| 标题 | 基于PID算法适于水族箱恒温控制系统设计 |
| 范文 | 石成成 孙瑜徽 摘要：为了满足金鱼饲养，对水温的要求，设计了一种基于PID控制适于观赏用水族箱恒温控制系统。介绍了装置的加热部分，以及电气控制部分采用模糊PID温度控制技术，搭建的温度控制系统，搭载的数显屏可显示当前水温。在实际环境中对控制系统进行了试验验证，结果表明：在设定22.5℃温度点时，恒温控制阶段，温度幅度变化在±0.2℃范围内，满足水族箱金鱼饲喂要求。 关键词：恒温控制；模糊PID控制；观赏鱼缸；DS18B20 中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）33-0252-02 家养锦鲤可以使人享受饲养与玩赏的乐趣。在家庭有限的空间中养好锦鲤并使健康正常，其中水质的适宜水温起着决定性作用。锦鲤属于冷水鱼，饲养锦鲤所需要的水温是0-32℃[1]，但是最适合锦鲤生存的水温是在20-25℃[2]，因为在20-25℃之间的水温，锦鲤的摄食以及消化能力是最好的，在这个水温之间，锦鲤生长速度会有所提升。水温在15-20℃时，要减少投食量，水温在5℃以下，要停食，否则易引发肠炎[3]。因此，良好的温度控制系统对于锦鲤饲养具有十分重要的意义。 设计采用模糊PID算法，通过采集输入输出后计算出偏差。自整定温度控制系统的参数，实现缸内水温精准控制。 1 总体结构及工作原理 系统结构由电气控制与加热部分部分构成。电气控制部分包含软件设计与硬件设计。软件设计采用了模糊PID温度控制方案，硬件设计选择了新型以“一线总线”传输数据的防水温度传感器 DS18B20，作为核心器件，外部电路搭建简易，性能可靠。水加热部分由加热棒和微型继电器组成。 2 水加热装置 加热装置主要为一根大功率材质为不锈钢、紫铜管加热棒构成。管内均布电热合金丝，内部填充氧化镁，它具有安全、使用寿命长便于安装等特点。加热棒的功率为1KW，连接220V市电，温度低于设定值需要加热时，加热棒启动加热水族箱的水。 3 电气控制部分设计 3.1 硬件设计 3.1.1 关键部件选型 本设计选用价格低廉、低功耗、高性能的AT89S51单片机作为恒温控制系统核心部件，是当前工控业使用最广泛单片机之一[4]。其内部含有一个8位CPU以及两个计数器以及4k Bytes的可反复擦写1000次以上的Flash存储器，32条I/O线可寻址存储空间，满足设计功能需求。 控制系统进行数据采集工作的另一核心器件是温度传感器。当前工控业使用较多的温度传感器有热敏电阻以及热电偶。以PT100为代表的热敏电阻是由铂金属材料制成。处理器通过采集处理电阻两端电压值的变化拟温计算出当前环境下所处的温度[5]。缺点是结构、工艺复杂，价格较高，精度低等。 基于以上考虑，设计选用体积小、精度高（分辨率为0.1度）同时具有防水功能，由美国 DALLAS 半导体公司生产的DS18B20。温度测量范围-20度到+100度，抗干扰能力强[6]，满足鱼缸温度测量需要。DS18B20与单片机通讯只需要一个I/O接口，“一线总线”的数字方式读取传输数据 ，因此外围电路搭建简单。温控系统选用的不锈钢防水温度传感器。 3.1.2 电路设计 温度传感器与单片机P3.3（INT1）接口相接，可以将温度读出并以一线总线的方式输出。为保证传感器工作性能稳定，VDD使用外接电源的供电方式，线路易搭建。数据线选取四芯线，其中两条接VDD和信号线，另两条共地。传感器的地线引脚接地，不能悬空，悬空将无法实现温度的转换。根据工程设计经验，需要在单片机输出引脚添加一个电阻来驱动温度传感器，阻值大約为4.7K。系统还选用了可以通过调节阻值大小来改变亮度的液晶显示屏， 型号为LCD1602，即内部包含了160个点阵字符图形，满足设计显示的需要。 AT89S51输出电流较小，无法带动大功率器件，故系统中微型继电器需要功率放大芯片来驱动。温控系统选用由复合晶体管阵列组成、高耐压达林顿管ULN2003，内含可起到续流作用的二极管来驱动继电器工作。集成达林顿管IC是集电极开路输出，最大输出电流为0.2A。根据工程经验单片机驱动达林顿管时，COM引脚应该悬空，并选用2K的上拉电阻较为合理。通过控制达林顿管发送信号来控制继电器线圈通断，进而控制加热棒是否可进行加热工作。 3.2 程序设计 采用Keil C51 uVision2编程软件，利用模块化设计思路对AT89S51进行编程。软件设计主程序是先将系统初始化，通过主程序调用子程序来实现各个模块化功能。子程序主要包括延时程序，中断程序，键盘设定程序，温度读取程序，模糊PID运算程序等。