基于PID 控制的温度智能控制系统的设计

王晓芳

（大连职业技术学院，辽宁大连 116037）

1 恒温箱的组成

恒温箱的主要功能是可以精准地调节和控制箱体内的温度，多应用于实验室、工业、医药中。在生物实验室，为了培养所需的生物材料，获得精确的实验数据，对恒温箱的恒温精确度要求较高。农业生产中，植物育种需要在特定温度环境下完成。医药方面，医用恒温箱对于药品的储存和运输具有重要作用。恒温箱的组成包括以下3 个模块。

（1）温度传感器模块。温度传感器安装在恒温箱内部，主要用来测量箱体的温度，并将其反馈给恒温箱的主控模块，主控模块根据反馈回来的温度大小进行温度的控制。

（2）降温模块。降温模块主要功能是：当恒温箱内温度超过设定的阈值时，在主控模块的控制下，通过采取冷水循环或风冷形式来降低恒温箱内部的温度。

（3）加热模块。加热模块主要功能是：当恒温箱内的温度低于设定的阈值时，主控模块控制加热电路工作，进而驱动加热棒使箱体内部升温。

本项目设计了基于PID 算法的恒温控制系统，可以实现箱体内部温度的精确控制。

2 PID 算法原理

PID（Proportion Integration Differentiation）其实就是指比例、积分、微分控制，PID 算法控制原理如图1 所示：利用反馈来检测误差信号，通过误差信号控制被控量，而控制器本身就是比例、积分、微分3 个环节的加和。

PID 控制是应用非常广泛的控制算法，小到控制一个元件的温度，大到控制无人机的飞行姿态和飞行速度等，都可以使用PID 控制。

图1 PID 算法控制原理

根据图1，考虑在某个特定的时刻t，此时输入量为rin（t），输出量为rout（t），于是偏差就可计算为err（t）=rin（t）-rout（t）。于是PID 的基本控制规律就可以表示为：

其中，Kp为比例带，T1为积分时间，TD为微分时间。比例就是用来对系统的偏差进行反应，所以只要存在偏差，比例就会起作用。积分主要是用来消除静差。所谓静差，就是指系统稳定后输入输出之间依然存在的差值，而积分就是通过偏差的累计来抵消系统的静差。而微分则是对偏差的变化趋势做出反应，根据偏差的变化趋势实现超前调节，提高反应速度。

3 恒温控制电路的设计

3.1 温度采集模块选择

采用DS18B20 温度传感器作为温度采集模块，该传感器具有面积小、连线简单和信号处理快速等优点。这款测温芯片的温度测控范围为-55～+125，所收集到的温度信息能够在1 s 以内把温度参数改变成数字参数并且通过一根数据线将参数信息传递到单片机之中。当芯片测量到当前环境之中的温度参数时，它会把这些温度参数保存在自己的RAM 存储器之中，每个芯片都有2 个8 位的RAM 存储器，分别编号为0 和1。这两个存储器分开存储芯片测量到的温度信息，1 号存储器存储的是温度信息的正负值，0 号存储器中存放的是温度值的大小信息。

3.2 升温电路设计

本项目选用电阻加热的加热形式。在考虑了加热环境以及加热目的之后，选用加热比较温和的水泥电阻作为加热元件，进行加热电路的设计。电阻加热也可以分为直接电阻加热和间接电阻加热，通过电流流过电阻而产生的功率发热属于间接加热的一种。本项目采用的是后者。

3.3 降温电路设计

图2 水冷循环电路

恒温箱的工作过程中不是一直都处于一种单纯的加热或者是降温过程之中，它是两种工作模式同时存在的，利用加热来给恒温箱进行加热，利用降温电路来给恒温箱降温，从而动态调节升降温电路从而使箱体内温度达到动态平衡。本项目采用的降温方式为水冷循环降温（图2）：电机通过驱动水泵，带动水流的循环；液体在水管中循环流动，给箱体内的环境进行降温；继电器与单片机最小系统相连，通过单片机的控制，调节水泵的转速大小；水泵转速的调节影响着水流体在水管之中的流动速度，决定着箱体内温度下降的速度。

4 软件设计

系统在开机上电的时候，首先进行初始化，开始执行代码，通过电路的按键预设温度值。然后将输入的温度预设值与温度传感器反馈回来的温度进行对比：如果当前恒温箱的温度小于预设温度值，那么将会驱动加热电路进行工作；如果当前恒温箱的温度大于预设温度值，系统就会启动降温电路进行水循环冷却（图3）。

图3 恒温控制系统

5 结论

设计了一种基于PID 算法控制的恒温加热系统，并完成了实物的制作（图3）。测试结果表明，该控制电路可以实现恒温箱内温度的调节，并能保持温度在设定的阈值处保持不变，验证了该电路设计方案的可行性和有效性。