基于PID的電熱水壺溫度系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

聶茹

（華南理工大學 廣州學院電子信息工程學院，廣東 廣州 510800）

溫度的測量與控制是日常生活與生產實踐中常見的課題，在工業(yè)生產、航空航天等領域，溫度控制的水平直接關系著生產效率、產品質量以至設備與人員生命的安危。紅外探測器是紅外測溫儀的關鍵部件，在種類眾多的紅外探測器中，各種熱電制冷型紅外探測器如HgCdTe紅外探測器以其靈敏度高、響應快、高可靠性與穩(wěn)定性、制冷快、方便易用等特點，在各種紅外測試設備中得到了廣泛的應用[1]。由于這種探測器的工作溫度對響應的影響很大，而且目前專門為之設計的控制器產品比較少，因此有必要開發(fā)一種高精度的專用溫度控制器。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一[2]，其結構簡單、魯棒性好、可靠性高，被廣泛應用于工業(yè)控制過程，尤其是能夠建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。隨著微處理器的發(fā)展，體積小功能強的智能式控制器得到越來越廣泛的應用。

本設計中的實驗平臺采用“熱得快”加熱器，對瓶裝水進行加熱。通過ds18b20溫度傳感器采集實時水溫，輸出數(shù)字量到STC89C52單片機，通過輸出占空比變化的PWM控制固態(tài)繼電器通斷。給定值和測量值作比較后通過數(shù)字PID算法輸出PWM。

1 數(shù)字PID基本原理

數(shù)字控制器的連續(xù)化設計是忽略控制回路中所有的零階保持器和采樣器，在時域中按連續(xù)系統(tǒng)進行初步設計，求出連續(xù)控制器，然后通過某種近似，將連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器，并由計算機來實現(xiàn)。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，常常采用如圖1所示的PID控制規(guī)律。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.1 Closed-loop control system

按偏差的比例、積分、微分進行控制的控制器稱為PID控制器。 其中 r（t）為系統(tǒng)給定值，c（t）為實際輸出，u（t）為控制量。PID控制解決了自動控制理論所要解決的最為基本的問題，即系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性和準確性。簡單來說，PID控制器中各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

比例環(huán)節(jié)：及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e（t），偏差一旦產生，控制器立即產生調節(jié)作用，以減少偏差。

積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度。

微分環(huán)節(jié)：能夠反映偏差信號的變換趨勢，即偏差信號的變化速率，并能在偏差值變化得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)結構圖

溫度檢測采取集成數(shù)字式DS18B20溫度傳感器，通過檢測出的溫度（反饋量）與設定值進行比較，通過PID算法控制，輸出PWM到功率控制裝置，在此期間，應采取隔離保護措施，如光電隔離，把控制電路和功率電路隔離開，從而保護控制電路不受影響干擾。顯示溫度采用TS1602液晶顯示。單片機采用STC89C52單片機型號。加熱器采用日常常用的“熱得快”電熱棒，經固態(tài)繼電器連接，220伏交流電經變壓器變換電路產生過零觸發(fā)信號，然后輸入單片機中斷產生同步PWM脈沖信號，這里的同步是指單片機開中斷和交流信號剛好經過零點開始，產生PWM。PWM由兩個定時器產生，占空比經過采樣值和給定值比較后經PID算法調節(jié)，PWM輸出控制固態(tài)繼電器通斷，本設計采用增量式PID。從而實現(xiàn)平滑快速加熱不超調。輸入溫度采用獨立鍵盤方式。系統(tǒng)結構圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)結構圖Fig.2 System structure diagram

2.2 系統(tǒng)主要硬件部分實現(xiàn)

2.2.1 溫度檢測傳感器模塊DS18B20

溫度傳感模塊采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換，控制都由這根線完成。DALLAS公司的DS18B20是這樣一種獨特的溫度傳感器，它只需一個接口引腳即可通信，可用數(shù)據(jù)線供電，并具備多點測溫能力[3]。DS18B20具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點[4]，DS18B20使用方便，除了連根電源線，信號線只需接上拉電阻即可，加強了在傳輸過程的干擾

2.2.2 功率加熱開關控制模塊

功率加熱開關控制模塊固態(tài)繼電器SSR，是一種新型的無觸點開關的電子繼電器，由于它的無觸點工作特性，已廣泛應用于計算機外圍接口、數(shù)控機械、遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動化裝置、儀器儀表、自動洗衣機等系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率因素補償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關等等[5]。固態(tài)繼電器SSR是一個四端組件，有兩個輸入端、兩個輸出端。

