1、1数字 PID 自动温度控制系统的设计及实现【摘要】在科技发达的今天，在工业和其他很多的领域，对温度进行精确的控制是非常有必要的。文章对以单片机为载体，以恒温控制的数字 PID 控制算法为主要思路的自动温度控制系统的设计及实现进行探讨，具有一定的借鉴意义。 【摘要】数字 PID；自动温度控制系统；设计；实现 中图分类号：S624.4+4 文献标识码： A 前言 文章对温度控制的目的和数字式定时温控系统进行了简单介绍，对数字 PID 自动温度控制系统的设计进行了阐述，并结合自身实践经验和相关理论知识，对数字 PID 自动温度控制系统的硬件电路部分进行了探讨。 二、温度控制的目的分析 随着社会的快
2、速发展，科技的加速进步，测温仪器在各个领域应用越来越广泛，自动化和智能化已经成为现代的温度控制系统的主流发展方向。因为各行各业对于温度控制有着越来越高的要求，所以对温度的控制和测量就显得较为重要。温度控制器的使用范围越来越广泛，各种能够应用于不同领域的智能温度控制器随着产生。 不仅在日常的生产和生活中广泛应用到温度控制，现在的很多电子产品单片机中也用到了温度控制和温度检测。这就使单片机温度控制系统越来越广泛应用于电子产品之中。针对这个问题，该系统的设计是为2了实现一种很可以连续进行高精度调节温度的温度控制系统，它功能强大，应用广泛，便于携带，小巧美观，是一款急廉价又实用的温度控制系统。该设计对
3、单片机的温度进行实时控制和监测，这样就实现了单片机温度控制系统的基本温度控制功能。 三、数字式定时温控系统 本文研制的数字式定时温控系统主要完成数据采集,温度、定时的显示,温度控制,温度定时的设定以及报警等功能。核心控制器由单片机完成,采用数字 PID 控制算法进行过程控制。加热器件选用热惯性小,温度控制精度高,速度快的电热膜,由单片机输出通断率控制信号进行控制。 四、系统设计该系统由主控制器、测温电路、显示电路和键盘电路组成。该系统主控制器采用单片机 AT89S51，温度传感器为 DS18B20，用LCD 128X64 液晶显示屏实时显示当前温度及控制温度。键盘电路采用3*4 矩阵键盘来设定
4、需要温度。AT89S51 的 P0.0P0.4 通过上拉电阻分别连接 LCD 128X64 液晶显示屏的 E、R/W、RS、/CS2、/CS1，P1.0P1.7连接 LCD 128X64 液晶显示屏的 DB0DB7，P2.0P2.7 接键盘电路。1.AT89S51 单片机本系统选择 ATMEL 生产的 AT89S51 单片机，其特性如下：（1）4KB 可编程程序存储器（ROM） ；128B 内部数据存储器（RAM） ；32 条双向输入输出线（I/O） ；1000 次以上的循环写/擦；（2）有 ISP 在线编程功能，在改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。速度更快、稳定性更好，烧
5、写电压也仅仅需要 45V 即可；（3）内部集成看门狗计时器，不再需要外接看门狗计时器单元电路；（4）电源范围宽达 45.5V，其工作性能更为稳定。2. DS18B20 数字温度传感器3DS18B20 是美国 DALLAS 公司推出的一种改进型智能数字温度传感器。其主要特点如下：（1）适应电压范围较宽，3.05.5V，两种供电方式，寄生电源方式下由数据线供给；（2）1wire 单总线数据通信方式，多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上，通过一根端口线与 CPU 通信；（3）温度测量范围为55+125，可编程为 912 位的 A/D 转换精度。3.JDL12864 图形点阵液晶显示
6、器 JDL12864 主要由行/列驱动器及128*64 的全点阵液晶显示器组成，可以显示 8*4 个（16*16 点阵）汉字。其主要特点如下：（1）电源：VDD，+5V。模块内自带10V 负压，用于作 LCD 的驱动电压；（2）内置汉字字库，提供 8192 个 1616 点阵汉字（简繁体可选） ，128 个 168 点阵字符；（3）与 CPU 接口采用 8 位数据总线并行输入输出和 8 条控制线；（4）工作温度为10+50。存储温度为20+70；其硬件连线如图 2。4.软件设计 DS18B20 的单总线工作协议流程是：初始化ROM 操作指令存储器操作指令数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时
