温度控制系统设计报告

温度控制系统设计报告TEMPERATURE AUTOCONTROL SYSTEM

中国·

王文涛、志超、喻伟

2009-8-8

摘要

本系统主要基于DS18B20和51单片机为核心来实现系统的温度自动

化控制，通过使用PID算法和PWM脉宽调制实现温度的精确控制，由温度

传感器返回温度值后与设定温度比较，经过单片机的处理后发出相应的控

制信号使一定空间围的温度保持基本恒定，通过实际应用加深对系统设计

和PID算法的理解，提高应用能力。

关键词：PID算法 DS18B20 温度控制 51单片机

Abstract:This system mainly based on DS18B20 and 51 single-chip microcomputer as the core

to realize automation control system of temperature, through the use of PID algorithm and PWM pulse width modulation realize accurate temperature control of the temperature sensor, the temperature and the temperature returned after comparison, through the processing chip out the corresponding control signal after that certain space within the scope of the temperature is kept constant, through the actual application of the basic of system design and PID algorithm of understanding, improve application ability.

Keyword：PID algorithm DS18B20 temperature control 51-series microcomputer

设计要求：

1、基本要求

①容器环境温度设定围：，最小区分度为1℃；

②当容器环境温度降低时（例如用电风扇降温），温度控制的静态误差≤1℃；

③显示容器环境的实际温度。

2、发挥部分

①采用适当的控制方法，当设定容器环境温度突变（由30℃提高到50℃）时，减小系统的调节时间

和超调量，同时自动打印其温度随时间变化的曲线；

②温度控制的静态误差≤0.2℃；

③采用发光二极管光柱形式和数码形式显示白炽灯灯壁上的温度；

④其它。

基本设计思路：

由题目要求可知，本系统对温度控制的精度要求比较高，因此考虑使用PID 控制来控制系统温度，而热源的控制采用PWM波来进行精确控制。由温度传感器来传回温度数据，由单片机处理数据并发出相应的动作，从而保证温度的恒定。

方案论证：

（1）温度传感器

方案一：采用AD590作温度传感器，AD590是一种恒流源形式的温度传感器,只要在其二端加上一定工作电压,则其输出电流随温度变化而变化,其线性电流输出为1uA/K，电流信号再由运放转换为电压信号，通过A/D转换器将输入的模拟电压量转换为数字量，并通过并行接口芯片将数字量送给计算机。具体接口

电路如下：

方案二：DS18B20是达拉斯公司生产的数字温度传感器，测温围在－55℃～＋125℃，采用单总线通信微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。精度可以达到

0.0625℃。

因此由以上来看我们选用方案二18B20足以满足系统要求而且使

设计更加简单可行。

（2）主控芯片

方案一： 51系列的8位单片机

方案二：DSP、ARM等高速数据处理器

本系统对主控芯片的要求不是太高，51系列单片机足以胜任，因此选用方案一51系列的AT89S52。

（3）显示及键盘

方案一：八位数码管显示。

方案二：LCD1602液晶显示。

由于需要显示的数据比较多，为电路设计简便起见，我们选用方案二。

系统设计概要：

（1）系统外形缩略图

（3）PID算法

PID算法是本程序中的核心部分。我们采用PID模糊控制技术,通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。其原理如下：

本系统的温度控制器的电热元件之一是发热丝。发热丝通过电流加热时，部温度都很高。当容器温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热丝的温度会高于设定温度，发热丝还将会对被加热的器件进行加热，即使温度控制器发出信号停止加热，被加热器件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，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候，这就要视发热丝与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新加热时，温度继续下降几度。所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。

增量式PID算法的输出量为

ΔUn = Kp[(en-en-1)+(T/Ti)en+(Td/T)(en-2*en-1+en-2)]

式中，en、en-1、en-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。

计算机每隔固定时间 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