PID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02.1主程序流程圖 .02.2 DS18B20 實現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和溫度數(shù)值讀取流程圖.02.3顯示流程圖 .1三、 PID 控制 .23.1PID 簡介 .23.2PID 控制算法 .4四、電路設(shè)計.64.1功能模塊設(shè)計 .64.2電路連接設(shè)計 .74.2.1溫度檢測電路 .74.2.2繼電器控溫電路 .84.2.3外部電路 .9參考文獻(xiàn).11附錄PID 溫度控制器程序. 12一、設(shè)計內(nèi)容1.1 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，送入單片機系統(tǒng)，與預(yù)設(shè)的溫度

2、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對溫度實現(xiàn)自動控制。1.2 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

3、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：2/34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 單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機軟件編程靈活、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

4、為簡單。采用以單片機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)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。而在眾多的 51 系列單片機中，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。而這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求非常低，開發(fā)時間也能大

5、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3/34能力、強易配處理器等優(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)化成串行數(shù)字信號（按 9 位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機處理，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 3.05.5 V，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

6、線而燒毀， 但不能正常工作?？梢酝ㄟ^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 接口是個人計算機上的通訊接口之一，是1970 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 D

7、B9 接口。4/34二、軟件設(shè)計2.1 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)定的條件逐步運行，達(dá)到設(shè)計目的。開始初始化DS18B20 溫度讀取模塊溫度值傳送溫度值處理比較設(shè)定溫度值與實際溫度值N是否小于 ?YPID 控制運算模繼電器控制模塊圖 2-1 主程序流程圖2.2 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。開始初始化 DS18B20YN應(yīng)答脈沖發(fā)起Skip Rom 命令發(fā)起Convert T 命令延時 1秒等待溫度轉(zhuǎn)換完成YN應(yīng)答脈沖

8、發(fā)起Read Scratchpad 命令讀取第 1.2 字節(jié)即溫度數(shù)圖 2-2 DS18B20 實現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和溫度數(shù)值讀取流程圖2.3 顯示流程圖圖 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1/34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。開始串行口初始化向緩沖區(qū)送數(shù)據(jù)查段碼送顯示結(jié)束圖 2-3 顯示流程圖三、 PID 控制3.1PID 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(t) 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（

9、 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。2/34圖 3-1 PID 控制系統(tǒng)原理圖其控制規(guī)律為：u(t) K P1te(t) dt TDde(t )e(t )dtT10或者寫成傳遞函數(shù)的形式為：G (s) K P (11TD s)T1s式中K P ：比例系數(shù)T1 ：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)的偏差信號立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；（ 3. 2）（ 3. 3）e(t) ，偏差一旦產(chǎn)生， 控制器

10、(2) 積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)， T1 越大，積分作用越弱，反之則越強；3/34(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，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。3.2PID 控制算法由于計算機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

11、換：t kT（3. 4）tkke(t) Te( jT )Te( j )（3. 5）0j0j0de(t )e(kT ) e k 1 Te( k) e(k 1)（3. 6）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( k1)為系統(tǒng)第 ( 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，則可以得到離散的PID 表達(dá)式：u( k) K PTke( j )TDe(k) e( k 1)（3. 7）e( k)TT1j 0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

12、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：K1K PT（稱為積分系數(shù)）T14/34K PTDK D（稱為微分系數(shù)）Tk則 u(k ) K Pe(k) K1 e( j ) K D e(k ) e( k 1)（3. 8）j 0（ 3. 8）式即為離散化的位置式 PID 控制算法的編程表達(dá)式。可以看出，每次輸出與過去的所有狀態(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)計算較為簡單的遞推算式。為此，對（ 3. 8）式作如下的變動：考慮到第 (

13、k1) 次采樣時有u(k 1) K Pe( k 1) T k 1e( j )TD e(k 1) e(k 2)（3. 9）T1 j 0T使（ 3. 8）式兩邊對應(yīng)減去（ 3. 9）式，得u(k )u( k1)K Pe(k )e(k1)T e(k ) TD e(k ) 2e(k 1) e(k 2)T1T整理后得u(k)u(k1) KPe( k)e(k1)T e(k )TDe(k)2e( k 1)e( k2)T1Tu( k1)K P(1TTD )e(k)K P(12TD )e(k1)K P TD e( k2)（ 3. 10）T1TTTu( k1)a0e( k)a1e(k1)a2e(k2)其中， a0

14、K P (1TTD ) ， a1 K P (1 2TD ) ， a2 K P TD ，（ 3. 10）式就是 PIDT1TTT位置式得遞推形式。如果令u(k)u(k )u(k1) 則u(k)a0 e( k)a1e(k1)a2e(k2)式中的 a0 、 a1 、 a2 同（ 3. 10）式中的一樣。5/34因為在計算機控制中，a0 、 a1 、 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

15、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)處理獲得比較好的控制效果；(2) 由于計算機只輸出控制增量， 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4.1 功能模塊設(shè)計數(shù)字溫度傳感器DS18B20

16、 從設(shè)備不同的位置采集溫度，并將數(shù)字信號送入AT89C51 單片機系統(tǒng)，單片機獲取采集的溫度值，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，單片機控制繼電器開啟升溫設(shè)備（加熱器）。6/34圖 4-1 單片機電路圖4.2 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單片機系統(tǒng)。 圖 4-2 為溫度

17、檢測電路圖。7/34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。 單片機獲取采集的溫度值，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。8/34圖 4-3 繼電器控溫電路圖外部電路啟動、復(fù)位電路用于系統(tǒng)的開始和重置。9/34圖 4-4 外部電路圖10/34參考文獻(xiàn)1余錫存主編單片機原理與接口技術(shù)西安電子科技大學(xué)出版社，2001， 72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，20033曹巧

