1、    基于pid算法適于水族箱恒溫控制系統設計    石成成孫瑜徽摘要：為了滿足金魚飼養，對水溫的要求，設計了一種基于pid控制適于觀賞用水族箱恒溫控制系統。介紹了裝置的加熱部分，以及電氣控制部分采用模糊pid溫度控制技術，搭建的溫度控制系統，搭載的數顯屏可顯示當前水溫。在實際環境中對控制系統進行了試驗驗證，結果表明：在設定22.5溫度點時，恒溫控制階段，溫度幅度變化在±0.2范圍內，滿足水族箱金魚飼喂要求。關鍵詞：恒溫控制；模糊pid控制；觀賞魚缸；ds18b20：tp3 ：a ：1009-3044（2017）33-0252-02家養錦鯉可

2、以使人享受飼養與玩賞的樂趣。在家庭有限的空間中養好錦鯉并使健康正常，其中水質的適宜水溫起著決定性作用。錦鯉屬于冷水魚，飼養錦鯉所需要的水溫是0-321，但是最適合錦鯉生存的水溫是在20-252，因為在20-25之間的水溫，錦鯉的攝食以及消化能力是最好的，在這個水溫之間，錦鯉生長速度會有所提升。水溫在15-20時，要減少投食量，水溫在5以下，要停食，否則易引發腸炎3。因此，良好的溫度控制系統對于錦鯉飼養具有十分重要的意義。設計采用模糊pid算法，通過采集輸入輸出后計算出偏差。自整定溫度控制系統的參數，實現缸內水溫精準控制。1 總體結構及工作原理系統結構由電氣控制與加熱部分部分構成。電氣控制部分包

3、含軟件設計與硬件設計。軟件設計采用了模糊pid溫度控制方案，硬件設計選擇了新型以“一線總線”傳輸數據的防水溫度傳感器 ds18b20，作為核心器件，外部電路搭建簡易，性能可靠。水加熱部分由加熱棒和微型繼電器組成。2 水加熱裝置加熱裝置主要為一根大功率材質為不銹鋼、紫銅管加熱棒構成。管內均布電熱合金絲，內部填充氧化鎂，它具有安全、使用壽命長便于安裝等特點。加熱棒的功率為1kw，連接220v市電，溫度低于設定值需要加熱時，加熱棒啟動加熱水族箱的水。3 電氣控制部分設計3.1 硬件設計3.1.1 關鍵部件選型本設計選用價格低廉、低功耗、高性能的at89s51單片機作為恒溫控制系統核心部件，是當前工控

4、業使用最廣泛單片機之一4。其內部含有一個8位cpu以及兩個計數器以及4k bytes的可反復擦寫1000次以上的flash存儲器，32條i/o線可尋址存儲空間，滿足設計功能需求。控制系統進行數據采集工作的另一核心器件是溫度傳感器。當前工控業使用較多的溫度傳感器有熱敏電阻以及熱電偶。以pt100為代表的熱敏電阻是由鉑金屬材料制成。處理器通過采集處理電阻兩端電壓值的變化擬溫計算出當前環境下所處的溫度5。缺點是結構、工藝復雜，價格較高，精度低等。基于以上考慮，設計選用體積小、精度高（分辨率為0.1度）同時具有防水功能，由美國 dallas 半導體公司生產的ds18b20。溫度測量范圍-20度到+10

5、0度，抗干擾能力強6，滿足魚缸溫度測量需要。ds18b20與單片機通訊只需要一個i/o接口，“一線總線”的數字方式讀取傳輸數據 ，因此外圍電路搭建簡單。溫控系統選用的不銹鋼防水溫度傳感器。3.1.2 電路設計溫度傳感器與單片機p3.3（int1）接口相接，可以將溫度讀出并以一線總線的方式輸出。為保證傳感器工作性能穩定，vdd使用外接電源的供電方式，線路易搭建。數據線選取四芯線，其中兩條接vdd和信號線，另兩條共地。傳感器的地線引腳接地，不能懸空，懸空將無法實現溫度的轉換。根據工程設計經驗，需要在單片機輸出引腳添加一個電阻來驅動溫度傳感器，阻值大約為4.7k。系統還選用了可以通過調節阻值大小來改

6、變亮度的液晶顯示屏， 型號為lcd1602，即內部包含了160個點陣字符圖形，滿足設計顯示的需要。at89s51輸出電流較小，無法帶動大功率器件，故系統中微型繼電器需要功率放大芯片來驅動。溫控系統選用由復合晶體管陣列組成、高耐壓達林頓管uln2003，內含可起到續流作用的二極管來驅動繼電器工作。集成達林頓管ic是集電極開路輸出，最大輸出電流為0.2a。根據工程經驗單片機驅動達林頓管時，com引腳應該懸空，并選用2k的上拉電阻較為合理。通過控制達林頓管發送信號來控制繼電器線圈通斷，進而控制加熱棒是否可進行加熱工作。3.2 程序設計采用keil c51 uvision2編程軟件，利用模塊化設計思路

