量，有的还用PLC来控制。总之温度传感器系统的控制方式是多种多样的。

1.3 课题设计任务

本文主要介绍单片机温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的

选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以AT89C51为CPU，温度信

号由PT1000和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器OP07

将温度--电压信号进行放大，用单片机控制SSR固态继电器的通断时间以控制水温，系

统控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在环境温度降低时实现自动控制，

以保持设定的温度基本不变，具有较好的快速性与较小的超调。

第二章 系统方案

2.1 温度传感器系统设计任务和要求

设计一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，水温可以在一定范围内由人工

设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变，系统设计具

体要求： 温度设定范围为40℃，目标温度的±5℃； 加热棒功率2KW，控制器为继电

器； 用十进制数码管显示水的实际温度。

2.2 水温控制系统部分

水温控制系统是一个过程控制系统，组成框图如图1所示，由控制器、执行器、被

控对象其反馈作用的测量变送组成。测变量是通过温度传感器Pt1000来传送的，控制

器是通过单片机来完成。

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2.2.1 CPU中央处理器

方案一：采用8031作为控制核心，使用最为普遍的器件ADC0804作模数转换，控

制上使用对加热棒加电对水槽里的水升温。此方案简易可行，器件价格便宜，但8031

内部没有程序存储器需扩展，增加了电路的复杂性。

方案二：此方案采用8951单片机实现，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。

进行数据转换，控制电路部分采用SSR固态继电器控制加热棒的通断，此方案电路简单

并且可以满足题目中的各项要求的精度。

比较两个方案可知，采用Atmel单片机来实现本题目，不管是从结构上，还是从工

作量上都占有很大的优势，所以最后决定使用AT89C51作为该控制系统的核心。根据

温度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，设计了水箱温度自动控制系统，总体框图

如图2所示。温度控制采用改进的PID数字控制算法，显 示采用用3位LED静态显示。

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(2) 温度控制系统算法分析

系统算法控制采用工业上常用的位置型PID数字控制，并且结合特定的系统加以算

法的改进，形成了变速积分PID—积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。该

方法不仅大大减小了超调量，而且有效地克服了积分饱和的影响，使控制精度大大提高。

PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。PID调

节器有三个可设定参数，即比例放大系数pK、积分时间常数iK、微分时间常数dK。比

例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差；积分作用可消除被调量的稳

态误差，但可能会使系统振荡，甚至使系统不稳定； 微分作用能有效的减小动态偏差，

如图3所示。

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由图4可知PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w与实际

输出值y进行比较构成偏差e=w-y。

并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为：

（其中Kp为比例放大系数；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数）

PID调节器的离散化表达式为；

其增量表达形式为（T为采样周期）：

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