基于PID算法的水箱温度控制系统

1. 概述
本设计为基于STC89C52单片机的智能水温控制系统，控制对象以500mL陶瓷水箱为容器，并使用PID控制算法来调整水箱中500ml纯净水的温度。水温可以在一定范围内人为设定，并能实现在下限温度到上限温度之间对每个点温度的控制。

主要的功能为：

• 可以通过键盘自由设定上限温度和下限温度，通过12864液晶显示，显示的最小区分为1度
• 可以通过DS18B20温度传感器测量水温并通过12864液晶显示水的实际温度，最小区分为0.1度
• 系统应具有在水温下限到水温上限全量程内的加热功能（当水温低于水温下限时开始加热，水温低于水温上限时自动断电停止加热）
• 使用PID控制算法，调节温度
• 存储设定的参数到EEEPROM中，并记录升温曲线（程序中使用DS1302，精确设定时间间隔，使用EEPROM记录升温曲线）
• 可以记录3组参数以及对应的3组升温曲线（每组250个温度数据）

2.硬件设计
本次设计的硬件电路是由STC89C52 单片机为控制核心，通过DS18B20温度传感器采集的温度，传送给单片机进行PID计算，将结果作为PWM的占空比来驱动加热棒；同时，通过LCD12864显示屏、按键和DS1302时钟芯片，可实现温度值的显示和目标温度的设置。整体硬件框图如图所示：

(1)12V转5V稳压电路
由于系统的供电电源采用了4节18650锂电池供电，需要使用LM2596-ADJ芯片进行稳压，转换成12V电压，作为加热棒的加热电源，并通过LM7805-5.0稳压芯片转换为5V电压，作为单片机和其他功能电路的工作电压。稳压芯片的电路可根据芯片技术手册中的参考电路来搭建，其电路图如图：

(2)按键电路
本次设置了4个控制按键，分别为设置键、增加键、减少键和OK键，通过这四个按键，可以根据用户的需求来调整相应的参数。

(3)DS1302时钟电路
DS1302时钟电路可以为系统提供实时年、月、日、星期、时、分、秒。

(4)加热控制电路
加热电路主要三极管及功率MOS管搭建而成的，3个三极管为MOS管的提供可靠的控制电平。如图所示，当单片机引脚为高电平时，三极管T3导通，T2导通，T1截止，从而MOS管的G极接地，MOS管截止；相反，当单片机引脚为低电平时，三极管T3截止，T2截止，T1导通，从而MOS管的G极接电源，MOS管导通，加热棒加热。

其他都相对简单，就不一一解释了。
（5）总体硬件电路图

3. 软件设计
系统软件所需实现的功能主要为：

• 按键输入与设置
• 显示屏界面显示
• PID算法调节
• 时钟读取及显示

(1)按键输入与设置

//*按键处理函数 KEY_Scan
uint8 KEY_Scan(uint8 mode)
{
		static uint8 key_up = 1; //按键松开的标志
		Button0 = 1;
		Button1 = 1;
		Button2 = 1;
		Button3 = 1;
		if(mode == 1)
		{
			key_up = 1;
		}
		if(key_up&&(Button0 == 0||Button1 == 0||Button2==0||Button3 == 0)) 		//第一次读取按键的状态
		{
				Delay1ms(3);																//延时10MS，去抖动 
				if(key_up&&(Button0 == 0||Button1 == 0||Button2==0||Button3 == 0))//有按键按下 
				{
					key_up = 0;													//按键按下的标志
					if(Button0 == 0) 			return Button0_value;			//按键0按下
					else if(Button1 == 0)		return Button1_value;			//按键1按下
					else if(Button2 == 0)		return Button2_value;			//按键2按下
					else if(Button3 == 0)		return Button3_value;			//按键2按下
				}
		}
		else if(Button0==1&&Button1==1&&Button2==1&&Button3==1)
		{
				key_up = 1;			//按键松开的标志
		}
		return 0;
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : Exint0
* 函数功能		   : 外部中断0中断服务函数
* 输    入         : 无
* 输    出         : 无	   
*******************************************************************************/
void Exint0 (void) interrupt 0					//外部中断0中断服务程序
{
	if(KEY_Scan(1) == Button0_value)			//按键0按下
	{
		LCD_cursor++;							//移动光标
	}
	if(LCD_cursor >= 9)
    {
      LCD_cursor = 0;
    }
	if(KEY_Scan(1) == Button1_value)  
	{
		(*Adjustable_Value[LCD_cursor]) ++;		   //光标对应的数++
		//对应数据的限制
		if(Low_temp >= High_temp - 1)	 Low_temp = High_temp-1;
		if(Set_temp>=High_temp)          Set_temp = High_temp;
		if(Read_add>3)					 Read_add =  1;
		if(Write_add>3)					 Write_add = 1;		
	}
	if(KEY_Scan(1) == Button2_value)  
	{
		(*Adjustable_Value[LCD_cursor]) --;		  //光标对应的数--
		//对应数据的限制
		if(High_temp <= Low_temp + 1)	 High_temp = Low_temp+1;
		if(Set_temp<=Low_temp)           Set_temp = Low_temp;
		if(Write_add<1)					 Write_add = 3;
		if(Read_add <1)					 Read_add  = 3;
	}
	if(LCD_cursor == 0)
	{
		if(KEY_Scan(1) == Button3_value)   
		{
			 start_warm_flag = 1;
			 if(temp_save_flag == 1)
			 {
			 	start_time=readtime[12]*10+readtime[13];		//记录开始时间
				start_time = start_time%temp_cycle - 1;
			 }
		}
			
