通过调节输出方波脉宽，来调节实际的输出结果

void Timer0_Init(void)
{
	TMOD &= 0xF0;
	TMOD |= 0x01;
	TL0 = 0x66;
	TH0 = 0xFC;
	TF0 = 0;
	TR0 = 1;
	ET0 = 1;
	EA = 1;
}
void TimerO(void) interrupt 1
{
	TL0 = 0x66;
	TH0 = 0xFC;
	Time1++;
	C10ms++;
	Time0++;
	if(Time0>=PIDpwm){Time0=0;}
	if(Time0>OUT){key=0;}
	else{key=1;}
}

5.oled显示

oled的显示程序比较简单 ，初始化程序用来初始化和显示一些固定的内容后面的OLED显示程序用来显示当前的加热过程，配上按钮进行人机交互

void OLED1_Init()
{
	OLED_Init();//初始化OLED
	OLED_ColorTurn(0);
  OLED_DisplayTurn(0);
	OLED_ShowChinese(0,2,0,16);
	OLED_ShowChinese(18,2,1,16);
	OLED_ShowChinese(36,2,6,16);
	OLED_ShowChinese(54,2,3,16);
	OLED_ShowChinese(0,4,4,16);
	OLED_ShowChinese(18,4,5,16);
	OLED_ShowChinese(36,4,6,16);
	OLED_ShowChinese(54,4,7,16);
}

void OLEDshow()
{
	if(num1<=0){num1=0;}
	if(num3<=0){num3=0;}
	if(num4<=0){num4=0;}
	OLED_ShowNum(80,0,num3,5,16);
	OLED_ShowNum(0,6,num4,5,16);
	OLED_ShowNum(0,0,num1,5,16);
	OLED_ShowNum(80,6,OUT,5,16);
}

6.项目文件

链接: https://pan.baidu.com/s/1Sr8cdt3YnOtqlPE7zhhBoQ?pwd=t6qy 提取码: t6qy 复制这段内容后打开百度网盘

7.模块成果展示

模块搭建PID烙铁

8.集成电路板设计

1.原理图设计

主控依然是stc12单片机，采用220v交流电单电源供电，经过rc阻容耦合降压，在经过桥式整流，5v稳压管稳压，滤波后输出给后级电路，LED2为电源供电指示灯

2.PCB电路板

3.3D效果图

9.集成电路成果展示

集成板PID恒温烙铁