PID溫度控制器

1、目 錄一、設(shè)計(jì)內(nèi)容11.1溫度控制11.2設(shè)計(jì)方案1二、軟件設(shè)計(jì)02.1主程序流程圖02.2 DS18B20實(shí)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(jiǎn)介23.2PID控制算法4四、電路設(shè)計(jì)64.1功能模塊設(shè)計(jì)64.2電路連接設(shè)計(jì)74.2.1溫度檢測(cè)電路74.2.2繼電器控溫電路74.2.3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(jì)內(nèi)容1.1溫度控制本設(shè)計(jì)以水為測(cè)量對(duì)象，溫度測(cè)量電路接收傳感器的信號(hào)，并將模擬信號(hào)通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)系統(tǒng)，與預(yù)設(shè)的溫度對(duì)比，通過(guò)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

2、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(duì)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(guò)去多是采用常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器對(duì)溫度進(jìn)行控制，本設(shè)計(jì)采用了單片微型機(jī)對(duì)溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。1.2設(shè)計(jì)方案溫度控制系統(tǒng)是一種比較常見(jiàn)和典型的過(guò)程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的被控參數(shù)之一，當(dāng)今計(jì)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(dòng)化、智能化，比過(guò)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(gè)非線性的對(duì)象，具有大慣性的特點(diǎn)，在低溫段慣性較大，在高溫

3、段慣性較小。對(duì)于這種溫控對(duì)象，一般認(rèn)為它具有以下的傳遞函數(shù)形式：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(shí)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(duì)鍵盤進(jìn)行設(shè)定。采用89C51單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程來(lái)實(shí)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(lái)顯示水溫的實(shí)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(chǔ)器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。采用以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對(duì)溫度控制，可達(dá)到模擬控制所達(dá)不到的效果，并

4、且實(shí)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(cè)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(chǔ)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(shí)用，也是一種高效微控制器，因?yàn)樗坏?051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)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(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求非常低，開(kāi)發(fā)時(shí)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(diǎn)，特別適合用于

5、構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)（按9位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個(gè)傳感器芯片。它具有獨(dú)特的單總線接口方式，僅需使用1個(gè)端口就能實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的雙向通訊。采用數(shù)字信號(hào)輸出提高了信號(hào)抗干擾能力和溫度測(cè)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(shí)，竊取信號(hào)能量給DS18B20供電。它還有負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，DS18B20不會(huì)因接錯(cuò)線而燒毀，但不能正常工作。可以通過(guò)編程而實(shí)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(shí)間就越長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)

6、間權(quán)衡考慮。RS-232接口是個(gè)人計(jì)算機(jī)上的通訊接口之一，是1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)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(gè)25個(gè)腳的DB25連接器，對(duì)連接器的每個(gè)引腳的信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定，還對(duì)各種信號(hào)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。二、軟件設(shè)計(jì)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(hào)輸入時(shí)，主程序啟動(dòng)，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的條件逐步運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。開(kāi)始初始化DS18B20溫度

7、讀取模塊溫度值傳送溫度值處理比較設(shè)定溫度值與實(shí)際溫度值是否小于?PID控制運(yùn)算模塊繼電器控制模塊YN圖2-1 主程序流程圖2.2 DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和溫度數(shù)值讀取流程圖圖2-2為DS18B20實(shí)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(kāi)始初始化DS18B20應(yīng)答脈沖發(fā)起Skip Rom命令發(fā)起Convert T命令延時(shí)1秒等待溫度轉(zhuǎn)換完成應(yīng)答脈沖發(fā)起Read Scratchpad命令讀取第1.2字節(jié)即溫度數(shù)據(jù)YYNN圖2-2 DS18B20實(shí)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(guò)對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行顯示后，給操作者提供

8、提示。以到達(dá)為本系統(tǒng)提供對(duì)溫度的顯示和監(jiān)控的目的。串行口初始化向緩沖區(qū)送數(shù)據(jù)查段碼圖2-3 顯示流程圖開(kāi)始送顯示結(jié)束三、PID控制3.1PID簡(jiǎn)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(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)： （3.1）將偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)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。圖 3-1 PID 控制系統(tǒng)原理圖其控制規(guī)律為： （3.2）或者寫成傳遞函數(shù)的形式為： （3.3）式中 ：比例系數(shù)：積分時(shí)間常數(shù)：微分時(shí)間常數(shù)PID控

9、制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：(1) 比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，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(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，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(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并且能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。3.2PID控制算法由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，（3.2）式中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。現(xiàn)令為采樣周期，以一系列的采樣時(shí)

10、刻點(diǎn)代表連續(xù)時(shí)間，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： （3.4） （3.5） （3.6）其中，為采樣周期，為系統(tǒng)第次采樣時(shí)刻的偏差值，e()為系統(tǒng)第()次采樣時(shí)刻的偏差值，為采樣序號(hào)，=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： （3.7）如果采樣周期足夠小，該算式可以很好的逼近模擬PID算式，因而使被控過(guò)程與連續(xù)控制過(guò)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： （稱為積分系數(shù)） （稱為微分系數(shù)）則 （3.8）（3.8）式即為離散化的位置式PID控制算法的編程表達(dá)式

