基于PID算法的水温控制系统设计报告.docx
《基于PID算法的水温控制系统设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PID算法的水温控制系统设计报告.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于PID算法的水温控制系统设计报告
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
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—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]。
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：
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）
4.1PID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，
；
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，
；
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，超调量随之变大，调节时间会减短；D偏小时，超调量同样变大，不过调节时间就会比较长，只有D合适时，才能使超调量较小，调节时间也较短。
调试时，只能参考参数对系统控制过程的变化趋势，来对参数调整来先比例，后积分，再微分的步骤慢慢调试，一直凑到满意的结果为止。
数字PID的差分方程：
（4.5）
在上式中，
称为比例项；
称为积分项；
称为微分项。
得到增量式公式为：
（4.6）
在此式中，
，
，
。
PID的具体算法程序如下[13]：
Enum{Y,U,R,
};//Y采集量、U控制量、R设定量、
采样时间、
微分、
比例
intpara[6],ptr,out;//out是从PID（）得到的控制量
intr,
Ts,e2,e1,e0,u;
/************************************************************************/
VoidinitPID（）//初始化PID函数
{para[R]=20;
para[
]=2;
para[
]=2;
para[
]=1
}
VoidPID（）
{para[Y]=（int）（ad_data）;
r=para[R];
e0=e1;e1=e2;e2=r-para[Y]/10;
=para[
];Kd=para[
];ts=para[
];
u=r+
*[e2+
*（e2-e1）];,
if（u<0）u=0;//控制量限制
if（u>200）u=200;
para[u[=u/10;
out=para[u];
}
VoidTem_timer0（）interrupt1//采样时间
{THO=tim0>>8;TL0=tim0;
If（tm++>out）TEM=1;
elseTEM=0;
if（m>200）tm=0;
if（out<10）TEM=1;
if（timecnt++==100）timecnt=0;
}
Voidtimer1（）interrupt3
{TH1=timer1（）>>8;TLI=tim1;
If（dealCS==0）
{
wdCtrl=para[R];
if（（wdCtrl-（int）（ad_data）/10）>10）out=200;
elseif（（（int）（ad_data）/10-wdCtrl）>2）out=0;
elseout=Ctrltab[wdCtrl+2-（int）（ad_data）/10];
}
Elseif（tx++>=ts）
{PID（）;
t=0;
}
}
5系统的软件设计
5.1统软件设计概述
在恒温PID控制系统中软件是整个系统的核心，在软件设计中采用分层模块化设计，其中主要的模块包含：
人机交互模块、数据显示模块、PID控制器模块、信号采集模块、超、低温报警模块几部分[14]。
1、人机交互模块，是通过3位按键来实现的。
第一个按键为复位按键，其他两个为调节按键，当有键按下时该键位将会处于低电平状态，按键连接上了电阻，使其当未有按键按下时，各各按键位都处于高电平[15]。
本设计中的按键具体原理与操作方法，在第三章的按键单元中已经做了详细的说明。
2、数据显示模块，是通过LCD液晶实现的。
采用的是通过动态显示法，分时分别控制LCD液晶的COM端，使每个位轮流显示，每位点亮的时间间隔大概为1ms左右。
3、PID控制器模块，本设计是运用PID控制算法，仿真实现一个恒温控制系统。
在上一章中我们已经描述了
，电压的控制信号
，从而反馈调节温度。
设计中最主要的就是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，来调节合适的参数。
对PID函数进行初始化时，需设置函数参数，这些参数都是根据实验测定获得的，具体参数在上一章PID算法研究中有详细说明。
4、信号采集模块，本设计中是运用DS18B20进行温度采集的，在DS18B20开始运作时，首先要做的是复位工作，DS18B20在接收到这个信号后的15~60us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60~240us的低电平信号。
接下去将进行51单片机与DS18B20间的通信。
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）。
控制DS18B20怎么样进行工作[16]。
5.2系统软件程序流程及程序流程图
系统软件流程如图5.2所示：
图5.2系统软件流程图
程序流程为：
