王博　曾方　程一哲

摘要：為得到穩(wěn)定的水溫控制功能，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STC89C52單片機(jī)的PID自動(dòng)水溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示溫度、修改設(shè)定溫度，PID自動(dòng)控制溫度和溫度上下限報(bào)警等功能。該系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)測(cè)量，并基于PID算法達(dá)到溫度恒定控制的功能。系統(tǒng)由單片機(jī)STC89C52將溫度傳感器DS18B20 所采集的溫度在LED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)PID控制算法令水溫保持為指定的溫度值。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；STC89C52；DS18B20；PID算法；LED顯示

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）27-0242-02

1 系統(tǒng)概述

本文采用PID 控制算法實(shí)現(xiàn)保持水溫恒定的系統(tǒng)功能。該溫控系統(tǒng)采用螺旋加熱管加熱——將螺旋加熱管固定到容器的內(nèi)部，給加熱管通電時(shí)，會(huì)使容器中的水產(chǎn)生對(duì)流，令水溫快速上升，加熱效率高。溫控系統(tǒng)的制冷元件使用半導(dǎo)體制冷片，能夠達(dá)到快速制冷的目的。測(cè)量水溫的溫度傳感器選擇DS18B20，該溫度傳感器使用單總線與主機(jī)進(jìn)行通信，信號(hào)傳輸速度快，靈敏度高，能大大減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。系統(tǒng)的顯示部分放置在容器外壁上，采用4位七段LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示溫度和預(yù)設(shè)溫度。電源采用PWM方式調(diào)節(jié)加熱或制冷的輸出功率，從而改變加熱與制冷的功效，達(dá)到可變輸出功效的效果。

該系統(tǒng)主要特點(diǎn)為：

1） 通過(guò)DS18B20溫度傳感器減少了A/D轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。

2） 采用SSR固態(tài)繼電器，簡(jiǎn)化了功率控制電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3） 基于PID算法和PWM調(diào)制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠充分保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，并使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也達(dá)到較好的效果。

2 硬件電路

系統(tǒng)采用方形玻璃魚(yú)缸作為裝水容器。系統(tǒng)硬件電路主要包含四個(gè)部分：溫度采集電路，加熱控制電路，制冷電路以及顯示電路。硬件電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示：

2.1 溫度采集電路

本系統(tǒng)使用DS18B20溫度傳感器來(lái)測(cè)量水溫。該傳感器可以直接輸出數(shù)字量，與總線接口只需一根信號(hào)線，能夠節(jié)省單片機(jī)的引腳接口資源，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

DS18B20溫度傳感器僅有三個(gè)引腳，三個(gè)引腳中一端接電源，一端接地，另一端接單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸引腳，進(jìn)行總線通信。本系統(tǒng)使用三個(gè)溫度傳感器采集不同深度位置的水溫取平均值以減小誤差。溫度采集電路如圖2所示：

2.2 加熱電路

本系統(tǒng)使用螺旋加熱管對(duì)容器中的水進(jìn)行加熱。在螺旋加熱管的加熱輸出方面，采用單片機(jī)結(jié)合繼電器進(jìn)行電源通斷控制，讓單片機(jī)通過(guò)PWM調(diào)制方法控制繼電器來(lái)達(dá)到加熱力度可調(diào)的加熱效果。PWM調(diào)制方法可令繼電器對(duì)系統(tǒng)的干擾較小，調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間短，能方便的達(dá)到控制水溫的目的。另外，PWM脈沖調(diào)制可以方便地在軟件編程中實(shí)現(xiàn)，比硬件實(shí)現(xiàn)方法要簡(jiǎn)單和高效。圖3為繼電器PWM控制電路的仿真圖（圖中使用12V燈泡來(lái)模擬替代加熱管）。

2.3 鍵盤(pán)、顯示電路

如圖4所示，本系統(tǒng)使用按鍵實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)設(shè)值的設(shè)定調(diào)節(jié)。進(jìn)行預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)置了三個(gè)按鍵，一個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)溫度的菜單顯示，一個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)設(shè)值的增加，第三個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)設(shè)值的減小。

設(shè)置好溫度預(yù)設(shè)值之后，系統(tǒng)的顯示電路能讓預(yù)設(shè)的溫度值顯示在LED數(shù)碼管上。按下菜單鍵時(shí)，數(shù)碼管能夠顯示當(dāng)前溫度傳感器采集的溫度數(shù)值。顯示電路使用四位七段數(shù)碼管，溫度顯示時(shí)保留一位小數(shù)，能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度傳感器所采集的溫度值。系統(tǒng)使用單片機(jī)的P1、P2引腳分別控制數(shù)碼管的段選端和位選端，并用程序中的延時(shí)函數(shù)來(lái)設(shè)置數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，令數(shù)碼管能夠穩(wěn)定的顯示溫度值。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程圖

軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水溫的測(cè)量與控制，并能將溫度數(shù)據(jù)用數(shù)碼管顯示出來(lái)?？刂瞥绦蚰軌?qū)崿F(xiàn)1℃精度范圍內(nèi)溫度的PID控制，以達(dá)到在設(shè)定的溫度下水溫保持恒定不變的功能。

主程序流程圖如圖5所示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)設(shè)溫度值的設(shè)定、控制，和顯示實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)功能。

3.2 PID算法

在使用PID算法進(jìn)行水溫調(diào)節(jié)時(shí)，通過(guò)單片機(jī)來(lái)調(diào)整PWM波的占空比，PWM波的頻率為50HZ，可根據(jù)不同的溫度情況通過(guò)調(diào)節(jié)占空比的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。通過(guò)PWM調(diào)制，可以對(duì)加熱管的輸出功率進(jìn)行控制，減小水的溫度慣性。

另外，使用PID算法可減小水溫接近預(yù)設(shè)溫度時(shí)產(chǎn)生的靜態(tài)誤差，僅使用加熱管進(jìn)行加熱就可以達(dá)到恒溫控制效果，從而去除溫度靜差的影響。

4 結(jié)論

在科技高速發(fā)展的今天，自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我們的生活、工作和科研等各個(gè)領(lǐng)域。本文研究了一種由控制電路、制熱電路、顯示電路和按鍵電路等部分組成的水溫控制系統(tǒng)?？刂茊卧捎?1系列單片機(jī)，通過(guò)DS18B20集成溫度傳感器，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集和反饋；為了提高電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用PWM調(diào)制方法控制SSR固態(tài)繼電器通斷，從而將功率控制電路進(jìn)行簡(jiǎn)化；采用軟件控制方法，基于PID算法來(lái)控制水溫恒定，減小了水溫控制的慣性值。本文設(shè)計(jì)的水溫控制系統(tǒng)操作方便、顯示清晰、穩(wěn)定性好、精準(zhǔn)度高、實(shí)用性強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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[通聯(lián)編輯：梁書(shū)]