水溫控制系統(tǒng)設計報告new

1、數理與信息工程學院電子系統(tǒng)設計課程設計水溫控制系統(tǒng) 數理與信息工程學院電子系統(tǒng)設計課程設計題 目： 水溫控制系統(tǒng) 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 姓 名： 學 號： 指導老師： 成 績： （2010.6）水 溫 控 制 系 統(tǒng)摘要：本設計以89c52單片機為核心，采用了溫度傳感器AD590，A/D采樣芯片ADC0804，可控硅MOC3041及PID算法對溫度進行控制。該水溫控制系統(tǒng)是一個典型的檢測、控制型應用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測、信號處理、輸入、運算到輸出控制電爐加熱功率以實現(xiàn)水溫控制的全過程。本設計實現(xiàn)了水溫的智能化控制以及提供完善的人機交互界面及多機通訊接口，系統(tǒng)由前向通道模塊

2、（即溫度采樣模塊）、后向控制模塊、系統(tǒng)主模塊及鍵盤顯示摸塊等四大模塊組成。本系統(tǒng)的特點在于采用PC機及普通鍵盤實現(xiàn)了多機通信。Abstract:The single computer 89c52 is used as a core in this design. Some important IC sush as AD590 ADC0804 MOC3041 was used in this system.we adopt PID to control the temperature. The system include four part-The previous model ,The la

3、st model ,keybord model ,The main control model. Adopt annularity pulse distributor to come true to Stepper Motor speed regulation , the corner under the control of. Display having realized time , the temperature here on the basis, And realize under the control of, display to the electric motor by P

4、C machine目 錄第1節(jié) 引 言3第2節(jié) 方案論證 42.1 總體方案論證 42.2 模塊方案論證 4 2.2.1控制方法論證 4 2.2.2 系統(tǒng)組成論證 42.2.3 單片機系統(tǒng)選擇 52.2.4 溫度控制方案論證 62.2.5 鍵盤顯示電路論證 6第3節(jié) PROTEUS仿真 7第4節(jié) 總體設計7第5節(jié) 硬件電路設計與計算 10 5.1 主機控制部分 10 5.2 溫度采樣電路 115.3 溫度控制電路 115.4 鍵盤與數值顯示電路 125.5 微機控制及圖形顯示部分 13第6節(jié) 軟件設計 15第7節(jié) 測試方法與測試結果 18第8節(jié) 設計總結 18第9節(jié) 附錄 21第10節(jié) 參考文

5、獻 221. 引言該水溫控制系統(tǒng)是一個典型的檢測、控制型應用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測、信號處理、輸入、運算到輸出控制電爐加熱功率以實現(xiàn)水溫控制的全過程。因此，應以單片微型計算機為核心組成一個專用計算機應用系統(tǒng)，以滿足檢測、控制應用類型的功能要求。另外，單片機的使用也為實現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機交互界面及多機通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數字邏輯道路中往往是難以實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的。所以，本例采用以單片機為核心的直接數字控制系統(tǒng)。 本設計的任務與要求為一升水由1kw的電爐加熱，要求水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調整，以保持設定的溫度基本不變。主要

6、性能指標a. 溫度設定范圍：30-90，最小區(qū)分度為1。b. 控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差1。c. 用十進制數碼顯示實際水溫。d. 能打印實測水溫值。擴展功能a. 具有通信能力，可接受其他數據設備發(fā)來的命令，或將結果傳送到其他數據設備。b. 采用適當的控制方法實現(xiàn)當設定溫度與環(huán)境溫度突變時，減小系統(tǒng)的調節(jié)時間和超調量。c. 溫度控制的靜態(tài)誤差1。d. 能自動顯示水溫隨時間變化的曲線。2方案論證21 總體方案論證（1）、方案一：此方案是采用傳統(tǒng)的模擬控制方法（方案框圖如圖2-1-1），選用模擬電路，用電位器設定給定值，反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或者不加熱。器特點是電路簡單，易于實

7、現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結果的精度不高并且調節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)靜差大，不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實現(xiàn)復雜的控制算法，而且不易實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制及對溫度的顯示，人機交換性能差。圖2-1-1模擬控制框圖（2）、方案二：采用單片機89c52為核心。采用了溫度傳感器AD590采集溫度變化信號，A/D采樣芯片ADC0804將其轉換成數字信號并通過單片機處理后去控制溫度，使其達到穩(wěn)定。使用單片機具有編程靈活，控制簡單的優(yōu)點，使系統(tǒng)能簡單的實現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過軟件編程能實現(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)還具有控制精度高的特點。該水溫控制系統(tǒng)是一個典型的檢測、控制型應用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測、信號處理、輸入、

