基于單片機(jī)及PID算法的水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【摘要】此水溫控制系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為核心控制器，溫度由DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行采集。為了更精確的測(cè)溫，本系統(tǒng)采用三點(diǎn)測(cè)溫，并采用PID算法進(jìn)行水溫控制，使溫度能夠自行調(diào)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】AT89S52單片機(jī)；DS18B20；可控硅；PID算法控制；LCD1602

1.引言

溫度控制在生產(chǎn)生活中應(yīng)用都十分廣泛，但其控制過(guò)程中存在著很大的時(shí)滯性和極強(qiáng)的干擾性，因此，如何很好地控制溫度是評(píng)價(jià)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵之處。PID控制是按設(shè)定值和被控量偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的一種控制方法。PID控制在控制理論中占有舉足輕重的地位，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，被廣泛應(yīng)用于包括溫度控制的各種控制過(guò)程中。

本課題是設(shè)計(jì)一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)定溫度是80度，從40度對(duì)500mL的水加熱，在多種環(huán)境下，達(dá)到80度的時(shí)間不超過(guò)5分鐘，溫度最后穩(wěn)定在80度左右的調(diào)整時(shí)間不超過(guò)4分鐘，超調(diào)量不大于5%。

2.總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、溫度檢測(cè)模塊、可控硅控制電路模塊、加熱電路、矩陣鍵盤(pán)、液晶顯示模塊等部分組成。其整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 控制電路

本系統(tǒng)主要以單片機(jī)AT89S52為核心，基于自動(dòng)控制原理與PID算法，根據(jù)不斷掃描測(cè)量的溫度值對(duì)電爐進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，從而對(duì)溫度實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)節(jié)。

溫度傳感器DS18B20將測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)AT89S52，單片機(jī)來(lái)調(diào)整PWM波的占空比，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)可控硅進(jìn)行控制完成對(duì)電爐的通斷電控制，從而控制其功率，達(dá)到調(diào)節(jié)水溫的目的。

3.各個(gè)模塊電路設(shè)計(jì)

（1）主控部分：由于本控制系統(tǒng)并不復(fù)雜，故選擇Atmel公司的AT89S52單片機(jī)作為CPU。

（2）溫度采集部分：本系統(tǒng)選擇使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)溫度。其溫度測(cè)量精度較高，能夠達(dá)到0.0625度以上精度。為了更精確測(cè)量，采用多點(diǎn)測(cè)溫的方法，本系統(tǒng)中選用三點(diǎn)測(cè)溫。

（3）鍵盤(pán)設(shè)置部分：本系統(tǒng)選擇4*4矩陣鍵盤(pán)作為輸入部分，用來(lái)輸入預(yù)設(shè)溫度、開(kāi)啟與關(guān)閉加熱、調(diào)節(jié)時(shí)間等。

（4）顯示模塊：本系統(tǒng)用LCD1602顯示設(shè)定溫度、當(dāng)前溫度、時(shí)間及加熱部分現(xiàn)在處于加熱還是停止加熱的狀態(tài)。

（5）控制加熱部分：由于本系統(tǒng)要控制電熱爐加熱，功率較大，因此需要借助功率電路。設(shè)計(jì)中我們使用光耦+可控硅，簡(jiǎn)化電路的制作。其控制部分電路圖如圖2所示。

4.系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

（1）主程序流程

圖3 主程序流程圖

（2）PID算法

PID算法原理框圖如圖4所示：

圖4 PID算法原理框圖

PID算法的一般表達(dá)式為：

溫度PID調(diào)節(jié)器有三個(gè)可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù)Kp、積分時(shí)間常數(shù)Ki、微分時(shí)間常數(shù)Kd。比例調(diào)節(jié)的作用是使調(diào)節(jié)過(guò)程趨于穩(wěn)定，但會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用可消除被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會(huì)使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效的減小動(dòng)態(tài)偏差。

P1D算法的離散化表達(dá)式為：

其中，上式中k表示第k次采樣，r（k）為設(shè)定溫度，c（k）為實(shí)際水溫，M（k）為電爐功率控制量，誤差為e（k）=r（k）-c（k）。

PID算法的輸出形式為一PWM波，通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)PWM波形的占空比，使電爐在一周期內(nèi)開(kāi)通的時(shí)間可調(diào)，這樣就可以調(diào)節(jié)電熱爐的功率進(jìn)而控制溫度的變化，使水溫穩(wěn)定在設(shè)定值，從而使精度提高。

