基于STM32的溫室大棚溫度控制系統

張憲陽 謝邵春 丁黎明 舒薇 張宇凡

（懷化學院 湖南省懷化市 418000）

1 前言

現階段的菜園信息管理技術還很不完善，特別是溫度控制上普遍采用位置式的非連續調節。為發掘更優質的溫度控制系統，我們研發了一套成本低、小巧、平穩的基于單片機的溫室大棚溫度控制系統，此系統采用了增量式PID 連續控制設備功率的方法，克服了傳統溫控以時間為變量的溫控時間滯后性，完成了溫控的在標準誤差下的溫度連續穩定動態調節[2]。

2 控制系統設計

2.1 大棚控制系統設計要求

（1）超調量小于等于10%；

（2）溫度連續柔性可調，范圍為20～30 攝氏度；

（3）穩定時溫度誤差小于等于±3%；

（4）上升時間20s；

（5）調節時間40s。

圖1：控制系統總體設計結構圖

2.2 控制系統總體設計

控制系統總體設計本設計如圖1 分為三個部分：單片機處理單元，可控硅功率控制單元，溫度傳感器單元。單片機處理單元主要進行對輸入與輸出量進行處理，包括溫度讀取，增量式PID 數據處理，升降溫度模式轉換。可控硅功率控制單元接受來自單片機計算出的PWM 波控制信號，通過交流斬波調節220V 市電，進而控制加熱器或降溫器的輸出功率。溫度傳感器單元，將環境中的實際溫度通過熱電偶采集到傳感器中進行溫度冷端補償，將溫度模擬量轉換成數字量以便單片機讀取[3]。同時與設置溫度值作偏差運算，不但完成了通過判斷偏差計算值的正負轉換加熱或降溫模式的過程，又將偏差值裝載，完成了PID 算法。做到了實時采集計算溫差來動態控制設備功率，最終使環境中的溫度保持在規定的溫度范圍內。

2.3 控制系統的硬件設計

控制系統硬件結構如圖 2所示，通過按鍵設置好恒定溫度值，當前環境溫度通過具有補償導線的K 型熱電偶采集到MAX6675 芯片。將環境的模擬量，進行校正并轉換為12 位數字量傳輸到單片機進行處理得到一個穩定的當前溫度值。同時將當前溫度值顯示到12864 液晶屏上。接下來，24C02 芯片上存儲的PID 整定值，經過IIC 傳輸到單片機并與定時器4 上得來的環境溫度數字量進行增量式PID 處理，來判斷是開啟加熱模式還是降溫模式。再通過PID算法控制定時器3 產生一個合適的PWM 占空比的信號，進而用PWM 波控制可控硅斬波電路最終控制加熱器或是降溫器的運行平均功率，輸出值越大，占空比越大，功率就越高。通過以上過程，進行實時采集實時控制，柔性地進行恒溫控制[4]。

2.4 控制系統的軟件設計

主程序如圖3所示，初始化部分包括標志位清零、顯示部分的初始化、溫度傳感器的初始化、定時器的初始化、PID 初始化等內容。系統通過K 型熱電偶采集大棚內的溫度，將采集到的模擬量傳遞至MAX6675 模塊，MAX6675 模塊將采集到的模擬量轉化為12 位數字量通過PD2 串口傳送至單片機系統，單片機采用定時器4 定時，每200ms 將得到的數據進行處理得到當前溫度值。將采集到的結果與初始化的PID 各參數進行PID 的運算，判斷PID 的運算結果是否大于0，若大于零，單片機通過PB9 串口打開升溫設備，否則通過PB8 打開降溫設備，同一時間采用定時器3 輸出占空比為PID的輸出值與PID 的周期的比值、頻率50Hz 的PWM 波，通過雙向可控硅控制執行設備的功率。

3 PID控制器設計

PID 算法基本原理如圖4所示，在本系統中，由于用在電路系統中，單片機在進行運算時傳遞的都是數字離散量，于是離散式的數字PID 算法才是溫度控制的核心，以下為PID 的離散式表達公式：

圖2：硬件設計圖

圖3：主程序流程圖

圖4：PID 算法基本原理

PID 算法中處理的變量為當前溫度值PV 與用戶設定溫度值SV的偏差值，也就是當前溫度差值Ek，用于比例運算；∑Ek為歷史的溫度差值，用于積分運算；Ek-Ek-1為近期溫度差值，用于微分運算。T 代表系統的采樣周期，Ti代表積分時間即比例與積分同時作用時間，TD 代表微分時間也就是微分與比例共同作用時間。這種常規位置式的數字離散式PID 由于積分運算是累加的，會導致PID 輸出中出現大量歷史偏差值不僅會使初次升溫達標時產生較大過沖，還使原本就具有滯后性的溫控環境更加滯后，還占用了大量的計算資源[5]。同時根據本系統由單片機根據PID 輸出值，調節脈沖寬度進而控制雙向可控硅斬波，改變電器功率而且在脈寬不變時功率也不發生改變的特性。

表1：臨界比例度法整定PID 參數

圖5：溫度控制仿真曲線

本系統采用增量式PID 算法。

當前采集溫度后PID 輸出值為[7]：

前一次采集溫度后PID 輸出值為：

Ek：本次的偏差；

Ek-1：上次的偏差

Ek-2：上上次的偏差

Kp：算法增益調節

Ti：積分時間

Td：微分時間常數

增量式PID 的計算只需要最近3 次的偏差（本次偏差，上次偏差，上上次偏差），不需要處理器存儲大量的歷史偏差值，計算量也相對較少，容易實現。而且在單片機中計算時，會出現差值小于零的情況，因為OUT 是一個增量，當由于此增量使得最后的PWM值小于零，也就意味著環境溫度遠高于設置的恒溫可以采取降溫模式。

4 系統仿真

系統的傳遞函數為：

為了驗證溫度控制系統的運行效果，本文以MATLAB 作為仿真平臺，將增量式PID 算法分進行仿真調試，并對Kp、Ki、Kd三個控制參數進行參數調節，采用臨界比例整定公式法進行參數初步整定，整定步驟如下[6]。

（1）先采用比例控制，從較大的比例度δ 開始，逐漸減小比例度，使系統對階躍輸入的響應達到臨界振蕩狀態[7]。將此時的比例度記作δr，臨界振蕩周期記作Tr。

（2）根據Ziegler-Nichols 提供的臨界比例度法經驗公式確定PID 控制器參數，見表1。

溫度控制仿真曲線如圖5所示，上升時間(響應從穩態值10%到達穩態值90%)為2.95s,峰值時間為4.44s，超調量為6.43%，調節時間為5s。控制效果良好，達到了系統控制要求。

5 結語

本文設計了一種基于單片機的溫室大棚溫度控制系統。通過硬件設計完成控制系統的主控電路、溫度控制系統的實現，并通過PID 控制器設計使系統能夠基本實現柔性地進行恒溫控制，達到了緩解農業土地的壓力的目標。