水温控制系统

P36
C2
22pF
Y1
C3
12MHZ
13 12
INT1 INT0
15 14
T1 T0
31
EA/VP
19 18
X1 X2
P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27
21 22 23 24 25 26 27 28
22Pf
9
RESET
17 16
RD WR
源自文库
RXD TXD ALE/P PSEN
能（降温可用半导体制冷片、升温用800W以内的电加热器）； 4）在全量程内任意设定一个温度值（例如起始温度±15℃内），
控制系统可以实现该给定温度的恒值自动控制。控制的最大动态 误差≤±4℃，静态误差≤±1℃，系统达到稳态的时间≤15min（最 少两个波动周期）。
12.2 设计原理
水温控制系统以STC89C52单片机作为控制核心，采用开关 控制和PID控制算法相结合，通过控制单位时间内加热时间 所占的比例（即控制波形的占空比）来控制水的加热速度， 实现对1L水的全量程（10℃—70℃）内的升温、降温功能的 自动控制。根据设计要求系统可划分为控制模块、温度测量 模块、水温调节模块、键盘输入模块、显示电路模块等。系 统原理框图如图12-1所示：
4
R8
R9
R13
10K
10K
4.7K
+5V
Q2 MPS8550
Q1 MPS8050
+12V
M1 RF470
电热丝 500W
4
1
D3 2
BRIDGE1
220V/50Hz
3
图12-5 加热和制冷驱动电路
12.4.4 显示电路
显示电路采用LCD12864液晶模块显示系统的设定温度和实测温度。LCD12864 液晶共有20个引脚，管脚名称及功能如表12-1所示。本系统选用单片机P1口作为 数据输出端与LCD12864的数据端（DB0～DB7）相连，进行水温数据传输；P20 接串并行模式方式位RS；P21接并行的读写方式位R/W；P22接并行使能端口E； P23接并/串行接口选择位PSB；P24接复位端口RST。具体电路图如图12-6所示。
U2
GND
1
DQ
2
P35
GND
3
R57
DS18B20
4.7K
+5V
图12-4 DS18B20温度采集电路
12.4.3 温度控制电路
温度控制电路采用加热器和制冷片对1L水实现加热和降温，具体电路如图12-5所 示。当实测温度高于设定温度时，单片机P0.2脚输出低电平，光耦管导通输出高 电平，进入LM393管脚比较整形，滤除高次谐波，输出高电平，进入Q3和Q4组 成的推挽电路，Q3导通Q4截止，输出低电平，晶闸管导通，驱动制冷片降温。 当实测温度低于设定温度时，P0.3脚输出低电平，驱动加热器对水温进行加热， 工作原理与降温驱动相同，这里不再赘述。
图12-2 复合PID控制系统方框图
12.3.2 PID控制算法
根据设计要求，系统对1L净水进行加热或降温处理，根据水的对象 特性，会出现惯性温度误差问题，原因如下：
温度控制器采用发热丝对水进行加热。发热丝通电加热时，内部温 度很高。当容器内水温升高至设定温度时，温度控制器发出信号停 止加热。但这时发热丝的温度会高于设定温度，发热丝还将继续对 对水进行加热，导致水的温度还会继续上升几度，然后才开始下降。 当水温下降到设定温度的下限时，温度控制器又发出加热信号，开 始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时间，导 致水温会继续下降几度。所以，为了对水温实现精确控制，使温度 测量误差在±0.5 ℃内，必须采用PID模糊控制算法,通过Pvar、Ivar、 Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合形成一个模糊控制来解决 惯性温度误差问题。 利用数值逼近方法，在采样时刻t=iT(T为采样周期，i为正整数)时， PID调节规律可通过下式近似计算。
12.3 温度控制算法
实际温度控制系统，常采用开关控制或数字PID控制方式。开关控制 的特点是可以使系统以最快的速度向平衡点靠近，但在实际应用却很 容易造成系统在平衡点附近振荡，精度不高；而数字PID控制具有稳 态误差小特点，实用性广泛的特点，但误差较大时，系统容易出现积 分饱和，从而份致系统出现很大的超调量，甚至出现失控现象。因此， 本设计将开关控制，防积分饱和、防参数突变微分饱和等方法溶入 PID控制算法组成复合式数字PID控制方法，集各种控制策略的优点， 既改善了常规控制的动态过程又保持了常规控制的稳态特性。
引脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
表12-1 CA12864K引脚分布
引脚名称
方向
功能说明
VSS
-
模块的电源地
VCC
-
模块的电源正端
V0
-
LCD驱动电压输入端
RS(CS)
1）首先进行P整定。将参数Kp由小而大慢慢变化，直至得到反应快， 超调小的响应曲线。若无静差或静差在允许范围内且响应曲线满意， 整定结束，否则继续下步。
2）进行PI整定。略小于Kp值，将Ti由大而小缓慢变化，在保持系统 动态性能良好的前提下，消除静差或是静差允许范围内。反复改变 Kp,Ti值以求得较好效果，若效果满意，则整定结束，否则继续下去。
3）进行PID整定。略改变Kp,Ti的值，使Td由小而大缓慢变化，以求 得较好的响应曲线和较小的静差。逐步反复的试凑，直至获得满意 效果为止。
对于一定的系统，合理的参数组并不唯一，根据一些文献的实 践经验，在具体实施PID参数整定时，以下几个结论比较实用：
1）比例系数Kp是PID调节中最关键的一个参数，Kp增大，系统稳定 性增加，但调节灵敏度减弱，一般曲线振荡频繁时，要增大Kp，而 曲线飘浮绕大弯时，要减小Kp.
图12-1 水温控制系统原理框图
STC 89C52首先写命令给DS18B20， DS18B20开始转换数 据，将转换后的温度数据送入89C52进行处理，处理后在 液晶屏上实时显示。并将实际测量温度值与键盘设定值 进行比较，根据比较结果进行温度调节，当温差比较大 时采用开关量调节，既全速加热和制冷，当温差小时采 用PID算法进行调节，最终达到温度得稳定控制。其中， 加热采用内置（水中）电阻丝实现，热量直接与水传递， 加热效果好，控温方便；降温采用半导体制冷片实现。 其体积小，安装简单，易于控制，价格便宜，可短时间 内反复启动。但其制冷速率不高，所以设计中配套散热 风扇以达到快速降温的目的。
控制算法的确定
温度控制过程为:当水温温差大时，采用开关控制方式迅速减小温差， 以缩短调节时间；当温差小于某一值后采用PID控制方式，以使系统 快速稳定并保持系统无静态误差。在这种控制方法中， PID控制在较 小温差时开始进入，这样可有效避免数字积分器的饱和。PID参数和 被控制对象关系密切，要精确得到被控对象模型比较困难，为此，采 用离线模糊整定的方法来确定PID参数，即给出一组PID参数的初值， 测得相应的数据，按使这个量减小的方向调节PID参数，用整定后的 参数控制该系统，并根据输出的调节时间、超调量及稳态误差，调节 PID参数，如此反复，求得一组使系统性能最优的PID参数。复合PID 控制系统方框图如图12-2所示。
则增量式PID算法的输出量为：
式中，ei、ei-1、ei-2分别为第n次、n-1次和n-2次的偏差 值，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分系数和微分系数， T为采样周期。 单片机每隔固定时间 T将现场温度与用户设定目标温度的 差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定PWM 方波的占空比，后续加热电路根据此PWM方波的占空比 决定加热功率。现场温度与目标温度的偏差大则占空比 大，加热电路加热功率增大，使温度的实测值与设定值 的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小， 加热电路加热功率减少，直至目标值与实测值相等，达 到自动控制的目的。
第12章 水温控制系统
水温控制系统
温度是工业生产和生活中常见的参量之一，及时准确地 得到温度信息并对其进行适当控制的智能化温度控制系 统得到了广泛应用。本水温控制系统采用STC89C52单片 机为核心，利用DS18B20对温度进行采样，实现水温的 实时监测与控制，根据单片机输入温度值与系统给定温 度值的比较结果，采用mos管控制加热器进行升温、降温 控制，并结合数字PID算法，实现温度的高精度自动控制， 系统具有控制方便、简单、灵活性高的特点。
12.1 技术要求