8、運算到輸出控制電爐加熱功率以實現(xiàn)水溫控制的全過程。以單片微型計算機為核心組成一個專用計算機應用系統(tǒng)，以滿足檢測、控制應用類型的功能要求。另外，單片機的使用也為實現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機交互界面及多機通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數字邏輯道路中往往是難以實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的。所以，本例采用以單片機為核心的直接數字控制系統(tǒng)。比較兩種方案，方案二明顯的改善了方案一的不足及缺點，并具有控制簡單、控制溫度精度高的特點。因此本設計電路采用方案二。22 模塊方案論證本電路以單片機為基礎核心，系統(tǒng)由前向通道模塊、后向控制模塊、系統(tǒng)主模塊及鍵盤顯示摸塊等四大模塊組成。現(xiàn)將各部分主要元件及電路做以下

9、的論證：2.2.1 控制方法論證由于水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱存儲能力大，慣性也較大的特點。水在容器內的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來說，熱過程大多具有較大的滯后，它對任何信號的響應都會推遲一段時間，使輸出與輸入之間產生相移。對于這樣一些存在大的滯后特性的過渡過程控制，一般來說可以采用以下幾種控制方案：a.輸出開關量控制對于慣性較大的過程可以簡單地采用輸出開關量控制的方法。這種方法通過比較給定值與被控參數的偏差來控制輸出的狀態(tài)：開關或者通斷，因此控制過程十分簡單，也容易實現(xiàn)。但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數在兩個方向上變化的速率均為最大

10、，因此容易硬氣反饋回路產生振蕩，對自動控制系統(tǒng)會產生十分不利的影響，甚至會因為輸出開關的頻繁動作而不能滿足系統(tǒng)對控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對控制精度和動態(tài)特性要求不高的情況下采用。b.比例控制（P控制）比例控制的特點是控制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對應關系。當負荷變化時，抗干擾能力強，過渡時間短，但過程終了存在余差。因此它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、允許被控量在一定范圍內變化的系統(tǒng)。使用時還應注意經過一段時間后需將累積誤差消除。c.比例積分控制（PI控制）由于比例積分控制的特點是控制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使得過渡過程結束時無

11、余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可以使穩(wěn)定性提高，但又使過渡時間加長。因此，PI控制適用于滯后較小、負荷變化不大、被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)，它是工程上使用最多、應用最廣的一種控制方法。d.比例積分加微分控制（PID控制）比例積分加微分控制的特點是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成正比例,它對克服對象的容量滯后有顯著的效果。在比例基礎上加上微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此，PID控制適用于負荷變化大、容量滯后較大、控制品質要求又很高的控制系統(tǒng)。 結合本例題設計任務與要求，由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對

12、控制品質的要求。但從以上對控制方法的分析來看，PID控制方法最適合本例采用。另一方面，由于可以采用單片機實現(xiàn)控制過程，無論采用上述哪一種控制方法都不會增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對軟件作相應改變即可實現(xiàn)不同的控制方案。因此本系統(tǒng)可以采用PID的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調節(jié)時間和超調量等控制品質的要求。2.2.2 系統(tǒng)組成論證就控制器本身而言，控制電路可以采用急經典控制理論和常規(guī)模擬控制系統(tǒng)實現(xiàn)水溫的自動團結。但隨著計算機與超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，以現(xiàn)代控制理論和計算機為基礎，采用數字控制、顯示、A/D與D/A轉換，配額后執(zhí)行器與控制閥構成的計算機控制系統(tǒng)，在過程控制過程中

13、得到越來越廣泛的應用。由于本例是一個典型的檢測、控制型應用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測、信號處理、輸入、運算到輸出控制電爐加熱功率以實現(xiàn)水溫控制的全過程。因此，應以單片微型計算機為核心組成一個專用計算機應用系統(tǒng)，以滿足檢測、控制應用類型的功能要求。另外，單片機的使用也為實現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機交互界面及多機通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數字邏輯道路中往往是難以實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的。所以，本例采用以單片機為核心的直接數字控制系統(tǒng)（DDC）。2.2.3 單片機系統(tǒng)選擇AT89C2051、AT89C51單片機是最常用的單片機，是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器。AT89C2

