基于PID的电热水壶温度系统的设计与实现

聂茹

（华南理工大学 广州学院电子信息工程学院，广东 广州 510800）

温度的测量与控制是日常生活与生产实践中常见的课题，在工业生产、航空航天等领域，温度控制的水平直接关系着生产效率、产品质量以至设备与人员生命的安危。红外探测器是红外测温仪的关键部件，在种类众多的红外探测器中，各种热电制冷型红外探测器如HgCdTe红外探测器以其灵敏度高、响应快、高可靠性与稳定性、制冷快、方便易用等特点，在各种红外测试设备中得到了广泛的应用[1]。由于这种探测器的工作温度对响应的影响很大，而且目前专门为之设计的控制器产品比较少，因此有必要开发一种高精度的专用温度控制器。PID控制是最早发展起来的控制策略之一[2]，其结构简单、鲁棒性好、可靠性高，被广泛应用于工业控制过程，尤其是能够建立精确数学模型的确定性控制系统。随着微处理器的发展，体积小功能强的智能式控制器得到越来越广泛的应用。

本设计中的实验平台采用“热得快”加热器，对瓶装水进行加热。通过ds18b20温度传感器采集实时水温，输出数字量到STC89C52单片机，通过输出占空比变化的PWM控制固态继电器通断。给定值和测量值作比较后通过数字PID算法输出PWM。

1 数字PID基本原理

数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在时域中按连续系统进行初步设计，求出连续控制器，然后通过某种近似，将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。

在工业控制系统中，常常采用如图1所示的PID控制规律。

图1 闭环控制系统Fig.1 Closed-loop control system

按偏差的比例、积分、微分进行控制的控制器称为PID控制器。 其中 r（t）为系统给定值，c（t）为实际输出，u（t）为控制量。PID控制解决了自动控制理论所要解决的最为基本的问题，即系统稳定性、快速性和准确性。简单来说，PID控制器中各校正环节的作用如下：

比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生调节作用，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换趋势，即偏差信号的变化速率，并能在偏差值变化得太大之前，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。

2 系统硬件设计

2.1 系统结构图

温度检测采取集成数字式DS18B20温度传感器，通过检测出的温度（反馈量）与设定值进行比较，通过PID算法控制，输出PWM到功率控制装置，在此期间，应采取隔离保护措施，如光电隔离，把控制电路和功率电路隔离开，从而保护控制电路不受影响干扰。显示温度采用TS1602液晶显示。单片机采用STC89C52单片机型号。加热器采用日常常用的“热得快”电热棒，经固态继电器连接，220伏交流电经变压器变换电路产生过零触发信号，然后输入单片机中断产生同步PWM脉冲信号，这里的同步是指单片机开中断和交流信号刚好经过零点开始，产生PWM。PWM由两个定时器产生，占空比经过采样值和给定值比较后经PID算法调节，PWM输出控制固态继电器通断，本设计采用增量式PID。从而实现平滑快速加热不超调。输入温度采用独立键盘方式。系统结构图如图2。

图2 系统结构图Fig.2 System structure diagram

2.2 系统主要硬件部分实现

2.2.1 温度检测传感器模块DS18B20

温度传感模块采用单总线数字温度传感器DS18B20，单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换，控制都由这根线完成。DALLAS公司的DS18B20是这样一种独特的温度传感器，它只需一个接口引脚即可通信，可用数据线供电，并具备多点测温能力[3]。DS18B20具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点[4]，DS18B20使用方便，除了连根电源线，信号线只需接上拉电阻即可，加强了在传输过程的干扰

2.2.2 功率加热开关控制模块

功率加热开关控制模块固态继电器SSR，是一种新型的无触点开关的电子继电器，由于它的无触点工作特性，已广泛应用于计算机外围接口、数控机械、遥控系统、工业自动化装置、仪器仪表、自动洗衣机等系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等[5]。固态继电器SSR是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端。

2.2.3 加热控制电路设计

通过单片机IO口输出信号控制三极管Q1通断，从而控制固态继电器通断。固态继电器输出端并接了压敏电阻，因为热得快加热器是感性器件，通断瞬间易产生高脉冲电压，压敏

电阻起了保护固态继电器作用。加热控制电路如图3所示。

图3 加热控制电路Fig.3 Heating control circuit

2.2.4 显示电路的设计

显示电路采用LCD1602，LCD1602作为字符型液晶显示模块，具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点[6]。设计中，P1口作为数据口，PO口作为控制口，滑动电阻器VR1作为液晶显示屏的背景调光使用。LCD1602液晶显示接口电路如图4所示。

