基于PID算法的水温控制系统设计报告.docx

1、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

2、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

3、，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

4、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

5、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

6、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DS18B2

7、0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

8、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

9、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

10、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4.7K。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

11、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）4.1 PID控制器的设计PID控制是目前在温度控制中

12、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

13、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）4.1 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

14、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

15、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

16、、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1

17、2。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：EnumY,U,

18、R,;/Y采集量、U控制量、R设定量、采样时间、微分、比例 int para6,ptr,out;/out是从PID( )得到的控制量 int r,Ts,e2,e1,e0,u;/*/Void initPID( ) / 初始化PID函数paraR=20;para=2; para=2; para=1Void PID( ) paraY=(int)(ad_data); r=paraR; e0=e1;e1=e2;e2=r-paraY/10; =para;Kd=para;ts=para; u=r+*e2+*(e2-e1);,if(u200)u=200; parau=u/10; out=parau; Void

19、 Tem_timer0( ) interrupt 1 / 采样时间 THO=tim08;TL0=tim0;If(tm+out)TEM=1;else TEM=0; if(m200)tm=0; if(out8;TLI=tim 1;If(dealCS=0)wdCtrl=paraR; if(wdCtrl-(int)(ad_data)/10)10)out=200; else if (int)(ad_data)/10-wdCtrl)2)out=0; else out=CtrltabwdCtrl+2-(int)(ad_data)/10; Else if (tx+=ts) PID( ); t=0; 5 系统的

20、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

21、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1560us内会回发一个芯片的存在脉冲。为了接收存在脉冲

22、，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。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

23、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DS1

24、8B20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

25、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

26、计了下面主要几个子程序。首先对DS18B20进行初始化处理void Init_DS18B20(void) unsigned char x=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unsigned char ReadOneChar(void)unsigned char i=0; unsigned char dat = 0; for (i

27、=8;i0;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：void WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; 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1

28、8：void setds18b20(unsigned char TH,unsigned char TL,unsigned char RS) 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0 R1 R0 1，1 1 1 1

29、/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：unsigned char *ReadTemperature(void) unsigned char tt2; 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

30、9个寄存器）前两个就是温度 /delay_18B20(70); tt0=ReadOneChar(); /读取温度值低位 tt1=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2090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