基于PID算法的水温控制系统设计报告

基于PID的水温控制系统设计摘褥子使用Proteus模拟软件，使用AT89C51微控制器作为主控制设备，使用PID控制算法模拟了温度控制系统。利用温度传感器DS18B20实现实时温度获取，不需要复杂的信号调理电路和A/D转换电路，直接与单片机收集和处理数据，使用PID算法控制加热炉模拟模型温度，实现整体温度控制模拟系统。系统设计包括硬件设计和软件设计两个部分，硬件设计包括显示模块、键模块、热量收集模块和热量加热模块。分层模块化设计的一部分，例如键盘扫描、按键处理程序、液晶屏程序、继电器控制程序和温度信号处理程序。此外，采用AT89C51微控制器作为控制核心，提高了水温控制精度，采用PID控制算法实现了自动控制系统，控制参数精度高，反应快，稳定性好。关键字：pro teus模拟，PID，AT89C51，DS18B20温度控制列表1系统范围的设计演示11.1设计要求11.2整体设计22系统的硬件设计32.1系统硬件配置概述32.2个单位完整说明42.3键单元52.4液晶屏显示设备62.5温度测试单元72.6温度控制单元83温度控制算法研究(PID)113.1 PID控制器设计113.2 PID算法过程实现方法和具体程序124系统软件设计164.1系统软件设计概述164.2系统软件程序流程和程序流程图174.3温度数据显示模块分析184.4测试分析205模拟结果221系统范围的设计演示1.1设计要求基于数字PID和单片机的温度控制系统设计。要求如下：1，过切容量10%2、可调温度、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11.2整体设计在模拟设计中，首先按键设置温度，然后通过温度传感器DS18B20收集环境中的温度，获取单片机获得的温度值，处理后获得当前环境温度中相对稳定的温度值，并将其显示为液晶屏液晶。如果基于当前设置的温度值，温度没有达到预期的最低温度，微控制器将通过P2.6端口连接的RELAY输出高级控制信号驱动RL1，使热棒工作，向系统提供热量，从而提高温度。温度上升到预期的上限后，单片机通过P2.6端口连接的RELAY输出低级控制信号驱动RL1，使加热条停止加热，温度缓慢下降3。工作结构图如图1.1所示。使用温度传感器DS18B20收集实时温度，使用PID算法将加热炉模拟模型用于温度控制。DS18B20是DALLAS生产的代表性数字温度传感器，具有低功耗、高性能、抗干扰、小型化、强大的处理器等优点，特别适合于多点温度测量和控制系统，可以将温度直接转换为数字信号，将其视为单片机，并将多个传感器芯片安装在同一总线上，进行范围温度检测。内部集成A/D转换器可以使电路结构更加简单，降低温度测量转换时的准确度损失。数字温度检测DS18B20通过一个针与单芯片微型计算机连接，大大减少了设计中的电缆问题，从而通过单芯片微型计算机节省了大量端口。DS18B20芯片体积小，连接了单线和主控芯片，在实际使用中，将数字温度传感器DS18B20制作成小型温度测量探头，在较小的位置也可以容易检测到，从而最大限度地提高温度控制系统的效果4。在此模拟设计中，DS18B20和51单片机P3.4端口链接。DS18B20可以模拟环境温度设置以满足设计要求。使用Proteus模拟软件将AT89C51微控制器设计为主设备。将晶体和复位电路连接到51单片机，确保单片机正常工作。P0端口连接到液晶液晶液晶液晶显示器以显示测量结果。P1.0、P1.4、P3.3和P3.4分别连接到四个控制键。凭借AT89C51丰富的端口，整个系统设计方便清晰，AT89C51是高性能低功耗CMOS 8位微控制器，AT89C51可将振荡频率设计和配置为0Hz，在实际应用中具有高性价比，非常适合于温度控制系统。