文档介绍：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STC89C52,PID算法,液晶LM1602,双向晶闸管BTA06
1 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。:

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PID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
温度信号的采集及AD转换

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,且温度传感器的接线较为麻
烦,制作成本较高。
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。
主机控制模块

采用快速单片机,比如STC12C5A32S2、ATmega16、W77E58等。以ATmega16为例,ATmega16单片
机是基于增强的AVR RISC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1 MIPS/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。
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12MHz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,。
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。
显示模块

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
,;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。
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。
温度控制模块
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