2.2.3 加熱控制電路設計

通過單片機IO口輸出信號控制三極管Q1通斷，從而控制固態(tài)繼電器通斷。固態(tài)繼電器輸出端并接了壓敏電阻，因為熱得快加熱器是感性器件，通斷瞬間易產生高脈沖電壓，壓敏

電阻起了保護固態(tài)繼電器作用。加熱控制電路如圖3所示。

圖3 加熱控制電路Fig.3 Heating control circuit

2.2.4 顯示電路的設計

顯示電路采用LCD1602，LCD1602作為字符型液晶顯示模塊，具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點[6]。設計中，P1口作為數(shù)據(jù)口，PO口作為控制口，滑動電阻器VR1作為液晶顯示屏的背景調光使用。LCD1602液晶顯示接口電路如圖4所示。

圖4 LCD1602液晶顯示接口電路Fig.4 LCD1602 liquid crystal display interface circui

2.2.5 供電電路

變壓器輸出端6 V接整流橋經濾波后輸入7805穩(wěn)壓芯片，輸出5 V穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓原理圖如圖5所示。

2.2.6 同步觸發(fā)中斷電路

同步觸發(fā)電路如圖6所示，輸入端為6 V交流電，當輸入交流電過零時，三極管Q2截止，集電極高電平，光耦管觸發(fā)導通，輸出端INTR高電平；當輸入交流電非零狀態(tài)時，三極管

圖5 穩(wěn)壓電路Fig.5 Regulator circuit

圖6 同步觸發(fā)電路Fig.6 Synchronous trigger circuit

導通，集電極低電平，光耦管輸入截止。INTR點為輸出端。

因為固態(tài)繼電器是過零觸發(fā)型，所以當交流信號過零時觸發(fā)單片機中斷，單片機輸出繼電器控制信號。同步電路的作用是當單片機開中斷和交流信號剛好經過零點開始，產生PWM，精確輸出一定周期的信號。

3 系統(tǒng)軟件設計

主要的程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖Fig.7 Flow chart of program

PID輸出量采用定時器中斷控制PWM方式，中斷控制程序控制輸出PWM占空比，通過控制輸出功率器件通斷而控制輸出電壓 。

參數(shù)的選擇始終是一件非常煩雜的工作，需要經過不斷的調整才能得到較為滿意的控制效果。PID控制器參數(shù)選擇的方法很多，例如試湊法、臨界比例度法、擴充臨界比例度法等。

在參考了有關文獻后，確定了以下參數(shù)具體確定方法 ：

1）確定比例系數(shù)Kp

確定比例系數(shù)Kp時，首先去掉PID的積分項和微分項，可以令Ki=0、Ki=0，使之成為純比例調節(jié)。輸入設定為系統(tǒng)允許輸出最大值的60%～70%，比例系數(shù)Kp由0開始逐漸增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例系數(shù)Kp逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的比例系數(shù)Kp，設定PID的比例系數(shù)Kp為當前值的60%～70%。

2）確定積分時間常數(shù)Ki

比例系數(shù)Kp確定之后，設定一個較大的積分時間常數(shù)Ki，然后逐漸減小Ki，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，然后再反過來，逐漸增大Ki，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數(shù)Ki為當前值的150%～180%。

4 系統(tǒng)測試

設定多種不同溫度（高于室溫），記錄檢測值和超調量。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫度測試Tab.1 Temperature test

在反復調節(jié)PID參數(shù)之后，得出了相對理想的實驗結果。從實驗結果可以看出，加熱系統(tǒng)出現(xiàn)較大超調量，穩(wěn)定之后偏差在1攝氏度之內。經過反復實驗及數(shù)據(jù)分析，造成系統(tǒng)偏差較大的原因是水的溫度不均勻，局部溫差較大，加熱器件“熱得快”具有記憶效應。

5 結束語

以STC89C52單片機為核心設計公交車自動報站系統(tǒng)，系統(tǒng)經過實際調試，可以正常運行，音質清晰，在各種公交車上都可以提供及時報站服務，具有很強的實用性。

[1]王琦.新型PID恒溫控制器的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006.

[2]趙修平，王天輝，林琨山.導彈發(fā)射裝置伺服系統(tǒng)模糊PID控制研究[J].現(xiàn)代防御技術，2012，03:63-66.ZHAO Xiu-ping，WANG Tian-hui，LIN Kun-shan.Missile launcher servo system with fuzzy PID control research[J].Modern Defence Technology，2012（3）:63-66.

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