基于PID的水温控制系统毕业论文Word下载.docx

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关键词：

proteus仿真，PID，AT89C51，DS18B20温度控制

TheDesignofWaterTemperatureControlBasedonPID

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Abstract

ThisdesignusesproteussimulationsoftwareandtakesAT89C51asmasterunit,usingPIDcontrolalgorithmtosimulationatemperaturecontrolsystem.TheDesignusestemperaturesensorDS18B20acquisitionreal-timetemperature,anddoesnotrequirecomplexsignalconditioningcircuitryandA/DconvertercircuitwiththeMCUcompletingtheacquisitionandprocessingofdatadirectly.TheuseofPIDalgorithmcontrolfurnacetemperaturecontrolsimulationmodel,theoverallimplementationofatemperaturecontrolsimulationsystem.ThesystemdesigncontainshardwaredesignandsoftwaredesigntwopartsandtheHardwaredesignincludetemperaturecontrolcircuit,temperaturedetectionandLEDdisplaycircuitandsoon.Partofthesoftwaredesignadoptsmodularstructure.ThemainmoduleisKeypadscanning.Keyprocessingprogramdigitalpipedisplayprocedures,relaycontrolprocedures,temperaturesignalprocessingprogramandsupertemperaturealarmingprogram.InadditiontoAT89C51controlcore,theuseofPIDcontrolalgorithmtoimprovetheaccuracyoftemperaturecontrolusingPIDcontrolalgorithmtoimplementautomaticcontrolsystemwithhighprecisioncontrolparameters,reflectingthespeedandstabilitycharacteristics.

Keywords:

proteussimulation,PID,AT89C51,DS18B20TemperatureControl

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温度控制系统国外发展现状

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本课题研究的主要容

温度是工业生产过程中最常见的变量参数之一，对温度控制的精确度，直接影响到产品的质量。

与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也能很方便的检测到，使温控系统发挥最大的作用。

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，导致在一段时间不能将环境温度调整到温度限的时，单片机向蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报生。

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，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，导致在一段时间不能将环境温度调整到温度限的时，单片机将通过P1.5口向蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报声。

工作原理图如图2.1所示：

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，交给单片机处理，并且在同一总线上可挂接多个传感器芯片，进行围性的温度检测。

在其部集成了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。

DS18B20可以仿真设置环境温度，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CMOS8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]。

3系统的硬件设计

3.1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、蜂鸣器报警模块。

3.2各单元总体说明

1、显示模块：

本设计中采用4位LED数码管显示温度值，其中最后一位为小数位。

2、按键模块：

本设计中采用3按键设置，第一按键为复位按键，第2、3按键为温度调节按键，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：

本设计采用加热炉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。

加热炉与光电耦合器连接，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炉的运作。

5、蜂鸣器报警模块：

本设计中采用蜂鸣器做为报警系统，当采集到的温度经过处理后，超过规定温度上、下限时，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。

3.3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3按键软件控制，第一个按键为复位按键，其他两个为调节按键，3按键即可完成设计中起始温度设置与复位要求，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，LED数码管将会显示HT（上限温度值），此时，可通过2号键和3好键来调整预设的上限温度值，每次按一下2号按键预设的温度上限值就上升一度，每次按一下3号键时预设的温度上限值就下降一度，此过程都会同过LED数码管显示。

设置好上限温度后，再次按下1号按键，同样1号按键位处于了低电平，LED数码管将会显示LT（下限温度值），此时同样此时，可通过2号键和3好键来调整预设的下限温度值，每次按一下2号按键预设的温度下限值就上升一度，每次按一下3号键时预设的温度下限值就下降一度，此过程都会同过LED数码管显示。

在设置好预设温度的上、下限时，我们再次按下1号键，此时LED数码管显示的将是温度传感器DS18B20传送的温度值，51单片机将会把此测量值与先前预设的温度上、下限值进行比较处理，然后进行其他功能模块的操作。

复位

具体如下：

，按一下为设置上限，按两下为设置下限，再按一下进入显示状态。

上限

按下复位进入上下限设置时，每按一下为上限升高一度。

下限

按下复位进入上下限设置时，每按一下为下限降低一度。

电路如图3.1所示：

图3.1按键电路

3.4LED数码管显示单元

为使温度显示的更为准确，本次设计中我选择的是8段的供阳的4位LED数码管（其中一段为小数点），LED数码管的8段位分别连接51单片机的P0.0~P0.7端口，数码管的4位选位分别通过P2.0~P2.3端口连接。

LED数码管在工作时，由于其为供阳的，每个段位只有当输入低电平时此段位被点亮，以显示数字“0”为例，共阳的gfedcba相应的为1000000，字型码为C0H。

在本设计中将所以LED数码管的8个显示笔划“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端连接在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通的控制电路，位元选通由它们自己的I/O端口控制。

当51单片机运作时，所有的数码管都会接收到同样的字符码，我们可以通过51单片机对COM端电路进行控制，来决定那个数码管显示字符，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该单元就会显示字形，没选通的就不会点亮。

这样通过分时分别控制LED数码管的COM端，可以使每个位轮流显示，每位点亮的时间间隔大概为1ms左右[7]。

LED数码管如图3.2所示：

图3.2LED数码管电路

3.5温度超、低温与异常情况报警单元

采集到的温度经过处理后，超过规定温度上限时，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；

当采集到的温度经过处理后，低于设定温度下限时，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。

要是由于环境温度变化太剧烈或加热、降温设备出现故障，或温度传感头出现故障，而在一定时间，不能将温度控制到规定的温度限，单片机也将会通过P1.5口向蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报声[8]。

在实验中设置的下限温度是20摄氏度，当温度达到20摄氏度时，蜂鸣器就会发出报警。

实验中设置的上限温度为40摄氏度，当温度达到所示的40摄氏度时，蜂鸣器就会开始报警。

仿真电路如图3.3所示：

图3.3蜂鸣器电路

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15~60us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60~240us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：

图3.4DS18B20电路

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4.7KΩ。

3.7温度控制器件单元

在本次设计中，是采用加热炉通过PID算法来对温度进行控制的，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。

当测量到的温度值未达到先前设定的预期温度值下限时，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，加热炉通电开始工作加热，可以根据功率表的数据显示看出加热炉提升的温度。

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，加热炉断开连接，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）

4.1PID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，

；

。

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。

4.2PID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。

经过PID控制器处理后可输出电压的控制信号

，从而反馈调节温度。

数字PID的控制示意图如图4.1所示：

图4.1数字PID的控制

实验中最主要的就是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，来调节适宜的参数。

P为比例系数，当在一定围若是调节增加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，