基于单片机的水温控制系统论文

PAGEword文档可编辑复制word文档可编辑复制本科毕业设计（论文）题目：基于PID算法的水温控制器设计

学生姓名：学号：专业班级：电气工程及其自动化08-6班指导教师：2012年06摘要PID控制是工业控制领域的一个重要方法,将PID算法应用到以51单片机为核心的控制系统中,能产生良好的控制效果。基于PID算法的水温控制器系统采用目前性价比及较高的数字温度传感器DS18B20作为检测变送器，通过键盘向单片机输入预设温度值，单片机将温度偏差进行PID运算后输出PWM波。而PWM波通过控制固态继电器SSR的通断时间来调节电热杯的加热速度，最终实现对温度的精准控制。整个系统的硬件电路简单，稳定性好。经过实际测验，本系统超调小，无振荡，基本可以实现自控系统的稳、准、快的三大目标。关键词：PID；51单片机；温度传感器；PWMword文档可编辑复制AbstractPIDcontrolinthefieldofindustrialcontrolisanimportantmethod,PIDalgorithmisusedto51SCMforasthecoreofthecontrolsystem,canproduceexcellentcontroleffect.ThewatertemperaturecontrollerbasedonPIDalgorithmwithhighcostperformanceandcurrentsystemofdigitaltemperaturesensorDS18B20asthetesttransmitter,throughthekeyboardinputtothesinglechipmicrocomputerpresettemperature,singlechipmicrocomputertemperaturedeviationsPIDoperationwillbeafterPWMwaveoutput.AndbycontrollingthePWMwavesofthesolidstaterelayhightimetoadjusttheheatingspeedelectricmug,andfinallyachievetheaccuratecontrolofthetemperature.Thewholesystemhardwarecircuitissimple,thestabilityisgood.Aftertheactualtest,thissystemovershootsmall,noshock,basiccanrealizetheautomaticcontrolsystemstability,accurate,fastthreegoals.Keywords：PID;51Single-chipmicrocomputertemperaturesensor;PWMsquarewave目录第1章前言 1第2章系统方案 22.1设计思想 22.2方案论证 22.3论证分析 2第3章PID原理解说 43.1PID概念及其构成 43.2PID算法原理 43.3PID应用到水温控制器中的编程思路 7第4章系统硬件设计 94.1控制模块单片机最小系统的设计 94.2键盘模块的设计 94.3显示模块的设计 104.4温度采集模块的设计 10第5章软件系统的设计 125.1主程序模块流程图的搭建 125.2PID模块流程图的搭建 135.3定时器模块流程图的搭建 13第6章系统调试 156.1温度时间变化曲线的绘制 156.2分析曲线并获得相应结论 16第7章结论 18致谢 19参考文献 20附录 21word文档可编辑复制第1章前言在现代化的上业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力上程、造纸行业、机械制造和食品加土等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。通常，电阻炉炉温控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理获得控制信号去调节电阻炉的加热功率，以实现对炉温的控制。PID控制是比例、积分、微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。随着科学的发展，特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多先进的控制方法，然而直到现在，PID控制仍是最广泛应用的控制方式之一。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了上控机，小型机,甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以目前，PID算法一般是在顺序程序结构的处理器上实现的，工程上实际应用的很多PID控制器都是用单片机（MCU）来实现的。