18、媛主編單片機原理及應(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)慶等編傳感器技術(shù)與應(yīng)用M 北京機械工業(yè)出版社， 20027秦實宏等單片機原理與應(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，200611/34附錄PID溫度控制器程序#pragma db code#include<AT89C51.H>#includ

19、e "INTRINS.H"#defineBUSY1(DQ1=0)/定義 busy 信號sbit DQ1=P35;/ 定義 18B20 單總線引腳void ds_reset_1(void);/ 聲明 18B20 復(fù)位函數(shù)void wr_ds18_1(char dat);/ 聲明 18B20寫入函數(shù)void time_delay(unsigned char time);/ 聲明延時函數(shù)int get_temp_1(void);/聲明 18B20 讀入溫度函數(shù)void delay(unsigned int x);/ 聲明延時函數(shù)void read_ROM(void);/ 聲明 1

20、8B20讀 ROM 函數(shù)int get_temp_d(void);/聲明獲取溫度函數(shù)void ds_init(void);/ 聲明 18B20初始化函數(shù)void ds_getT(void);/ 聲明 18B20獲得溫度顯示值函數(shù)void hot();/*以下定義各種變量 */unsigned char ResultSignal;12/34int ResultTemperatureLH,ResultTemperatureLL,ResultTemperatureH;unsigned char ROM8;unsigned char idata TMP;unsigned char idata TMP_

21、d;unsigned char f;unsigned char rd_ds18_1();unsigned int TemH,TemL;/溫度的整數(shù)部分和小數(shù)部分unsigned int count;unsigned int tt1,tt2;/ 定義小數(shù)計算部分void main()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_d<tt1)hot();13/34/*18B20初始化函數(shù) */void ds_init(void)unsigned int k=0;d

22、s_reset_1();ds_reset_1();/resetwr_ds18_1(0xcc);/skip rom_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);ds_reset_1();void ds_getT(void)wr_ds18_1(0xcc);wr_ds18_1(0xbe);14/34TemH=get_temp_1();TemL=get_temp_d();TemH&=0x00ff;TemL&

23、;=0x00ff;count=(TemH*256+TemL)*6.25;/*延時程序，單位us,大于 10us*/void time_delay(unsigned char time)time=time-10;time=time/6;while(time!=0)time-;/*/*reset ds18b20*/*/void ds_reset_1(void)unsigned char idata count=0;DQ1=0;time_delay(240);15/34time_delay(240);DQ1=1;return;void check_pre_1(void)16/34while(DQ1)

24、;while(DQ1);time_delay(30);void read_ROM(void)int n;ds_reset_1();check_pre_1();wr_ds18_1(0x33);for(n=0;n<8;n+)ROMn=rd_ds18_1();/*/*Read a bit from 1820位讀取*/*/bit tmrbit_1(void)idata char i=0;bit dat;17/34DQ1=0;_nop_();DQ1=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_

25、nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();dat = DQ1;time_delay(50);18/34return dat;/*/*read a bety from ds18b20 字節(jié)讀取*/*/unsigned char rd_ds18_1()unsigned char idata i,j,dat=0;for(i=1;i<=8;i+)j=tmrbit_1();dat=(j<<(i-1)|dat;return dat;/*/*write a bety from ds18b20寫字節(jié)*/*/void wr_ds18_1(char dat)1

26、9/34signed charidata i=0;unsigned char idata j;bit testb;for(j=1;j<=8;j+)testb=dat & 0x01;dat = dat>>1;if(testb)DQ1=0;_nop_();_nop_();DQ1=1;time_delay(60);elseDQ1=0;time_delay(50);20/34DQ1=1;_nop_();_nop_();int get_temp_1(void)unsigned char idata a=0,b=0;unsigned char idata i;EA=0;ds_re

27、set_1();check_pre_1();wr_ds18_1(0xcc);wr_ds18_1(0x44);while(BUSY1);ds_reset_1();21/34check_pre_1();wr_ds18_1(0xcc);wr_ds18_1(0xbe);a=rd_ds18_1();b=rd_ds18_1();i=b;/* 若 b 為 1 則為負(fù)溫*/i=(i>>4);if(i=0)f=0;TMP=(a>>4)|(b<<4);a=(a&0x0f);if (a>8)TMP=(TMP+1);else22/34f=1;a=a>>4;

28、b=b<<4;TMP=(a|b);TMP=TMP;TMP=(TMP+1);EA=1;return(TMP);int get_temp_d(void)unsigned char idata a=0,b=0;unsigned char idata i,m;EA=0;ds_reset_1();/ 復(fù)位check_pre_1();23/34wr_ds18_1(0xcc);wr_ds18_1(0x44);while(BUSY1);ds_reset_1();check_pre_1();wr_ds18_1(0xcc);wr_ds18_1(0xbe);a=rd_ds18_1();b=rd_ds18

29、_1();i=b;i=(i>>4);if(i=0)f=0;TMP=(a>>4)|(b<<4);a=(a&0x0f);TMP_d=a;/* 若 b 為 1 則為負(fù)溫*/24/34elsef=1;a=a;a=(a+1);b=b;b=(b+1);m=a;a=a>>4;b=b<<4;TMP=(a|b);m=(m&0x0f);TMP_d=m;EA=1;return(TMP_d);void delay(unsigned int x)25/34unsigned int i;for(i=0;i<x;i+);void hot()2PID 控制#define FiltA0.1；/PID 輸出的濾波系數(shù)（ 0.0-1.0）#define FiltB0.9/ PID 輸出的濾波系數(shù) (1-FilterA)#define Kp1.75/PID 控制器的比例系數(shù)#define Ki