图4 LCD1602液晶显示接口电路Fig.4 LCD1602 liquid crystal display interface circui

2.2.5 供电电路

变压器输出端6 V接整流桥经滤波后输入7805稳压芯片，输出5 V稳定电压。稳压原理图如图5所示。

2.2.6 同步触发中断电路

同步触发电路如图6所示，输入端为6 V交流电，当输入交流电过零时，三极管Q2截止，集电极高电平，光耦管触发导通，输出端INTR高电平；当输入交流电非零状态时，三极管

图5 稳压电路Fig.5 Regulator circuit

图6 同步触发电路Fig.6 Synchronous trigger circuit

导通，集电极低电平，光耦管输入截止。INTR点为输出端。

因为固态继电器是过零触发型，所以当交流信号过零时触发单片机中断，单片机输出继电器控制信号。同步电路的作用是当单片机开中断和交流信号刚好经过零点开始，产生PWM，精确输出一定周期的信号。

3 系统软件设计

主要的程序流程图如图7所示。

图7 程序流程图Fig.7 Flow chart of program

PID输出量采用定时器中断控制PWM方式，中断控制程序控制输出PWM占空比，通过控制输出功率器件通断而控制输出电压 。

参数的选择始终是一件非常烦杂的工作，需要经过不断的调整才能得到较为满意的控制效果。PID控制器参数选择的方法很多，例如试凑法、临界比例度法、扩充临界比例度法等。

在参考了有关文献后，确定了以下参数具体确定方法 ：

1）确定比例系数Kp

确定比例系数Kp时，首先去掉PID的积分项和微分项，可以令Ki=0、Ki=0，使之成为纯比例调节。输入设定为系统允许输出最大值的60%～70%，比例系数Kp由0开始逐渐增大，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数Kp逐渐减小，直至系统振荡消失。记录此时的比例系数Kp，设定PID的比例系数Kp为当前值的60%～70%。

2）确定积分时间常数Ki

比例系数Kp确定之后，设定一个较大的积分时间常数Ki，然后逐渐减小Ki，直至系统出现振荡，然后再反过来，逐渐增大Ki，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ki为当前值的150%～180%。

4 系统测试

设定多种不同温度（高于室温），记录检测值和超调量。数据如表1所示。

表1 温度测试Tab.1 Temperature test

在反复调节PID参数之后，得出了相对理想的实验结果。从实验结果可以看出，加热系统出现较大超调量，稳定之后偏差在1摄氏度之内。经过反复实验及数据分析，造成系统偏差较大的原因是水的温度不均匀，局部温差较大，加热器件“热得快”具有记忆效应。

5 结束语

以STC89C52单片机为核心设计公交车自动报站系统，系统经过实际调试，可以正常运行，音质清晰，在各种公交车上都可以提供及时报站服务，具有很强的实用性。

[1]王琦.新型PID恒温控制器的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[2]赵修平，王天辉，林琨山.导弹发射装置伺服系统模糊PID控制研究[J].现代防御技术，2012，03:63-66.ZHAO Xiu-ping，WANG Tian-hui，LIN Kun-shan.Missile launcher servo system with fuzzy PID control research[J].Modern Defence Technology，2012（3）:63-66.

[3]何慧娟，何芝仙，赵转哲.基于DS18B20的单片机温控系统[J].科技信息，2008（13）:149-150.HE Hui-juan，HE Xian-zhi，ZHAO Zhuan-zhe.Temperature control system based on the DS18B20 [J].Science&Technology Information，2008（13）:149-150.

[4]王琪，朱光衡.一种基于DS18B20的单点测温方法的研究[J].科技传播，2011（17）:223-224.WANG Qi，ZHU Guang-heng.Research of single point temperature measurement method based on the DS18B20[J].Public Communication of Science&Technology，2011（17）:223-224.

[5]金小军，朱福祥，于林.固态继电器（SSR）在家用电器上的应用[J].家电科技，2009（15）:46-48.JIN Xiao-jun，ZHU Fu-xiang，YU Lin.Solid state relay（SSR） applied in household appliances[J].Home Appliances Technology，2009（15）:46-48.

[6]郑荣杰，贾新立，崔海良.基于单片机虚拟串口驱动LCD1602的电路仿真[J].河北水利专科学校学报，2010（1）:49-51.ZHENG Rong-jie，JIA Xin-li，CUI Hai-liang.Circuit simulation of MCU virtual serial port driver based on LCD1602[J].Journal of Hebei Water Conservancy College，2010（1）:49-51.