PID自动温度控制器

1、、设计内容1.1温度控制1.2设计方案二、软件设计2.1主程序流程图2.2 DS18B20实现温度转换和温度数值读取流程图2.3显示流程图三、PID控制3.1 PID简介3.2PID控制算法四、电路设计4.1功能模块设计4.2电路连接设计4.2.1温度检测电路 4.2.2继电器控温电路 4.2.3外部电路参考文献10附录PID温度控制器程序、设计内容1.1温度控制本设计以水为测量对象，温度测量电路接收传感器的信号，并将模拟信号通过模/数转换器转换为数字信号，送入单片机系统，与预设的温度对比，通过一定 的控制算法，控制继电器的通断，从而控制加热器的工作，使得水温维持在设定 的温度。温度控制算法精

2、确控制温度加热，以温度最小为优化目标。温度是工业控制对象的主要的被控参数之一，如冶金，机械，食品，化工各 类工业中广泛使用的各种加热炉，热处理炉，反应炉等。在过去多是采用常规的 模拟调节器对温度进行控制，本设计采用了单片微型机对温度实现自动控制。1.2设计方案温度控制系统是一种比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程 中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温 段惯性较小。对于这种温控对象

3、，一般认为它具有以下的传递函数形式:这是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上 下限比较电路，所以控制精度有所提高。这种方法还是模拟控制方式，因此也不 能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码管显示，对键盘进 行设定。采用89C51单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件 编程来实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可以使用数码管来显示水温的 实际值，能用键盘输入设定值。选用了 AT89C51芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所 达不到的效果，并且实现显示和键

4、盘设定功能，大大提高了系统的智能化。这也 使得系统所测得结果的精度大大提高。AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。而在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公 司的AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和 8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器, 用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求非常 低，开发时间也能大大缩短。DS18B20是一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰 能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多

5、点温度测控系统，可直接将温 度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。它具有独特的单总线接口方式，仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。采用数字信号输出提高了信号抗干扰能力和温度测量 精度。它的工作电压使用范围宽 3.05.5 V,可以采用外部供电方式，也可以采用 寄生电源方式，即当总线DQ为高电平时，窃取信号能量给DS18B20供电。它还 有负压特性，电源极性接反时，DS18B20不会因接错线而烧毁，但不能正常工作。可以通过编程而实现912位的温度转换精度设置。设定的分辨率越高，所需要 的温度数据转换时间就越长，在实际应用中要将分辨率和

6、转换时间权衡考虑。RS-232接口是个人计算机上的通讯接口之一，是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用 于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE） 之间串行二进制数据交换接口技术标准”。该标准规定采用一个25个脚的DB25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规 定。随着设备的不断改进，出现了代替 DB25的DB9接口。、软件设计2.1主程序流程图系统的主程序流程图如图 2-1所示，当有信号输入时，主程序启动，根据内 部设定的条件逐步运行，达到设计目的。图2-1主程序

7、流程图2.2 DS18B20实现温度转换和温度数值读取流程图图2-2为DS18B20实现温度转换和温度数值读取流程图，用于系统的温度转 换和温度数值的读取。图2-2 DS18B20实现温度转换和温度数值读取流程图2.3显示流程图图2-3为系统的显示流程图。主要是通过对传输信号进行显示后，给操作者 提供提示。以到达为本系统提供对温度的显示和监控的目的。图2-3显示流程图、PID控制3.1 PID简介PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值厂r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)：(3. 1)e(t) r(t) y(t)和微分(Derivative)通过线将偏差 e(t)的比例(Pro

8、portional)、积分(Integral)性组合构成控制量，对被控对象进行控制，因此称为PID控制。PID控制系统原理如图3-1所示。图3-1 PID控制系统原理图r(t) +t0e(t)dt(3.2)其控制规律为:1u(t) Kp e(t)-T1或者写成传递函数的形式为:1g(S) kp(1 tsTdS)(3.3)式中Kp :比例系数Ti :积分时间常数Td :微分时间常数PID控制器各校正环节的作用如下:比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差;积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，t越

9、大，积分作用越弱，反之则越强;微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得 太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速 度，减少调节时间。3.2 PID控制算法由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控 制量。因此，(3.2)式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。现令T为采样周期，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以累加求和近似代替积分,以一阶后向差分近似代替微分，做如下的近似变换:t kT(3. 4)t0e(t)kT e(jT)j 0kT e(j)j 0(3. 5)de(t) e(kT) e kdt

10、T1 T e(k) e(k 1)(3. 6)其中，T为采样周期，e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值，e(k1)为系统第(k 1)次采样时刻的偏差值，k为采样序号，k=0，1, 2,将上面的(3. 5)式和(3. 6)式代入(3. 2)式，则可以得到离散的PID表达式:u(k) Kp e(k)T kT-e(j) -D e(k) e(k 1)I1 j 0I(3. 7)如果采样周期T足够小，该算式可以很好的逼近模拟PID算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。通常把(3.7)式称为PID的位置式控制算法。若在(3. 7)式中，令:K1KPTT1(称为积分系数)KdKpTd(称为微分系数)ke(

