基于PID的水温控制系统设计论文

基于PID的水温控制系统设计摘要本次设计采用proteus仿真软件，以AT89C51单片机做为主控单元，运用PID控制算法，仿真实现了一个恒温控制系统。

设计中使用温度传感器DS18B20采集实时温度，不需要复杂的信号调理电路和A/D转换电路，能直接与单片机完成数据的采集和处理，使用PID算法控制加热炉仿真模型进行温度控制，总体实现了一个恒温控制仿真系统。

系统设计中包含硬件设计和软件设计两部分，硬件设计包含显示模块、按键模块、温度采集模块、温度加热模块。

软件设计的部分，采用分层模块化设计，主要有：键盘扫描、按键处理程序、液晶显示程序、继电器控制程序、温度信号处理程序。

另外以AT89C51 单片机为控制核心，利用PID 控制算法提高了水温的控制精度，使用PID 控制算法实施自动控制系统，具有控制参数精度高、反映速度快和稳定性好的特点。

关键词：proteus仿真，PID，AT89C51，DS18B20温度控制目录1 系统总体设计方案论证 (1)1.1 设计要求 (1)1.2 总体设计方案 (2)2 系统的硬件设计 (3)2.1 系统硬件构成概述 (3)2.2 各单元总体说明 (4)2.3 按键单元 (5)2.4 LCD液晶显示单元 (6)2.5 温度测试单元 (7)2.6 温度控制器件单元 (8)3 恒温控制算法研究（PID）................................................................ 错误！未定义书签。

3.1 PID控制器的设计 (7)3.2 PID算法的流程实现方法与具体程序 (10)4 系统的软件设计 (14)4.1 统软件设计概述 (14)4.2 系统软件程序流程及程序流程图 (15)4.3 温度数据显示模块分析 (16)4.4 测试分析 (18)5 模拟仿真结果 ...................................................................................... 错误！未定义书签。

1系统总体设计方案论证1.1 设计要求一种基于数字PID和单片机的温度控制系统设计。

要求如下：1、超调量≤10%2、温度可调，范围；K1=50度K2=60度K3=70度K4=80度3、人—机对话方便4、温度误差≤±1℃1.2 总体设计方案在仿真设计中，先通过按键设置温度，然后通过温度传感器DS18B20，从环境中采集温度，由单片机获取采集的温度值，经过处理后，可得到当前环境温度中一个比较稳定的温度值，并且通过LCD液晶显示。

再去根据当前设定的温度值进行比较，温度未达到预定的下限温度时，单片机将通过P2.6口连接的RELAY输出高电平控制信号来驱动RL1，使得加热棒工作，为系统提供热量，来升高温度。

温度上升到预定上限温度时，单片机将通过P2.6口连接的RELAY输出低电平控制信号来驱动RL1，使得加热棒停止加热，让温度慢慢回落[3]。

工作原理图如图1.1所示：在设计中使用温度传感器DS18B20采集实时温度，使用PID算法控制加热炉仿真模型进行温度控制。

DS18B20是DALLAS公司生产的经典的数字温度传感器，具有低功耗、高性能、抗干扰能力、微型化、强易配处理器等等优点，它特别适合用于多点温度测控的系统，它可直接将温度转化成数字信号，交给单片机处理，并且在同一总线上可挂接多个传感器芯片，进行范围性的温度检测。

在其内部集成了A/D转换器，可使电路结构更简单，且减少了温度测量转换时的精度损失。

数字温度传感DS18B20只用一个引脚，即可与单片机进行连接了，这样大大的减少了设计中接线麻烦的问题，使得单片机可以节约许多端口。

DS18B20芯片的体积又比较小，且还是单线与主控芯片连接，于是在实际运用中，常常把数字温度传感器DS18B20做成小型的测量温度的探头，即使是一些狭小的位置也能很方便的检测到，使温控系统发挥最大的作用[4]。

在本仿真设计中DS18B20与51单片机的P3.4口链接。

DS18B20可以仿真设置环境温度，来完成设计要求。

本次设计采用proteus仿真软件，以AT89C51单片机做为主控单元。

51单片机上连接晶振和复位电路，保证单片机的正常运行。

P0口与LCD液晶连接，显示测量结果。

P1.0，P1.4，P3.3，P3.4分别与4个控制按键连接。

由AT89C51的端口丰富使得整个系统设计起来方便简单，线路清晰，且AT89C51是一个高性能，低功耗的CMOS 8位单片机，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz，在实际的应用中性价比很高，是温控系统的不二选择。

本设计中选择AT89C51做为主控单位也是考虑到了实际的需求和做此设计的意义的[5]。

2系统的硬件设计2.1 系统硬件构成概述本章主要介绍本次设计中的硬件设计部分，其中包含：显示模块、按键扫描模块、温度采集模块、温度加热模块。

2.2 各单元总体说明1、显示模块：本设计中采用LCD液晶显示温度值，其中最后一位为小数位。

2、按键模块：本设计中采用5按键设置，第一按键为复位按键，第2、3、4、5按键为温度档位按键，连接上拉电阻使其未按键时能够保持高电平。

3、温度采集模块：本次设计中使用温度传感器DS18B20采集实时温度，使用PID 算法控制加热炉仿真模型进行温度控制，数字温度传感器DS18B20只需一个引脚，即可与单片机进行通信，在设计中将DS18B20与51单片机的P3.4口连接，用其来完成温度的测量[6]。

