1、基于 PID的水温控制系统设计 摘 要 本次设计采用 proteus 仿真软件，以 AT89C51 单片机做为主控单元，运用 PID 控制算法，仿真实现了一个恒温控制系统。设计中使用温度传感器 DS18B20 采集实时温度，不需要复杂的信号调理电路和 A/D 转换电路，能直接与单片机完成数据的采集和处理，使用 PID 算法控制加热炉仿真模型进行温度控制，总体实现了一个恒温控制仿真系统。系统设计中包含硬件设计和软件设计两部分，硬件设计包含 显示模块、按键模块、温度采集模块、温度加热模块。 软件设计的部分，采用分层模块化设计，主要有：键盘扫描、按键处理程序、液晶显示程序、继电器控制程序、温度信号处
2、理程序。另外以 AT89C51 单片机为控制核心，利用 PID 控制算法提高了水温的控制精度，使用 PID 控制算法实施自动控制系统，具有控制参数精度高、反映速度快和稳定性好的特点。 关键词 ： proteus 仿真， PID， AT89C51， DS18B20 温度控制 目 录 1 系统总体设计方案论证 . 1 1.1 设计要求 . 1 1.2 总体设计方案 . 2 2 系统的硬件设计 . 3 2.1 系统硬件构成概述 . 3 2.2 各单元总体说明 . 4 2.3 按键单元 . 5 2.4 LCD 液晶 显示单元 . 6 2.5 温度测试单元 . 7 2.6 温度控制器件单元 . 8 3
3、恒温控制算法研究（ PID） . 错误 !未定义书签。 3.1 PID 控制器的设计 . 7 3.2 PID 算法的流程实现方法与具体程序 . 10 4 系统的软件设计 . 14 4.1 统软件设计概述 . 14 4.2 系统软件程序流程及程序流程图 . 15 4.3 温度数据显示模块分析 . 16 4.4 测试分析 . 18 5 模拟仿真结果 . 错误 !未定义书签。 1 系统总体设计方案论证 1.1 设计要求 一种基于数字 PID 和单片机的温度控制系统设计。要求如下： 1、 超调量 10% 2、 温度可调，范围 ； K1=50 度 K2=60 度 K3=70 度 K4=80 度 3、 人
4、 机对话方便 4、 温度误差 1 1.2 总体设计方案 在仿真设计中，先通过按键设置温度，然后通过温度传感器 DS18B20，从环境中采集温度，由单片机获取采集的温度值，经过处理后，可得到当前环境温度中一个比较稳定的温度值，并且通过 LCD 液晶 显示。再去根据当前设定的温度值进行比较，温度未达到预定的下限温度时，单片机将通过 P2.6 口连接的 RELAY 输出高电平控制信号来驱动 RL1，使得加热棒工作，为系统提供热量，来升高温度。温度上升到预定上限温度时，单片机将通过 P2.6 口连接的 RELAY 输出低电平控制信号来驱动 RL1，使得加热棒停止加热，让温度慢慢回落 3。 工作原理图如
5、图 1.1 所示： 在设计中使用温度传感器 DS18B20 采集实时温度，使用 PID 算法控制加热炉仿真模型进行温度控制。 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的经典的数字温度传感器，具有低功耗、高性能、抗干扰能力、微型化、强易配处理器等等优点，它特别适合用于多点温度测控的系统，它可直接将温度转化成数字信号，交给单片机处理，并且在同一总线上可挂接多个传感器芯片，进行范围性的温度检测。在其内部集成了 A/D 转换器，可使电路结构更简单，且减少了温度测量转换时的精度损失。数字温度传感 DS18B20 只用一个引脚，即可与单片机进行连接了，这样大大的减少了设计中接线麻烦 的问题，使得单片机可
6、以节约许多端口。 DS18B20 芯片的体积又比较小，且还是单线与主控芯片连接，于是在实际运用中，常常把数字温度传感器 DS18B20 做成小型的测量温度的探头，即使是一些狭小的位置也能很方便的检测到，使温控系统发挥最大的作用 4。 在本仿真设计中 DS18B20 与 51 单片机的 P3.4 口链接。 DS18B20 可以仿真设置环境温度，来完成设计要求。 本次设计采用 proteus 仿真软件，以 AT89C51 单片机做为主控单元。 51 单片机上连接晶振和复位电路，保证单片机的正常运行。 P0 口与 LCD 液晶 连接，显 示测量结果。P1.0， P1.4， P3.3， P3.4 分别
7、与 4 个控制按键连接。由 AT89C51 的端口丰富使得整个系统设计起来方便简单，线路清晰，且 AT89C51 是一个高性能，低功耗的 CMOS 8 位单片机， AT89C51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz，在实际的应用中性价比很高，是温控系统的不二选择。本设计中选择 AT89C51 做为主控单位也是考虑到了实际的需求和做此 设计的意义的 5。 2系统的硬件设计 2.1 系统硬件构成概述 本章主要介绍本次设计中的硬件设计部分，其中包含：显示模块、按键扫描模块、温度采集模块、温度加热模块。 2.2 各单元总体说明 1、 显示模块 ： 本设计中采用 LCD 液晶 显示温度值，其中最后一位为小
