朱必武，朱文武

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于PID算法和89C52單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)

朱必武，朱文武

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于數(shù)字PID控制算法和89C52單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過溫度傳感器DS1820對溫度進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，然后執(zhí)行數(shù)字PID控制，輸出控制量來調(diào)節(jié)可控硅觸發(fā)端的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的控制。

89C52；PID；算法；單片機(jī)

CLC NO.: TH7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-86-02

引言

溫控技術(shù)無論是在工業(yè)生產(chǎn)，還是日常生活中都起著非常重要的作用。在冶金、石油、化工、電力和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等行業(yè)，溫度是極為重要而又普遍的熱工參數(shù)之一，在普通家庭里熱水器、電飯煲、電烤箱等依賴于溫控技術(shù)的家電設(shè)備也是必不可少?？梢哉f溫度控制技術(shù)無處不在。

單片機(jī)作為控制系統(tǒng)中必不可少的部分，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制，保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的控制精度，有利于提高系統(tǒng)的工作效率。本系統(tǒng)采用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)PID算法進(jìn)行溫度控制。

1、PID控制的原理和特點(diǎn)

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。PID控制器參數(shù)整定的方法概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。

PID一般算式及模擬控制規(guī)律如式(1)所示：

式中：u(t)為控制器的輸出；e(t)為偏差，即設(shè)定值與反饋值之差；KC為控制器的放大系數(shù)，即比例增益；TI為控制器的積分常數(shù)；TD為控制器的微分時間常數(shù)。PID算法的原理即調(diào)節(jié)KC，TI，TD三個參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量。因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對式(1)進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示：

將式(2)和式(3)代入式(1)，則可得到離散的PID表達(dá)式：

式中：△t=T為采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度(采樣定理)；E(K)為第K次采樣時的偏差值；E(K-1)為第K-1次采樣時的偏差值；P(K)為第K次采樣是調(diào)節(jié)器的輸出。

2、系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)由傳感器單片機(jī)控制、A／D采樣輸入、控制信號輸出、人機(jī)交互四部分組成，其中溫度傳感部分由測試采樣電路實(shí)現(xiàn)，人機(jī)交互由矩陣鍵盤和LCD液晶屏構(gòu)成，PID控制算法由89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，控制信號輸出部分則由功率放大和開關(guān)控制電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3、主程序流程

操作流程是本控制系統(tǒng)的核心，它包括從溫度信息的采樣到電壓信號輸出的整個流程控制。

開機(jī)→系統(tǒng)初始化，顯示清零，各計(jì)數(shù)指針清零，設(shè)定定時器中斷

→判斷是否有中斷→調(diào)用相應(yīng)的中斷程序→實(shí)現(xiàn)PID算法，接受

及發(fā)射顯示數(shù)據(jù)，各類數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序。

初始化程序：

4、實(shí)驗(yàn)測試

系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定度需要通過具體實(shí)驗(yàn)測試完成?，F(xiàn)用1 kW的電爐將電熱杯中的1 L清水進(jìn)行加熱。當(dāng)水溫達(dá)到正常值時計(jì)算絕對誤差和相對誤差，見表1。

設(shè)定溫度為50℃，每隔30 s記錄實(shí)測溫度，如表2所示。

從表2中的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)運(yùn)行5 min時基本達(dá)到穩(wěn)定。

5、結(jié)語

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的誤差基本穩(wěn)定在±0．3℃，可見系統(tǒng)的精度很好。此外，系統(tǒng)運(yùn)行5 min時溫度基本達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定所需時間較短?？梢钥闯?，基于PID算法的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)具有較高的精確度和穩(wěn)定性，在溫度調(diào)節(jié)階段平衡溫度時間較短。因此本系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種對精度要求較高的溫度控制場合。

[1] 劉天. 基于單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報. 2009(03).

[2] 王曉雷,吳必瑞,王東云,蔣群. 基于MSP430單片機(jī)的恒溫烘箱溫度控制系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息. 2008(35).

[3] 李善壽,方潛生,肖本賢,汪小龍. 基于單片機(jī)的恒溫控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展. 2008(12).

PID algorithm and 89C52 microcontroller based temperature control system

Zhu Biwu, Zhu Wenwu
( Automobile Chang'an University, Shaanxi Xian 710064 )

Based on digital PID control algorithm and 89C52 micro-controller temperature control system, which sampling and converse by the temperature sensor DS1820 temperature, and then perform the digital PID control, output volume control to adjust the SCR trigger off side, in order to achieve the temperature control.

89C52; PID; algorithm; micro-controller

TH7

A

1671-7988(2015)06-86-02

朱必武，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。