4、温度加热模块：本设计采用加热棒来进行温度值的控制，其配有功率显示表，以便在仿真中与温度传感器DS18B20相对应，便于统计。

加热棒与光电耦合器连接，光电耦合器通过RELAY与51单片机的P2.6口连接。

通过51单片机发送信号来控制加热棒的运作。

2.3 按键单元一般的键盘设计采用的是硬件设计，可是其在仿真设计中连接，线路会比较麻烦。

所以在本此设置中我采用的是5按键软件控制，第一个按键为复位按键，其他两个为档位调节按键，K1为50度、K2为60度、K3为70度、K4为80度，方便简洁，线路清晰设计起来也较为方便。

连接上上拉电阻，使其当未有按键按下时，各各按键位都处于高电平。

按键操作说明：1号按键为复位设置按键，第一次按下它时，1号按键位将处于低电平，LCD液晶将会显示未加热时的温度，此时，可通过档位按键设置温度，然后进行其他功能模块的操作。

电路如图3.1所示：图3.1 按键电路3.6 温度测试单元在本设计中温度测试采用温度芯片DS18B20与51单片机的P3.4口连接。

此集成芯片，可以很好的减少外界的干扰。

其内部集成A/D转换器，使得电路结构更简单，且减少了温度测量转换时的精度损失，从而使测量的温度值更为精确，具有实在的设计意义。

且数字温度传感器DS18B20只用一个引脚，即可与单片机进行通信了，大大的减少了接线麻烦的问题，使得单片机更加具扩展性。

由于DS18B20芯片的小型化，通过单条数据线，就可以和主电路连接，在实际应用中，可把数字温度传感器DS18B20做成测温探头，可方便的探入到狭小的地方，从而增加了实用性[9]。

DS18B20的开始运作时，首先要做的是复位工作，即在开始工作前，51单片机将会给DS18B20当总先发送一个不小于480us的低电平信号，对其进行复位。

DS18B20在接收到这个信号后的15~60us内会回发一个芯片的存在脉冲。

为了接收存在脉冲，数据当总线将会被控制器拉高，存在脉冲是一个60~240us的低电平信号。

接下去将进行51单片机与DS18B20间的通信。

51单片机发送控制的指令共有5指令，而每一个工作周期只可以发送一条指令。

5条指令分别为：读取数据、指定匹配的芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。

接着51单片机发送存储器操作指令（在指令发送给DS18B20后，马上就发送存储器操作指令了）。

存储器指令的功能就是控制DS18B20怎么样进行工作。

DS18B20同51单片机的接线如图3.4所示：见图可知DS18B20只需与单片机的一个端口连接即可，不过当总线为开漏R，为4.7KΩ。

需要外接一个上拉电阻23.7 温度控制器件单元在本次设计中，是采用加热棒通过PID算法来对温度进行控制的，以便在仿真中与温度传感器DS18B20相对应，便于统计。

加热棒与光电耦合器连接，光电耦合器通过RELAY与51单片机的P2.6口连接。

51单片机通过RELAY口向光电耦合器发送高电平时，无电流流过，光电耦合器将不导通，继电器也不能导通，继电器的线圈无电流通过，RL1打向电源处，加热棒通电开始工作加热，可以看出加热棒提升的温度。

当测量到的温度值超出先前设定的预期温度值上限时，51单片机通同过RELAY口向光电耦合器发送低电平时，光电耦合器将导通，有电流流过，使得继电器也导通，继电器的线圈有电流通过，RL1打向继电器线圈，加热棒断开连接，停止工作，使温度慢慢的回落。

温控系统连接方法如图3.5所示：图3.5 温控系统电路4 恒温控制算法研究（PID）4.1 PID控制器的设计PID控制是目前在温度控制中应用最广泛的一种控制算法，其核心思想是按设定值与测量值之间的偏差比例、偏差的积累和偏差变化的趋势来控制输出量，采样的周期相当短时，可以用用差商代替微分，求和代替积分，可以有如下近似变换[10]。

KT t =()()()∑∑⎰====kj k j t j e T jT e T dt t e 000 ()()()[]()()Tk e k e T T k e kT e dt t de 11--=--= （4.1） 式中，k 为采样的序号，k=l ，2，…；T 为采样的周期。

在离散化的过程中，采样时间T 须足够的短，不然难以确保精度。

在运算时，把()kT e 表示成()k e 等，省去了T 。

则可推算出离散的PID 表达式写成：()()()()()[]11--++=∑=k e k e K j e K k e K k u D ko j p （4.2）式中，k 为采样的序号，k=1，2，…；()k u 是第k 次采样时，计算机输出的值；()k e 是第k 次采样时输入的偏差值；()1-k e 是第()1-k 次采样时输入的偏差值；1K 是积分系数，i P T T K K =1；D K 是积分系数，TT K K d p D =。

在实际的应用中，通常采用增量式PID 控制算法，即数字控制器输出只是控制量的增量，该算法编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。

根据递推原理可得：4 恒温控制算法研究（PID ）4.1 PID 控制器的设计PID 控制是目前在温度控制中应用最广泛的一种控制算法，其核心思想是按设定值与测量值之间的偏差比例、偏差的积累和偏差变化的趋势来控制输出量，采样的周期相当短时，可以用用差商代替微分，求和代替积分，可以有如下近似变换[10]。