基于PID算法適于水族箱恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計

石成成　孫瑜徽

摘要：為了滿足金魚飼養(yǎng)，對水溫的要求，設(shè)計了一種基于PID控制適于觀賞用水族箱恒溫控制系統(tǒng)。介紹了裝置的加熱部分，以及電氣控制部分采用模糊PID溫度控制技術(shù)，搭建的溫度控制系統(tǒng)，搭載的數(shù)顯屏可顯示當前水溫。在實際環(huán)境中對控制系統(tǒng)進行了試驗驗證，結(jié)果表明：在設(shè)定22.5℃溫度點時，恒溫控制階段，溫度幅度變化在±0.2℃范圍內(nèi)，滿足水族箱金魚飼喂要求。

關(guān)鍵詞：恒溫控制；模糊PID控制；觀賞魚缸；DS18B20

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）33-0252-02

家養(yǎng)錦鯉可以使人享受飼養(yǎng)與玩賞的樂趣。在家庭有限的空間中養(yǎng)好錦鯉并使健康正常，其中水質(zhì)的適宜水溫起著決定性作用。錦鯉屬于冷水魚，飼養(yǎng)錦鯉所需要的水溫是0-32℃[1]，但是最適合錦鯉生存的水溫是在20-25℃[2]，因為在20-25℃之間的水溫，錦鯉的攝食以及消化能力是最好的，在這個水溫之間，錦鯉生長速度會有所提升。水溫在15-20℃時，要減少投食量，水溫在5℃以下，要停食，否則易引發(fā)腸炎[3]。因此，良好的溫度控制系統(tǒng)對于錦鯉飼養(yǎng)具有十分重要的意義。

設(shè)計采用模糊PID算法，通過采集輸入輸出后計算出偏差。自整定溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)，實現(xiàn)缸內(nèi)水溫精準控制。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由電氣控制與加熱部分部分構(gòu)成。電氣控制部分包含軟件設(shè)計與硬件設(shè)計。軟件設(shè)計采用了模糊PID溫度控制方案，硬件設(shè)計選擇了新型以“一線總線”傳輸數(shù)據(jù)的防水溫度傳感器 DS18B20，作為核心器件，外部電路搭建簡易，性能可靠。水加熱部分由加熱棒和微型繼電器組成。

2 水加熱裝置

加熱裝置主要為一根大功率材質(zhì)為不銹鋼、紫銅管加熱棒構(gòu)成。管內(nèi)均布電熱合金絲，內(nèi)部填充氧化鎂，它具有安全、使用壽命長便于安裝等特點。加熱棒的功率為1KW，連接220V市電，溫度低于設(shè)定值需要加熱時，加熱棒啟動加熱水族箱的水。

3 電氣控制部分設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 關(guān)鍵部件選型

本設(shè)計選用價格低廉、低功耗、高性能的AT89S51單片機作為恒溫控制系統(tǒng)核心部件，是當前工控業(yè)使用最廣泛單片機之一[4]。其內(nèi)部含有一個8位CPU以及兩個計數(shù)器以及4k Bytes的可反復擦寫1000次以上的Flash存儲器，32條I/O線可尋址存儲空間，滿足設(shè)計功能需求。

控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集工作的另一核心器件是溫度傳感器。當前工控業(yè)使用較多的溫度傳感器有熱敏電阻以及熱電偶。以PT100為代表的熱敏電阻是由鉑金屬材料制成。處理器通過采集處理電阻兩端電壓值的變化擬溫計算出當前環(huán)境下所處的溫度[5]。缺點是結(jié)構(gòu)、工藝復雜，價格較高，精度低等。

基于以上考慮，設(shè)計選用體積小、精度高（分辨率為0.1度）同時具有防水功能，由美國 DALLAS 半導體公司生產(chǎn)的DS18B20。溫度測量范圍-20度到+100度，抗干擾能力強[6]，滿足魚缸溫度測量需要。DS18B20與單片機通訊只需要一個I/O接口，“一線總線”的數(shù)字方式讀取傳輸數(shù)據(jù) ，因此外圍電路搭建簡單。溫控系統(tǒng)選用的不銹鋼防水溫度傳感器。

3.1.2 電路設(shè)計

溫度傳感器與單片機P3.3（INT1）接口相接，可以將溫度讀出并以一線總線的方式輸出。為保證傳感器工作性能穩(wěn)定，VDD使用外接電源的供電方式，線路易搭建。數(shù)據(jù)線選取四芯線，其中兩條接VDD和信號線，另兩條共地。傳感器的地線引腳接地，不能懸空，懸空將無法實現(xiàn)溫度的轉(zhuǎn)換。根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗，需要在單片機輸出引腳添加一個電阻來驅(qū)動溫度傳感器，阻值大約為4.7K。系統(tǒng)還選用了可以通過調(diào)節(jié)阻值大小來改變亮度的液晶顯示屏， 型號為LCD1602，即內(nèi)部包含了160個點陣字符圖形，滿足設(shè)計顯示的需要。