11、k) e(k 1)(3.8)则 u(k)Kpe(k)K1 e(j) Kdj 0(3.8)式即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。可以看出，每次输出与过去的所有状态都有关，要想计算u(k)，不仅涉及e(k)和e(k 1)，且须将历次e(j)相加，计算复杂，浪费内存。下面，推导计算较为简单的递推算式。为此, 对(3. 8)式作如下的变动:考虑到第(k 1)次采样时有u(k 1) Kp e(k 1) TT1k 1e(j)j 0Te(k1) e(k 2)(3. 9)使(3. 8)式两边对应减去(3. 9)式，得u(k) u(k 1) Kp e(k)e(k1) Te(k)I1Td e(k) 2e

12、(k 1) e(k2)整理后得u(k) u(k1) Kp e(k) e(ku(k 1)u(k 1)Kp(1 T 辛)e(k)I1 Ia0e(k) a1e(k 1)1) Te(k)T1Kp(1 牛)e(k 1) Kp TDe(k 2)2)a2e(ke(k) 2e(k 1) e(k2)(3. 10)其中，a0 Kpd T ID)， a1T, TKp(1半)，a2KpTD，(3. 10)式就是 PID位置式得递推形式。如果令 u(k) u(k) u(k1)则u(k) a0e(k) a1e(k 1) a2e(k 2)式中的a。、a1、a2同(3. 10)式中的一样。因为在计算机控制中,ao、a1、a2

13、都可以事先求出，所以，实际控制时只须 获得e(k)、e(k 1)、e(k 2)三个有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控 制输出对应执行机构的位置的增量，故(3.11)式通常被称为PID控制的增量式 算式。增量式PID控制算法与位置式控制算法比较，有如下的一些优点:(1) 位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去偏差的累加值e(j)，容易产生较大的累计误差。而增量式中只须计算增量，算式中不需 要累加，控制增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，当存在计算误差或者精度不足时，对控制量的影响较小，且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果;(2) 由于计算机只输出控制增量，所以误动作影

14、响小，而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉，对系统安全运行有利;(3) 手动一自动切换时冲击比较小。鉴于以上优点，本系统的控制算法即采用增量式的PID控制算法。四、电路设计4.1功能模块设计数字温度传感器 DS18B20从设备不同的位置采集温度，并将数字信号送入AT89C51单片机系统，单片机获取采集的温度值，经过处理后得到当前环境中一 个比较稳定的温度值，根据当前设定的温度上下限值，再通过PID控制算法控制继电器的通断，从而控制加热器的工作，使得水温维持在设定的温度。当采集的 温度经处理后没有达到设定的温度值时，单片机控制继电器开启升温设备(加热器)。fl.T展；.w十I.-=,I'+

15、 - .图4-1单片机电路图4.2电路连接设计4.2.1温度检测电路温度检测用DS18B20温度传感器，DS18B20是单线数字式测温芯片，它能在现 场采集温度数据，并将温度数据直接转换成数字量，并将数字信号送入AT89C51单片机系统。图4-2为温度检测电路图。图4-2温度检测电路图4.2.2继电器控温电路当DS18B20采集到温度后，会将温度值传送到单片机。单片机获取采集的温 度值，经过处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，根据当前设定的温度 上下限值，再通过PID控制算法控制继电器的通断，从而控制加热器的工作，使 得水温维持在设定的温度。Vf于5-一一 二一O:EDI cc?C耶:s

16、se.pr?c三壬VK-rf,帝:u :±1：业s用：:填PCPCIjIXTlm1 m氐:£rcT：lU存Em订I?hr2ICEE itJCCGrm图4-3继电器控温电路图VccIf血忙応423外部电路启动、复位电路用于系统的开始和重置。J975玄EL5Ta氏?：:： P： 1 ":U.SF： 1=-JrsTi CXT3【曙114ILTT尸*tDA二s话TpjI H - J . h-41 F SKX 二 st ' - J 6- - D gC：当昨IdTTtLT-r-T可g讥星?B0zc图4-4外部电路图参考文献1234578余锡存主编单片机原理与接口技术西

17、安电子科技大学出版社，2001 ,刘金琨.先进 PID控制及其MATLAB仿真M.北京：电子工业出版社， 曹巧媛主编.单片机原理及应用 康华光主编.电子技术基础M 何立民单片机高级教程应用 金发庆等编传感器技术与应用秦实宏等.单片机原理与应用技术 陈忠华.基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现2006.7.2003.2002 .（第二版）M.北京：电子工业出版社，.北京：高等教育出版社，1998 , 121-142 .M.北京：北京航空航天大学出版社，2000, 3-14 .M.北京机械工业出版社，2002.M.北京：中国水利水电出版社， 2005, 27-48 .D.大连理工大学硕士学位论

18、文,附录PID温度控制器程序#p ragma db code #i ncludevAT89C51.H> #in clude "INTRINS.H"un sig ned int tt1,tt2;II定义小数计算部分#defi ne BUSY1 (DQ1=0)/定义busy信号/定义18B20单总线引脚void ds_reset_1(void);II声明18B20复位函数void wr_ds18_1(char dat);II声明18B20写入函数void time_delay (un sig ned char time);II声明延时函数int get_temp_1(vo