本设计源自工业现场，以锅炉水温水温控制器建立模型，包括硬件和软件两部分，硬件部分包含温度设定模块、温度采集变送模块、温度偏差处理模块（即PID控制模块）、温度显示模块、电炉加热模块。软件部分主要负责温度信号采集、温度值实时显示驱动、温度偏差信号处理。系统最终实现的指标如下：（1）按键设定温度，用五位数码管显示实时温度：（2）温度控制范围为0~100度，测量误差为士0.5度：（3）恒温控制并且可以快速达到预设温度且超调较小；第2章系统方案2.1设计思想温度的期望值可用键盘设定，温度传感器检测实际温度，微处理器单片机根据实测值与期望值偏差通过PID运算，输出相应的控制参数给加热驱动模块，从而实现闭环PID控制。其中，温度信号的准确性影响着整套系统的成功。2.2方案论证温度采集有多种方案，但在水温控制的工业现场主要有两种：方案用热电偶采集温度。热电偶利用热电势原理进行温度测量的。其测量精度高、测量范围广。常用的热电偶从-50℃到+1600℃均可正常测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800度（如钨-钦方案二：采用数字式温度传感器DS18B20，DS18B20采用独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。在使用中不需要任何外围元件，测温范围-55℃到+驱动加热模块也有多种方案：方案一：单片机输出数字量，经DA转换后驱动相应的功率器件，特点是控制方便，电路设计复杂，且存在大量的干扰。方案二：选用固态继电器。单片机输出脉宽变化的PWM波，从而改变固态继电器中交流接触点的通断时间以此来改变水温。2.3论证分析经过比较，采用DS18B20测量水温，硬件电路简单，测量精度高，信号易处埋，故温度变送器选用DS18B20。驱动加热采用固态继电器，在实行控制的时候不像其它采用D/A转换后再控制调节阀的方法，而是直接外接一个固态继电器，通过内部改变定时器的中断时间来调节一个周期内电子开关的导通和断开时间。这样既节省了材料也可以很大程度上减少硬件电路的结构。系统原理2-l所示。图2-1：系统原理框图综上所述方案有如下的特点：（1）在完成所要求的任务的基础之上还有着结构简单明了的特点，很容易实现，而且在一定的程度上节约成本。（2）由于采用了离线的方法，很大程度上的减少了编程的麻烦，实现起来较容易。（3）采用了无污染能源，保护环境。同时也省去了为建造燃料供应子系统的费用，节约了成本。采用了模拟的PWM变换，和固态继电器。可以将采样频率提高到很多的水平，使控制结果更准确，实时性、控制效果更好。第3章PID原理解说3.1PID概念及其构成在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。具体由比例模块，积分模块和微分模块构成。3.2PID算法原理常规的模拟PID控制系统原理框图如图1-2所示。该系统由模拟PID控制器和被控对象组成[1]。其中r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)：（3-1）图3-1PID原理示意图其中e（t）作为PID控制的输入，u（t）作为PID控制器的愉出和被控对象的输入，所以模拟PID控制器的控制规律为（3-2）其中Kp：控制器的比例系数Ti：控制器的积分系数Td：控制器的微分系数1、比例部分在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间做出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp越大控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小：但是越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数如选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。2、积分部分积分部分的数学表达式是：(3-3)从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控作用就不断的增加：只有在偏差为0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数Ti越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡：但是增大积分常数Ti会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当Ti较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti。3、微分部分微分部分的数学表达式为：(3-4)实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。