基于自整定控制算法的溫度控制系統設計

摘要：文章針對溫度監控系統設計了一款基于自整定PID控制的溫度控制及報警系統，采用STM32F103C8T6作為主控制器，結合DS18B20數字溫度傳感器和LCD1602液晶顯示屏實現精確的溫度測量和顯示功能。該設計實現了溫度上下限設定、數據顯示、報警功能以及數據保存至FLASH等功能。當溫度超出預設范圍時，系統會通過繼電器控制相應設備啟停，并通過蜂鳴器發出報警信號。該設計不僅應用于實驗室環境下的溫度控制，還可推廣至工業生產和家庭自動化等領域。

關鍵詞：單片機；自整定PID；溫度傳感器；報警系統

中圖分類號：TP272" 文獻標志碼：A

基金項目：江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目；項目名稱：基于模糊自適應整定控制算法的溫度控制器設計與研究；項目編號：202313654032Y。

作者簡介：任琪軒（2002— ），男，本科生；研究方向：自動控制。

*通信作者：李鑫（1983— ），男，講師，碩士；研究方向：自動控制。

0" 引言

溫度控制在許多工業和日常生活領域中都是至關重要的，例如加熱系統、空調系統、溫室種植等。傳統的溫度控制方法，如比例積分微分（Proportional-Integral-Differential， PID）控制，需要預先設置好的參數，對于不同的工況和環境變化可能無法實現最佳控制效果。因此，基于自整定控制算法的溫度控制系統的研究具有重要意義［1-3］。

傳統的控制算法須要手動調整控制參數來適應不同的工況，在環境變化或負載變化時可能會產生較大的超調，并需要一定的時間才能恢復到穩定狀態。而自整定控制算法能夠根據實時的反饋信息自動調整控制參數，實現快速響應、較小的超調以及更精確的溫度控制。此自適應性使得溫度控制系統能夠在不同的環境和工況下穩定運行，提高了控制系統的魯棒性和適應性［4-8］。

1" 總體方案設計

1.1" 方案設計

文章采用STM32單片機作為系統控制核心，結合DS18B20數字溫度傳感器和LCD1602液晶顯示屏實現精確的溫度測量和顯示功能。設計中實現了溫度上下限設定、數據顯示、報警等功能。當溫度超出預設范圍時，系統會通過繼電器控制相應設備啟停，并通過蜂鳴器發出報警信號。該設計不僅應用于實驗室環境下的溫度控制，還可推廣至工業生產和家庭自動化等領域。

1.2" 系統硬件設計

基于自整定控制算法的溫度控制系統的硬件設計分為5個子模塊，分別是DS18B20溫度傳感器模塊、風扇模塊、蜂鳴器模塊、LCD1602顯示模塊、按鍵模塊和加熱模塊。

DS18B20溫度傳感器模塊：該模塊具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。其測溫范圍為-55～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃，支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現多點測溫，測量結果以9～12位數字量方式串行傳送。

風扇模塊：鵬達藍圖風扇模塊是一種硬件設備，用于提供空氣流動和散熱。它的工作原理是通過電機驅動葉片旋轉，產生氣流。當電機啟動后，葉片開始旋轉，將周圍的空氣吸入并排出，從而形成氣流。這個氣流可以用于散熱、通風或者提供舒適的空氣流動。該模塊在通電后即可轉動，當使用數字信號控制風扇模塊時，輸入高電平，風扇開始轉動；輸入低電平，風扇停止轉動。

蜂鳴器模塊：蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，主要作用是發出聲音。蜂鳴器模塊的硬件結構，以壓電式蜂鳴器為例，主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。此外，當接通電源后（1.5～15 V直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5～2.5 kHz的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發聲。該模塊在環境溫度超出設定溫度范圍時發聲，當使用數字信號控制蜂鳴器模塊時，輸入高電平，蜂鳴器不響；輸入低電平，蜂鳴器響。