通过模块化的程序设计，简化设计步骤，其开发的程序可移植性高。 用4*4键盘设定温度值，并将温度值用1602液晶显示器显示，以传感器来实现实时温度的读取输入，并与键盘给定的温度比较，得到偏差，再由PID算法进行运算减小偏差并给出控制量，以合适的控制电压大小，经A/D转换后，将检测到的电压转换成对应的温度，并通过显示器显示。 AT89S51通过接口读取数据，DSI8B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH做比较，若T>TH或T 3.3 模糊PID控制法的实现 一般温度控制系统的传递函数为： [G（s）=KTs+1ets] K为放大系数，T为过程时间常数，τ为纯滞后时间 [7]。设定程序找出模糊PID中P、I、D与e和ec 之间的关系，随时修改PID三个参数，保持温度系数有较好的动态性能 [8]。 PID控制器的输入值r（t）与实测值y（t）控制偏差信号e（t）关系为： e（t）=r（t）-y（t） 控制器通過PID调节，对误差信号e（t）分别进行P、I、D运算，最后加权形成控制信号u（t），数学公式为： u（k） = Kp * e（k） + Ki * ∑e（k） + Kd （e（k） — e（k-1）） Ki = Kp*T/Ti Kd = Kp*Td/T 式子中，Kp为比例系数，Ki为积分时间常数，Kd为微分时间常数。累计偏差：∑e（t）= e（t） + e（t-1） + e（t-2）+……+e（1），这是每一次测量到的偏差值的总和。基本偏差的相对偏差：e（t）—e（t-1），用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，作为快速反应的重要依据，是面向微分项的一个变动数据[9]。 比例调节用于系统出现的较大偏差，按比例变化进行调节，但是过大系统将产生不稳定。积分调节用于消除稳态误差。微分调节用于产生超前的系统控制，提前消除偏差，提高系统的调节性能。在本次设计中实际温度为y（t），由传感器DS18B20采集得到；设置温度r（t）由人为键盘输入；输出信号u（t）即为控制信号。 4 试验验证 4.1 试验材料 尺寸为500*250*300mm水族箱、水。 4.2 仪器设备 恒温控制系统、秒表。 4.3 评价指标 在完成设定值后，进行恒温测试，测定温度值随时间的变化量，最后利用软件Origin将记录的数据拟合成温度曲线走势。根据图线计算出恒温控制过程中温度变化的幅值，随着时间的变化温度幅值变化越小，说明系统性能越优越。 4.4 试验安排 根据设定要求，本试验针对体积为37.5L，初始温度为常温（低于22.5度）水族箱中水进行加热到设定温度后，恒温控制在22.5度。每五分钟记录一次液晶屏温度。 4.5 温度数据记录及结果分析 实验对恒温装置在设定值22.5℃情况下进行了多次连续7小时的恒温加热测试。通过得到记录表，利用Origin拟合成曲线图。 由上图和表可知，系统在设定的温度点时，整个过程中的温度波动基本控制在±0.4范围内。 5 结束语 锦鲤鱼体质对水温变化较为敏感，基于模糊PID设计的温度控制系统，可以较好的维持水族箱内水温，保证水温控制在22.3℃-22.6℃的最适温度。 参考文献： [1] 荣朝振.一例锦鲤大量死亡的诊治与分析[J].渔业致富指南，2017，（1）：51. [2] 郭旭.新手养锦鲤鱼注意六禁忌[J].农村新技术，2015，（12）：30. [3] 张君，开刚.湖北丹江口市锦鲤的人工繁殖试验获得初步成功[J].渔业致富指南，2015，（12）：11. [4] 杨柳，崔明亮. 基于AT89S51的控制炉温系统的硬件设计[J]. 电子世界，2017，（16）：173. [5] 李玉娜. 基于PT100铂热电阻温度传感器设计[J]. 中国教育技术装备，2016，（16）：33-35. [6] 程晓芳. 数字式温度传感器DS18B20的应用[J]. 化工设计通讯，2016，42（10）：100. [7] 张天吉，石晶，刘武通，等. 模糊PID控制仿真研究[J]. 汽车实用技术，2017，（2）：93-94+104. [8] 左志宇，秦丽娟，毛罕平，等. 基于光照的温室加热系统模糊PID控制[J]. 农机化研究，2014，39（6）：214-218. [9] 刘恒，吴朝阳，刘建成，等. 一种典型闭环PID控制教学实验设计[J/OL]. 实验技术与管理，2015，（9）：42-46. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。