设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升水，容器为搪 瓷器皿。水温可以在一定范围内设定，并能实现在10℃—70℃量 程范围内对每一点温度的自动控制，以保持设定的温度基本保持 不变。
基本要求： 1）可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为
0.1℃； 2）可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在±0.5 ℃内； 3）水温控制系统应具有全量程（10℃—70℃）内的升温、降温功
10 11 30 29
STC89C52
+5V C1 R1
10K 10uF
S19
D9
4001
图12-3 STC89C52最小系统及键盘电路
12.4.2 温度采集电路
本系统采用DS18B20单总线可编程温度传感器来实现温度的采集和转换，温度以 9～12位数字量读出，可以直接与单片机进行连接，无需外部器件和电源，大大 简化了电路的复杂度。DS18B20应用广泛，测温范围为-55～+125oC，温度数字 量转换快，性能可以满足题目的设计要求。DS18B20的测温电路如图12-4所示。
+5V
R2 1K
U3 P02
+5V
R4
R5
R10
1K
10K
4.7K
8
U1A
3
1
R11
2
20K
4
LM393 D1
R6
10K
+12V
Q4 MPS8550
Q3 MPS8050
CON2
M2 RF470
SGND 2 1
+12V 150W
U4 P03
R3 1K
D2 R7 1K
8
U2A
3
1
R12
2
20K
LM393
12.3.3 PID参数的确定
PID参数的选择是设计成败的关键，它决定了温度控制的准确度。由 于温度系统是一个具有较大滞后性的系统，所以本系统的采样周期 定为10秒，加热周期定为1秒钟，根据一些文献提供的经验值，初步 确定Kp=2，Ti=2,Td=0.5,根据公式Ki= Kp*T/ TI ；Kd = Kp * TD /T； 计算得出Ki=1,Kd=1;然后，由按键对系统设定一个温度值，在线应用 工程整定法中的经验法对P,I,D各参数进行调整，经验法是一种凑试 法，它通过模拟或闭环运行，观察调节过程的响应曲线，如果曲线 不够理想，则按某种程序将参数反复凑试，直到调节质量满意为止。 凑试程序通常是先比例后积分，最后加入微分。凑试法整定PID参数 的步骤是：
2）积分时间常数Ti主要起消除静差的作用，减小Ti，消除静差快， 但稳定性减小，一般曲线偏离恢复慢时，减小Ti,而曲线波动周期长 时，再增大Ki。
3）微分时间常数Td是加速过程的有力调节，在加速过渡过程，应增 加Td,Td不宜过小，也不宜太大，Td一般选Ti的四分之一为最佳。
根据以上调节的步骤及调节的方法及经验，经过反复的试验做后得 到最终的P,I,D的参数为Kp=30,Ki=5,Kd=0.
+5V
R61 62
R63 R65
10K 10K 10K 10K
S1
U1
S2 S3 S4
P32 P33 P34
1 2 3 4 5 6 7 8
P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17
P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07
39 38 37 36 35 34 33 32
12.4 硬件电路设计
水温控制系统的硬件电路主要包括：主控电路、温度采 集电路、温控电路和显示电路等，下面依次对各部分进 行设计。
12.4.1 主控电路
主控电路采用STC89C52单片机作为系统控制器，结合数 字PID算法完成对温度测量信号的接收、处理，控制加热 器和制冷片，使水温控制达到设计要求。主控电路包括 STC89C52最小系统和键盘电路两部分，STC89C52最小 系统在上一章中已介绍，这里不再赘述。本设计键盘采 用RF-X1开发板上的6个独立按键中的4个，各按键经上拉 电阻分别接到单片机的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5口上，起 到确认、选择、上调和下调的作用，每按上调或下调键 一次，设定温度值加1或减1。电路图如图12-3所示。