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基于单片机的PID温度控制系统

一.概述

温度控制技术无论在工业生产，还是日常生活中都起着非常重要的作用。常

规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围就进行温度调控，低

于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单，成本低，但控制效果

不理想，控制温度精度不高，容易引起震荡，达到稳定点的时间也长。因此，只

能用于精度要求不高的场合。

采用PID算法进行温度控制，它具有控制精度高，能够克服容量滞后的特点，

特别适用于负荷变化大，控制品质要求高的系统。

单片机作为控制系统中必不可少的部分，在各个领域得到了广泛的应用，用

单片机进行系统数据处理和控制，保证系统工作在最佳的状态，提高系统的控制

精度，有利于提高系统的工作效率。本系统就是采用单片机编程实现PID算法进

行温度控制。

二.PID控制的原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，

简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、

调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌

握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的

结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特

性确定PID控制器的比例系数、积分时问和微分时间的大小。PID控制器参数整

定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模

型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，

还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，

直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采

用。

PID一般算式及模拟控制规律如式(1)所示：

式中：u(t)为控制器的输出；e(t)为偏差，即设定值与反馈值之差；KC为

控制器的放大系数，即比例增益；TI为控制器的积分常数；TD为控制器的微分

时间常数。PID算法的原理即调节KC，TI，TD三个参数使系统达到稳定。

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制

量。因此在计算机控制系统中，必须首先对式(1)进行离散化处理，用数字形式

的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表

示：

将式(2)和式(3)代入式(1)，则可得到离散的PID表达式：

式中：△t=T为采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度(采

样定理)；E(K)为第K次采样时的偏差值；E(K-1)为第K-1次采样时的偏差值；

P(K)为第K次采样是调节器的输出。

三硬件构成

本系统由传感器采样输入、单片机控制、人机交互、控制信号输出四部分组成，其中

温度传感部分由测试采样电路实现，人机交互由矩阵键盘和LCD液晶屏构成，PID控制算

法由89C51单片机实现，控制信号输出部分则由功率放大和开关控制电路组成。系统框图

如图1所示。

键盘控制电路

温度传感器AT89C51放大电路开关控制电路电机

微机控制系统温度显示

系统硬件电路图

LCD1

LM016L