19、id);II声明18B20读入温度函数void delay (un sig ned int x);II声明延时函数void read_ROM(void);II声明18B20读ROM函数int get_temp_d(void);II声明获取温度函数sbit DQ1= P3A5；II声明18B20初始化函数void ds_getT(void);II声明18B20获得温度显示值函数void ds_i nit(void);*void hot();I*以下定义各种变量un sig ned char ResultSig nal;int ResultTe mp eratureLH,ResultTe mp e

20、ratureLL,ResultTe mp eratureH;un sig ned char ROM8;un sig ned char idata TMP;un sig ned char idata TMP_d;un sig ned char f;un sig ned char rd_ds18_1();un sig ned int TemH,TemL;/温度的整数部分和小数部分un sig ned int count;ds_reset_1();void main()ds_i nit();/18B20初始化while(1)ds_getT();/使用该函数获得温度，整数部分存储到TemH,小数部分存

21、储到count的低8位if(TMP _d<tt1)hot();/*18B20初始化函*/void ds_i nit(void)un sig ned int k=0;ds_reset_1();/reset/ski p romds_reset_1();wr_ds18_1(0xcc);_nop_();wr_ds18_1(0x7f);ds_reset_1();wr_ds18_1(0xcc);_nop_();wr_ds18_1(0x44);for(k=0;k<11000;k+)time_delay(255);void ds_getT(void)wr_ds18_1(0xcc);wr_ds18_

22、1(0xbe);TemH=get_temp_1();TemL=get_temp_d();Tem H&=0x00ff;TemL&=0x00ff;cou nt=(TemH*256+TemL)*6.25;/*延时程序 单位 us大于 10us*/ void time_delay (un sig ned char time)time=time-10;time=time/6;while(time!=0)time-;/*/*reset ds18b20*/*/ void ds_reset_1(void)un sig ned char idata coun t=0;DQ1=0;time_del

23、ay(240);time_delay(240);DQ1=1;return;void check_ pre_1(void)while(DQI);while(DQ1);time_delay(30);void read_ROM(void)int n;ds_reset_1();checkpre_1();wr_ds18_1(0x33);for(n=0; * 8; n+)ROM n=rd_ds18_1();/*/*Read a bit from 1820位读取*/*/bit tmrbit_1(void)idata char i=0;bit dat;DQ1=0;_nop_();DQ1=1;_nop_();_

24、nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();dat = DQ1;time_delay(50);return dat;/*/*read a bety from ds18b20 字节读取 */*/ un sig ned char rd_ds18_1()un sig ned char idata i,j,dat=0;for(i=1;i<=8;i+)j=tmrbit_1();dat=(j<<(i-1)|dat;return dat;/*/_

25、nop_();/*write a bety from ds18b20 写字节*/*/ void wr_ds18_1(char dat)signed char idata i=0;un sig ned char idata j;bit testb;for(j=1;jv=8;j+)testb=dat & 0x01;dat = dat>>1;if(testb)DQ1=0;_nop_();_nop_();DQ1=1;time_delay(60);elseDQ1=0;time_delay(50);DQ1=1;_nop_();int get_temp_1(void)un sig ned

26、 char idata a=O,b=O;un sig ned char idata i;EA=O;ds_reset_1();checkpre_1();wr_ds18_1(0xcc);wr_ds18_1(0x44);while(BUSYI);ds_reset_1();checkpre_1();wr_ds18_1(0xcc);wr_ds18_1(0xbe);a=rd_ds18_1();b=rd_ds18_1();i=b;/*若b为1则为负温*/i=(i>>4);if(i=0)f=0;TMP=(a>>4)|(b<<4);a=(a&0 x0f);if (a&

27、gt;8)TMP=(T MP+1);checkpre_1();elsef=1;a=a>>4;b=b<<4;TMP=(a|b);TMP=TMP;TMP=(TMP+1);EA=1;return(TM P);int get_temp_d(void)un sig ned char idata a=O,b=O;un sig ned char idata i,m;EA=0;/复位ds_reset_1();wr_ds18_1(0xcc);wr_ds18_1(0x44);while(BUSYI);ds_reset_1();checkpre_1();wr_ds18_1(0xcc);wr_

28、ds18_1(0xbe);a=rd_ds18_1();b=rd_ds18_1();i=b;/*若b为1则为负温 */i=(i>>4);if(i=0)f=0;TMP=(a>>4)|(b<<4);a=(a&0 x0f);TMP_d=a;elsef=1;a=a;a=(a+1);b=b;b=(b+1);m=a;a=a>>4;b=b<<4;TMP=(a|b);m=( m&O x0f);TMP _d=m;EA=1;return(T MP _d);void delay (un sig ned int x)un sig ned int i;for(i=0;i<x;i+);void hot() 2. PID控制#defi ne FiltA0.1；/PID输出的滤波系数(0.0-1.0)#defi ne FiltB0.9/ PID输出的滤波系数(1-FilterA)#defi ne Kp1.75/PID控制器的比例系数#defi ne Ki0.00125/PID控制器的积分系数#