【摘要】此水溫控制系統(tǒng)以單片機AT89S52為核心控制器，溫度由DS18B20數(shù)字溫度傳感器進行采集。為了更精確的測溫，本系統(tǒng)采用三點測溫，并采用PID算法進行水溫控制，使溫度能夠自行調(diào)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】AT89S52單片機；DS18B20；可控硅；PID算法控制；LCD1602

1.引言

溫度控制在生產(chǎn)生活中應用都十分廣泛，但其控制過程中存在著很大的時滯性和極強的干擾性，因此，如何很好地控制溫度是評價一個溫度控制系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵之處。PID控制是按設定值和被控量偏差的比例、積分和微分進行控制的一種控制方法。PID控制在控制理論中占有舉足輕重的地位，由于其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，被廣泛應用于包括溫度控制的各種控制過程中。

本課題是設計一個水溫自動控制系統(tǒng)，設定溫度是80度，從40度對500mL的水加熱，在多種環(huán)境下，達到80度的時間不超過5分鐘，溫度最后穩(wěn)定在80度左右的調(diào)整時間不超過4分鐘，超調(diào)量不大于5%。

2.總體設計方案

本系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、溫度檢測模塊、可控硅控制電路模塊、加熱電路、矩陣鍵盤、液晶顯示模塊等部分組成。其整體設計框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 控制電路

本系統(tǒng)主要以單片機AT89S52為核心，基于自動控制原理與PID算法，根據(jù)不斷掃描測量的溫度值對電爐進行反饋調(diào)節(jié)，從而對溫度實現(xiàn)精確的調(diào)節(jié)。

溫度傳感器DS18B20將測得的溫度數(shù)據(jù)傳輸給單片機AT89S52，單片機來調(diào)整PWM波的占空比，通過驅(qū)動電路對可控硅進行控制完成對電爐的通斷電控制，從而控制其功率，達到調(diào)節(jié)水溫的目的。

3.各個模塊電路設計

（1）主控部分：由于本控制系統(tǒng)并不復雜，故選擇Atmel公司的AT89S52單片機作為CPU。

（2）溫度采集部分：本系統(tǒng)選擇使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測溫度。其溫度測量精度較高，能夠達到0.0625度以上精度。為了更精確測量，采用多點測溫的方法，本系統(tǒng)中選用三點測溫。

（3）鍵盤設置部分：本系統(tǒng)選擇4*4矩陣鍵盤作為輸入部分，用來輸入預設溫度、開啟與關(guān)閉加熱、調(diào)節(jié)時間等。

（4）顯示模塊：本系統(tǒng)用LCD1602顯示設定溫度、當前溫度、時間及加熱部分現(xiàn)在處于加熱還是停止加熱的狀態(tài)。

（5）控制加熱部分：由于本系統(tǒng)要控制電熱爐加熱，功率較大，因此需要借助功率電路。設計中我們使用光耦+可控硅，簡化電路的制作。其控制部分電路圖如圖2所示。

4.系統(tǒng)程序設計

（1）主程序流程

圖3 主程序流程圖

（2）PID算法

PID算法原理框圖如圖4所示：

圖4 PID算法原理框圖

PID算法的一般表達式為：

溫度PID調(diào)節(jié)器有三個可設定參數(shù)，即比例放大系數(shù)Kp、積分時間常數(shù)Ki、微分時間常數(shù)Kd。比例調(diào)節(jié)的作用是使調(diào)節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用可消除被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效的減小動態(tài)偏差。

P1D算法的離散化表達式為：

其中，上式中k表示第k次采樣，r（k）為設定溫度，c（k）為實際水溫，M（k）為電爐功率控制量，誤差為e（k）=r（k）-c（k）。

PID算法的輸出形式為一PWM波，通過PID算法調(diào)節(jié)PWM波形的占空比，使電爐在一周期內(nèi)開通的時間可調(diào)，這樣就可以調(diào)節(jié)電熱爐的功率進而控制溫度的變化，使水溫穩(wěn)定在設定值，從而使精度提高。

