基于PID控制的智能水温调节系统设计

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【摘要】在生产生活中，经常需要对温度进行有效的控制。该设计采用MSP430F149单片机和DS18B20水温采集模块，运用pid算法，实现对水温的精确控制，并通过液面检测装置实现恒压供水的目的。整个系统具有结构简单、运行可靠、成本低廉等优点，有着广泛的应用前景。

【关键词】MSP430F149;DS18B20;PID算法;恒压供水

Abstract：In the production and living，we often need to control the temperature effectively.This design used MSP430F149 microcontroller and DS18B20 temperature acquisition module，by PID algorithm to achieve precise control of temperature and constant pressure water supply purposes by liquid level detection device.The whole system has a simple structure，reliable operation，low cost and so on.So it has a wide range of applications in the future.

Keywords：MSP430F149;DS18B20;PID algorithm;Constant pressure water supply

1.引言

温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工等领域会经常遇到的一个物理量。在工业生产过程中为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度，压力，流量，速度等进行有效的控制。其中温度控制在生产过程中占据了相当大的比例[1]。采用单片机控制，这些控制技术会大大提高控制精度，不但可以使控制简捷，降低产品的成本，更提高了生产效率[2]。且温度是一个模拟量，如果采用相适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但却成本较高，电路复杂[3]。

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。本系统运用PID算法，实现对水温的精确控制，并通过液面检测实现恒压供水的目的。整个系统具有结构简单、稳定可靠、成本低廉等优点，有着广泛的应用前景。

2.系统方案

2.1 系统总体方案设计

系统采用MSP430F149单片机为主控芯片，由主控模块、DS18B20水温采集模块、电磁阀控制模块、键盘输入模块以及液晶显示等模块组成。系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

2.2 设计方案论证

2.2.1 温度传感器的选取

铂电阻温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好，但其成本较高。热敏电阻有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，温度测量范围为-55℃～+125℃，测温分辨率可达0.0625℃。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。

2.2.2 显示模块选择

采用LCD12864液晶显示。LCD12864具有8位并行和串行数据传输，控制简单，操作方便，可以编写良好的人机交互界面，故选用此液晶。

2.2.3 液位检测模块

若采用红外对管，利用液面变化水和空气对红外线的反射效果不同来产生一个不同的电压，通过电压变化来判断液位变化。但通过实验该方案受外界影响较大，可靠性不好。本系统采用发光二极管加光敏二极管组成液面检测装置。效果明显且电路简单，故选择此方案。

3.理论分析

3.1 PID控制方式

设输出量y（t）与给定量r（t）的差值为e（t）=y（t）-r（t），则有比例+积分+微分控制：;Kp为比例时间，Ti为积分时间，Td为微分时间。

3.2 参数的设定与调整

PID控制器各校正环节的作用如下：

比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差;积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度;微分环节能够反映偏差信号的变化趋势，并且能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间[4]。

PID控制的关键就是整定，编程时只设定他们的大概数值，然后通过反复的调试才能找到相对比较理想的参数值。面向不同的控制对象参数都不同，但是我们可以根据这些参数在整个PID过程中的作用原理，来讨论我们的对策。

1）调节温度能很迅速就达到目标值，但是温度过冲很大。比例系数太大，致使在未达到设定温度前加温比例过高，微分系数小，致使对对象反应不敏感;

2）升温或降温经常达不到目标值，小于目标值的时间较多。比例系数过小，升温或降温比例不够;积分系数过小，对恒偏差补偿不足;

3）基本上能够在控制目标上，但上下偏差偏大，经常波动。微分系数过小，对及时变化反应不够快，反映措施不力;积分系数过大，使微分反应被淹没钝化。

4）受工作环境影响较大，在稍有变动时就会引起温度的波动。微分系数过小，对及时变化反应不够快，不能及时反映;设定的基本定时周期过长，不能及时得到修正。

4.硬件电路设计

通过液面检测装置来实时监测供水的水压，从而实现恒压供水，提高系统稳定，便于温度控制，电路如下图2所示。本设计的温度控制系统是采用液晶屏LCD12864作为显示模块，接口如图3所示。

图2 双液位检测电路

图3 液晶显示接口电路

5.软件设计

系统的软件主要是采用C语言，对单片机进行变成实现各项功能。主程序对模块进行初始化，而后调用读温度、处理温度、显示、键盘等模块。用的是循环查询方式，来显示和控制温度，主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值并负责调用各子程序，其程序流程如图4。读出温度子程序的主要功能包括初始化，判断DS18B20是否存在，其程序流程图如图5所示。

6.测试及总结

温度控制在生产过程中占据了相当大的比例，采用单片机控制，这些控制技术会大大提高控制精度，不但可以使控制简捷，降低产品的成本，更提高了生产效率。另外，温度是一个模拟量，如果采用相适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但却成本较高，电路复杂。单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点。因此，本设计以MSP430F149单片机为核心部件，完成对水温信号的采集、处理、显示等功能;并采用了PID算法，因而提高了控制的准确度。另外，该设计还通过液面检测装置来实时监测供水的水压，从而实现恒压供水，提高系统稳定，便于温度控制。经测试，整个系统稳定可靠，具有结构简单、成本低廉等优点，有着广泛的应用前景。

参考文献

[1]金发庆等编.传感器技术与应用[M].北京机械工业出版社，2002.

[2]邵惠鹤.工业过程控制[M].上海：上海交通大学出版社，1997：58-62，78-101.

[3]曹巧媛主编.单片机原理及应用（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2002.

[4]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2003.

基金项目：湖北理工学院大学生科技创新项目（项目编号：11cx20）。

作者简介：谭洪（1991―），男，湖北恩施人，大学本科，现就读于湖北理工学院电气与电子信息工程学院，研究方向：嵌入式系统。

通讯作者：高海洲（1969―），男，湖北武汉人，副教授，研究方向：嵌入式系统及电力电子装置。