基于pid的简单水温控制系统设计

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1、基于PID的简单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实际应用。为了加深计算机控制理论的理解，故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STC89C52）、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，控制算法为PID算法。系统可实现稳态误差小于1℃，最大超调小于1℃，并且调节时间较短，恒定效果好。关键词：传感器DS18B20，单片机S

2、TC89C52，PID算法，液晶LM1602，双向晶闸管BTA061选题背景在现代工业生产和日常生活当中，对温度的检测、实现自动恒温控制有着非常重要实际意义和广泛的应用，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。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。关系如图1.1：图1.1温度检测装备的组成结构在此，我选择了温度测量及其恒温控制作为计算机控制课程设计课题。在该控制系统中，控制算法不但结合经典的PI

3、D控制算法的优势；还增加了死区控制，平均滤波、限幅消抖、抗积分饱和等措施抑制非正常情况的发生；此外，控制算法还采用了二维PID算法的优点，加快了系统的动态响应速度。经过实际测试，采取的措施能够很好地抑制非正常情况的发生，系统的响应速度、稳态误差、超调量都取得了较为满意的结果。2方案设计及其论证2.1温度信号的采集及AD转换2.1.1方案一采用模拟类温度传感器，比如LM45、AD590、铂电阻等。增加适当的放大电路和AD转换电路以后，就可以将温度信号送入单片机。然而，这种设计需要用到A/D转换电路

4、，且温度传感器的接线较为麻烦，制作成本较高。2.1.2方案二采用数字类温度传感器，比如DS18B20。DS18B20为数字式温度传感器，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。将上述两种方案比较，方案二硬件电路设计得到简化并且设计成本降低，故采用方案二。2.2主机控制模块2.2.1方案一采用快速单片机，比如STC12C5A32S2、ATmega16、W77E58等。以ATmega16为

5、例，ATmega16单片机是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，在相同晶振频率的情况下，速度比普通快8～12倍。从性能上来说，该单片机是一款功能非常强大的单片机，然而其价格较高（15元/片），采用该单片机会使设计成本增加。2.2.2方案二采用普通单片机STC89C52。STC89C52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12

6、MHz的情况下，单指令仅需1us，完全能满足系统设计要求。另外，该单片机价格便宜，仅5.8元/片。将上述两种方案比较，方案一虽然性能上优于方案二，但其设计成本较高，而且本系统不需要太快的运行速度，故采用方案二。2.3显示模块2.3.1方案一采用7段式数码管。目前，市场上有大量的七段式LED数码管，价格也较为便宜，单个的数码管仅0.8元，4位的数码仅2.6元；不过采用数码管作为显示时，需要增加驱动电路，驱动电路的成本在8元左右，另外，数码管只能显示一些简单字符以及数字，而在本设计中，需要显示较多信

7、息，比如：实时温度、PID参数、设定温度等，采用数码管会大大增加程序的复杂度，并且还会对单片机的功能提出更高要求，其性价比较低。2.3.2方案二采用LM1602液晶显示。LM1602液晶的市场价格在15元左右，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。将上述两种方案比较，方案一中LED数码管虽然价格便宜，但需设计驱动电路，而且本设计需要显示较多系统运行参数，故又增加编码复杂度，同时对单片机性能

8、要求提高，性价比低，方案二LM1602液晶显示有电路设计简单，编码复杂度低的优点，故采用方案二。2.4温度控制模块2.4.1方案一采用固态继电器。固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。固态继电器可以与逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。然而，其价格较高，电压AC220V、最大电流5A的固态继电器在25元左右，采用固态继电器会使