在此设计中，选择AT89C51作为主控制单元也考虑了实际要求和此设计的重要性5。2系统硬件设计2.1系统硬件配置概述本章主要介绍此设计的硬件设计部分，包括显示模块、键扫描模块、热量收集模块、热量加热模块等。2.2每个单位的总体说明1，显示模块：此设计使用液晶屏液晶显示温度值。其中最后一位是小数。2、键模块：本设计为5键设置，第一键为复位键，第二、3、4、5键为温度失速键，连接拉动电阻保持在没有键的高水平。3，温度获取模块：使用温度传感器DS18B20获取实时温度，使用PID算法通过加热炉模拟模型控制温度，数字温度传感器DS18B20设计为仅通过一个针脚与单片机通信，并连接DS18B20和51单片机的P3.4端口完成温度测量6。4，温度加热模块：此设计使用加热条控制温度值，相当于模拟时的温度传感器DS18B20，因此统计更容易。热棒连接到光电耦合器，光电耦合器通过RELAY连接到51单片机P2.6端口。通过51单片机发送控制加热条运行的信号。2.3键击设备典型的键盘设计采用硬件设计，但在模拟设计中连接可能会使线路更加复杂。此设置使用5键软件控件。第一个键是重置按钮，另外两个是齿轮调整按钮。K1简单，50度，K2 60度，K3 70度，K4 80度，线条设计清晰。连接向上拉电阻，以便未按键时每个键位位于较高的级别。密钥操作说明：键1为重置设置键，第一次按键1为低级，液晶屏显示非热时的温度。此时，温度设置可以通过齿轮键设置，并启动其他功能模块。电路如图3.1所示。图3.1键电路3.6温度测试装置温度测试使用温度芯片DS18B20和51单片机P3.4端口连接进行设计。这个集成芯片可以很好地减少外部干扰。采用内部集成A/D转换器，电路结构更加简单，温度测量转换时精度损失减少，测量的温度值更准确、更具设计性。数字温度传感器DS18B20能够通过一根针与单片机通信，大大减少了电缆问题，进一步扩展了单片机。DS18B20芯片的小型化，可以通过单个数据电缆连接到主电路，在实际应用中，数字温度传感器DS18B20成为温度测量探头，便于到狭窄的地方探索，增加了实用性9。DS18B20启动时，首先要做的是重置操作。也就是说，51单片机在开始工作之前总是向DS18B20发送低于480us的低级信号，进行复位。DS18B20接收到此信号后，在15-60 us内再次发送芯片的存在脉冲。为了接收现有脉冲，数据被控制器拉得很高，存在脉冲是60到240us的低级信号。然后，51单片机与DS18B20进行通信。51单片机传输控制有5个命令，每个工作周期只能发送一个命令。五个指令分别是读取数据、指定匹配的芯片、跳转ROM、芯片搜索、报警芯片搜索等。然后，51单片机发送内存操作指令(向DS18B20发送命令后，立即发送内存操作指令)。内存命令是控制DS18B20工作方式的功能。DS18B20和51单片机布线如图3.4所示。DS18B20仅连接到单芯片微计算机的一个端口，但是如果总线需要额外的聚合电阻以泄漏，则为4.7K。3.7温度控制装置装置本设计使用加热条通过PID算法控制温度，从而在与温度传感器DS18B20相对应的模拟中便于统计。热棒连接到光电耦合器，光电耦合器通过RELAY连接到51单片机P2.6端口。如果通过51单芯片RELAY端口向光电耦合器发送较高水平，则不通过电流，光电耦合器不通过电流，继电器的线圈不通过电流，RL1通电，热棒开始工作加热，您就知道热棒上升的温度。如果测量的温度值超过先前设定的预期温度值上限，51单片机通过RELAY端口向光电耦合器发送较低级别，光电耦合器将传导、电流通过电流，使电流通过继电器，使电流通过继电器线圈，使电流通过RL1继电器线圈，使热棒断开，温度逐渐下降。温度控制系统连接方法如图3.5所示。