7、對at89s51進行編程。軟件設計主程序是先將系統初始化，通過主程序調用子程序來實現各個模塊化功能。子程序主要包括延時程序，中斷程序，鍵盤設定程序，溫度讀取程序，模糊pid運算程序等。通過模塊化的程序設計，簡化設計步驟，其開發的程序可移植性高。用4*4鍵盤設定溫度值，并將溫度值用1602液晶顯示器顯示，以傳感器來實現實時溫度的讀取輸入，并與鍵盤給定的溫度比較，得到偏差，再由pid算法進行運算減小偏差并給出控制量，以合適的控制電壓大小，經a/d轉換后，將檢測到的電壓轉換成對應的溫度，并通過顯示器顯示。at89s51通過接口讀取數據，dsi8b20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與th做比較，若t

8、>th或t< p>3.3 模糊pid控制法的實現一般溫度控制系統的傳遞函數為：g（s）=kts+1etsk為放大系數，t為過程時間常數，為純滯后時間 7。設定程序找出模糊pid中p、i、d與e和ec 之間的關系，隨時修改pid三個參數，保持溫度系數有較好的動態性能 8。pid控制器的輸入值r（t）與實測值y（t）控制偏差信號e（t）關系為： e（t）=r（t）-y（t）控制器通過pid調節，對誤差信號e（t）分別進行p、i、d運算，最后加權形成控制信號u（t），數學公式為：u（k） = kp * e（k） + ki * e（k） + kd （e（k） e（k-1）ki = k

9、p*t/tikd = kp*td/t式子中，kp為比例系數，ki為積分時間常數，kd為微分時間常數。累計偏差：e（t）= e（t） + e（t-1） + e（t-2）+e（1），這是每一次測量到的偏差值的總和。基本偏差的相對偏差：e（t）e（t-1），用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，作為快速反應的重要依據，是面向微分項的一個變動數據9。比例調節用于系統出現的較大偏差，按比例變化進行調節，但是過大系統將產生不穩定。積分調節用于消除穩態誤差。微分調節用于產生超前的系統控制，提前消除偏差，提高系統的調節性能。在本次設計中實際溫度為y（t），由傳感器ds18b20采集得到；設置溫度r（t）由人為

10、鍵盤輸入；輸出信號u（t）即為控制信號。4 試驗驗證4.1 試驗材料尺寸為500*250*300mm水族箱、水。4.2 儀器設備恒溫控制系統、秒表。4.3 評價指標在完成設定值后，進行恒溫測試，測定溫度值隨時間的變化量，最后利用軟件origin將記錄的數據擬合成溫度曲線走勢。根據圖線計算出恒溫控制過程中溫度變化的幅值，隨著時間的變化溫度幅值變化越小，說明系統性能越優越。4.4 試驗安排根據設定要求，本試驗針對體積為37.5l，初始溫度為常溫（低于22.5度）水族箱中水進行加熱到設定溫度后，恒溫控制在22.5度。每五分鐘記錄一次液晶屏溫度。4.5 溫度數據記錄及結果分析實驗對恒溫裝置在設定值22

11、.5情況下進行了多次連續7小時的恒溫加熱測試。通過得到記錄表，利用origin擬合成曲線圖。由上圖和表可知，系統在設定的溫度點時，整個過程中的溫度波動基本控制在±0.4范圍內。5 結束語錦鯉魚體質對水溫變化較為敏感，基于模糊pid設計的溫度控制系統，可以較好的維持水族箱內水溫，保證水溫控制在22.3-22.6的最適溫度。參考文獻：1 榮朝振.一例錦鯉大量死亡的診治與分析j.漁業致富指南，2017，（1）：51.2 郭旭.新手養錦鯉魚注意六禁忌j.農村新技術，2015，（12）：30.3 張君，開剛.湖北丹江口市錦鯉的人工繁殖試驗獲得初步成功j.漁業致富指南，2015，（12）：11.4 楊柳，崔明亮. 基于at89s51的控制爐溫系統的硬件設計j. 電子世界，2017，（16）：173.5 李玉娜. 基于pt100鉑熱電阻溫度傳感器設計j. 中國教育技術裝備，2016，（16）：33-35.6 程曉芳. 數字式溫度傳感器ds18b20的應用j. 化工設計通訊，2016，42（10）：100.7 張天吉，石晶，劉武通，等. 模糊pid控制仿真研究j. 汽車實用技術，2017，（2）：93-94+104.8 左志宇，秦麗娟，毛罕平，等. 基于光照的溫室加熱系統模糊pid控制j. 農機化研究，2014，39（6）：214-218.9 劉恒，吳朝陽，劉建成，等. 一種典型