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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、温度信号处理程序。另外以 AT89C51 单
2、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11.1 设计要求11.2 总体设计方案22 系统的硬件设计32.1 系统硬件构成概述32.2 各单元总体说明42.3 按键单元52.4 LCD液晶显示单元62.5 温度测试单元72.6 温度控制器件单元83 恒温控制算法研究（PID）113.1 PID控制器的设计113.2 PID算法的流程实现方法与具体程序124 系统的软件设计164.1 统软
3、件设计概述164.2 系统软件程序流程及程序流程图174.3 温度数据显示模块分析184.4 测试分析205 模拟仿真结果221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、人机对话方便4、温度误差11.2 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
4、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
5、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可以仿真设置环境温度，来完成设计要求。本次设计采用proteus
6、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、
7、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
8、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
9、晶将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，就可以和主电路连接，在实际应用中，可把数字温度传感器
10、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
11、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，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
12、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
13、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。 （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，把表示成等，省去了T。则可推算出离散的PID表达式写成： （4.2） 式中，k为采样的序号，k=1，2，；是第k次采样时，计算机输出的值；是第k次采样时输入的偏差值；是第次采样时输入的偏差值；是积分系数，；是积分系数，。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
14、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）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。 （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，把表示成等，省去了T。则可推算出离散的PID表达式写成： （4.2） 式中，k
15、为采样的序号，k=1，2，；是第k次采样时，计算机输出的值；是第k次采样时输入的偏差值；是第次采样时输入的偏差值；是积分系数，；是积分系数，。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： （4.3）公式（4.2）与公式（4.3）相减，即得到增量式PID控制算法(4.4)： （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