	}
	if(LCD_cursor == 1)
	{
		if(KEY_Scan(1) == Button3_value)   
		{
			 start_warm_flag = 0;
			 temp_save_flag  = 0;
			 
		}	
	}
	if(LCD_cursor == 3)						    //光标指向横坐标所在数据时
	{
		if(KEY_Scan(1) == Button3_value)   
		{
			 temp_read_flag = 0;
		}	
	}
	if(LCD_cursor == 7)						  	//光标指向读数据位置时
	{
		if(KEY_Scan(1) == Button3_value)		//读按键按下
		{
			
			Read_EEPROM_Word(Adjustable_Value,Read_add);
			Read_add = 	Write_add;
			LCD12864_WriteCmd(0x01);			//清屏
			temp_save_flag = 0; 				//温度保存标志 
			temp_read_flag = 1;					//阅读温度的标志
		}	
	}
	else if(LCD_cursor == 8)				  	//光标指向写数据位置时
	{
		if(KEY_Scan(1) == Button3_value)	  	//写按键按下
		{
			time = 0;						  	//温度从零地址开始写
			Write_Word_EEPROM(Adjustable_Value,Write_add);	
			temp_save_flag = 1;	
			temp_read_flag = 0;   							//温度保存标志 
			LCD12864_WriteCmd(0x01);			  			//清屏
		}
		Clear_flag = 1;							  			//清屏标志
	}
	if(LCD_cursor == 0 && Clear_flag == 1)		  			//光标循环一圈时，清屏
	{
		LCD12864_WriteCmd(0x01);
		Clear_flag = 0;	
	}	
}

(2)PID算法调节

int16 Proportion	= 64;	// 比例常数 Proportional Const   
int16 Integral  	= 0;	// 积分常数 Integral Const   
int16 Derivative	= 54;	// 微分常数 Derivative Const   
float LastError;			// Error[-1]   
float PrevError;			// Error[-2]   
float SumError;	  		// Sums of Errors
 
float Now_temp;
float Target_temp;
float Temp_Out;

float PID_Calc(float NextPoint ,float SetPoint)
{
	float D_Error,Error;
	float II;
	Error = SetPoint-NextPoint;			//偏差
	SumError+=Error;					// 积分
	D_Error =LastError-PrevError;		// 当前微分
	PrevError =  LastError;
	LastError =  Error;
	II = Integral*SumError/10000.0;		//积分缩小10000倍
	if(II>30)			 //积分饱和限制
	{
		II=30;	
	}
	return (Proportion*Error+II+Derivative*D_Error);
}

void Control_Temp(void)
{
	Now_temp = Temp_numbe;
	Target_temp =  Set_temp;
	if(Now_temp>High_temp)
	{
		PWM_duty = 0;	
	}
	else
	{
		Temp_Out = PID_Calc(Now_temp,Target_temp);	
		if(Temp_Out >= 100) 	Temp_Out = 100;
		else if(Temp_Out <=0)	Temp_Out = 0;
		//不同的温度设置不同的比例补偿热量损失
		//Temp_Out = Temp_Out+Target_temp/80.0*20; 		
		PWM_duty = (int)Temp_Out;
	}
}

(3)主函数

void main(void)
{
	int16 temp;             //温度缓存值
	System_Init();			//系统初始化
	while (1)
	{
		LED2 = 0;
		Ds1302_time();
		real_time = readtime[12]*10+readtime[13];			//从1302中读取秒值
		real_time = real_time%temp_cycle;	
		Temp_numbe = Temp_collect();   						//采集温度
		if(temp_save_flag == 1 && start_warm_flag == 1)								//按下了存储按键
		{
			if((real_time == start_time)&&(real_time- last_real_time!=0)) //每隔10S记录一次时间
			{
				temp = (int16)(Temp_numbe*100+0.5);			//将温度值增大100倍，保留两位小数
				Write_DATA_EEPROM(temp,Write_add,time);		//将温度写入EEPROM中保存
				time++;
				if(time >= 250)								//最多记录250组的值
				{
					time = 250;
				}
			}
		
		}
		last_real_time = real_time;
		if(start_warm_flag == 1)
		{
			Control_Temp();    								//温度控制函数
		}
		else
		{
			PWM_duty = 0;
		}
		//上限报警
		if(Temp_numbe > High_temp)  LED0 = 0;		
		else LED0 = 1;
		//下限报警
		if(Temp_numbe < Low_temp) LED1 = 0;
		else   LED1 = 1;
		Init_LCD12864_Set();								//LCD12864液晶显示数据的标识
		LCD12864_Show_DATA();							    //LCD12864液晶显示数据
		UART_Send_temp();									//将采集温度并通过串口发送到上位机
		//Uart_Send_time();									//将DS1302的时间发送给电脑
		UART_Send_PWM();									//将控制加热棒的PEM占空比实时发送监控
		UART_SendData('\n');
		
	}			
}

详细完整的程序，可下载源码。

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