基于PID算法的水溫控制系統(tǒng)

王博　曾方　程一哲

摘要：為得到穩(wěn)定的水溫控制功能，本文設計了一個基于STC89C52單片機的PID自動水溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實時顯示溫度、修改設定溫度，PID自動控制溫度和溫度上下限報警等功能。該系統(tǒng)通過單片機進行溫度實時測量，并基于PID算法達到溫度恒定控制的功能。系統(tǒng)由單片機STC89C52將溫度傳感器DS18B20 所采集的溫度在LED顯示屏上實時顯示，并通過PID控制算法令水溫保持為指定的溫度值。

關鍵詞：單片機；STC89C52；DS18B20；PID算法；LED顯示

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）27-0242-02

1 系統(tǒng)概述

本文采用PID 控制算法實現(xiàn)保持水溫恒定的系統(tǒng)功能。該溫控系統(tǒng)采用螺旋加熱管加熱——將螺旋加熱管固定到容器的內(nèi)部，給加熱管通電時，會使容器中的水產(chǎn)生對流，令水溫快速上升，加熱效率高。溫控系統(tǒng)的制冷元件使用半導體制冷片，能夠達到快速制冷的目的。測量水溫的溫度傳感器選擇DS18B20，該溫度傳感器使用單總線與主機進行通信，信號傳輸速度快，靈敏度高，能大大減少系統(tǒng)的響應時間。系統(tǒng)的顯示部分放置在容器外壁上，采用4位七段LED數(shù)碼管實時顯示溫度和預設溫度。電源采用PWM方式調(diào)節(jié)加熱或制冷的輸出功率，從而改變加熱與制冷的功效，達到可變輸出功效的效果。

該系統(tǒng)主要特點為：

1） 通過DS18B20溫度傳感器減少了A/D轉換電路，簡化了電路結構。

2） 采用SSR固態(tài)繼電器，簡化了功率控制電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3） 基于PID算法和PWM調(diào)制的系統(tǒng)設計，能夠充分保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，并使系統(tǒng)的動態(tài)性能也達到較好的效果。

2 硬件電路

系統(tǒng)采用方形玻璃魚缸作為裝水容器。系統(tǒng)硬件電路主要包含四個部分：溫度采集電路，加熱控制電路，制冷電路以及顯示電路。硬件電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示：

2.1 溫度采集電路

本系統(tǒng)使用DS18B20溫度傳感器來測量水溫。該傳感器可以直接輸出數(shù)字量，與總線接口只需一根信號線，能夠節(jié)省單片機的引腳接口資源，電路設計簡單，容易實現(xiàn)。

DS18B20溫度傳感器僅有三個引腳，三個引腳中一端接電源，一端接地，另一端接單片機的數(shù)據(jù)傳輸引腳，進行總線通信。本系統(tǒng)使用三個溫度傳感器采集不同深度位置的水溫取平均值以減小誤差。溫度采集電路如圖2所示：

2.2 加熱電路

本系統(tǒng)使用螺旋加熱管對容器中的水進行加熱。在螺旋加熱管的加熱輸出方面，采用單片機結合繼電器進行電源通斷控制，讓單片機通過PWM調(diào)制方法控制繼電器來達到加熱力度可調(diào)的加熱效果。PWM調(diào)制方法可令繼電器對系統(tǒng)的干擾較小，調(diào)節(jié)響應時間短，能方便的達到控制水溫的目的。另外，PWM脈沖調(diào)制可以方便地在軟件編程中實現(xiàn)，比硬件實現(xiàn)方法要簡單和高效。圖3為繼電器PWM控制電路的仿真圖（圖中使用12V燈泡來模擬替代加熱管）。

2.3 鍵盤、顯示電路

如圖4所示，本系統(tǒng)使用按鍵實現(xiàn)溫度預設值的設定調(diào)節(jié)。進行預設溫度調(diào)節(jié)時，設置了三個按鍵，一個按鍵實現(xiàn)溫度的菜單顯示，一個按鍵實現(xiàn)溫度預設值的增加，第三個按鍵實現(xiàn)溫度預設值的減小。

設置好溫度預設值之后，系統(tǒng)的顯示電路能讓預設的溫度值顯示在LED數(shù)碼管上。按下菜單鍵時，數(shù)碼管能夠顯示當前溫度傳感器采集的溫度數(shù)值。顯示電路使用四位七段數(shù)碼管，溫度顯示時保留一位小數(shù)，能夠實時顯示溫度傳感器所采集的溫度值。系統(tǒng)使用單片機的P1、P2引腳分別控制數(shù)碼管的段選端和位選端，并用程序中的延時函數(shù)來設置數(shù)碼管的動態(tài)顯示，令數(shù)碼管能夠穩(wěn)定的顯示溫度值。

3 軟件設計

3.1 程序流程圖

軟件系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對水溫的測量與控制，并能將溫度數(shù)據(jù)用數(shù)碼管顯示出來。控制程序能夠實現(xiàn)1℃精度范圍內(nèi)溫度的PID控制，以達到在設定的溫度下水溫保持恒定不變的功能。

主程序流程圖如圖5所示，可實現(xiàn)對預設溫度值的設定、控制，和顯示實時溫度數(shù)據(jù)功能。

3.2 PID算法

在使用PID算法進行水溫調(diào)節(jié)時，通過單片機來調(diào)整PWM波的占空比，PWM波的頻率為50HZ，可根據(jù)不同的溫度情況通過調(diào)節(jié)占空比的不同來實現(xiàn)對水溫的控制。通過PWM調(diào)制，可以對加熱管的輸出功率進行控制，減小水的溫度慣性。

另外，使用PID算法可減小水溫接近預設溫度時產(chǎn)生的靜態(tài)誤差，僅使用加熱管進行加熱就可以達到恒溫控制效果，從而去除溫度靜差的影響。

4 結論

在科技高速發(fā)展的今天，自動控制技術已經(jīng)被廣泛應用于我們的生活、工作和科研等各個領域。本文研究了一種由控制電路、制熱電路、顯示電路和按鍵電路等部分組成的水溫控制系統(tǒng)。控制單元采用51系列單片機，通過DS18B20集成溫度傳感器，進行溫度數(shù)據(jù)的采集和反饋；為了提高電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用PWM調(diào)制方法控制SSR固態(tài)繼電器通斷，從而將功率控制電路進行簡化；采用軟件控制方法，基于PID算法來控制水溫恒定，減小了水溫控制的慣性值。本文設計的水溫控制系統(tǒng)操作方便、顯示清晰、穩(wěn)定性好、精準度高、實用性強，具有廣泛的應用前景。

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[通聯(lián)編輯：梁書]