基于AVR单片机和PID算法的水温控制器.pdf

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1、第 2 5卷第 6期 2 0 0 6 年 6 月 国外电子测量技术 F o r e i g n El e c t r o n i c Me a s u r e me n t Te c h n o l o g y Vo l -2 5 。No 6 J u n ，2 0 0 6 固团圃 基 于 A VR单片机和 P I D算法的水温控制器 李震 洪添胜z ( 1 华南农业大学工程 学院 广 州 5 1 0 6 4 2 ； 2 华南农业大学信息学院广州 5 1 0 6 4 2 ) 摘要 ：文中介绍在水族箱加热棒 HA1 6 8基础上扩展而成的温度实时控制 系统。该 系统以水温为 主要参数 ， 控制核心

2、为高档 8位单片机 ATme g a 1 2 8 ， 采用 P I D算法 ， 更加合理地控制水温。单片机 控制 系统 自动运行 ， 并且能够与 P C机进行通信和状 态设定， 上位机程序采用图形化编程语 言 L a b VI E W 编写。经过 实际运行 ， 能够较好地控制水温。该模块也可以应用于其他的温度控制场合 。 关键词 ：ATme g a 1 2 8 水 温控 制P I D 算 法L a b VI E W 实 时控 制 W a t e r t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e r b a s e d o n AVR s i n g l e -

3、 c hi p m i c r 0 p r 0 c e s s 0 r a nd PI D a l g o r i t h m L i Z h e n Ho n g Ti a n s h e n g z ( 1 C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g，S o u t h C h i n a Ag r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y， Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 2 ： ) ( 2 Col l e g e o f I n f o r ma t i o n， S o u t h C h i

4、n a Ag r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y，G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 2 ) Ab s t r a c t ：I n t h i s p a p e r ，a r e a l t i me t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r e x t e n d e d f r o m t h e wa t e r t a n k h e a t e r HA1 6 8 wa s i n t r o d u c e d Ta k i n g wa t e r t e mp e r a

5、 t u r e a s t h e ma i n p a r a me t e r ，P I D a l g o r i t h m a s t h e s t r a t e g y a n d t h e 8 b i t s ATme g a 1 2 8 mi c r o p r o c e s s o r a s t h e c o n t r o l k e r n e l ，t h e wa t e r t e mp e r a t u r e c a n b e mo r e p r o p e r l y c o n t r o l l e d Th e s i n g l e

6、 - c h i p mi c r o p r o c e s s o r r u n s a u t o ma t i c a l l y a n d c a n b e c o n n e c t - e d t o P CP C p r o g r a m wa s ma d e f r o m g r a p h i c s t y l e L a b VI E W I t c o u l d c o n t r o l t h e wa t e r t e mp e r a t u r e p r a c t i c a l l y a n d c a n b e u s e d i

7、 n o t h e r t e mp e r a t u r e c o n t r o l l i n g a p p l i c a t i o n s Ke y wo r d s ：ATM e g a 1 2 8，wa t e r t e mp e r a t u r e c o n t r o l ，PI D，L a b VI E W ，r e a l - t i me c o n t r o 1 O 引 言 虽然大多数鱼类对于温度 的适 应范 围比较 广 泛 ， 但是 ， 一些价格 比较 昂贵的观赏鱼， 如蝴蝶鱼 ， 银 龙鱼等对于温度的要求 比较苛刻。随着人们生活水 平的提高 ，

8、 这些鱼类在我 国的饲养开始兴盛。温度 情况直接影响到这些鱼类 的生长和发育。因此 ， 对 饲养环境内温度进行控制是十分必要的。 现有 的一些温度控制设 备 ， 如 HA1 6 8型 的温 度控制棒 ， 结构比较简单 ， 一般采取的是开关式 的控 制 ， 即当测量温度低 于设定温度时进行加热 ， 其结果 是饲养水域内温度不均 ， 控温效果不理想 。目前 ， 国 外也开发出了一些基于单片式计算机的温度控制设 备 ， 但是价格 比较 高， 且 其操作 系统均为英文 ， 普及 性 不强 。 本系统在 HA1 6 8型温度 控制棒 的基础上 ， 开 发了智能控制单 元 ， 采取 P I D方式 的控制

9、策略 ， 实 现了定时控温 、 精确控温、 曲线显示以及与计算机的 通讯和数据存储等功能 。即可满足家用水族箱 内小 范围温度控制的需要 ， 也可 以作为工厂化研制 的温 度测控单元 。 l 系统组成 系统 由单片机、 温度采集电路 、 温度控制 电路 、 时钟电路 、 键盘输入 及显示 电路 、 声光报 警 电路 和 R S 2 3 2 接 口电路等部分组成 。系统的核心采用的是 作者简介 ： 李 震( 1 9 8 1 一) ， 男， 华南农业大学工程学院， 硕士研究生。 洪添 胜 ( 1 9 5 5 -) ， 男， 华南农业大学信息学院， 教授， 博士， 博士生导师。 维普资讯 http:

