基于自整定控制算法的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章針對(duì)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款基于自整定PID控制的溫度控制及報(bào)警系統(tǒng)，采用STM32F103C8T6作為主控制器，結(jié)合DS18B20數(shù)字溫度傳感器和LCD1602液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)精確的溫度測(cè)量和顯示功能。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度上下限設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警功能以及數(shù)據(jù)保存至FLASH等功能。當(dāng)溫度超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)繼電器控制相應(yīng)設(shè)備啟停，并通過(guò)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該設(shè)計(jì)不僅應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的溫度控制，還可推廣至工業(yè)生產(chǎn)和家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；自整定PID；溫度傳感器；報(bào)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP272" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：基于模糊自適應(yīng)整定控制算法的溫度控制器設(shè)計(jì)與研究；項(xiàng)目編號(hào)：202313654032Y。

作者簡(jiǎn)介：任琪軒（2002— ），男，本科生；研究方向：自動(dòng)控制。

*通信作者：李鑫（1983— ），男，講師，碩士；研究方向：自動(dòng)控制。

0" 引言

溫度控制在許多工業(yè)和日常生活領(lǐng)域中都是至關(guān)重要的，例如加熱系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、溫室種植等。傳統(tǒng)的溫度控制方法，如比例積分微分（Proportional-Integral-Differential， PID）控制，需要預(yù)先設(shè)置好的參數(shù)，對(duì)于不同的工況和環(huán)境變化可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)最佳控制效果。因此，基于自整定控制算法的溫度控制系統(tǒng)的研究具有重要意義［1-3］。

傳統(tǒng)的控制算法須要手動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)來(lái)適應(yīng)不同的工況，在環(huán)境變化或負(fù)載變化時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，并需要一定的時(shí)間才能恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。而自整定控制算法能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的反饋信息自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、較小的超調(diào)以及更精確的溫度控制。此自適應(yīng)性使得溫度控制系統(tǒng)能夠在不同的環(huán)境和工況下穩(wěn)定運(yùn)行，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性［4-8］。

1" 總體方案設(shè)計(jì)

1.1" 方案設(shè)計(jì)

文章采用STM32單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，結(jié)合DS18B20數(shù)字溫度傳感器和LCD1602液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)精確的溫度測(cè)量和顯示功能。設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了溫度上下限設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警等功能。當(dāng)溫度超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)繼電器控制相應(yīng)設(shè)備啟停，并通過(guò)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該設(shè)計(jì)不僅應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的溫度控制，還可推廣至工業(yè)生產(chǎn)和家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域。

1.2" 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于自整定控制算法的溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為5個(gè)子模塊，分別是DS18B20溫度傳感器模塊、風(fēng)扇模塊、蜂鳴器模塊、LCD1602顯示模塊、按鍵模塊和加熱模塊。

DS18B20溫度傳感器模塊：該模塊具有體積小，硬件開(kāi)銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。其測(cè)溫范圍為-55～+125℃，固有測(cè)溫分辨率0.5℃，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，測(cè)量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送。

風(fēng)扇模塊：鵬達(dá)藍(lán)圖風(fēng)扇模塊是一種硬件設(shè)備，用于提供空氣流動(dòng)和散熱。它的工作原理是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生氣流。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，葉片開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，將周圍的空氣吸入并排出，從而形成氣流。這個(gè)氣流可以用于散熱、通風(fēng)或者提供舒適的空氣流動(dòng)。該模塊在通電后即可轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)使用數(shù)字信號(hào)控制風(fēng)扇模塊時(shí)，輸入高電平，風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)；輸入低電平，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

蜂鳴器模塊：蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，主要作用是發(fā)出聲音。蜂鳴器模塊的硬件結(jié)構(gòu)，以壓電式蜂鳴器為例，主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。此外，當(dāng)接通電源后（1.5～15 V直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5～2.5 kHz的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。該模塊在環(huán)境溫度超出設(shè)定溫度范圍時(shí)發(fā)聲，當(dāng)使用數(shù)字信號(hào)控制蜂鳴器模塊時(shí)，輸入高電平，蜂鳴器不響；輸入低電平，蜂鳴器響。

LCD1602顯示模塊：點(diǎn)陣圖形式液晶由M×N個(gè)顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對(duì)應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共16×8=128個(gè)點(diǎn)組成。顯示屏上64×16個(gè)顯示單元與顯示RAM區(qū)的1024字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容與顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。

按鍵模塊：人雖然無(wú)法直接跟單片機(jī)通信，但是可以通過(guò)鍵盤(pán)給單片機(jī)輸入指令。鍵盤(pán)是間接的、靜態(tài)的，若單片機(jī)掃描讀取某一時(shí)刻的鍵盤(pán)按鍵狀態(tài)肯定是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。該設(shè)計(jì)中將調(diào)整溫度的上下限用一個(gè)鍵進(jìn)行切換，所以只需要3個(gè)按鍵就足夠使用，在設(shè)計(jì)電路時(shí)并沒(méi)有使用上拉電阻，需要使用STM32自身的上拉電阻，因此在配置I/O口時(shí)對(duì)應(yīng)設(shè)置為上拉輸入模式。

