基于PID控制理论和步进电动机的冬季室内温度控制系统设计

摘要：我国北方，冬季取暖一般采用暖气技术集中供暖，用户不能自主地调节温度，室内温度过高，资源浪费的现象严重。本设计应用PID控制技术，以步进电动机作为执行元件，根据实时测量的室内温度，来控制阀门的开度，调节暖气管道内热水或热气的流量，从而达到了控制室内温度的目的，增强了居民室内生活的舒适度，减少了能源的浪费。

关键词：PID控制；流量；PM2.5；编码；解码；

中图分类号：S611 文献标识码： A

The design of the winter indoor temperature control system PID control theory and the stepping motor based on

HanLiang

（Heilongjiang province atmospheric detection securitycenter， Harbin， 150030）

Abstract： In the north of China， winter heating technology usually adopts the centralized heating and users can not control temperature by themselves. As a result， indoor temperature is too high which results in a serious waste of resources. The design adopts PID control technology and uses a step motor as the actuator. The design can change the flow of hot water or gas in pipes by controlling valves according to the real-time measurement of the indoor temperature. In this way， indoor temperature can be controlled. People will live in a more comfortable environment. At the same time， energy is saved.

key words：PID control； flow； PM2.5； encoding； decoding；

引言

我国北方属于典型的温带大陆性气候，冬季寒冷干燥。目前为了改善室内温度环境，我国北方城市普遍采用集中供暖[1]。各市均建有大规模的地下暖气管道网，由政府指定的供暖公司负责运营。集中供暖有着较为明显的好处：资源利用率高，平均成本较低，供暖效果好。但是，也存在不少缺点：一是无论白天还是黑夜，不管用户是否需要，暖气始终全天供热；二是用户没有办法自主调节室内温度的高低，造成室内温度过高，空气流通不好。居民非常容易出现皮肤发紧，口唇干燥、咽部发痒、咳嗽、流鼻血等“暖气病”。用户为了降低温度，只能打开窗户散热，使宝贵的能源白白浪费了。近年来，我国北方地区冬季雾霾频发，pm2.5频频爆表，燃烧煤炭作为集中供暖的主要手段，成为罪魁祸首，成为众矢之的。如何才能在不降低冬季室内生活的舒适度的前提下，实现节能降耗的目的呢？

本设计采用步进电动机来控制阀门的开度，进而调节暖气管道内水或气的流量，实现了控制室内温度的目的，从而增强了居民室内生活的舒适度，为节能降耗做出了巨大贡献。

一、系统设计方案

本系统由两个模块组成，一个是温度设置及测量模块，一个是驱动模块，两个模块在物理上相互分立，使用时可以将温度和测量模块放到远离暖气片的地方，保证温度测量的准确性。驱动模块直接到暖气管道上控制暖气的流量。两个模块之间通过红外遥控发射/接收芯片PT2262/2272传递控制信息。温度设置及测量模块又分为键盘输入、温度测量、温度显示三个单元。人们可以通过键盘设定自己需要的温度，温度的测量采用数字温度传感器18B20，18B20将采集到的温度信号以串行数据的形式传递给单片机AT89C51，经过处理后，在数码管上显示当前测量的温度。同时，AT89C51把实时测量的温度和用户预先设定的温度比较和分析，得出调整指令。通过红外遥控发射/接收芯片PT2262/2272将调整指令传递给驱动模块的单片机，由驱动模块单片机控制步进电动机完成阀门开度的调整，实现改变暖气管道内热水流量的目的。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

二、温度传感器18B20

18B20是美国Dallas 半导体公司创造的数字化温度传感器。该温度传感器外形如一只三极管，温度感应元件及转换电路集成在一个芯片上。现场温度直接转换成二进制数字表示的温度，存储在18B20内的存储器里，18B20和单片机之间仅需要一条数据线连接，单片机可以通过数据线向18B20写入或读取数据，而且可以通过数据线提供18B20正常工作所需要的电源。每个18B20都有不同的序列号，所以多个18B20可以使用同一根总线和单片机相连接，单片机通过序列号识别不同的18B20并发起读写动作。这一特点使用户组建温度传感器网络变得十分容易。通过程序设定，DS18B20 可以达到9～12 个二进制位的分辨率。测量温度的范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，测量精度可以达到±0.5°C[2]。由于DS18B20 具有体积小、测温精度高、适用电压范围宽、采用一线式总线、可组网等优点，在实践中的得到了广泛的应用。