7、序和读时序。 五、硬件电路设计 硬件系统主要由 AT89S52 单片机、温度采集、键盘显示电路等功能电路组成。 1.主控单元 AT89S52 单片机为主控制单元。AT89S52 单片机首先根据炉温的给定值和测量值计算出温度偏差，然后进行 PID 控制并计算出相应的控制数据由 P10 口输出。最后将 P10 口输出的控制数据送往光电耦合隔离器的输入端，利用 PWM 脉冲调制技术调整占空比，达到使炉温控制在某一设定温度。AT89S52 单片机还负责按键处理、温度显示以及与上位机进行通信等工作。4 位高亮度 LED 用于显示设定温度或实测温度。 2.温度采集 温度采集电路主要由铂铑-铂热电4偶 LB
8、-3 构成。LB-3 热电偶可以在 1300高温下长时间工作，满足常规处理工艺要求。 测温时，热电阻输出 mV 热电势，必须经过变送器变换成 0-5V 的标准信号。本系统选用 DWB 型温度变送器，并将其直接安装在热电偶的接线盒内，构成一体化的温度变送器，不仅可以节省补偿导线，而且可以减少温度信号在传递过程中产生的失真和干扰。 电阻炉炉温信号是一种变换缓慢的信号。这种信号在进行 A/D 转换时，对转换速度要求不高。因此为了减低成本以及方便选材，可以选用廉价的、常用的 A/D芯片 ADC0808，ADC0808 是一种逐次逼近式 8 路模拟输入、8 为数字输出地 A/D 转换器件，转换时间为 1
9、00us，完全满足系统设计的要求。经过ADC0808 转换所得到的实测炉温数据直接送入 AT89S52 单片机中进行数据处理。 3.恒温控制算法 对于简单系统,可以采用理论计算的方法确定这些参数,但是稍微复杂一些的系统,采用理论计算的方法就困难了。因此几乎都是用工程的方法对参数进行整定。调节器参数的整定是一项繁琐而又费时的工作,因此,近年来国内外在数字 PID 调节器参数的工程整定方面做了大量的研究工作,归一参数的整定法是一种简易的整定法。 根据大量实际经验的总结,人为设定约束条件,以减少独立变量的个数,例如取: TD0.125TS TI0.5TS(7) T0.1TS 式中:TS 是纯比例控制
10、式的临界振荡周期。 将式(7)代入式 (6)中,可得数字 PID 控制器的差分方程为: uk=KP(2.45ek+3.5ek-1+1.25ek-2) (8) 对比式(6)和式(8)可知,对 4个参数的整定简化成了对一个参数 KP 的整定,使问题明显地简化了。 采5样周期 T 的取值,从数字 PID 控制器对连续 PID 控制器的模拟精度考虑,采样周期越小越好,但采样周期小,控制器占用计算机的时间就长,增加了系统的成本。因此采样周期的选择应综合考虑各方面因素,选取最优值。 在恒温控制系统中,控制输出为定时器 T2 初值 n(0n65 536),误差为温度设定值 Tset 与 DS18B20 检测
11、值之差 Tread 。因为电阻丝的功率是有限的,初始温度低于温度设定值 Tset 较大时,可以不用数字PID 控制。可以根据电阻丝的功率设定一个误差值 emax, 当eemax 时,一直加热,输出 n=0;当 e0 时,停止加热,输出为n=65 536 。只有当 0eemax 时,才用数字 PID 控制。 六、结语 数字 PID 在控制算法结合单片机在自动温度控制方面有较好的作用的，但是其中还存在一些问题的，需要我们投入更多的精力和研究才行。 参考文献1李铁.基于单片机的温度控制系统的设计J.微型机与应用，2010，29（24）：2930. 2魏英智,关宇东,禄晓飞.定时控温发酵器的单片机控制J.传感技术报,2011,18(1):154-156. 3薛开,吕元元,祝海涛.运动控制器的 PID 参数整定J.哈尔滨工程报,2011,26(5):656-658.