加熱模塊：加熱模塊在該設(shè)計(jì)方案中扮演著至關(guān)重要的角色。它的核心功能是確保設(shè)備在面對(duì)寒冷環(huán)境時(shí)，能夠自動(dòng)啟動(dòng)加熱機(jī)制，以維持設(shè)備的正常運(yùn)作和溫度穩(wěn)定。該模塊通過(guò)精確控制電路中的加熱片，當(dāng)外部環(huán)境溫度降至預(yù)設(shè)的溫度下限以下時(shí)，加熱片將被激活，開(kāi)始迅速升溫直至達(dá)到用戶預(yù)設(shè)的溫度范圍。同時(shí)，為了確保電路的安全性，該研究采用了繼電器來(lái)控制加熱片的動(dòng)作，這樣既可以保證加熱器按需工作，又能有效避免過(guò)熱或損壞，從而保護(hù)了電路系統(tǒng)免受潛在風(fēng)險(xiǎn)的影響。

1.3" 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1" 主程序設(shè)計(jì)

主程序作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行邏輯處理。DS18B20模塊的程序則負(fù)責(zé)讀取溫度、濕度等重要參數(shù)，為控制策略提供實(shí)時(shí)反饋。LCD1602顯示屏的程序能夠?qū)⑦@些關(guān)鍵信息以直觀的方式顯示給用戶，增強(qiáng)人機(jī)交互體驗(yàn)。自整定PID算法程序是該系統(tǒng)的亮點(diǎn)之一，它允許用戶根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)整比例和積分參數(shù)，從而精確地控制輸出結(jié)果。蜂鳴器程序用于發(fā)出必要的警報(bào)或通知，確保操作人員及時(shí)了解到當(dāng)前狀態(tài)或發(fā)生的異常。延遲程序可以延長(zhǎng)某些操作的時(shí)間間隔，比如手動(dòng)切換模式或設(shè)置參數(shù)等。風(fēng)扇程序則通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度來(lái)保持設(shè)備內(nèi)部環(huán)境的適宜溫度。這些程序的合理安排使得整個(gè)系統(tǒng)既穩(wěn)定又靈活，滿足各種自動(dòng)化需求。

在完成對(duì)系統(tǒng)的電源供應(yīng)之后，接下來(lái)的步驟是對(duì)各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)的初始化操作。在這一過(guò)程中，每個(gè)模塊都被賦予了初始狀態(tài)和必要的配置參數(shù)。隨后，系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀的數(shù)字信息，這些數(shù)據(jù)最終會(huì)顯示在LCD1602屏幕上，以便于使用者實(shí)時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。此外，為了確保安全與可靠性，系統(tǒng)對(duì)其所監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度臨界值進(jìn)行了精確的設(shè)置。一旦檢測(cè)到環(huán)境溫度超出了預(yù)設(shè)的臨界值范圍，系統(tǒng)便會(huì)立刻啟動(dòng)相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制。如果溫度值達(dá)到了設(shè)定的閾值，警報(bào)裝置將會(huì)被激活，包括蜂鳴器的響起以及LED指示燈的閃爍，以此來(lái)向操作者發(fā)出警示。與此同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)采取行動(dòng)，要么開(kāi)始自動(dòng)加熱，要么開(kāi)啟散熱機(jī)制，直到周圍環(huán)境的溫度達(dá)到或接近預(yù)設(shè)溫度范圍，保證設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行，避免因溫度異常而導(dǎo)致的潛在損害。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮周到，既能及時(shí)提醒用戶注意潛在的風(fēng)險(xiǎn)，又能有效地控制并維持設(shè)備在一個(gè)適宜的工作溫度范圍內(nèi)，從而確保了設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，為用戶提供了可靠的技術(shù)支持和保障，主程序流程如圖1所示。

1.3.2" 自整定PID算法設(shè)計(jì)

比例積分微分（Proportional-Integral-Differential，PID）控制算法是一種符合線性規(guī)律的過(guò)程控制，控制偏差量主要依賴于設(shè)定值rin（t）和系統(tǒng)實(shí)際的輸出值yout（t）。