微分部分的作用由微分时间常数Td决定。Td越大时，则它抑制偏差变化的作用越强：Td越小时，则它反抗偏差变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。适当地选择微分常数Td，可以使微分作用达到最优。由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模拟PID控制规律引入到计算机中来。对公式（2-2）的PID控制规律进行适当的变换，就可以用软件实现PID控制，即数字PID控制。数字式PID控制算法可以分为位置式PID和增量式PID控制算法。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量量，进行连续控制。由于这一特点，公式（2-2）中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以T作为采样周期，作为采样序号，则离散采样时间对应着连续时间，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可作如下近似变换：(3-5)上式中，为了表示的方便，将类似于e(Kt)简化成ek。将公式（3-5）代入公式（3-2）就可以得到离散的PID表达式：（3-6）或者（3-7）公式（3-6）或公式（3-7）表示的控制算法是直接按照公式（3-1）说给出的PID控制规律定义进行运算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此称为全量式或位置式PID控制算法。位置式的特点是每次输出均与过去的状态有关，将过去的偏差进行累加，对于温度控制系统，比较适合采用位置式控制。香农采样定律：为不失真地复现信号的变化，采样频率至少应大于或等于连续信号最高频率分量的二倍。根据采样定律可以确定采样周期的上限值。实际采样周期的选择还要受到多方而因素的影响，不同的系统采样周期应根据具体情况来选择。采样周期的选择，通常按照过程特性与干扰大小适当来选取采样周期：即对于响应快波动大、易受干扰的过程，应选取较短的采样周期：反之，当系统响应慢、滞后大时，可选取较长的采样周期。采样周期的选取应与PID参数的整定进行综合考虑，采样周期应远小于过程的扰动信号的周期，在执行器的响应速度比较慢时，过小的采样周期将失去意义，因此可适当选大一点：在计算机运算速度允许的条件下，采样周期短，则控制品质好：当过程的纯滞后时间较长时，一般选取采样周期为纯滞后时间的四分之一到八分之一。由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。这就给使用者带来相当的麻烦，特别是对初学者。下面简单介绍一下调试PID参数的一般步骤：（1）确定比例增益P确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是Td=0,Ti=0，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%-70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡：再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%-70%。比例增益P调试完成。（2）确定积分时间常数Ti比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti,直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%-180%。积分时间常数Ti调试完成。（3）确定积分时间常数Td积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。（4）系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。3.3PID应用到水温控制器中的编程思路本设计要求使用PID算法来实现水的恒温控制，所以在程序中，以实测温度与设定温度的差值作为偏差即ek，通过PID运算求出uk，用uk来调节输出PWM波的占空比，从而实现对水温的精确调节控制，最终实现稳准快的控制目标。第4章系统硬件设计4.1控制模块单片机最小系统的设计因为8051单片机内部自带8k字节的ROM和256字节的RAM,因此不必构建单片机系统的扩展电路。如图单片机最小系统有复位电路和振荡器电路。值得注意的一点是单片机的31脚必须接高电平，否则系统将不能运行。因为该脚不接时为低电平，单片机将直接读取外部程序存储器而系统没有外部程序存储器，所以必须接高电平。在按键两端并联一个电解电容，滤除交流干扰，增加系统抗干扰能力。