LCD1602顯示模塊：點陣圖形式液晶由M×N個顯示單元組成，假設LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節的8位，即每行由16字節，共16×8=128個點組成。顯示屏上64×16個顯示單元與顯示RAM區的1024字節相對應，每一字節的內容與顯示屏上相應位置的亮暗對應。

按鍵模塊：人雖然無法直接跟單片機通信，但是可以通過鍵盤給單片機輸入指令。鍵盤是間接的、靜態的，若單片機掃描讀取某一時刻的鍵盤按鍵狀態肯定是遠遠不夠的。該設計中將調整溫度的上下限用一個鍵進行切換，所以只需要3個按鍵就足夠使用，在設計電路時并沒有使用上拉電阻，需要使用STM32自身的上拉電阻，因此在配置I/O口時對應設置為上拉輸入模式。

加熱模塊：加熱模塊在該設計方案中扮演著至關重要的角色。它的核心功能是確保設備在面對寒冷環境時，能夠自動啟動加熱機制，以維持設備的正常運作和溫度穩定。該模塊通過精確控制電路中的加熱片，當外部環境溫度降至預設的溫度下限以下時，加熱片將被激活，開始迅速升溫直至達到用戶預設的溫度范圍。同時，為了確保電路的安全性，該研究采用了繼電器來控制加熱片的動作，這樣既可以保證加熱器按需工作，又能有效避免過熱或損壞，從而保護了電路系統免受潛在風險的影響。

1.3" 系統軟件設計

1.3.1" 主程序設計

主程序作為整個控制系統的核心，負責接收來自傳感器的數據并進行邏輯處理。DS18B20模塊的程序則負責讀取溫度、濕度等重要參數，為控制策略提供實時反饋。LCD1602顯示屏的程序能夠將這些關鍵信息以直觀的方式顯示給用戶，增強人機交互體驗。自整定PID算法程序是該系統的亮點之一，它允許用戶根據不同的應用場景調整比例和積分參數，從而精確地控制輸出結果。蜂鳴器程序用于發出必要的警報或通知，確保操作人員及時了解到當前狀態或發生的異常。延遲程序可以延長某些操作的時間間隔，比如手動切換模式或設置參數等。風扇程序則通過調節風扇速度來保持設備內部環境的適宜溫度。這些程序的合理安排使得整個系統既穩定又靈活，滿足各種自動化需求。

在完成對系統的電源供應之后，接下來的步驟是對各個組成部分進行詳細的初始化操作。在這一過程中，每個模塊都被賦予了初始狀態和必要的配置參數。隨后，系統通過單片機將收集到的數據轉換成直觀的數字信息，這些數據最終會顯示在LCD1602屏幕上，以便于使用者實時了解設備的運行狀態。此外，為了確保安全與可靠性，系統對其所監測環境的溫度臨界值進行了精確的設置。一旦檢測到環境溫度超出了預設的臨界值范圍，系統便會立刻啟動相應的預警機制。如果溫度值達到了設定的閾值，警報裝置將會被激活，包括蜂鳴器的響起以及LED指示燈的閃爍，以此來向操作者發出警示。與此同時，系統還會自動采取行動，要么開始自動加熱，要么開啟散熱機制，直到周圍環境的溫度達到或接近預設溫度范圍，保證設備能夠穩定運行，避免因溫度異常而導致的潛在損害。整個系統設計考慮周到，既能及時提醒用戶注意潛在的風險，又能有效地控制并維持設備在一個適宜的工作溫度范圍內，從而確保了設備的長期穩定運行，為用戶提供了可靠的技術支持和保障，主程序流程如圖1所示。

1.3.2" 自整定PID算法設計

比例積分微分（Proportional-Integral-Differential，PID）控制算法是一種符合線性規律的過程控制，控制偏差量主要依賴于設定值rin（t）和系統實際的輸出值yout（t）。