11、。可以看出，每次輸出與過(guò)去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計(jì)算，不僅涉及和，且須將歷次相加，計(jì)算復(fù)雜，浪費(fèi)內(nèi)存。下面，推導(dǎo)計(jì)算較為簡(jiǎn)單的遞推算式。為此，對(duì)（3.8）式作如下的變動(dòng)：考慮到第次采樣時(shí)有 （3.9）使（3.8）式兩邊對(duì)應(yīng)減去（3.9）式，得 整理后得 （3.10）其中，（3.10）式就是PID位置式得遞推形式。如果令 則 式中的、同（3.10）式中的一樣。因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)控制中，、都可以事先求出，所以，實(shí)際控制時(shí)只須獲得、三個(gè)有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制輸出對(duì)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

12、一些優(yōu)點(diǎn)： (1) 位置式算法每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過(guò)去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差。而增量式中只須計(jì)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(jì)算誤差或者精度不足時(shí)，對(duì)控制量的影響較小，且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；(2) 由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動(dòng)作影響小，而且必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行有利；(3) 手動(dòng)一自動(dòng)切換時(shí)沖擊比較小。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，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(jì)4.1功能模塊設(shè)計(jì)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(hào)送入AT8

13、9C51單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)獲取采集的溫度值，經(jīng)過(guò)處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)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(guò)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(méi)有達(dá)到設(shè)定的溫度值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器開(kāi)啟升溫設(shè)備（加熱器）。圖4-1 單片機(jī)電路圖4.2電路連接設(shè)計(jì)4.2.1溫度檢測(cè)電路溫度檢測(cè)用DS18B20溫度傳感器，DS18B20是單線數(shù)字式測(cè)溫芯片，它能在現(xiàn)場(chǎng)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(hào)送入AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)。圖4-2為溫度檢測(cè)電路圖。圖4-2溫度檢測(cè)電路圖4.2.2繼電器控溫電路當(dāng)DS18

14、B20采集到溫度后，會(huì)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(guò)處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)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(guò)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。圖4-3繼電器控溫電路圖4.2.3外部電路啟動(dòng)、復(fù)位電路用于系統(tǒng)的開(kāi)始和重置。圖4-4外部電路圖參考文獻(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，2001，72 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，20024 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)M北京：高等教育出版社

15、，1998，121-1425 何立民單片機(jī)高級(jí)教程應(yīng)用M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000，3-146 金發(fā)慶等編傳感器技術(shù)與應(yīng)用M北京機(jī)械工業(yè)出版社，20027 秦實(shí)宏等單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)M北京：中國(guó)水利水電出版社，2005，27-488 陳忠華基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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#pragma db code#include#include INTRINS.H#define BUSY1 (DQ1=0) /定義busy信號(hào)sbit DQ1=P35; /定義18B20單總線引腳void ds_reset_1(void);

16、/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(shí)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(shí)函數(shù)void read_ROM(void); /聲明18B20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

17、數(shù)void hot();/*以下定義各種變量*/unsigned char ResultSignal;int ResultTemperatureLH,ResultTemperatureLL,ResultTemperatureH;unsigned char ROM8;unsigned char idata TMP; unsigned char idata TMP_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

18、,tt2; /定義小數(shù)計(jì)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(chǔ)到TemH，小數(shù)部分存儲(chǔ)到count的低8位if(TMP_dtt1) hot(); /*18B20初始化函數(shù)*/void ds_init(void)unsigned int k=0;ds_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_d

19、s18_1(0x44);for(k=0;k11000;k+)time_delay(255); ds_reset_1();void ds_getT(void)wr_ds18_1(0xcc);wr_ds18_1(0xbe);TemH=get_temp_1();TemL=get_temp_d();TemH&=0x00ff;TemL&=0x00ff;count=(TemH*256+TemL)*6.25;/*延時(shí)程序，單位us,大于10us*/void time_delay(unsigned char time) time=time-10; time=time/6; while(time!=0)time

20、-;/*/* reset ds18b20 */*/void ds_reset_1(void) unsigned char idata count=0; DQ1=0; time_delay(240);time_delay(240);DQ1=1; return;void check_pre_1(void) while(DQ1); while(DQ1); time_delay(30);void read_ROM(void)int n;ds_reset_1(); check_pre_1(); wr_ds18_1(0x33); for(n=0;n8;n+)ROMn=rd_ds18_1(); /*/* R

21、ead a bit from 1820位讀取 */*/bit tmrbit_1(void) idata char i=0; bit dat; DQ1=0;_nop_(); DQ1=1; _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); dat = DQ1; time_delay(50); return dat;/*/* read a bety from ds18b20 字節(jié)讀取 */*/unsig

22、ned 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) signed char idata i=0; unsigned char idata j; bit testb; for(j=1;j1; if(testb) DQ1=0; _nop_(); _nop_(); DQ1=1; time_delay(60);

23、 else DQ1=0; time_delay(50); DQ1=1; _nop_(); _nop_(); int get_temp_1(void) unsigned char idata a=0,b=0; unsigned char idata i; EA=0; ds_reset_1(); check_pre_1(); wr_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_1(); i=b; /*若b為1則為負(fù)溫 */ i=(i4); if(i=0) f=0; TMP=(a4)|(b8)TMP=(TMP+1); else f=1;a=a4; b=b4)