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。
5
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。
6
(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。
7
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）：
8