如下图4-1所示[5]：图4-1单片机最小系统4.2键盘模块的设计本次设计需要用键盘来设定阈值温度，而不是用电位器以及AD的模拟输入，所以设置了四个按键，加一按键（INC1），加十按键（INC10）,确定按键（QUEDING），返回按键（FUWEI）。通过加一和加十来设置好阈值温度，并按下确定键进入加热环节。当想从加热环节中退出时候，按下返回键，进入重新设置阈值温度模块，直到设置好在重新进入加热模式。若是想退出系统，按下复位键即可。键盘模块如图4-2所示：图4-2键盘模块4.3显示模块的设计本次设计由于用的是实验室的实验板，上面带有八位数码管，所以显示模块就选用数码管显示即可，显示应用动态显示原理，通过循环输出，由于人眼误差，从而来实现显示的温度值可以读出的目的。由于数码管的辉光效应，即使温度更新较快，也可以准确的读出温度值，不会出现乱码的情况。显示部分的电路如下图4-3所示[6]：图4-3数码管显示模块4.4温度采集模块的设计本次设计采用的是温度传感器DS18B20来采集温度，由于DS18B20直接输出的就是数字信号，所以非常方便，直接避开了应用其他采集温度方法的繁琐，并且DS18B20的误差相对来说非常小，从而可以精确的采集到温度，对于PID控制来说，帮助非常大，准确的采集温度才可以精确地进行PID运算来调节温度。温度采集模块的电路图4-4示：图4-4温度传感器部分第5章软件系统的设计软件系统是整个系统的核心,相当于人体的大脑,完成温度的采集,PID运算,以及PWM波的输出等重要环节,软件系统是否能够设计的完美,决定了整个系统能否正常工作,甚至达到自己预设的那些目标。所以，有一个细致逻辑精确的软件系统是本次设计能否成功的关键，下面便按照编程思路来逐一介绍比较重要的几个设计模块。5.1主程序模块流程图的搭建主程序就是真正工作时候执行的程序，相当于软件系统中的中枢，在本次设计中，按照我的编程思路，主程序主要完成初始化，键盘设定阈值温度，设好后进入温度采集模块，并显示实时温度，再进入PID环节进行运算，来控制PWM波的输出对温度进行调节，每执行一次都要判断是否需要返回重新设置阈值温度，若是需要，则返回到设置温度环节，否则则是重复执行上述过程[8]。如下图5-1则是主程序的流程图，也就是我的编程逻辑顺序。图5-1主程序流程图5.2PID模块流程图的搭建PID模块是本次设计的一个亮点和重点模块，因为本次毕业设计重在要求用PID算法来控制温度变化达到恒温的目的，所以PID模块的编写成为了本次设计的重中之重，根据之前所学自动控制原理，搭建系统闭环流程图，并且根据其算法来进行编程。在本程序中，以阈值温度与实时检测温度的差值作为偏差给定ek，根据PID算法求出控制量uk，本次设计中在根据uk的变化去调节输出PWM波的占空比，从而来实现加热快慢，达到控制温度的目的。如下图5-2为PID环节。图5-2PID模块流程图5.3定时器模块流程图的搭建定时器中断作为本次设计中必不可少的一部分，用来通过中断来产生PWM波。本次设计中，设计为每50毫秒进一次定时器中断，调节周期为5秒，同时仅当进入PID调节时候（即检测温度与阈值温度之差为15摄氏度以内的时候）才会开启定时器中断，来进行PWM波的占空比调节。作为关键部分，本人通过仔细的查阅资料，和分析作用过程编写出此模块详细的运行流程，进一步为编写程序提供帮助。如下图5-3是定时器中断的流程[9]：图5-3时器中断流程图软件模块的设计中心就是围绕以上三个大部分，如其他的温度采集模块，键盘模块以及显示模块都是作为一种不可少，但是不作为核心来出现的，在此处就不一一论述，总之，软件是一个系统的大脑，只有大脑好，整个系统工作才会完美，对于一个合格的系统设计者来讲，只有有着娴熟的编程能力才能胜任系统的完美开发。第6章系统调试硬件和软件系统都做好之后，就要进行硬软结合，系统联调了，经过多日努力，终于可以进行系统的调试，并根据之前的设计目标来记录相应的实验数据，并做出对应的波形，进一步的来验证系统的功能是否完备[10]。6.1温度时间变化曲线的绘制系统进行调试，由于本系统主要是看水温的变化与时间的关系，所以记录实验现象时候，分别选取了阈值温度为55度以及60度时候记录了相应的数据，来绘制温度时间变化曲线，如下：表6-1阈值温度为55度时候的温度时间关系时间（min）00.511.522.533.544.555.56温度值（度）25262933374245485051525354时间（min）6.577.588.599.51010.51111.5温度值（度）5555555555下图6-1根据上表所绘制的温度时间变化曲线：图6-1阈值温度为55度时的温度时间变化曲线表6-2阈值温度为60度时候的温度时间关系时间（min）00.511.522.533.544.555.56温度值（度）26283034384347505354566758时间（min）6.577.588.599.51010.51111.5温度值（度）5960606060605959606060下图6-2为根据上表所绘制的温度时间变化曲线：图6-2阈值温度为60度时的温度时间变化曲线6.2分析曲线并获得相应结论通过上面两条温度时间变化曲线的绘制，不难发现，本次设计的恒温控制系统很完美的实现了所预定的目标。