14、051與MCS-51系列的單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產品沒有的功能，功能強、靈活性高而且價格低廉。AT89S51可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4K，四個I/O口全部提供給擁護。系統(tǒng)運行中需要存放的中間變量較少，可不必再擴充外部RAM。2.2.4 溫度控制方案論證方案一：用熱敏電阻：通過電阻的變化來獲得電壓的變化，起價格雖然便宜但是精度不是很高。對于一個精度要求高的系統(tǒng)不宜采用方案二：用A/D590：鍵盤輸入一個需要控制的溫度，通過單片機2051的串口把數據傳送到AT89C51，AT89

15、C51通過數據比較，PID分析，T0，T1產生PWM波來控制電爐是否繼續(xù)加熱還是停止加熱。通過AD590溫度傳感器采集溫度，由于AD590是電流傳感器，經過電阻轉換為電壓。雖然價格較高但是精度高。經比較，我們選擇方案二（1）、傳感器的選取目前市場上溫度傳感器繁多就此我們提出了以下兩重選取方案：方案一：選用鉑電阻溫度傳感器，此類溫度傳感器在各方面特性都比較優(yōu)秀，但其成本較高。方案二：采用熱敏電阻，選用此類元器件有價格便宜的優(yōu)點，但由于熱敏電阻的非線性特性會影響系統(tǒng)的精度。方案三：選用美國Analog Devices 公司生產的二端集成電流傳感器AD590，此器件具有體積小、質量輕、線形度好、性能

16、穩(wěn)定等優(yōu)點。其測量范圍在-50-+150，滿刻度范圍誤差為0.3，當電源電壓在510V之間，穩(wěn)定度為1時，誤差只有0.01，其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設計要求。比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點，因此此次設計選用方案三。（2）CPU模塊的選擇 方案一：采用8031芯片，其內部沒有程序存儲器，需要進行外部擴展，這給電路增加了復雜度。方案二：本方案的CPU模塊采用2051芯片，其內部有2KB單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器。但由于系統(tǒng)用到較多的I/O口，因此此芯片資源不夠用。方案三：采用89C52單片機，其內部有8KB單元的程序存儲器。而且具有三個定時器，正好滿足系統(tǒng)多機通信時所用。比

17、較以上三種方案，綜合考慮單片機的各部分資源，因此此次設計選用方案三。2.2.5 鍵盤顯示電路論證控制與顯示電路是反映電路性能、外觀的最直觀部分，所以此部分電路設計的好壞直接影響到電路的好壞。方案一：采用可編程控制器8279與數碼管及地址譯碼器74LS138組成，可編程/顯示器件8279實現(xiàn)對按鍵的掃描、消除抖動、提供LED的顯示信號，并對LED顯示控制。用8279和鍵盤組成的人機控制平臺，能夠方便的進行控制單片機的輸出。方案二：采用單片機AT2051與地址譯碼器74LS138組成控制和掃描系統(tǒng)，并用2051的串口對主電路的單片機進行通信，這種方案既能很好的控制鍵盤及顯示又為主單片機大大的減少了

18、程序的復雜性，而且具有體積小，價格便宜的特點。方案一雖然也能很好的實現(xiàn)電路的要求，但考慮到電路設計的成本和電路整體的性能，我們采用方案二。3 PROTEUS仿真為了更好的驗證并實現(xiàn)本設計的預期效果，我們采用PROTEUS仿真軟件對各個模塊進行了仿真，仿真結果如下：顯示模塊仿真原理圖如下：當運行程序后，初始界面為： 當按下鍵盤時，數碼管顯示對應值： PWM仿真原理圖如圖3-1：圖3-2 PWM仿真原理圖仿真結果如圖3-3所示：圖3-3 PWM仿真結果其中INC鍵和DEC鍵分別增加和減小PWM的占空比。AD采樣與串口通信仿真原理圖如圖3-4所示：圖3-4 AD采樣與串口通信仿真原理圖AD采樣與串口

