PID自動控制溫度控制器

1、目錄一、設(shè)計內(nèi)容21.1溫度控制21.2設(shè)計方案2二、軟件設(shè)計01.1.主程序流程圖01.2.DS18B20實現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和溫度數(shù)值讀取流程圖01.3.顯示流程圖1三、PID控制2#PID簡介2#PID控制算法4四、電路設(shè)計6功能模塊設(shè)計6電路連接設(shè)計7溫度檢測電路7繼電器控溫電路7外部電路8參考文獻(xiàn)9附錄PID溫度控制器程序10一、設(shè)計內(nèi)容溫度控制本設(shè)計以水為測量對象，溫度測量電路接收傳感器的信號，并將模擬信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機(jī)系統(tǒng)，與預(yù)設(shè)的溫度對比，通過一定的控制算法，控制繼電器的通斷，從而控制加熱器的工作，使得水溫維持在設(shè)定的溫度。溫度控制算法精確控制溫度加熱，以溫

2、度最小為優(yōu)化目標(biāo)。溫度是工業(yè)控制對象的主要的被控參數(shù)之一，如冶金，機(jī)械，食品，化工各類工業(yè)中廣泛使用的各種加熱爐，熱處理爐，反應(yīng)爐等。在過去多是采用常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器對溫度進(jìn)行控制，本設(shè)計采用了單片微型機(jī)對溫度實現(xiàn)自動控制。設(shè)計方案溫度控制系統(tǒng)是一種比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，當(dāng)今計算機(jī)控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫度控制系統(tǒng)達(dá)到自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。對于這種溫控對象，一般認(rèn)為它具有以下的傳遞函數(shù)形式

3、：這是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同，但由于采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對鍵盤進(jìn)行設(shè)定。采用89C51單片機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程來實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機(jī)系統(tǒng)可以使用數(shù)碼管來顯示水溫的實際值，能用鍵盤輸入設(shè)定值。選用了AT89C51芯片，不需要外擴(kuò)展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單。采用以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可達(dá)到模擬控制所達(dá)不到的效果，并且實現(xiàn)顯示和鍵盤設(shè)定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。這也使得系統(tǒng)

4、所測得結(jié)果的精度大大提高。AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。而在眾多的51系列單片機(jī)中，要算ATMEL公司的AT89C51更實用，也是一種高效微控制器，因為它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達(dá)到瞬間擦除、改寫。而這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求非常低，開發(fā)時間也能大大縮短。DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強(qiáng)易配處理器等優(yōu)點，特別適合用于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成申行數(shù)字信號（按9位二進(jìn)制

5、數(shù)字）給單片機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片。它具有獨特的單總線接口方式，僅需使用1個端口就能實現(xiàn)與單片機(jī)的雙向通訊。采用數(shù)字信號輸出提高了信號抗干擾能力和溫度測量精度。它的工作電壓使用范圍寬3.05.5V,可以采用外部供電方式，也可以采用寄生電源方式，即當(dāng)總線DQ為高電平時，竊取信號能量給DS18B20供電。它還有負(fù)壓特性，電源極性接反時，DS18B20不會因接錯線而燒毀，但不能正常工作。可以通過編程而實現(xiàn)912位的溫度轉(zhuǎn)換精度設(shè)置。設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。RS-232接口是個人計算機(jī)上的通訊接口之一，是1970

6、年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個25個腳的DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信號的電平加以規(guī)定。隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了代替DB25的DB9接口。:、軟件設(shè)計主程序流程圖系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2-1所示，當(dāng)有信號輸入時，主程序啟動，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的條件逐步運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計目的。圖2-1主程序流程圖DS18B20實現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和溫度數(shù)值讀取流程圖圖2-2為DS18B20實現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和溫

7、度數(shù)值讀取流程圖，用于系統(tǒng)的溫度轉(zhuǎn)換和溫度數(shù)值的讀取。2.3顯示流程圖圖2-2DS18B20實現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和溫度數(shù)值讀取流程圖圖2-3為系統(tǒng)的顯示流程圖。主要是通過對傳輸信號進(jìn)行顯示后，給操作者提供提示。以到達(dá)為本系統(tǒng)提供對溫度的顯示和監(jiān)控的目的三、PID控制PID簡介PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值廠r(t)與實際輸出值y構(gòu)成控制偏差e(t):e(t)r(t)y(t)(3.1)將偏差 e(t)的比例(Proportional)、積分(Integral)和微分(Derivative)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，因此稱為PID控制。PID控制系統(tǒng)原理如圖3-1所示。其控制

8、規(guī)律為：u(t)KPe(t)1te(t)dtTDdeTi0dt或者寫成傳遞函數(shù)的形式為：1G(s)KP(1TDS)T1s式中 Kp:比例系數(shù)工：積分時間常數(shù)TD:微分時間常數(shù)PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:(1)比例環(huán)節(jié)即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；(2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，工越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)；(3)微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并且能在偏差信號值變得太大之前，在系圖3-1PID控制系統(tǒng)原理圖統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的