KPerror（t）=rin（t）-yout（t）u（t）（1）

系統輸出的控制量為：

u（t）=KPerror（t）+1TI∫error（t）dt+TDderror（t）dt（2）

將上式寫成傳遞函數的形式可以為：

G（s）=U（s）E（s）=Kp1+1TIs+TDs（3）

其中，u（t）為控制器的輸出信號；error（t）為設定值與被控對象輸出信號的差值。Kp error（t）為比例項，其中，Kp為比例系數；1TI∫error（t）dt為積分項，其中，TI為積分時間常數；TDderror（t）dt為微分項，其中，TD為微分時間常數［9］。

自整定PID的核心是整定出Kp、Ti、Td 3個參數，整定時可用階躍響應法來整定，使用階躍響應法時，整定出的結果是：

Kp=Kp_0×0.6（4）

Ti=0.5×Tc（5）

Td=0.12×Tc（6）

其中，Kp_0為輸出振蕩時使用的比例系數，Tc為振蕩的臨界周期。

自整定的核心就是在設定溫度處，單獨使用適當的Kp_0使得PID的輸出發生振蕩，記錄振蕩的臨界周期，最后使用上述公式計算出設定溫度處的PID參數。

1.3.3" 溫度采集系統

DS18B20溫度傳感器可完成對溫度的采集，以12位轉化為例說明溫度高低字節存放形式及計算：12位轉化后得到的12位數據，存儲在DS18B20的2個8位的RAM中，高8位二進制中的前面5位是符號位。如果測得的溫度大于0，這5位為0，將測到的數值乘0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘0.0625才能得到實際溫度。DS18B20溫度測量模塊將實時采集的環境溫度傳輸至單片機。

1.3.4" 按鍵模塊程序

對按鍵進行初始化，這次設計的3個按鈕分別連接到PA13、PA14、PA15，這3個鍵是用來調節設置的溫度上限和下限的，通過32比特的數據將案情的情況記錄下來。因為STM32F103C8T6是一個低電平的觸發器，所以按鍵的I/O端口被設定成一個下拉式輸入，等待按鈕的按壓，若有按鈕按壓，則微控制器收到一個低電平的信號，進行一個延遲，再對比鍵的狀態有沒有改變。

1.3.5" 顯示模塊程序

LCD1602模塊完成了對周圍環境溫度、溫度上限、下限等各種數據的顯示。啟動后，LCD模塊會自動啟動，清空屏幕和儲物空間。系統的設計中巧妙地集成了與單片機進行雙向通信的能力，這一特性使得控制界面能夠更加直觀和靈活。

2" 系統功能測試

2.1" 系統溫度過高功能測試

系統上電后，設定系統溫度區間，若環境溫度高于設定溫度上限值，則蜂鳴器響，報警紅燈亮，同時自動啟動風扇進行散熱。

2.2" 系統溫度過低功能測試

若環境溫度低于設定溫度下限值，則蜂鳴器響，報警黃燈亮，同時自動啟動加熱塊進行加熱。

3" 結語

文章設計了基于自整定控制算法的溫度控制系統，為了提高控制溫度的精度，利用改進的PID算法對加熱塊的溫度進行控制，極大縮短了響應時間，降低了超調量，減小了穩態誤差。應用表明，該方案優化了傳統的PID控制，節約了人力成本，提高了設備的智能化，能夠廣泛應用于工業中的溫度控制設備 ［10-12］。

參考文獻

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（編輯" 王永超）

Design of temperature control system based on self-tuning control algorithm

REN" Qixuan， LI" Xin*

（School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technology， Zijin College， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210023， China）

Abstract：" In this paper， a temperature control and alarm system based on self-turning PID control is designed for the temperature monitoring system. STM32F103C8T6 is used as the main controller， combined with DS18B20 digital temperature sensor and LCD1602 LCD display screen to realize accurate temperature measurement and display function. In the design， temperature setting， data display， alarm function and data saving to FLASH are implemented. When the temperature exceeds the preset range， the system will control the corresponding equipment to start and stop through the relay， and send an alarm signal through the buzzer. This design is not only applied to temperature control in the laboratory environment， but also extended to industrial production and home automation.

Key words： single-chip microcomputer; self-turning PID; temperature sensor; alarm system