19、通信仿真結果如圖3-5。圖3-5 AD采樣與串口通信仿真結果4 總體設計本設計以89c52單片機為核心，采用了溫度傳感器AD590，A/D采樣芯片ADC0804，可控硅MOC3041及PID算法對溫度進行控制。該水溫控制系統(tǒng)是一個典型的檢測、控制型應用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測、信號處理、輸入、運算到輸出控制電爐加熱功率以實現(xiàn)水溫控制的全過程。本設計實現(xiàn)了水溫的智能化控制以及提供完善的人機交互界面及多機通訊接口，系統(tǒng)由前向通道模塊（即溫度采樣模塊）、后向控制模塊、系統(tǒng)主模塊及鍵盤顯示摸塊等四大模塊組成。本系統(tǒng)的特點在于采用PC機及普通鍵盤實現(xiàn)了多機通信。系統(tǒng)框圖如圖3-1圖3-1 系統(tǒng)框圖

20、5硬件電路設計與計算本電路總體設計包括五部分：主機控制部分（89C52）、前向通道（溫度采樣電路）、后向通道（溫度控制電路）、鍵盤和數字顯示部分、微機控制及圖形顯示。51 主機控制部分 此部分是電路的核心部分，系統(tǒng)的控制采用了單片機89C52。單片機89C52內部有8KB單元的程序存儲器及256字節(jié)的數據存儲器。因此系統(tǒng)不必擴展外部程序存儲器和數據存儲器這樣大大的減少了系統(tǒng)硬件部分。52 溫度采樣電路系統(tǒng)的信號采集電路主要由溫度傳感器（AD590）、基準電壓（7812）及A/D轉換電路（ADC0804）三部分組成。電路圖如圖4-2-1 圖4-2-1溫度采樣電路原理圖（1） AD590性能描述

21、測量范圍在-50-+150，滿刻度范圍誤差為0.3，當電源電壓在510V之間，穩(wěn)定度為1時，誤差只有0.01 。AD590為電流型傳感器溫度每變化1其電流變化1uA在35和95時輸出電流分別為308.2uA 和368.2uA 。（2） ADC0804性能描述 ADC0804為8bit的一路A/D轉換器，其輸入電壓范圍在05v，轉換速度小于100us，轉換精度0.39。滿足系統(tǒng)的要求。（3） 電路原理及參數計算 溫度采樣電路的基本原理是采用電流型溫度傳感器AD590將溫度的變化量轉換成電流量，再將電流量轉換成電壓量通過A/D轉換器ADC0804將其轉換成數值量交由單片機處理。 圖4-2-2如上圖

22、4-2-2圖中三端穩(wěn)壓7812作為基準電壓，由運放虛短虛斷可知運放的反向輸入端ui的電壓為零伏，當輸出電壓為零伏時，列出A點的節(jié)點方程如下： .(1) 由于系統(tǒng)控制的水溫范圍為35-95,所以當輸出電壓為零伏時AD590的輸出電流為308.2uA,因此為了使Ui的電位為零就必須使電流等于電流等于308.2uA, 三端穩(wěn)壓7812的輸出電壓為12v所以由方程(1)得 (2)由方程(2)的取電阻R2=30k , R1=10k的電位器。又由于ADC0804的輸入電壓范圍為05v ，為了提高精度所以令水溫為95時ADC0804的輸入電壓為5v（即Uo=5v）。此時列出A點的結點方程如下: (3)當水溫

23、為95時AD590的輸出電流為368.2uA。由方程式（3）得R4+R5=83.33k因此取R5=81k , R5=5k的電位器。53 溫度控制電路此部分電路主要由光電耦合器MOC3041和雙向可控硅BTA12組成。MOC3041光電耦合器的耐壓值為400v，它的輸出級由過零觸發(fā)的雙向可控硅構成，它控制著主電路雙向可控硅的導通和關閉。100電阻與0.01uF電容組成雙向可控硅保護電路?？刂撇糠蛛娐穲D如圖（4-3-1）。圖4-3-154 鍵盤與數字顯示部分在設計鍵盤/顯示電路時，我們使用單片機2051做為電路控制的核心，單片機2051具有一個全雙工的串行口采用串口，利用此串行口能夠方便的實現(xiàn)系統(tǒng)

24、的控制和顯示功能。鍵盤/顯示接口電路如圖4-4-1。 圖4-4-1 鍵盤/顯示部分電路圖4-4-1中單片機2051的P1口接數碼管的8只引腳，這樣易于對數碼管的譯碼，使數碼管能顯示設計者所需的各數值、小數點、符號等等。 單片機2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8譯碼器74L138，譯碼器的輸出端直接接八個數碼管的控制端和鍵盤，鍵盤掃描和顯示器掃描同用端口這樣能大大的減少單片機的I/O，減少硬件的花費。鍵盤的接法的差別直接影響到硬件和軟件的設計，考慮到單片機2051的端口資源有限，所以我們在設計中將傳統(tǒng)的4*4的鍵盤接成8*2的形式（如圖4-4-2），鍵盤的掃描除了和顯示共用的8個端外