8、数位。 2、 按键模块 ： 本设计中采用 5 按键设置，第一按键为复位按键，第 2、 3、 4、 5 按键为温度档位按键，连接上拉电阻使其未按键时能够保持高电平。 3、 温度采集模块：本次设计中 使用温度传感器 DS18B20 采集实时温度，使用 PID算法控制加热炉仿真模型进行温度控制，数字温度传感器 DS18B20 只需一个引脚，即可与单片机进行通信，在设计中将 DS18B20 与 51 单片机的 P3.4 口连接，用其来完成温度的测量 6。 4、 温度加热模块：本设计采用加热棒来进行温度值的控制，其配有功率显示表，以便在仿真中与温度传感器 DS18B20 相对应，便于统计。加热棒与光电耦
9、合器连接，光电耦合器通过 RELAY 与 51 单片机的 P2.6 口连接。通过 51 单片机发送信号来控制加热棒的运作。 2.3 按键单元 一般的键盘设计采用的是硬件设计，可是其在仿真设计中连接，线路会比较麻烦。所以在本此设置中我采用的是 5 按键软件控制，第一个按键为复位按键，其他两个为档位调节按键， K1 为 50 度、 K2 为 60 度、 K3 为 70 度、 K4 为 80 度， 方便简洁，线路清晰设计起来也较为方便。连接上上拉电阻，使其当未有按键按下时，各各按键位都处于高电平。 按键操作说明： 1 号按键为复位设置按键，第一次按下它时， 1 号按键位将处于低电平， LCD 液晶将
10、会显示未加热时的温度，此时，可通过档位按键设置温度 ， 然后进行其他功能模块的操作。 电路如图 3.1 所示： 图 3.1 按键电路 3.6 温度测试单元 在本设计中温度测试采用温度芯片 DS18B20 与 51 单片机的 P3.4 口连接。此集成芯片，可以很好的减少外界的干扰。其内部集成 A/D 转换器，使得电路结构更简单，且减少了温度测量转换时的精度损失，从而使测量的温度值更为精确，具有实在的设计意义。且数字温度传感器 DS18B20 只用一个引脚，即可与单片机进行通信了，大大的减少了接线麻烦的问题，使得单片机更加具扩展性。由于 DS18B20 芯片的小型化，通过单条数据线，就可以和主电路
11、连接，在实际应用中，可把数字温度传感器 DS18B20 做成测温探头，可方便的探入到狭小的地方，从而增加了实用性 9。 DS18B20 的开始运作时，首先要做的是复位工作，即在开始工作前， 51 单片机将会给 DS18B20 当总先发送一个不小于 480us 的低电平信号，对其进行复位。 DS18B20在接收到这个信号后的 1560us 内会回发一个芯片的存在脉冲。为了接收存在脉冲，数据当总线将会被控制器拉高，存在脉冲是一个 60240us 的低电平信号。接下去将进行51 单片机与 DS18B20 间的通信。 51 单片机发送控制的指令共有 5 指令，而每一个工作周期只可以发送一条指令。 5
12、条指令分别为：读取数据、指定匹配的芯片、跳跃 ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。接着 51 单片机发送存储器操作指令（在指令发送给 DS18B20后，马上就发送存储器操作指令了 ）。存储器指令的功能就是控制 DS18B20 怎么样进行工作。 DS18B20 同 51 单片机的接线如图 3.4 所示： 见图可知 DS18B20 只需与单片机的一个端口连接即可，不过当总线为开漏需要外接一个上拉电阻 2R ，为 4.7K。 3.7 温度控制器件单元 在本次设计中，是采用加热棒通过 PID 算法来对温度进行控制的，以便在仿真中与温度传感器 DS18B20 相对应，便于统计。加热棒与光电耦合器连接，光电耦
13、合器通过 RELAY 与 51 单片机的 P2.6 口连接。 51 单片机通过 RELAY 口向光电耦合器发送高电平时，无电流流过，光电耦合器将不导通，继电器也不能导通，继电器的线圈无电流通过， RL1 打向电源处，加热棒通电开始工作加热，可以看出加热棒提升的温度。 当测量到的温度值超出先前设定的预期温度值上限时， 51 单片机通同过RELAY 口向光电耦合器发送低电平时，光电耦合器将导通，有电流流过，使得继电器也导通，继电器的线圈有电流通过， RL1 打向继电器线圈，加热棒断开连接，停止工 作，使温度慢慢的回落。 温控系统连接方法如图 3.5 所示： 图 3.5 温控系统电路 4 恒温控制算
