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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。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

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，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，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，同时对单片机性能要求提高，性价比低，方案二LM1602