（3）PID參數(shù)的整定

對一個控制系統(tǒng)而言，控制質(zhì)量的好壞取決于參數(shù)整定是否合理。PID參數(shù)整定主要有兩類，理論整定法和工程整定法。理論整定法主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。工程整定法主要依靠控制經(jīng)驗，直接在系統(tǒng)運行時進行調(diào)整。因此本實驗采用經(jīng)驗法即試湊法來確定PID的參數(shù)。

試湊時，對參數(shù)整定實行先比例、后積分，再微分的整定步驟。

首先確定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直至得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對響應曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。

如果在比例調(diào)節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時先將積分時間設定到一個比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略微縮小，然后減小積分時間，使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應曲線的好壞反復改變比例系數(shù)和積分時間，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。

如果在上述調(diào)整過程中對系統(tǒng)的動態(tài)過程反復調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時間設置為0，在上述基礎上逐漸增加微分時間，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，直到得到滿意的調(diào)節(jié)效果。

（4）PID算法程序

本系統(tǒng)PID控制的思路：

在第一次PID調(diào)節(jié)時記下PID調(diào)節(jié)器的輸出值uk0（該值為以后PID調(diào)節(jié)器輸出的最大值），并以該值為參考，以后的輸出uk與uk0做比值，假設uk0表示加熱a，那么輸出uk與uk0比值表示加熱a*uk/uk0時間，以此類推，最后算出每次計算應該加熱的時間作用于可控硅，控制電爐加熱。由于溫度變化緩慢，則設置為5s計算PID一次。

另外本系統(tǒng)的PID采用了開關(guān)量計算——積分分離相結(jié)合的改進PID算法，具體思路是：

1）當溫差>=15度時，不用PID直接進行加熱。

2）當溫差在0-15度之間時，采用PID計算。

①當溫差>5度時，采用PD控制加快響應速度并減少超調(diào)；

②當溫差<5度時，采用PID控制保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

PID程序如下：

void PID（void）

{ float ek，ek1，ek2，ek_sum；

uint a； ek=K-temp； //計算誤差

while（1）

{ if（ON_OFF==1） //溫控開關(guān)開

{ if（ek>=15）

{outflag=1；OUT=0；Time_on=100； break；} //溫差大于15度，不用PID調(diào)節(jié)

else if（ek<0）

{ek=0；outflag=0； OUT=1；Time_on=0；break；} //溫差小于等于0不調(diào)節(jié)

else

{ if（ek>5）

a=0；

if（ek<5）

a=1；

ek2=ek1；

ek1=ek；

ek_sum+=ek；

uk=kp*ek+ki*ek_sum+kd*（ek1-ek2）； //計算PID輸出uk if（start_flag==0）//PID運算標志位

{

uk0=uk； //uk初值，用于參考以后uk加熱時間

start_flag=1；

div=100/uk0；

} //開始PID計算

else if（start_flag==1）

{ //加熱片加熱時間

Time_on=uk*div；

OUT=0；

outflag=1；

}

break；}

} else{outflag=0；OUT=1；break；} //不加熱

}

}

5.實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

經(jīng)過多次測量，確定了測溫過程中的幾個指標：

從起始溫度到設定溫度經(jīng)歷的時間：t（min）；

使其達到設定溫度的調(diào)整時間：t*（min）；

達到設定溫度的超調(diào)量：Δ%。

其測量結(jié)果如表1所示。

通過上表的數(shù)據(jù)分析，各項指標均滿足要求。

6.結(jié)束語

本系統(tǒng)設計采用單片機AT89S52為控制中心，利用DS18B20采集溫度，采用PID算法對水溫進行控制系統(tǒng)，具有成本低、控制可靠等優(yōu)點。經(jīng)過多次測試，驗證了該水溫控制系統(tǒng)達到了較高的精確度，滿足要求。

參考文獻

[1]黃勤.單片機原理及應用[M].清華大學出版社.

[2]劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真（第3版）[M].電子工業(yè)出版社.

[3]明鑫，陳可中，王戎丞，等.基于單片機的水溫控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（6）：1-2.

[4]胡焱，周超，沈家慶，等.基于單片機的水溫控制系統(tǒng)設計[J].通信技術(shù)，2007（8）：31-33.

作者簡介：

焦晶晶，現(xiàn)就讀于鄭州大學信息工程學院電子信息工程學院。

王飛虎，現(xiàn)就讀于鄭州大學信息工程學院電子信息工程學院。