AT89S51輸出電流較小，無法帶動大功率器件，故系統(tǒng)中微型繼電器需要功率放大芯片來驅(qū)動。溫控系統(tǒng)選用由復合晶體管陣列組成、高耐壓達林頓管ULN2003，內(nèi)含可起到續(xù)流作用的二極管來驅(qū)動繼電器工作。集成達林頓管IC是集電極開路輸出，最大輸出電流為0.2A。根據(jù)工程經(jīng)驗單片機驅(qū)動達林頓管時，COM引腳應該懸空，并選用2K的上拉電阻較為合理。通過控制達林頓管發(fā)送信號來控制繼電器線圈通斷，進而控制加熱棒是否可進行加熱工作。

3.2 程序設(shè)計

采用Keil C51 uVision2編程軟件，利用模塊化設(shè)計思路對AT89S51進行編程。軟件設(shè)計主程序是先將系統(tǒng)初始化，通過主程序調(diào)用子程序來實現(xiàn)各個模塊化功能。子程序主要包括延時程序，中斷程序，鍵盤設(shè)定程序，溫度讀取程序，模糊PID運算程序等。通過模塊化的程序設(shè)計，簡化設(shè)計步驟，其開發(fā)的程序可移植性高。

用4*4鍵盤設(shè)定溫度值，并將溫度值用1602液晶顯示器顯示，以傳感器來實現(xiàn)實時溫度的讀取輸入，并與鍵盤給定的溫度比較，得到偏差，再由PID算法進行運算減小偏差并給出控制量，以合適的控制電壓大小，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，將檢測到的電壓轉(zhuǎn)換成對應的溫度，并通過顯示器顯示。

AT89S51通過接口讀取數(shù)據(jù)，DSI8B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與TH做比較，若T>TH或T

3.3 模糊PID控制法的實現(xiàn)

一般溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

[G（s）=KTs+1ets]

K為放大系數(shù)，T為過程時間常數(shù)，τ為純滯后時間 [7]。設(shè)定程序找出模糊PID中P、I、D與e和ec 之間的關(guān)系，隨時修改PID三個參數(shù)，保持溫度系數(shù)有較好的動態(tài)性能 [8]。

PID控制器的輸入值r（t）與實測值y（t）控制偏差信號e（t）關(guān)系為：

e（t）=r（t）-y（t）

控制器通過PID調(diào)節(jié)，對誤差信號e（t）分別進行P、I、D運算，最后加權(quán)形成控制信號u（t），數(shù)學公式為：

u（k） = Kp * e（k） + Ki * ∑e（k） + Kd （e（k） — e（k-1））

Ki = Kp*T/Ti

Kd = Kp*Td/T

式子中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分時間常數(shù)，Kd為微分時間常數(shù)。累計偏差：∑e（t）= e（t） + e（t-1） + e（t-2）+……+e（1），這是每一次測量到的偏差值的總和?；酒畹南鄬ζ睿篹（t）—e（t-1），用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，作為快速反應的重要依據(jù)，是面向微分項的一個變動數(shù)據(jù)[9]。

比例調(diào)節(jié)用于系統(tǒng)出現(xiàn)的較大偏差，按比例變化進行調(diào)節(jié)，但是過大系統(tǒng)將產(chǎn)生不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)用于消除穩(wěn)態(tài)誤差。微分調(diào)節(jié)用于產(chǎn)生超前的系統(tǒng)控制，提前消除偏差，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。在本次設(shè)計中實際溫度為y（t），由傳感器DS18B20采集得到；設(shè)置溫度r（t）由人為鍵盤輸入；輸出信號u（t）即為控制信號。

4 試驗驗證

4.1 試驗材料

尺寸為500*250*300mm水族箱、水。

4.2 儀器設(shè)備

恒溫控制系統(tǒng)、秒表。

4.3 評價指標

在完成設(shè)定值后，進行恒溫測試，測定溫度值隨時間的變化量，最后利用軟件Origin將記錄的數(shù)據(jù)擬合成溫度曲線走勢。根據(jù)圖線計算出恒溫控制過程中溫度變化的幅值，隨著時間的變化溫度幅值變化越小，說明系統(tǒng)性能越優(yōu)越。

4.4 試驗安排

根據(jù)設(shè)定要求，本試驗針對體積為37.5L，初始溫度為常溫（低于22.5度）水族箱中水進行加熱到設(shè)定溫度后，恒溫控制在22.5度。每五分鐘記錄一次液晶屏溫度。

4.5 溫度數(shù)據(jù)記錄及結(jié)果分析

實驗對恒溫裝置在設(shè)定值22.5℃情況下進行了多次連續(xù)7小時的恒溫加熱測試。通過得到記錄表，利用Origin擬合成曲線圖。

由上圖和表可知，系統(tǒng)在設(shè)定的溫度點時，整個過程中的溫度波動基本控制在±0.4范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

錦鯉魚體質(zhì)對水溫變化較為敏感，基于模糊PID設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)，可以較好的維持水族箱內(nèi)水溫，保證水溫控制在22.3℃-22.6℃的最適溫度。

參考文獻：

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