10、/ 4 8 国外电子测量技术 第 2 5卷 At me l公 司 的 高 档8 位 RI S C 单 片 机 AT Me g a 1 2 8 ， 晶体振荡频率为 l 1 0 5 9 2 M， 以实 现与 计算机间的精确通信 。ATMe g a 1 2 8具有 1 2 8 K 字 节 的系统内可编程 F l a s h ， 4 K字节 的 S R AM， 和 4 K 字节的 E E P ROM。由于其存储器空间较大 ， 故不须 外接存储单元就可以完成 L C D字库的存储等功能 。 系统的安装示意图和组成结构框 图分别如图 1 和图 2所示 。 图 1 系统示意 图 通过 R S 2 3 2电平

11、转换电路连接 P C机 ，打印机等设备 温度传感器 1 温度传感器 2 温度控制单元 ATme g a1 2 8 单片机 图 2 系统结构框图 键盘输入和 =D显示电路 声光报警 电路 小范围使用时， 只需将 两个温度探测单元分别 安装于相对 的两个壁上 ， 其 中一个温度探测器 比较 接近加热器， 其测量 的温度一般较高 ； 而另一个温度 探测器远离加热器 ， 其测量的温度一般较低。在此 ， 测量温度取两个温度探测器输出平均值。利用集成 时钟电路 DS 1 3 0 2为系统提供时钟信 息， 定时 系统 可以实现定时控温的功能。系统的温度控制单元包 括光电耦合器 ， 可控硅和 HA1 6 8型

12、加热棒 。 2 硬件 电路设计 2 1 温度采集电路的设计 温度采集使用 的是 D TC数字温度传感 器。该 传感器特点为 ： ( 1 ) 基 于 DS 1 8 B 2 0 ； ( 2 ) 具有专 门设 计 的不锈钢外壳 ， 壁厚仅 0 2 mm； ( 3 ) 具有导热性高 的密封胶 ， 保证灵敏度 。该传感器可在水 中长期使 用 ， 如图 3 所示 。 图 3 D TC数字温度传感器 数字式温度传感器 D S 1 8 B 2 0是美 国 D AL L AS 公司最新推出的一种可组 网数字式温度传感器 ， 采 用 1 一wi r e总线接 口， 测试温度范 围为 一5 5 到 + 1 2 5

13、， 精 度 可 达 0 0 6 7 5 ， 最 大 转 换 时 间 为 2 0 0ms 引 。D S 1 8 B 2 0能够直接读取被测物体的温度 值 ， 体积小 ， 电压适用 范围宽 ( 3 V5 V) ， 用 户还可 以通过编程实现 9 1 2位 的温度读数 ， 即具有可调 的温度分辨率 。 D S 1 8 B 2 0 与 单 片 机 的 接 口 简 单 ，只 需 将 D S 1 8 B 2 0的信号线 与单片机 的一 位双 向端 口相连 即可 引。其 供 电方 式 分 寄生 电 源方 式 ： VDD 和 GND端 均接 地 ； 外接 电源 方式 ： VD D端 用 3 V 5 5 V电源

14、供电。本系统中 DS 1 8 B 2 0采用外接 电源 方式 。 由于 D S 1 8 B 2 0的测 温分 辨率提高 了 ( 1 2位 ) ， 因此对时序及电特性参数要求较 高， 必须严格按照 DS 1 8 B 2 0的时序要求 去操作 。其数据 的读写是 由 主机读写特定时间片来完成的， 包括初始化、 读时间 片和写时间片。 主机控制 D S 1 8 B 2 0完成任何操作之前必须先 初始化 ， 即主机发一复位脉冲 ( 最短为 4 8 0 ms的低 电平) ， 接着主机释放总线进入接收状态 ， D S 1 8 B 2 0 在检测到 I O引脚上 的上升沿 之后 ， 等待 1 5 ms 6

15、0 ms 然 后 发 出存 在 脉 冲 ( 6 0 ms 2 4 0 ms的低 电 平 ) 。 写时间片 ： 将数据线从高电平拉至低 电平 ， 产生 写起始信号 。在 1 5 ms 之内将所需写 的位送到数据 线上 ， 在 1 5 ms 到 6 0 ms之间对数据线进行采样 ， 如 果采样 为高电平 ， 就写 1 ， 如果为低 电平 ， 写 0就发 生 。在开始另一个写周期前必须 有 l ms以上 的高 电平恢复期 。读时间片 ： 主机将 数据线从 高电平拉 至低电平 1 ms 以上 ， 再使数据 线升为高 电平 ， 从而 产生读起 始 信 号。主 机 在读 时 间片 下 降 沿 之后 维普资

