1、 单位代码 01 学 号 100119026 分 类 号 TP273 密 级 毕业设计说明书 基于 PID 的水温控制系统设计 院（系）名称 信息工程学院 专业名称 测控技术与仪器 学生姓名 指导教师 2014 年 4 月 25 日 黄河科技学院毕业设计说明 第 页 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
2、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、蜂鸣器报警模块。 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、数码管显示程序、继电器控制程序、温度信号处理程序、超温报警程序。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 黄河科技学院毕业设计说明
3、 第 页 The Design of Water Temperature Control Based on PID Author: Tutor: Abstract This design uses proteus simulation software and takes AT89C51 as master unit, using PID control algorithm to simulation a temperature control system. The Design uses temperature sensor DS18B20 acquisition real-time te
4、mperature, and does not require complex signal conditioning circuitry and A/D converter circuit with the MCU comp leting the acquisition and processing of data directly.The use of PID algorithm control furnace temperature control simulation model, the overall implementation of a temperature control
5、simulation system. The system design contains hardware design and software design two parts and the Hardware design include temperature control circuit, temperature detection and LED display circuit and so on. Part of the software design adopts modular structure. The main module is Keypad scanning.
6、Key processing program digital pipe display procedures, relay control procedures, temperature signal processing program and super temperature alarming program. In addition to AT89C51 control core, the use of PID control algorithm to improve the accuracy of temperature control using PID control algor
7、ithm to implement automatic control system with high precision control parameters, reflecting the speed and stability characteristics. Keywords: proteus simulation, PID, AT89C51, DS18B20 Temperature Control黄河科技学院毕业设计说明书 第 页 目 录 1 绪论 . 1 1.1 背景意义 . 1 1.2 温度控制系统国内外发展现状 . 1 1.3 本课题研究的主要内容 . 2 2 系统总体设计方
8、案论证 . 4 2.1 设计要求 . 4 2.2 总体设计方案 . 4 3 系统的硬件设计 . 6 3.1 系统硬件构成概述 . 6 3.2 各单元总体说明 . 6 3.3 按键单元 . 6 3.4 LED 数码管显示单元 . 7 3.5 温度超、低温与异常情况报警单元 . 8 3.6 温度测试单元 . 9 3.7 温度控制器件单元 . 10 4 恒温控制算法研究（ PID） . 11 4.1 PID 控制器的设计 . 11 4.2 PID 算法的流程实现方法与具体程序 . 12 5 系统的软件设计 . 16 5.1 统软件设计概述 . 16 5.2 系统软件程序流程及程序流程图 . 17 5
9、.3 温度数据显示模块分析 . 18 5.4 测试分析 . 20 6 模拟仿真结果 . 22 黄河科技学院毕业设计说明书 第 页 结 论 . 25 致 谢 . 26 参考文献 . 27 附 录 . 29 黄河科技学院毕业设计说明书 第 1 页 1 绪论 1.1 背景意义 在现实情况中，由于环境中温度值的滞后现象严重，惯性 很大，且存在很多不确定的因素，所以很难建立精确的数学模型，因此常常导致控制系统的性能不佳，有时还会出现控制不稳定和失控现象。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，可以避免一些不确定的
10、影响因素。传统的继电器温控电路虽然运用起来比较简单，但由于继电器运作频繁，可能会因触点不良而影响正常工作。现今在控制领域，一般使用 PID 算法进行温度控制，不过 PID 控制对象的数学参数也是难以建立的，并且当扰动因素不确定时，参数调整会比较麻烦，这依然 是普遍存在的技术难题。本设计中的温度采集是用数字温度传感器DS18B20，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，从而使测量温度更为精确。数字温度传感器 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，使得单片机可以节约许多端口。 DS18B20 芯片