9、動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。PID控制算法由于計算機(jī)控制是一種采樣控制系統(tǒng)， 它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。 因此，(3.2)式中的積分和微分項不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理?，F(xiàn)令T為采樣周期，以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t,以累加求和近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，做如下的近似變換：tkTtkk0e(t)Te(jT)Te(j)j0j0de(t)e(kT)ek1Te(k)e(k1)dtTT其中，T 為采樣周期，e(k)為系統(tǒng)第k次采樣時刻的偏差值，e(k(k1)次采樣時刻的偏差值，k為采樣序號，k=0,1,2,。將上面的(3.5)式和(3.6)式代入(3.2)式，則可以

10、得到離散的PID表達(dá)式：TkTu(k)Kpe(k)-e(j)我e(k)e(k1)(3.7)Tj0T如果采樣周期T足夠小，該算式可以很好的逼近模擬PID算式，因而使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。通常把(3.7)式稱為PID的位置式控制算法。若在(3.7)式中，令：KI區(qū)(稱為積分系數(shù))TIKD(稱為微分系數(shù))k則 u(k)KPe(k)K1e(j)KDe(k)e(k1)(3.8)j0(3.8)式即為離散化的位置式PID控制算法的編程表達(dá)式?？梢钥闯觯看屋敵雠c過去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計算 u(k),不僅涉及 e(k)和 e(k1),且須將歷次 e(j)相加，計算復(fù)雜，浪費內(nèi)存。下面，推導(dǎo)計算較

11、為簡單的遞推算式。為(3.4)(3.5)(3.6)1)為系統(tǒng)第此，對(3.8)式作如下的變動:考慮到第(k1)次采樣時有Tk1Tnu(k1)Kpe(k1)e(j)e(k1)e(k2)(3.9)1j0T使(3.8)式兩邊對應(yīng)減去(3.9)式，得u(k)u(k1)KPe(k)e(k1)-e(k)TDe(k)2e(k1)e(k2)T1T整理后得TTDu(k)u(k1)KPe(k)e(k1)e(k)e(k)2e(k1)e(k2)T1TTTD2TDTDu(k1)KP(1D)e(k)KP(1)e(k1)KPe(k2)T1TTTu(k1)a0e(k)a1e(k1)a2e(k2)(3.10)位置式得遞推形式。

12、式中的 a0、a1、22同(3.10)式中的一樣因為在計算機(jī)控制中，a。、劣、a2都可以事先求出，所以，實際控制時只須獲得 e(k)、e(k1)、e(k2)三個有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制輸出對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的增量，故(3.11)式通常被稱為PID控制的增量式算式。增量式PID控制算法與位置式控制算法比較，有如下的一些優(yōu)點：(1)位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)， 算式中要用到過去偏差的累加值e(j),容易產(chǎn)生較大的累計誤差。而增量式中只須計算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計算誤差或者精度不足時，對控制量的影響較小，且較容易通過加權(quán)

13、處理獲得比較好的其中，a0KP(1TT1TD),a1Kp(12TD),a2KPTD,(3.10)式就是PID如果令 u(k)u(k)u(k1)則u(k)a0e(k)a1e(k1)a2e(k2)控制效果；(2)由于計算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動作影響小，而且必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運(yùn)行有利；(3)手動一自動切換時沖擊比較小。鑒于以上優(yōu)點，本系統(tǒng)的控制算法即采用增量式的PID控制算法。四、電路設(shè)計功能模塊設(shè)計數(shù)字溫度傳感器DS18B20從設(shè)備不同的位置采集溫度， 并將數(shù)字信號送入AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)獲取采集的溫度值，經(jīng)過處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個比較穩(wěn)定的溫度值，根據(jù)當(dāng)

14、前設(shè)定的溫度上下限值，再通過PID控制算法控制繼電器的通斷，從而控制加熱器的工作，使得水溫維持在設(shè)定的溫度。當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后沒有達(dá)到設(shè)定的溫度值時，單片機(jī)控制繼電器開啟升溫設(shè)備(加熱器)。電路連接設(shè)計溫度檢測電路溫度檢測用DS18B20溫度傳感器，DS18B20是單線數(shù)字式測溫芯片，它能在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將數(shù)字信號送入AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)。圖4-2為溫度檢測電路圖。圖4-2溫度檢測電路圖繼電器控溫電路當(dāng)DS18B20采集到溫度后，會將溫度值傳送到單片機(jī)。單片機(jī)獲取采集的溫度值，經(jīng)過處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個比較穩(wěn)定的溫度值，根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度上下限值，再

