基于PID 控制的溫度智能控制系統的設計

王曉芳

（大連職業技術學院，遼寧大連 116037）

1 恒溫箱的組成

恒溫箱的主要功能是可以精準地調節和控制箱體內的溫度，多應用于實驗室、工業、醫藥中。在生物實驗室，為了培養所需的生物材料，獲得精確的實驗數據，對恒溫箱的恒溫精確度要求較高。農業生產中，植物育種需要在特定溫度環境下完成。醫藥方面，醫用恒溫箱對于藥品的儲存和運輸具有重要作用。恒溫箱的組成包括以下3 個模塊。

（1）溫度傳感器模塊。溫度傳感器安裝在恒溫箱內部，主要用來測量箱體的溫度，并將其反饋給恒溫箱的主控模塊，主控模塊根據反饋回來的溫度大小進行溫度的控制。

（2）降溫模塊。降溫模塊主要功能是：當恒溫箱內溫度超過設定的閾值時，在主控模塊的控制下，通過采取冷水循環或風冷形式來降低恒溫箱內部的溫度。

（3）加熱模塊。加熱模塊主要功能是：當恒溫箱內的溫度低于設定的閾值時，主控模塊控制加熱電路工作，進而驅動加熱棒使箱體內部升溫。

本項目設計了基于PID 算法的恒溫控制系統，可以實現箱體內部溫度的精確控制。

2 PID 算法原理

PID（Proportion Integration Differentiation）其實就是指比例、積分、微分控制，PID 算法控制原理如圖1 所示：利用反饋來檢測誤差信號，通過誤差信號控制被控量，而控制器本身就是比例、積分、微分3 個環節的加和。

PID 控制是應用非常廣泛的控制算法，小到控制一個元件的溫度，大到控制無人機的飛行姿態和飛行速度等，都可以使用PID 控制。

圖1 PID 算法控制原理

根據圖1，考慮在某個特定的時刻t，此時輸入量為rin（t），輸出量為rout（t），于是偏差就可計算為err（t）=rin（t）-rout（t）。于是PID 的基本控制規律就可以表示為：

其中，Kp為比例帶，T1為積分時間，TD為微分時間。比例就是用來對系統的偏差進行反應，所以只要存在偏差，比例就會起作用。積分主要是用來消除靜差。所謂靜差，就是指系統穩定后輸入輸出之間依然存在的差值，而積分就是通過偏差的累計來抵消系統的靜差。而微分則是對偏差的變化趨勢做出反應，根據偏差的變化趨勢實現超前調節，提高反應速度。

3 恒溫控制電路的設計

3.1 溫度采集模塊選擇

采用DS18B20 溫度傳感器作為溫度采集模塊，該傳感器具有面積小、連線簡單和信號處理快速等優點。這款測溫芯片的溫度測控范圍為-55～+125，所收集到的溫度信息能夠在1 s 以內把溫度參數改變成數字參數并且通過一根數據線將參數信息傳遞到單片機之中。當芯片測量到當前環境之中的溫度參數時，它會把這些溫度參數保存在自己的RAM 存儲器之中，每個芯片都有2 個8 位的RAM 存儲器，分別編號為0 和1。這兩個存儲器分開存儲芯片測量到的溫度信息，1 號存儲器存儲的是溫度信息的正負值，0 號存儲器中存放的是溫度值的大小信息。

3.2 升溫電路設計

本項目選用電阻加熱的加熱形式。在考慮了加熱環境以及加熱目的之后，選用加熱比較溫和的水泥電阻作為加熱元件，進行加熱電路的設計。電阻加熱也可以分為直接電阻加熱和間接電阻加熱，通過電流流過電阻而產生的功率發熱屬于間接加熱的一種。本項目采用的是后者。

3.3 降溫電路設計

圖2 水冷循環電路

恒溫箱的工作過程中不是一直都處于一種單純的加熱或者是降溫過程之中，它是兩種工作模式同時存在的，利用加熱來給恒溫箱進行加熱，利用降溫電路來給恒溫箱降溫，從而動態調節升降溫電路從而使箱體內溫度達到動態平衡。本項目采用的降溫方式為水冷循環降溫（圖2）：電機通過驅動水泵，帶動水流的循環；液體在水管中循環流動，給箱體內的環境進行降溫；繼電器與單片機最小系統相連，通過單片機的控制，調節水泵的轉速大小；水泵轉速的調節影響著水流體在水管之中的流動速度，決定著箱體內溫度下降的速度。

4 軟件設計

系統在開機上電的時候，首先進行初始化，開始執行代碼，通過電路的按鍵預設溫度值。然后將輸入的溫度預設值與溫度傳感器反饋回來的溫度進行對比：如果當前恒溫箱的溫度小于預設溫度值，那么將會驅動加熱電路進行工作；如果當前恒溫箱的溫度大于預設溫度值，系統就會啟動降溫電路進行水循環冷卻（圖3）。

圖3 恒溫控制系統

5 結論

設計了一種基于PID 算法控制的恒溫加熱系統，并完成了實物的制作（圖3）。測試結果表明，該控制電路可以實現恒溫箱內溫度的調節，并能保持溫度在設定的閾值處保持不變，驗證了該電路設計方案的可行性和有效性。