16、讯 http:/ 2 0 0 6年第 6 期 李震 等： 基于 AV R单片机和 P I D算法的水温控制器 4 9 1 5 ms内完成 读位 。每 个 读周 期最 短 的持 续期 为 6 0 ms ， 各个读周期之间也必须有 l ms以上 的高电平 恢复期。 2 2 时钟 电路 D S 1 3 0 2 如图 4所示 ， DS 1 3 0 2是美 国 D AL L AS公司推 出的一种 高性能 、 低 功耗 、 带 R AM 的实时 时钟 芯 片， 它可以进行年 、 月、 日、 周 日、 时 、 分 、 秒计时， 且具 有闰年补偿功能， 工作 电压宽达 2 5 5 5 V， 采用普 通 3 2

17、 7 6 8 Hz 晶振 4 。采用三线接 口与 C P U进行 同 步通信 ， 并可采用突发方式一次传送 多个字节 的时 钟信号或 RAM 数据。DS 1 3 0 2内部有 一个 3 1 8 的用于临时性存放数据的 RA M 寄存器 。 S C L K I ， O 图4 D S 1 3 0 2管脚和 内部结构 D S 1 3 0 2是 D S 1 2 0 2的升级产品， 与 D S 1 2 0 2兼 容 ， 但增加了主电源 后背 电源双 电源 引脚 ， 同时提 供 了 对 后 背 电 源 进 行 涓 细 电 流 充 电 的 能 力 。 D S 1 3 0 2的 VC C2接主 电源 ， 针

18、对不 同的 电源 备份 系统 ， 如可充电的镍氢 电池 、 镍镉 电池 ， 还有容量不 同的超级电容 ， D S 1 3 0 2专门提供了可编程涓流充 电 电路 ， 以适应不同的充 电电流要求。 通过设置电路内的 D S和 RS控制位， 可设置不 同的 最 大 充 电 电 流 I MAX。 例 如 控 制 字 是 1 0 1 0 0 1 0 1 ， 则表示选通了一只二极管 ， 同时选通阻值 为 2 k Q 的 R1 ， I MAX 计 算 公式 如 式 ( 1 ) ， 式 中的 VD r o p是二极管的电压降。 I MAX=( V 2 7 2 VDr o p) R 7 2 1 ， 2 ( 1

19、 ) 2 3温度 控 制 电路 温度控 制电路 主要 由光 电耦 合器和 可控硅组 成， 如图 5所示 5 。单片机发出控制信号( P WM) 经 驱动器后控制光电耦合器的状态。当光 电耦合器工 作后 ， 使双向可控硅的触发极处于高电平 ， 可控硅处 于导通状态 ， 进 而控 制加热棒 的工作 。系统使用双 向可控硅 ， 使交流 的 2 2 0 V 电压在全 周期 内都能够 加载在加热棒上 。使用光 电耦合器能够有效地降低 外界对系统的影响 ， 增强 了系统 的稳定性。其 中光 电耦 合 器 采 用 MO C3 4 0 1 ， 可 控 硅 采 用 B T1 3 8 6 0 0 ， 其耐压为 6

20、 0 0 V。RL为加热棒 。 图 5 温度控制 电路 2 4 键盘、 I J 2 D显示和声光报警 电路 系统的键盘采用扫描模式的 1 2键设计 ， 分别实 现时间设定 、 控制温度设定 、 显示模式和界面的选择 等功能。可以设定 当前 的时间、 设定温 度调控 的时 间( 并非一天之内都需要进行恒温控制 ， 这样可 以节 省耗电) 、 设 定进行恒温控制 的温度等。L C D采用 的是 1 2 8 6 4型 ， 共有 1 2 8行 ， 6 4列 引。主要显 示 的 内容包括( 1 ) 当前 的时间， 格式为 ： 年 月 日 时 分 秒 ； ( 2 ) 设定的进行恒温控制的温度和采样 的温度

21、 ； ( 3 ) 时间设定和温度设定界面 ； ( 4 ) 当前温度的曲线 显示等。其中 ， 本系统可以动态地在 I D上显示温 度的变化曲线 ， 由于 I D显示范围的限制， 其显示 精度为 2 C 格 ， 显示的范围为 2分钟 ， 使 用者可以 了解温度在一段时间内的变化情况。 2 5 R S 2 3 2接 口电 路 通过 RS 2 3 2接 口电路 ， 系统能够与上位机进行 通信 ， 将测量的温度实时地传向计算机 ， 使控制人员 可 以在控制 中心了解水域 中的情况 。另外 ， 也可 以 通过计算机调整系统的时间和控制温度 。 3 P I D算法设计及实现 本系统使用增量式 的 P I D

