描述
与传统系统相比，电路结构简单，温度测量精度高，温度控制误差小，技术指标可在不同时间常数下实现。文章还给出了串口调试精灵PID显示控制器的输出和温度采样值PC在机器上，实现温度监测方便。
0 引 言
目前，水温控制广泛应用于食品、医药、化工、家电等领域。水温控制直接影响产品质量。因此，水温控制具有重要意义。本设计的任务和要求为1 L 水由1 kW电炉加热要求水温在一定范围内手动设定，环境温度降低时自动调节，保持设定温度基本不变。主要性能指标：温度设定范围为25.0~100 ℃，最小区分为0.1 ℃，温度控制的静态误差小于或等于0.1 ℃，用SMC1602A 液晶显示模块显示实际水温和PID 控制算法中的三个主要参数Kc、Ti、Td 赋值，用串口调试精灵PID 显示控制器的输出和温度采样值PC 机上。
1 系统方案
本设计以STC89C52 以单片机为核心，采用温度传感器DS18B20、RS232 标准接口及PID 控制算法控制温度。
水温控制系统是一种典型的检测和控制应用系统，要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、操作到输出控制炉加热功率的全过程。本设计实现了水温的智能控制，提供了完善的人机交互界面PC 该系统由机器和单片机通信接口组成PC 单片机通信模块、温度检测及其显示模块PID 由控制算法法等模块PC 机器与单片机通信，系统框图如图1所示 所示。
2 硬件电路设计
本电路的总体设计包括四个部分：主机控制部分(STC89C52)温度采样与显示电路、温度控制电路PC 机与单片机通信电路。
2.1 主机控制部分
主机控制部分是电路的核心，系统控制采用单片机89C52.单片机89C52 内部有8 KB 单元的程序存储器和512 B 因此，系统不需要扩展外部程序存储器和数据存储器，从而大大降低了系统硬件的复杂性。
2.2 温度采样和显示电路
系统的信号采集和显示电路主要由温度传感器组成DS18B20和SMC1602A 液晶显示模块由两部分组成。
DS18B20 采用独特的单线接口方式，与微处理器连接时，微处理器与微处理器只需要一条口线DS18B20 双向通信。测温范围为-55~ 125 ℃，固有测温分辨率为0.5 ℃，工作电源为3~5 V/DC,测量结果为9~12 b 数字量串行传输适用于DN15~25、DN40~DN250 各种介质工业管道和狭窄空间设备的温度测量。
SMC1602 液晶显示器以其微功耗、体积小、使用灵活等优点，在袖珍仪表和低功耗应用系统中得到了越来越广泛的应用。液晶显示器通常分为点阵型和字符型两类。点阵液晶通常面积大，可以显示图形； 一般的字符液晶只有两行，面积小，只能显示字符和一些非常简单的图形，简单，易于控制，成本低。目前，市场上绝大多数字符液晶都是基于HD44780 液晶芯片的控制原理完全相同HD44780 编写的控制程序可以很容易地应用于市场上大多数字符液晶。字符型LCD 通常有14 条引脚线( 市场上也有很多16 条引脚线的LCD,多出来的2 电是电源线VCC(15 脚) 和地线GND.
2.3 温度控制电路
这部分电路主要由光电耦合器、三极管和继电器组成。
光电耦合器的耐压值为400 V,其输出级通过三极管放大功率，控制继电器常开触点的通断，最终达到控制电炉的目的，100 Ω电阻与0.01 μF 双向可控硅保护电路由电容组成。
2.4 PC 机与单片机通信电路
为了使系统具有更好的人机交换界面，我们在系统设计中使用它Visual Basic 微机控制界面的语言设计。系统与微机的通信大大提高了系统各方面的性能。
由于单片机89C52 串行口为TTL 电平， 而PC 机为RS232 因此，系统采用了电平MAX232 电平转换芯片进行电平转换。
由于系统设计了通信功能，即主系统(89C52)和PC 因此，观察机器的通信PID 控制器的输出更加明显，大大降低了参数整定的难度。此外，系统的采样值可以通过可视化窗口看到。
3 软件设计
该系统的软件设计主要包括三个部分：PC 软件设计、温度采样和显示电路模块软件设计、温度控制模块软件设计。
3.1 主程序流程图
如图2所示，主程序流程主要完成以下任务：
(1) 初始化：设置各参数的初始值，设置串行口、定时器和液晶显示模块。
(2) PC 机器和单片机通信：这部分程序主要完成数据PC 机器89C52 单片机半双工串行口完成，与微机控制接口完成RS232 连接和通信控制。
(3) 温度采集及其显示：主要完成温度信号采集，处理转换后的数字量，然后用字符液晶显示模块显示实时温度。
3.2 PID 控制算法
PID 该算法是温度控制系统性能的决定性因素。其一般算法和模拟控制规则表达如下：
式中，u(t)输出控制器；e(t)偏差，即设定值与反馈值的差异；Kc 对于控制器的放大系数，即比例增益；Ti 控制器的积分常数；Td 为控制器的微分时间常数。PID 调整算法的原理Kc、Ti、Td 稳定系统的三个参数。
由于PID 一般算式不易与单片机处理，因此在设计中采用增量型PID 算法。将式(1)转换成：
式(3)中的u(k) 即输出PWM 波的导通时间。其控制算法如图3所示 所示。
4 测试方法及测试结果
4.1 测试方法
将1放入电炉中 L 清水、电炉与控制系统相连，给系统上电，系统进入准备状态。温度分别为35.3 ℃、40.2 ℃、45 ℃、60 ℃、74.0 ℃、81 ℃，观察设定的温度和实际温度，并记录数据。填写表1，观察水温变化的动态，记录温度稳定时间，填写表2.
4.2 测试结果
设定温度与实测温度的数据比较如表1 所列。表2 表2列出了温度稳定与时间的关系 设定温度为50℃，每隔30 s 记录实测温度。
5 结 论
从表1 数据显示，系统误差基本稳定±0.3 ℃，因此，很好地满足系统的设计要求。从表2 数据显示，系统运行5 min 基本稳定，说明系统能很好地控制温度达到理想值，为需要精确控制温度的任务提供参考。同时，实现了系统PC 通信机器和单片机，显示控制参数和控制结果PC 在机器上，监测方便，实现了温度控制和智能监测。
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