15、通過PID控制算法控制繼電器的通斷，從而控制加熱器的工作，使得水溫維持在設(shè)定的溫度。4.2.3外部電路啟動、復(fù)位電路用于系統(tǒng)的開始和重置圖4-3繼電器控溫電路圖?c.X食Kh=*三記得參考文獻(xiàn)1余錫存主編.單片機(jī)原理與接口技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社，2001,7.2劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，2003.3曹巧媛主編.單片機(jī)原理及應(yīng)用（第二版）M.北京：電子工業(yè)出版社，2002.4康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，1998,121-142.5何立民.單片機(jī)高級教程應(yīng)用M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000,3-14.6金發(fā)慶等編.傳感

16、器技術(shù)與應(yīng)用M.北京機(jī)械工業(yè)出版社，2002.7秦實宏等.單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)M.北京：中國水利水電出版社，2005,27-48.8陳忠華.基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)D.大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.附錄PID溫度控制器程序#pragmadbcode#include#includeINTRINS.H#defineBUSY1(DQ1=0)/定義busy信號sbitDQ1=P3A5;定義18B20單總線弓I腳voidds_reset_1(void);voidwr_ds18_1(chardat);voidtime_delay(unsignedchartime);intget_te

17、mp_1(void);voiddelay(unsignedintx);voidread_ROM(void);intget_temp_d(void);voidds_init(void);voidds_getT(void);voidhot();/聲明18B20復(fù)位函數(shù)/聲明18B20寫入函數(shù)聲明延時函數(shù)/聲明18B20讀入溫度函數(shù)聲明延時函數(shù)/聲明18B20讀ROM函數(shù)/聲明獲取溫度函數(shù)/聲明18B20初始化函數(shù)/聲明18B20獲得溫度顯示信函數(shù)unsignedcharResultSignal;intResultTemperatureLH,ResultTemperatureLL,ResultTem

18、peratureH;unsignedcharROM8;unsignedcharidataTMP;unsignedcharidataTMP_d;unsignedcharf;unsignedcharrd_ds18_1();unsignedintTemH,TemL;/溫度的整數(shù)部分和小數(shù)部分unsignedintcount;unsignedinttt1,tt2;/定義小數(shù)計算部分/*以下定義各種變量amvoidmain()(ds_init();18B20初始化while(1)(ds_getT();/使用該函數(shù)獲得溫度，整數(shù)部分存儲到TemH,小數(shù)部分存儲到count的低8位if(TMP_dtt1)(

19、hot();voidds_init(void)(unsignedintk=0;ds_reset_1();ds_reset_1();wr_ds18_1(0 xcc);_nop_();wr_ds18_1(0 x7f);ds_reset_1();wr_ds18_1(0 xcc);_nop_();wr_ds18_1(0 x44);for(k=0;k11000;k+)time_delay(255);ds_reset_1();/* 18B20初始化函數(shù)*/reset/skiprom(wr_ds18_1(0 xcc);wr_ds18_1(0 xbe);TemH=get_temp_1();TemL=get_t

20、emp_d();TemH&=0 x00ff;TemL&=0 x00ff;count=(TemH*256+TemL)*6.25;延時程序，單位us大于10us*/voidtime_delay(unsignedchartime)(time=time-10;time=time/6;while(time!=0)time-;/*/*voidds_reset_1(void)(unsignedcharidatacount=0;DQ1=0;time_delay(240);time_delay(240);DQ1=1;return;voidcheck_pre_1(void)/*/*resetds1

21、8b20*/while(DQI);while(-DQ1);time_delay(30);voidread_ROM(void)intn;ds_reset_1();check_pre_1();wr_ds18_1(0 x33);for(n=0;n8;n+)ROMn=rd_ds18_1();/*/*/bittmrbit_1(void)idatachari=0;bitdat;DQ1=0;_nop_();DQ1=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_()；_nop_()；_nop_();_nop_();_nop_();/*Readabitfrom18

22、20位讀取*/_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();dat=DQ1;time_delay(50);returndat;)/*/*readabetyfromds18b20字節(jié)讀取*/*/unsignedcharrd_ds18_1()unsignedcharidatai,j,dat=0;for(i=1;i=8;i+)j=tmrbit_1();dat=(j(i-1)|dat;)returndat;)*/*writeabetyfromds18b20寫字節(jié)產(chǎn)*1voidwr_ds18_1(chardat)(signedcharidatai=0;unsignedcharidata

23、j;bittestb;for(j=1;j1;if(testb)(DQ1=0;_nop_();_nop_();DQ1=1;time_delay(60);else(DQ1=0;time_delay(50);DQ1=1;_nop_();_nop_();*/)intget_temp_1(void)(unsignedcharidataa=0,b=0;unsignedcharidatai;EA=0;ds_reset_1();check_pre_1();wr_ds18_1(0 xcc);wr_ds18_1(0 x44);while(BUSY1);ds_reset_1();check_pre_1();wr_ds18_1(0 xcc);wr_ds18_1(0 xbe);a=rd_ds18_1();b=rd_ds18_1();i=b;i=(i4);if(i=0)(