22、算法 7 ， P WM 的来 自下位 机 ATMe g a 1 2 8的 定 时 计 数 器 1的输 出 O C1 A， 其 中 P I D如式( 2 ) Au ( k ) 一Ae ( k) 一 BP ( 志 一 1 ) + Ce ( k - 2 ) ( 2 ) 其 中 e ( k ) 为误差值 ， 直接把 u ( k ) 的值 送给 维普资讯 http:/ 国外电子测量技术 第 2 5卷 Me g a 1 2 8的内部 的比较寄存器 。分 两种状态 ： ( 1 ) 如果 当前值小于输入的设定值 ， 则 P WM 波形 占空 比增加 ， 输出加热， 直到输出值等于设定 值。( 2 ) 如 果输

23、 出值大于或等于设定值 ， 则 P WM 输 出 占空 比 减小 ， 让系统 ( 水 ) 自然散热 ， 当一旦检测到输 出值小 于设定 值 时， 又改 变 P WM 波 型输 出， 返 回状 态 ( 1 ) 。通过不断的加热和散热 ， 让系统的输 出值维持 在设定值 。 4 上位机程序 上位机程序采用美 国 NI 公司的图形化编程语 言 L a b VI E W7 1编写l 8 。按 照功 能模块划分 可分 为 ： 串口通信模块 、 数据打包 和解析模块 、 数据显示 和存储模块 、 参数设定模块等 。 4 1 串口通信模块 串口通信模块包括 Vi s a wr i t e VI ， Vi s

24、 a Re a d VI ， Vi s a C l o s e VI以及一个 P r o p e r t y No d e 。其功 能是( 1 ) 实现 串口的基本参数设定 ， 如波特率 、 缓存 区大小 ， 奇偶 校验位 、 数据位 数和是 否包含结 束位 等 ； ( 2 ) 实现计算 机与 P C之 间的数 据传输。程 序 中， 波特率选用 9 6 0 0 ， 8 位数据位 ， 不进行奇偶校验 ， 一 位停止位， 每次通信 的间隔为 0 5 秒 。 4 2 数据 打包 解析 模块 由于采用连续 的通信方式 ， 在数 据之间没有 明 显 的区别。即如果发送“ 0 x 0 1 ” ， 无论上位

25、机还是下 位机都不能确定该数据是时钟信息还是设定 的温度 信息。因此 ， 有必要定义一定 的通信协议 。数据包 括下位机和上位机两部分， 分别如表 1 、 表 2所示。 表 1 下位机 向上位机发送 的数据格式 D 7 D6 D 5 D 4 D3 D 2 Dl DO 解释 0 0 0 0 X X X X 测量温度十位 0 0 0 1 X X X X 测量温度个位 O O l O X X x x 测量温度十分位 0 1 0 0 X X X X 读设定温度十位 O l O l X X X X 读设定温度个位 表 2 上位机 向下位机发送 的数据格 式 D7 D6 D 5 D 4 D 3 D2 Dl

26、 D 0 解释 1 1 0 0 X X X X 设定温度十位 1 1 0 1 X X X X 设定温度个位 4 3 数据显示和存储模块 、 参数设定模块 数据显示模块能够直 观地显示 当前时 间、 控制 状态 、 被控水域的温度情况 ， 也可以将测量得到 的数 据进行存储为 E x c e l 格式的文档 。 参数设定模块 能够设定控制温度 ， 并通过 串口 模块发送给下位机 。 5 结束语 本文介绍了在水族箱加热棒 HA1 6 8基础上扩 展而成 的温度实时控制系统 ， 主要特点为： ( 1 ) 系统以水温为主要参数 ， 采用高档 AVR系 列单片机和 P I D算法 ， 利用 了 AVR系

27、列高档单片 机 ATme g a 1 2 8强大 的浮点计算能力和 P WM 输 出 功能， 控制更加准确 。 ( 2 ) 单片机控制系统 自动运行 ， 并且能够与 P C 机进行通信 。状态设定和人机交互界 面均 由 L a b VI E W 软件开发 ， 界面友好美观。 温度控制模块还可以用来作为其他温度控制元 件 ， 如室温控制等的核心单元使用 。 参考文献 1查明华At me l At me g a 1 2 8新型微控制器及应用E J 工业控制计算机， 2 0 0 2 ， 1 5 ( 1 0 ) ： 5 7 _ 5 8 2 赵亮， 侯 国锐 单片机 C语言编程与实例E M 北京： 人

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