14、法研究（ PID） 4.1 PID控制器的设计 PID 控制是目前在温度控制中应用最广泛的一种控制算法，其核心思想是按设定值与测量值之间的偏差比例、偏差的积累和偏差变化的趋势来控制输出量，即根据偏差值来计算控制量。数字 PID 控制律的实现，需采用数值逼近法，当采样的周期相当短时，可以用用差商代替微分，求和代替积分，可以有如下近似变换 10。 KTt kjkjt jeTjTeTdtte 000 T kekeT TkekTedt tde 11 （ 4.1） 式中， k 为采样的序号， k=l， 2， ； T 为采样的周期。 在离散化的过程中，采样时间 T 须足够的短，不然难以确保精度。在运算时，
15、把 kTe 表示成 ke 等，省去了 T。则可推算出离散的 PID 表达式写成： 11 kekeKjeKkeKku Dk ojp （ 4.2） 式中， k 为采样的序号， k=1， 2， ； ku 是第 k 次采样时，计算机输出的值； ke 是第 k 次采样时输入的偏差值； 1ke 是第 1k 次采样时输入的偏差值； 1K 是积分系数，iP TTKK 1 ； DK 是积分系数， TTKK dpD 。 在实际的应用中，通常采用增量式 PID 控制算法，即数字控制器输出只是控制量的增量，该算法编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。 根据递推原理可得： 4 恒温控制算法研究（ PID）
16、 4.1 PID控制器的设计 PID 控制是目前在温度控制中应用最广泛的一种控制算法，其核心思想是按设定值与测量值之间的偏差比例、偏差的积累和偏差变化的趋势来控制输出量，即根据偏差值来计算控制量。数字 PID 控制律的实现，需采用数值逼近法，当采样的周期相当短时，可以用用差商代替微分，求和代替积分，可以有如下近似变换 10。 KTt kjkjt jeTjTeTdtte 000 T kekeT TkekTedt tde 11 （ 4.1） 式中， k 为采样的序号， k=l， 2， ； T 为采样的周期。 在离散化的过程中，采样时间 T 须足够的短，不然难以确保精度。在运算时，把 kTe 表示成
17、 ke 等，省去了 T。则可推算出离散的 PID 表达式写成： 11 kekeKjeKkeKku Dk ojp （ 4.2） 式中， k 为采样的序号， k=1， 2， ； ku 是第 k 次采样时，计算机输出的值； ke 是第 k 次采样时输入的偏差值； 1ke 是第 1k 次采样时输入的偏差值； 1K 是积分系数，iP TTKK 1 ； DK 是积分系数， TTKK dpD 。 在实际的应用中，通常采用增量式 PID 控制算法，即数字控制器输出只是控制量的增量，该算法编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。 根据递推原理可得： 2111 0 keKeKjeKkeKku DkjI
18、P （ 4.3） 公式（ 4.2）与公式（ 4.3）相减，即得到增量式 PID 控制算法 (4.4)： 2121 kekekeKkeKkekeKku DIP （ 4.4） 本次设计中，控制器的设计采用增量数字 PID 控制算法的功能，可以比较灵活的调节控制信号的导通时间来控制温度值控制的工作。能够基本满足温度控制的要求。 4.2 PID算法的流程实现方法与具体程序 本系统设计的温度控制系统是与光电耦合器连接的加热炉。传统的方法是：当测量的环境温度达到设定值时，加热炉不在加热状态，可是此时加热炉的温度仍然会高与设定的温度值， 加热炉还是会起到加热的作用，使得系统的温度经常继续要升高一会后才能开始
19、下降。当下降到设定的下限温度值时，温控系统会促使加热炉开始工作，对系统进行加热，此过程需要一定的时间，所以往往又会下降一定温度，才能开始上升温度。所以传统的方法往往会出现一定的误差，此误差就是温度的惯性引起的 11。 PID 算法是 PID 模糊控制技术的核心部分，通过比例、积分、微分三方面的结合与调整构成一个反馈控制，可解由于温度的惯性而产生的误差。 tntnte 0 经过 PID 控制器处理后可输出电压的控制信号 tu ，从而反馈调节温度。数字 PID 的控制示意图如图 4.1 所示： 水 箱 P I D 控 制 器 tn0te tn-图 4.1 数字 PID 的控制 实验中最主要的就是
20、PID 参数的选择，它决定着整个温度控制的精确度。我们可以根据具体情况的要求，来调节合适的参数。 P 为比例系数，当在一定范围内若是调节增加 P 时，系统的反映将会变的灵敏，稳态的误差值将会变小，可要是 P 值过大时的话，同样会时系统变得不稳定。P 值过于小了，系统的反映又会变的很慢。可见 的， P 值要是选取不恰当，测量值就会和设定值的偏差越来越大，要是出现了这样的问题时，可将 P 值的符号取反 12。 I 为积分系数， I 的值越小积分的作用就会越强，积分作用强了就会导致系统的稳定性下降，不过 T 值小了，稳态所产生的误差将会减小。 D 为微分控制，微分控制可以改善动态的特性，当 D 偏大时，超调量随之