KPerror（t）=rin（t）-yout（t）u（t）（1）

系統(tǒng)輸出的控制量為：

u（t）=KPerror（t）+1TI∫error（t）dt+TDderror（t）dt（2）

將上式寫(xiě)成傳遞函數(shù)的形式可以為：

G（s）=U（s）E（s）=Kp1+1TIs+TDs（3）

其中，u（t）為控制器的輸出信號(hào)；error（t）為設(shè)定值與被控對(duì)象輸出信號(hào)的差值。Kp error（t）為比例項(xiàng)，其中，Kp為比例系數(shù)；1TI∫error（t）dt為積分項(xiàng)，其中，TI為積分時(shí)間常數(shù)；TDderror（t）dt為微分項(xiàng)，其中，TD為微分時(shí)間常數(shù)［9］。

自整定PID的核心是整定出Kp、Ti、Td 3個(gè)參數(shù)，整定時(shí)可用階躍響應(yīng)法來(lái)整定，使用階躍響應(yīng)法時(shí)，整定出的結(jié)果是：

Kp=Kp_0×0.6（4）

Ti=0.5×Tc（5）

Td=0.12×Tc（6）

其中，Kp_0為輸出振蕩時(shí)使用的比例系數(shù)，Tc為振蕩的臨界周期。

自整定的核心就是在設(shè)定溫度處，單獨(dú)使用適當(dāng)?shù)腒p_0使得PID的輸出發(fā)生振蕩，記錄振蕩的臨界周期，最后使用上述公式計(jì)算出設(shè)定溫度處的PID參數(shù)。

1.3.3" 溫度采集系統(tǒng)

DS18B20溫度傳感器可完成對(duì)溫度的采集，以12位轉(zhuǎn)化為例說(shuō)明溫度高低字節(jié)存放形式及計(jì)算：12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在DS18B20的2個(gè)8位的RAM中，高8位二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位。如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，將測(cè)到的數(shù)值乘0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘0.0625才能得到實(shí)際溫度。DS18B20溫度測(cè)量模塊將實(shí)時(shí)采集的環(huán)境溫度傳輸至單片機(jī)。

1.3.4" 按鍵模塊程序

對(duì)按鍵進(jìn)行初始化，這次設(shè)計(jì)的3個(gè)按鈕分別連接到PA13、PA14、PA15，這3個(gè)鍵是用來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)置的溫度上限和下限的，通過(guò)32比特的數(shù)據(jù)將案情的情況記錄下來(lái)。因?yàn)镾TM32F103C8T6是一個(gè)低電平的觸發(fā)器，所以按鍵的I/O端口被設(shè)定成一個(gè)下拉式輸入，等待按鈕的按壓，若有按鈕按壓，則微控制器收到一個(gè)低電平的信號(hào)，進(jìn)行一個(gè)延遲，再對(duì)比鍵的狀態(tài)有沒(méi)有改變。

1.3.5" 顯示模塊程序

LCD1602模塊完成了對(duì)周圍環(huán)境溫度、溫度上限、下限等各種數(shù)據(jù)的顯示。啟動(dòng)后，LCD模塊會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，清空屏幕和儲(chǔ)物空間。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中巧妙地集成了與單片機(jī)進(jìn)行雙向通信的能力，這一特性使得控制界面能夠更加直觀和靈活。

2" 系統(tǒng)功能測(cè)試

2.1" 系統(tǒng)溫度過(guò)高功能測(cè)試

系統(tǒng)上電后，設(shè)定系統(tǒng)溫度區(qū)間，若環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度上限值，則蜂鳴器響，報(bào)警紅燈亮，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行散熱。

2.2" 系統(tǒng)溫度過(guò)低功能測(cè)試

若環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度下限值，則蜂鳴器響，報(bào)警黃燈亮，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)加熱塊進(jìn)行加熱。

3" 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了基于自整定控制算法的溫度控制系統(tǒng)，為了提高控制溫度的精度，利用改進(jìn)的PID算法對(duì)加熱塊的溫度進(jìn)行控制，極大縮短了響應(yīng)時(shí)間，降低了超調(diào)量，減小了穩(wěn)態(tài)誤差。應(yīng)用表明，該方案優(yōu)化了傳統(tǒng)的PID控制，節(jié)約了人力成本，提高了設(shè)備的智能化，能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)中的溫度控制設(shè)備 ［10-12］。

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（編輯" 王永超）

Design of temperature control system based on self-tuning control algorithm

REN" Qixuan， LI" Xin*

（School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technology， Zijin College， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210023， China）

Abstract：" In this paper， a temperature control and alarm system based on self-turning PID control is designed for the temperature monitoring system. STM32F103C8T6 is used as the main controller， combined with DS18B20 digital temperature sensor and LCD1602 LCD display screen to realize accurate temperature measurement and display function. In the design， temperature setting， data display， alarm function and data saving to FLASH are implemented. When the temperature exceeds the preset range， the system will control the corresponding equipment to start and stop through the relay， and send an alarm signal through the buzzer. This design is not only applied to temperature control in the laboratory environment， but also extended to industrial production and home automation.

Key words： single-chip microcomputer; self-turning PID; temperature sensor; alarm system