11、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 1。 现在国内外市场用单片机作为为核心的温度控制系统已经越来越广泛了，且设计方案都很灵活，应用起来相当的广泛，应用于工业上的加热炉、热处理炉、反应炉，在我们日常生活中的应用也是比较广的，如热水器，室温控制，农业中的大棚温度控制等等。 现在人们的物质生活已经转好，随之而来的就是对生活质量的需求了。在舒适的温度下休息、活动，在不同的季节里都可以吃到各种蔬菜、水果，等等这些都需要对温度的控制。可见不仅在工业生产
12、上温度控制是重点，在人们的日常生活中温度控制领域也潜藏这巨大的前景。如饲养几条鱼儿也成为一种趋势 ，这也将会带动与之相关的产业也应运发展起来。鱼缸是养鱼的必备用具，型鱼缸也在市场上层出，其中水温的控制是关键。 1.2 温度控制系统国内外发展现状 黄河科技学院毕业设计说明书 第 2 页 目前，国外温度控制系统正向着高精度、高智能化发展。温度控制系统在我国各个行业的应用虽然已经很普遍了，可是从国内生产的温度控制器来看，总体发展水平还是落后与先进国家，同先进国家相比，还是有着很大的差距。在高端，高精度的温度控制方面，我国的温度控制技术受到了很大的局限性。在这方面有待与我们这代人的努力，同时在这方面我
13、国还潜藏着巨大的潜力，有许多我们伸展的空间 2。 由于市场的需求，国内以信息化时代的到来，带动了温度控制产业的迅速发展。温度已成为工业对象控制中一个最重要的参数，特别是在化工工业、冶金工业、机械工业、电力工业、食品工业等等领域，都需要对各种加热炉的温度进行精确的控制。随着信息工业不断的发展，传统的控制方式已满足不来高精度、高速度的控制要求了。必须不断的开发研究创造出新型的信息花的温度控制系统。 近几年，国内外对温度控制系统都进行了大量的研究。在各国，温度控制系统技术都已经被列为未来控制领域研究的几大方向之一，具有广阔的应用、市场前景。 1.3 本课题研 究的主要内容 温度是工业生产过程中最常见
14、的变量参数之一，对温度控制的精确度，直接影响到产品的质量。及时准确地获得温度信息并对其进行精确的控制。不同产品和不同工艺要求下的温度控制，所采用的控制方式和加热方式都是不一样的。现今基于数字 PID 和单片机的温度控制系统在工业生产上已经被广泛的使用，此系统的任务是对温度进行实时监控。在控制过程中，系统采用的是数字 PID 控制算法来实现其功能的。传统 PID 控制电路结构相当的复杂（不适应现代工业发展的需求），对温度进行控制时需要配合可控硅控制电路才能实现，此系统不仅器件烦多， 生产成本高，而且电路调试还很复杂。在新型的温度控制系统中，运用单片机来进行数字 PID 运算，这样可以充分发挥其软
15、件系统的灵活性，可以使得工业生产中控制方便，简单和灵活性大等等优点。而系统中的单片机是整个控制系统的核心。 在温度控制系统的设计中，温度采集为很一个重要的模块。在本次设计中，采用数字传感器 DS18B20 来采集温度。 数字温度传感 DS18B20 只用一个引脚，即可与 51 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，使得单片机可以节约许多端口。 DS18B20 芯片不仅体积比较小，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黄河科技学院毕业设计说明书 第 3 页 也能很方便的检测到，使温控系统
16、发挥最大的作用。 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 LED 数码管显示。再去根据当前设定的温度值的上下限，温度未达到预定的下限温度时，单片机向蜂鸣器发送高电平信号驱动使其发出警报生，同时输出高电平控制信号来驱动加热炉工作，为系统提供热量，来升高温度。温度 上升到预定上限温度时，单片机向蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报生，同时输出低电平控制信号来驱动使得加热炉停止加热，让温度慢慢回落。当因环境温度变化剧烈或因加热、降温设备出现故障时，或者因温度传感头出现故障，导致在一
17、段时间内不能将环境温度调整到温度限内的时，单片机向蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报生。黄河科技学院毕业设计说明书 第 4 页 2 系统总体设计方案论证 2.1 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、 温度连续可调，范围为 20 40 3、 人 机对话方便 4、 温度误差 0.5 2.2 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 LED 数码管显示。再去根据当前设定的温度值的上下限，温度未
18、达到预定的下限温度时，单片机将通过 P1.5 口向蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报 声 ，同时通过 P2.6 口连接的 RELAY 输出高电平控制信号来驱动 RL1，使得加热炉工作，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 P1.5口向蜂鸣器发送高电平信 号使其发出警报生，同时通过 P2.6 口连接的 RELAY 输出低电平控制信号来驱动 RL1，使得加热炉停止加热，让温度慢慢回落 3。 当因环境温度变化剧烈或因加热、降温设备出现故障时，或者因温度传感头出现故障，导致在一段时间内不能将环境温度调整到温度限内的时，单片机将通过 P1.5 口向蜂鸣器发送高电平信号使其发出
19、警报 声 。 工作原理图如图 2.1 所示： 黄河科技学院毕业设计说明书 第 5 页 A T 8 9 C 5 1继 电 器断 开 降 温通 电 导 热键 盘 电 路D S 1 8 B 2 0 温 度 芯 片 数 据 传 送L E D 数 据 显 示超 、 低 温 报 警图 2.1 工作原理图 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
20、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
21、仿真设置环境温度，来完成设计要求，设置到 20 和 40 摄氏度时蜂鸣器就会发起警报。 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 LED 数 码管连接，显示测量结果。P1.0， P1.4， P3.3 分别与 3 个控制按键连接， P1.5 口与报警系统蜂鸣器连接。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。