在程序开始的时，先设置初始化，通过按键设置预定温度值，然后通过数码管来显示当前的温度，再比较设定的预期温度与测量温度值的大小，将比较的信息通过继电器，去根据当前设定的温度值的上下限，当测量到的温度值未达到先前设定的预期温度值下限时，使单片机向蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报生，再通过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，可以根据功率表的数据显示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，使单片机将向蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报生，再通过过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。
5.3温度数据显示模块分析
在本次软件设计中，核心的部分就是PID算法的控制与DS18B20温度采集的实现，PID算法在上文中已经做了详细的介绍，在此再具体的分析下DS18B20。
在本次设计我选择了DS18B20来继续温度检测，因为数字温度传感器DS18B20只需一个引脚，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，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。
且本次设计采用proteus仿真软件，在proteus仿真软件里DS18B20可以随意设定温度，模仿实际环境温度值，便于实验[17]。
DS18B20数字温度传感器的内部包含了高速暂存RAM与用来存储TH、TL的E2ARM。
接受到的数据先是存入RAM，经检验后传送至E2ARM。
RAM中的第5个字节用与控制温度的数字转换分辨率，此分辨率决定DS18B20工作时温度转换的先对应的数值。
其中要注意的是设定的分辨率越高，就需要消耗越多的转换时间。
所以在设置分辨率时我们需要有所考虑[18]。
DS18B20在接收到温度转换的命令后，将温度值数据转换成以二进制补码的形式存储在RAM中，然后51单片机再通过单总线接收此数据，以地位在前高位在后的方式来读取数据。
接收数据后通过温度计算，将得出的温度值与设定的TH、TL进行比较，51单片机再根据比较的结果做出相应的运行工作。
为此我们在程序设计中设计了下面主要几个子程序。
首先对DS18B20进行初始化处理
voidInit_DS18B20（void）
{
unsignedcharx=0;
DQ=0;//单片机将DQ拉低
delay_18B20（80）;//精确延时大于480us
DQ=1;//拉高总线
delay_18B20（14）;
x=DQ;//稍做延时后，如果x=0则初始化成功x=1则初始化失败
delay_18B20（20）;
}
在初始化后，先让DS18B20读一个字节
unsignedcharReadOneChar（void）
{
unsignedchari=0;
unsignedchardat=0;
for（i=8;i>0;i--）
{
DQ=0;//给脉冲信号
dat>>=1;
DQ=1;//给脉冲信号
if（DQ）
dat|=0x80;
delay_18B20（4）;
}
return（dat）;
}
再让其写一个字节，运行子程序如下：
voidWriteOneChar（unsignedchardat）
{
unsignedchari=0;
for（i=8;i>0;i--）
{
DQ=0;
DQ=dat&0x01;
delay_18B20（5）;
DQ=1;
dat>>=1;
}
}
接下来设计DS18B20的工作状态，设置其上、下限报警温度分别为TH和TL，且设置显示的分辨率为RS，执行的子程序如下[18]：
voidsetds18b20（unsignedcharTH,unsignedcharTL,unsignedcharRS）
{
Init_DS18B20（）;
WriteOneChar（0xCC）;//跳过读序号列号的操作
WriteOneChar（0x4E）;////写入“写暂存器”命令，修改TH和TL和分辩率配置寄存器
//先写TH，再写TL，最后写配置寄存器
WriteOneChar（TH）;//写入想设定的温度报警上限
WriteOneChar（TL）;//写入想设定的温度报警下限
WriteOneChar（RS）;//写配置寄存器，格式为0R1R01，1111
//R1R0=00分辨率娄9位，R1R0=11分辨率为12位
}
最后就是读取DS18B20的温度值了，执行子程序如下：
unsignedchar*ReadTemperature（void）
{unsignedchartt[2];
Init_DS18B20（）;
WriteOneChar（0xCC）;//跳过读序号列号的操作
WriteOneChar（0x44）;//启动温度转换
delay_18B20（70）;//温度转化要一段时间
Init_DS18B20（）;
WriteOneChar（0xCC）;//跳过读序号列号的操作
WriteOneChar（0xBE）;//读取温度寄存器等（共可读9个寄存器）前两个就是温度
//delay_18B20（70）;
tt[0]=ReadOneChar（）;//读取温度值低位
tt[1]=ReadOneChar（）;//读取温度值高位
return（tt）;
}
5.4测试分析
1、测试环境
仿真环境温度20—90摄氏度。
2、测试方法
用调节DS18B20，来模拟环境温度，通过按键来设置温度的上、下限与复位，根据LCD液晶显示来观察结果。
3、测试结果
（1）设定温度由20摄氏度到90摄氏度。
（2）标定温差≦1摄氏度调节时间15s（具体情况随实际情况）。
（3）静态误差≦0.5摄氏度最大超调量1摄氏度。
4、通过仿真测试分析，对于实际的室内的温度控制，可以再得出以下2点方法：
（1）我们可以通过增加传感器的个
升级会员 