图3.5温度控制系统电路4恒温控制算法研究(PID)4.1 PID控制器设计PID控制是当前温度控制应用最广泛的控制算法，用于根据设置值和测量值之间的偏差率、偏差的积累和偏差的变化趋势控制输出量。也就是说，根据偏差差异计算控制量。实现数字PID控制律，需要数值近似法，在采样周期相当短的情况下，可以用差分商代替微分，用求和代替积分，以下近似变换10。(4.1)在样式中，k是采样的序列号，k=l，2，t是采样的周期。在离散化过程中，采样时间t必须足够短，难以保证准确性。运算中表示背部的东西省了t。可以计算离散PID表达式。(4.2)在样式中，k是采样的序列号，k=1、2、k次采样，计算机输出值。k从第一次采样输入的偏差。从第一次采样输入的偏差。积分系数。积分系数.实际应用程序通常使用增量PID控制算法。换句话说，数字控制器输出只是控制量的增量。该算法编程简单，数据可递归使用，占用存储空间小，运算速度快。根据递归原理，可以得到：4恒温控制算法研究(PID)4.1 PID控制器设计PID控制是当前温度控制应用最广泛的控制算法，用于根据设置值和测量值之间的偏差率、偏差的积累和偏差的变化趋势控制输出量。也就是说，根据偏差差异计算控制量。实现数字PID控制律，需要数值近似法，在采样周期相当短的情况下，可以用差分商代替微分，用求和代替积分，以下近似变换10。(4.1)在样式中，k是采样的序列号，k=l，2，t是采样的周期。在离散化过程中，采样时间t必须足够短，难以保证准确性。运算中表示背部的东西省了t。可以计算离散PID表达式。(4.2)在样式中，k是采样的序列号，k=1、2、k次采样，计算机输出值。k从第一次采样输入的偏差。从第一次采样输入的偏差。积分系数。积分系数.实际应用程序通常使用增量PID控制算法。换句话说，数字控制器输出只是控制量的增量。该算法编程简单，数据可递归使用，占用存储空间小，运算速度快。根据递归原理，可以得到：(4.3)公式(4.2)从公式(4.3)中减去。也就是说，获得增量PID控制算法(4.4)。(4.4)本设计利用增加的数字PID控制算法的功能，更灵活地调整控制信号的传导时间，从而控制温度值控制操作。基本上可以满足温度控制要求。4.2 PID算法过程实现方法和具体程序该系统设计的温度控制系统是连接到光电耦合器的加热炉。传统方法在测量的环境温度达到设定值时，加热炉不处于加热状态，但此时加热炉的温度仍保持在高或设定的温度值，加热炉仍起到加热的作用，在系统温度开始下降之前，经常会持续升高。温度控制系统下降到当前设定的温度下限后，启动加热炉来加热系统，这个过程需要一定的时间，因此一定的温度下降，温度开始上升。因此，传统方法往往有温度惯性产生的一定误差11。PID算法是PID模糊控制技术的核心部分，通过比例、积分、微分三面的结合和调整，构成了解决温度惯性引起的误差的反馈控制。PID控制器处理后，将调节温度反馈为可以输出电压的控制信号。数字PID控制图如图4.1所示。图4.1数字PID控制实验中最重要的是决定整体温度控制准确性的PID参数的选择。我们可以根据具体情况要求调整合适的参数。p是比例系数，在一定范围内增加p会使系统的反射敏感，正常状态下的误差值较小，p值太大会使系统不稳定。p值太小会降低系统反射速度。选择错误的p值会增加测量值和设置值的偏差，因此出现此类问题时，可以反转p值的符号12。I是积分系数，I的值越小，积分作用越强，积分效果越强，系统稳定性越差，但t的值越小，正常状态下的误差越小。d是差动控制，差动控制改善动态特性，d大则超调大，调整时间短。d片时，超尺度同样大，但调整时间更长。只有在d适当的情况下，才能缩小超尺度，调整时间也可以更短。调试时，参数只能参考系统控制过程的变化趋势，调整参数的第一比例、积分和