（3）PID參數(shù)的整定

對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)而言，控制質(zhì)量的好壞取決于參數(shù)整定是否合理。PID參數(shù)整定主要有兩類(lèi)，理論整定法和工程整定法。理論整定法主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。工程整定法主要依靠控制經(jīng)驗(yàn)，直接在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行調(diào)整。因此本實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)驗(yàn)法即試湊法來(lái)確定PID的參數(shù)。

試湊時(shí)，對(duì)參數(shù)整定實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。

首先確定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并觀(guān)察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線(xiàn)。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對(duì)響應(yīng)曲線(xiàn)已經(jīng)滿(mǎn)意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。

如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)先將積分時(shí)間設(shè)定到一個(gè)比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略微縮小，然后減小積分時(shí)間，使得系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過(guò)程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以期得到滿(mǎn)意的控制過(guò)程和整定參數(shù)。

如果在上述調(diào)整過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿(mǎn)意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時(shí)間設(shè)置為0，在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，直到得到滿(mǎn)意的調(diào)節(jié)效果。

（4）PID算法程序

本系統(tǒng)PID控制的思路：

在第一次PID調(diào)節(jié)時(shí)記下PID調(diào)節(jié)器的輸出值uk0（該值為以后PID調(diào)節(jié)器輸出的最大值），并以該值為參考，以后的輸出uk與uk0做比值，假設(shè)uk0表示加熱a，那么輸出uk與uk0比值表示加熱a*uk/uk0時(shí)間，以此類(lèi)推，最后算出每次計(jì)算應(yīng)該加熱的時(shí)間作用于可控硅，控制電爐加熱。由于溫度變化緩慢，則設(shè)置為5s計(jì)算PID一次。

另外本系統(tǒng)的PID采用了開(kāi)關(guān)量計(jì)算——積分分離相結(jié)合的改進(jìn)PID算法，具體思路是：

1）當(dāng)溫差>=15度時(shí)，不用PID直接進(jìn)行加熱。

2）當(dāng)溫差在0-15度之間時(shí)，采用PID計(jì)算。

①當(dāng)溫差>5度時(shí)，采用PD控制加快響應(yīng)速度并減少超調(diào)；

②當(dāng)溫差<5度時(shí)，采用PID控制保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

PID程序如下：

void PID（void）

{ float ek，ek1，ek2，ek_sum；

uint a； ek=K-temp； //計(jì)算誤差

while（1）

{ if（ON_OFF==1） //溫控開(kāi)關(guān)開(kāi)

{ if（ek>=15）

{outflag=1；OUT=0；Time_on=100； break；} //溫差大于15度，不用PID調(diào)節(jié)

else if（ek<0）

{ek=0；outflag=0； OUT=1；Time_on=0；break；} //溫差小于等于0不調(diào)節(jié)

else

{ if（ek>5）

a=0；

if（ek<5）

a=1；

ek2=ek1；

ek1=ek；

ek_sum+=ek；

uk=kp*ek+ki*ek_sum+kd*（ek1-ek2）； //計(jì)算PID輸出uk if（start_flag==0）//PID運(yùn)算標(biāo)志位

{

uk0=uk； //uk初值，用于參考以后uk加熱時(shí)間

start_flag=1；

div=100/uk0；

} //開(kāi)始PID計(jì)算

else if（start_flag==1）

{ //加熱片加熱時(shí)間

Time_on=uk*div；

OUT=0；

outflag=1；

}

break；}

} else{outflag=0；OUT=1；break；} //不加熱

}

}

5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，確定了測(cè)溫過(guò)程中的幾個(gè)指標(biāo)：

從起始溫度到設(shè)定溫度經(jīng)歷的時(shí)間：t（min）；

使其達(dá)到設(shè)定溫度的調(diào)整時(shí)間：t*（min）；

達(dá)到設(shè)定溫度的超調(diào)量：Δ%。

其測(cè)量結(jié)果如表1所示。

通過(guò)上表的數(shù)據(jù)分析，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求。

6.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89S52為控制中心，利用DS18B20采集溫度，采用PID算法對(duì)水溫進(jìn)行控制系統(tǒng)，具有成本低、控制可靠等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，驗(yàn)證了該水溫控制系統(tǒng)達(dá)到了較高的精確度，滿(mǎn)足要求。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

焦晶晶，現(xiàn)就讀于鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院電子信息工程學(xué)院。

王飛虎，現(xiàn)就讀于鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院電子信息工程學(xué)院。