25、，另外的兩個端直接和2051的P3.2和P3.7相連。圖4-4-2鍵盤接線如圖4-4-2的接法已經完全用完了單片機的15個I/O口，有效的利用了單片機的資源。55 微機控制及圖形顯示部分 為了使系統(tǒng)具有更好的人機交換界面，在系統(tǒng)設計中我們通過Visual Basic 語言設計了微機控制界面。通過系統(tǒng)與微機的通信大大的提高了系統(tǒng)的各方面性能。由于單片機89C52串行口為TTL電平，而PC機為RS232電平，因此系統(tǒng)采用了MAX232電平轉換芯片。由于系統(tǒng)設計了多機通信的功能，即主系統(tǒng)（89C52）和鍵盤及數字顯示部分的通信、主系統(tǒng)（89C52）和PC機的通信，所以在設計電路時要特別注意多機通信的

26、時序及競爭問題，針對此類問題在設計中我們特地的在兩根串行通信線上增加了如圖4-5-2的電路：如圖4-5-2如圖4-5-2由于主機部分發(fā)送兩個從機都可以接受，因此主機的發(fā)送部分（及主機 TXD）不存在競爭問題。而兩個從機可能同時向主機發(fā)送各類控制信息，因此會存在競爭問題。其實圖4-5-2為一個與門電路，圖中R1為提升電阻，D1、D2為開關二極管，當pc TXD（或2051 TXD）中有一個為低電平時主機RXD為低電平，同時另一個分機無效，當pc TXD（或2051 TXD）中有一個為高電平時主機RXD為高低電平。圖4-5-3圖4-5-3所示微機控制界面，具有溫度控制及顯示的功能。界面中下半部分為

27、水溫的實測溫度和給定溫度的數值顯示及對主系統(tǒng)（89C52部分）的控制界面，上半部分為水溫的實測溫度的逐點采樣及圖形顯示，通過此界面可以更直觀的顯示溫度的變化，并且通過對圖形的保存能方便的打印出水溫的變化曲線。6軟件設計61 鍵盤顯示程序流程：圖5-1-1中的設定水溫、顯示溫度、確定、取消、清零、輸出，均為各種子程序，1、2、3、4、5、6代表個子程序的應用程序。62 主程序流程圖： 主程序流程圖如圖5-2-1所示，程序主要完成以下的幾部分任務： （1）初始化 設定各參數的初始值，設定各中斷及定時器。65輸出 圖4-2-154321取消輸出清零確定單步顯示溫度（2）接收/發(fā)射 此部分程序主要完成

28、數據的控制及顯示，其主要通過89C52單片機的全雙工串行口完成和鍵盤部分的雙向通信。（3）PC機通信 此部分完成與微機控制接口RS232的聯(lián)接及通信的控制。（4）數值轉換子程序 由于主程序中用到了很多的數值轉換及數值的運算（如十進制轉換成十六進制、雙字節(jié)與單字節(jié)的除法運算等等），為了程序調用的方便，特地將其編寫成子程序的形式。（5）PID算法 PID算法為此溫控系統(tǒng)的性能好壞的決定性因數。序流程圖如圖5-2-1所示。PID為控制中最為成熟的一中算法，其一般算式及模擬控制規(guī)律表達式如下式（4-1）：.（5-1）式（4-1）中U（t）為控制器的輸出;e(t)為偏差，即設定值與反饋值之差;Kc為控制

29、器的放大系數，即比例增益；Ti為控制器的積分常數;Td為控制器的微分時間常數。PID算法的原理即調節(jié)Kc、Ti、Td三個參數使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。由于PID的一般算式不易與單片機的處理，因此我們在設計中采用了增量型PID算法。將式（5-1）轉換成式（5-2）的形式： （5-2） 有式（5-3）可得： .（5-3）有式（5-3）中的u(k)即輸出PWM波的倒通時間。 圖5-2-2 PID算法7測試方法與測試結果71 系統(tǒng)測試儀器：DH1718E-5 雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源Tektronix TDS1002 數字示波器偉福E6000/L 仿真器GDM-8145多功能數字表數字萬用表P4 CPU2.4 內存261.616RAM Haier機。溫度計