三、红外遥控发射/接收芯片PT2262/2272

PT2262/2272采用CMOS工艺制造，分别具有编码和解码的功能，其中PT2262是编码电路，PT2272是解码电路，PT2262/2272必须配对使用，可用于无线数据的发送和接收。PT2262/2272分别拥有18个管脚，最多可以设置12位地址端管脚和6位数据管脚。地址管脚可以设置成“0”、“1”、“悬空”三种状态，但是必须保证PT2262和PT2272的地址管脚设置相同，否则PT2272不能解码。在实际应用中，我们一般采用4位数据码和8位地址码的方式。

编码芯片PT2262发出的编码信号称为码字，一个完整的码字包含地址码、数据码和同步码三部分。解码芯片PT2272在接收到PT2262发来的信号后，首先分离出地址码，并对地址码进行比较，只有当接收到的码字的地址码和2272的地址码相同时，2272的VT管脚才能输出高电平，表示解码成功。单片机在检测到VT脚高电平的信号后，开始读取PT2272接收到的数据。

四、步进电动机

步进电动机也称为脉冲电动机，它可以将电脉冲信号转换成相应的角位移，每输入一个电脉冲信号，步进电动机就转动一定的角度，由于该电动机的转动方式是步进的，所以把它叫做步进电动机。步进电动机具有以下优点：一是步进电动机转动的角度和输入电脉冲的个数成正比，转动的速度由输入电脉冲的频率决定，频率越高，速度越快。而且在不超出步进电动机负载能力的情况下，以上关系不受负载大小、电压高低等因素的影响；二是步进电动机在不失步的情况下，每转动一圈的步数是固定的，所以电动机的步距误差不会积累；三是步进电动机具有良好的控制性能，在开环控制系统中，转速具有很宽的调节范围，而且能够快速启动、制动和反转。正是由于步进电动机具有以上优点，所以在数字控制系统中经常被用作执行元件。

五、软件设计

该系统的软件设计分为两大部分，分别对应系统硬件的两个模块。其中驱动模块的程序设计包括控制量的读取和步进电动机的控制。温度测量模块包括温度采集子程序（读取18B20测得的温度数据）、显示子程序、键盘输入子程序（用户设置室内温度）、PID温度控制子程序（计算控制量）。前面几个程序都比较简单，这里不再赘述，下面我们详细介绍一下PID温度控制子程序的设计原理。单片机首先读取18B20测量的实时温度数据，然后把测量温度和设定温度进行比较得到温度误差，把温度误差作为PID控制系统的输入信号，由PID算法计算得出控制量。PID控制系统的结构框图如图2所示。

图2 PID控制系统的结构框图

系统的控制规律可以用u（k）= u（k）+u（k-1）和u（k）=Kp[e（k）- e（k-1）]+Ki e（k） +Kd[e（k）- 2e（k-1）+ e（k-2）]两个算式表示[3]。其中u（k）表示每个测量周期阀门的变化量，Kp表示PID控制系统的比例系数， Ki表示PID控制系统的积分系数、 Kd表示PID控制系统的微分系数，e（k）表示k时刻的温度误差。由于室内温度是一个相对缓慢的变化过程，所以我们在该温度控制系统中采用了周期性的控制方式，即在一个温度采样周期内保持控制量u（k）恒定不变[1]。

结语

为了验证系统对室内温度控制的准确性和稳定性，我们做了多次试验，下表为实验记录的测量数据，分析记录数据可知，本设计控制温度准确性高，达到了预期目标。

本系统采用PID控制理论，以AT89C51单片机为系统的控制单元，以红外遥控发射/接收芯片PT2262/2272为数据传输的纽带，选用步进电动机作为系统最终的执行机构，根据室内温度和设定温度的误差来改变阀门的开度，较好的实现了室内温度的调节。实验表明，该系统具有稳定性好、控制精度高、节能环保等优点，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1]于浩令.北方冬季室内温度控制系统的设计.科技信息.2010，（26）：272.

[2]艾诚，韩峻峰.基于DS18B20的温度控制系统设计.微型机与应用.2013，32（17）：11-13.

[3]贺争汉，王大为，史亚维，屈毅.RBF辨识pid控制器在温室温度控制中的应用研究.电子设计工程.2013，21（22）：33-35.

作者简介：韩亮，男，1980年，工程师，黑龙江省大气探测保障中心，研究领域：电气自动化控制