基于PID的水温控制系统设计

摘要：在工农业生产和日常生活中，对温度的检测与控制始终有着非常重要的实际意义和广泛的应用。设计一个温度控制系统，该系统主要由温度信号采集与转换模块（传感器DS18B20）、主机控制模块（单片机AT89C52）、温度控制模块（双向晶闸管BTA06）、液晶显示模块（液晶LM1602）等四部分组成，使用PID算法控制。

关键词：温度控制系统；PID算法；光耦合器MOC3041

0引言

在现代工业生产和日常生活当中，对温度的检测、控制有着非常重要的意义和广泛的应用。及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制在许多工业场合中都是重要的环节。例如大型火力发电站锅炉的温度控制、石油炼油厂油温的控制等。本文设计一个温度自动控制系统，基于PID算法，结合温度采集、主机控制、温度控制及显示等外部设备，完成水温的自动控制。

1 系统介绍

通常来说，一般的温度控制系统其主要构成部分有以下几部分：被控对象、温度信号采集与转换模块、显示模块、执行模块、主机控制模块、按键等。

本文设计一个温度自动控制系统，在该系统中，控制算法不但结合经典的PID控制算法的优势，还增加了死区控制、平均滤波、限幅消抖以及抗积分饱和等措施抑制非正常情况的发生。此外，控制算法还发挥了二维PID算法的优点，加快了系统的动态响应速度。

2系统方案设计

2.1温度信号的采集及AD转换

本文采用数字类温度传感器进行温度采集，DS18B20可直接将温度信号转换为数字量，可编程的分辨率为9～12位,采用独特的单总线接口，只需要一条总线就可以实现与单片机通信，简化了硬件电路设计，降低了设计成本。

2.2主机控制模块

本文采用普通单片机AT89C52。AT89C52单片机片内有8KB的EPROM和256B的RAM，程序通过串口下载，十分方便。在晶振频率为12MHz的情况下，单指令仅需1us，完全能满足系统设计要求。

2.3显示模块

本文采用LM1602液晶显示。LM1602液晶的市场价格便宜，可以与单片机直接连接，不需要增加额外的驱动电路，它可以显示所有的ASCII字符。另外可以同时显示32个字符，电路设计简单、软件复杂度低、性价比高。

2.4温度控制模块

本文采用双向晶闸管。市场上双向晶闸管的种类很多，本设计中采用的双向晶闸管BTA06价格便宜，配备以驱动电路，可以使设计成本大大降低，另外，采用双向晶闸管BTA06的硬件设计也较为简单。

2.5单片机控制方式

2.5.1方案一

P控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。同时，由于水的温度调节，可以等效于“纯滞后＋一阶惯性”，理论可推导其易产生振荡。

2.5.2方案二

PI控制是在比例控制的基础上加上积分作用，在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，采用比例积分控制方式，只要有足够长的响应时间，理论上可以做到稳态无静差。

2.5.3方案三

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，也就是在比例积分控制方式下，加入微分控制，在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

将上述三种方案进行比较，由于本设计要求无静差，被控对象惯性较大，为了加快调节速度，采用方案三即PID算法作为控制算法。

3系统硬件设计

本设计硬件电路主要分为温度信号采集与转换模块（传感器DS18B20）、主机控制模块（单片机AT89C52）、温度控制模块（双向晶闸管BTA06）和液晶显示模块（LM1602液晶）等四部分。系统电路图如图1所示：

图1 系统电路图

4 系统软件设计

系统软件流程图如图2所示：

图2 软件流程图

5 结论

通过上述的分析进行系统搭建，可以实现水温的自动控制，从而表明上述系统的设计满足工业要求。

参考文献：

[1]边春元.单片机应用开发实用子程序.人民邮电出版社

[2] 高吉祥.全国大学生电子设计大赛培训系列教程.电子工业出版社

[3] 王兆安.电力电子技术.西安：西安交通大学出版社

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