基于PID算法和89C52单片机的温度控制系统

0 引 言
    温控技术无论是在工业生产，还是日常生活中都起着非常重要的作用。在冶金、石油、化工、电力和现代农业等行业，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一，在普通家庭里热水器、电饭煲、电烤箱等依赖于温控技术的家电设备也是必不可少。可以说温度控制技术无处不在。
    常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围即进行温度调控：低于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、容易引起震荡，达到稳定点的时间也长，因此，只能用在精度要求不高的场合。
    而采用PID算法进行温度控制，它具有控制精度高，能够克服容量滞后的特点，特别适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。
    单片机作为控制系统中必不可少的部分，在各个领域得到了广泛的应用，用单片机进行实时系统数据处理和控制，保证系统工作在最佳状态，提高系统的控制精度，有利于提高系统的工作效率。本系统采用单片机编程实现PID算法进行温度控制。

1 PID控制的原理和特点
    在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。
    PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时问和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
    PID一般算式及模拟控制规律如式(1)所示：
   
    式中：u(t)为控制器的输出；e(t)为偏差，即设定值与反馈值之差；KC为控制器的放大系数，即比例增益；TI为控制器的积分常数；TD为控制器的微分时间常数。PID算法的原理即调节KC，TI，TD三个参数使系统达到稳定。
    由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此在计算机控制系统中，必须首先对式(1)进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：
   
    将式(2)和式(3)代入式(1)，则可得到离散的PID表达式：
   
    式中：△t=T为采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度(采样定理)；E(K)为第K次采样时的偏差值；E(K-1)为第K-1次采样时的偏差值；P(K)为第K次采样是调节器的输出。

2 系统的硬件构成
    本系统由传感器A／D采样输入、单片机控制、人机交互、控制信号输出四部分组成，其中温度传感部分由测试采样电路实现，人机交互由矩阵键盘和LCD液晶屏构成，PID控制算法由89C52单片机实现，控制信号输出部分则由功率放大和开关控制电路组成。系统框图如图1所示。

3 主程序流程
    软件程序是本控制系统的核心，它包括从温度采样到信号输出的整个流程控制，其示意图如图2所示。

    程序功能主要由以下的几部分组成：
    (1)初始化：设定各参数的初始值，设定各中断及定时器。
    (2)接收／发射：此部分程序主要完成数据的控制及显示，主要通过89C52单片机的全双工串行口完成和键盘部分的双向通信。
    (3)PC机通信：此部分完成与微机控制接口RS 232的连接及通信的控制。
    (4)数值转换子程序：由于主程序中用到了很多的数值转换及数值的运算(如十进制转换成十六进制、双字节与单字节的除法运算等)，为了程序调用的方便，特将其编写成子程序的形式。
    (5)PID算法。

4 实验测试
    系统的性能与稳定度需要通过具体实验测试完成。现用1 kW的电炉将电热杯中的1 L清水进行加热。
    观测设定值和实测值之间的误差(当水温达到稳定时的值)，计算绝对误差和相对误差，见表1。

    设定温度为50℃，每隔30 s记录实测温度，如表2所示。

    从表2中的数据可知，系统运行5 min时基本达到稳定。

5 结 语
    由实验结果可以看出，系统的误差基本稳定在±0．3℃，可见系统的精度很好。此外，系统运行5 min时温度基本达到稳定，稳定所需时间较短。可以看出，基于PID算法的单片机温度控制系统具有较高的精确度和稳定性，在温度调节阶段平衡温度时间较短。因此本系统可以应用于各种对精度要求较高的温度控制场合。