（1）首先可以实现按键设定温度，用五位数码管显示实时温度；（2）温度控制范围为0~100度，测量误差为士0.5度；（3）恒温控制并且可以快速达到预设温度且几乎无超调；综上三点，本系统都完美的实现了，本次设计可以说是比较成功的，但相对也有不足之处，如调节时间还有些偏慢，过渡时间过长，PID参数还可以进一步的优化，来更加快速准确的达到阈值温度，并且仍然无超调，所以，作为本系统仍有很大发挥之处，但是就目前来看，用这款打片机只有达到这样的目标，也是很好的完成了设计之初的目的，可以达到要求的控制效果。第7章结论通过本次的设计，使我们不仅对单片机这门课程有了更深刻的认一识，懂得了如何运用课本知识结合实际来完成定时器的显示和编程方法以及数码显示电路的驱动力一法，使我们能够很快的适应现代控制技术发展的需求，同时也提高了我们的思维能力和实际操作能力，为以后更好的走上工作岗位奠定了坚实的基础。基于89C51单片机温度控制系统，利用温度传感变送器DS18B20，将采样到的温度信号输入到单片机中，再由单片机作为整个温控系统的控制器，根据测量温度与设定温度的差值和89C51单片机的算法生成控制信号，控制电热杯的通电与断电。整个系统结构紧凑、所用芯片少、控制精度高。在软件上，基于89C51单片机的算法的温度控制系统采用了经典的89C51单片机的算法，从某个角度上说这种算法优于传统的控制算法，有更稳定、控制精度更高等优点，而控制量的输出上采用了模拟的PWM变换，免去了一级D/A转换器，减小了成本，且简单易行。在程序的编写过程中特别注意了人机的交互性及各种功能的实现，如键盘控制管理程序和89C51单片机的运算程序都是经过深思熟虑而精心设计，使系统的操作界而更容易让人理解，同时使用键盘输入控制温度，虽然一定程度上增加了程序的复杂性，但同时也使系统的温度更容易设定。当然，系统同时也存在几点缺点。在选择STC89C51单片机的控制器时用了速度相对较慢的单片机，若采用速度更快的单时钟周期系列的单片机，提高采样频率，控制精度将会更高。同时本系统没有采用与上位机通信的方式，这样在实际的应用中会有些不便。另外此设计虽然能够完成温度的显示和控制，但是以后可以通过加入PID算法优化控制功能，并通过液晶显示屏实时显示温度。致谢经过三个月的努力，我从一个对软件设计不太了解的新手成长为一个可以很轻松的编出一套相对比较综合的程序，并且如期完成了我的毕业设计，我感觉自己的成长真的好大，在这里我不得不说一下我的设计艰辛与在这个过程中那些不离不弃的支持我的可爱的人们。首先，在本次设计中，特别感谢郭老师对我的帮助，为我提供了硬件上的帮助，同时对我在思路的拓展方面都有点播，并且不时的问我遇到了什么困难，需要那些帮助，对于我能够顺利的做好毕业设计有很大的作用；其次感谢在毕业设计期间曾经在精神上和物质上支持的同学们，是你们，让我在最后的大学生活中感到了温暖不孤单，真心感谢大家。最后感谢教过我的各位老师，是您们让我从一个青涩的什么不太懂得学生成长为一个对电气专业有相当了解的合格大学生，在毕业之际，真心感谢老师们的教导!参考文献[1]胡寿松编著《自动控制原理》．第五版.北京：科学出版社.2007[2]刘建清编著《轻松玩转51单片机C语言》.北京：北京航空航天大学出版社．第一版．2011.03．[3]陆斌编著《21天学通51单片机开发》．北京：电子工业出版社2010.05．[4]夏世英编著《关于电热水器模糊PID水温控制系统的设计》.陇东学院学报.文章编号：1674-1730（2011）04-0031-03.[5]《电子制作》2004.10[6]（美）BjarneStroustrup《THEC++PROGRAMMINGLANGUAGE，SPECIALEDITION》AddisonWesley1997[7]赵丽娟，邵欣编著《基于单片机的温度监控系统的设计与实现》机械制造[8]武庆生仇梅编著《单片机原理与应用》电子科技大学出版社1988.02[9]谭浩强编著《C语言设计》.北京：清华大学出版社1999年[10]王彬任艳颖编著《DigitalICSystemDesign》西安电子科技大学出版社2005.09附录系统源程序//求取这个温度数值的每一位voidbcd（uintm）{dubf[3]=m/100：dubf[2]=m/10%10：dubf[1]=m%10：dubf[0]=m*10%10：}//将温度数值用动态显示的方法显示在五位数码管上voiddisplay（void）{uintg,i：g=20：while（g--）{for（i=0：i<5：i++）{if（i==4）{P0=0xbf：P2=0xbf：}else {P0=table[dubf[i]]：//选择相应的七段码值并送入段选P2=table2[i]：} //选相应的位并送入delayms（5）：}}}//关掉显示器voidguan（void）{P0=0xff：P2=0xff：}//设置目标温