水溫加熱控制系統(tǒng)

1、編號 本科生畢業(yè)設計水溫加熱控制系統(tǒng)The heating water temperature control system學生姓名賈 登 魁專 業(yè)電氣工程及其自動化學 號1134212指導教師胡貞分 院電子工程分院2011年 月 18第1章緒論1.1課題背景及研究意義隨著新技術的不斷開發(fā)與應用，近年來單片機發(fā)展十分迅速，一個以微機應用為主的新技術革命浪潮正在蓬勃興起，單片機的應用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對象中的一個重要的被控參數(shù)。然而所采用的

2、測溫元件和測量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)的控制方式以不能滿足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點是溫度波動范圍大，由于他主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡及遺傳算法控制等。這些控制技術大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)所使用的加熱器件是電爐絲，功率為三千瓦，要求溫度在4001

3、000。靜態(tài)控制精度為2.43。 本設計使用單片機作為核心進行控制。單片機具有集成度高，通用性好，功能強，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。 1.2國內外現(xiàn)狀溫度控制系統(tǒng)在國內各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。成熟的溫控產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它們只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，而用于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及加入

4、WTO，我國政府及企業(yè)對此都非常重視，對相關企業(yè)資源進行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，開展創(chuàng)新性研究，使我國儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內存、內部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機也被稱為微控制器（Micro controller），是因為它最早被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內僅有CPU的專用處理

5、器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術得到了巨大的提高。隨著I

6、NTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可 以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。1.3課題的設計目的1. 鞏固、加深和擴大單片機應用的知

7、識面，提高綜合及靈活運用所學知識解決工業(yè)控制的能力。 2. 培養(yǎng)針對課題需要，選擇和查閱有關手冊、圖表及文獻資料的自學能力，提高組成系統(tǒng)、編程、調試的動手能力。 3. 通過對課題設計方案的分析、選擇、比較、熟悉單片機用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程，軟硬件設計的方法、內容及步驟1.4課題的主要工作本課題的研究重點是設計一種基于單片機的數(shù)字溫度計控制系統(tǒng)。利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，此傳感器課讀取被測量溫度值，進行轉換。 主要工作如下： 1. 溫度測試基本范圍0100。 2. 精度誤差小于1。 3. LED液晶顯示。 4. 可以設定溫度的上下限報警功能。 5. 實現(xiàn)報警提示。1.5本文研究內容數(shù)字溫

8、度計采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電阻，熱電偶，半導體，熱敏電阻等），將溫度的變化轉換成電信號的變化，如電壓和電流的變化，溫度變化和電信號的變化有一定的關系，如線性關系，一定的曲線關系等，這個電信號可以使用模數(shù)轉換的電路即A/D轉換電路將模擬信號轉換為數(shù)字信號，數(shù)字信號再送給處理單元，如單片機或者PC機等，處理單元經(jīng)過內部的軟件計算將這個數(shù)字信號和溫度聯(lián)系起來，成為可以顯示出來的溫度數(shù)值，如25.0攝氏度，然后通過顯示單元，如LED,LCD或者電腦屏幕等顯示出來給人觀察。這樣就完成了數(shù)字溫度計的基本測溫功能。本文是基于STM32單片機，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，利用DS18B2

9、0不需要A/D轉換，課直接進行溫度采集顯示，報警的數(shù)字溫度計設計。包括傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調整電路，單片機主板電路等組成。第2章 開發(fā)工具Proteus與Keil 2.1 Proteus軟件2.1.1 Proteus簡介 Proteus軟件是英國Lab center electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞

10、。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。 該軟件的特點是：1. 實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合，具有模擬電路

11、仿真、數(shù)字電路仿真、各種單片機(51系列、AVR、PIG等常用的MCU)及其外圍電路(如LCD、RAM、ROM、鍵盤、LED、A/D、D/A)組成的系統(tǒng)仿真。 2. 提供了多種虛擬儀器。如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等，調試非常方便。 3. 提供軟件調試功能，同時支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如Keil等軟件。 4. 具有強大的原理圖繪制功能。Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調試時，關心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內容的改變,而是從工程的角度直接看程序運

12、行和電路工作的過程和結果。對于這樣的仿真實驗從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用閹脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。同時，當硬件調試成功后，利用Proteus ARES軟件，很容易獲得其PCB圖，為今后的制造提供了方便。2.1.2 大功能模塊1. 智能原理圖設計（ISIS）豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件。 智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件。 智能化的連線功能：自動連線功能使連接導線簡單快捷，大大縮短繪圖時間。 支持總線結構：使用總線器件和總線布線使電路設計簡明清晰。 可輸出高質量圖紙：通過個性化設置，可以生成印刷質量的BMP圖紙，可以方便地供WORD、POWER

13、POINT等多種文檔使用。 2. 完善的電路仿真功能（Pro spice） Pro SPICE混合仿真：基于工業(yè)標準SPICE3F5，實現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真。超過27000個仿真器件：可以通過內部原型或使用廠家的SPICE文件自行設計仿真器件，Lab center也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導入第三方發(fā)布的仿真器件。 多樣的激勵源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用w av文件）、指數(shù)信號、單頻FM、數(shù)字時鐘和碼流，還支持文件形式的信號輸入。 豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生

14、器、頻率計/計數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器等。 生動的仿真顯示：用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導線以不同顏色表示其對地電壓大小，結合動態(tài)器件（如電機、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動 高級圖形仿真功能（ASF）：基于圖標的分析可以精確分析電路的多項指標，包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等。3. 獨特的單片機協(xié)同仿真功能（VSM） 支持主流的CPU類型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、Basic Stamp、8086、MSP430等，CPU類型

15、隨著版本升級還在繼續(xù)增加，如即將支持CORTEX、DSP處理器。 支持通用外設模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、RS232虛擬終端、電子溫度計等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）還可以使仿真電路通過PC機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信。 實時仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中斷仿真、SPI/I2C 仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真。 編譯及調試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成

16、編譯環(huán)境（如IAR、Keil和Hi tech）結合，進行高級語言的源碼級仿真和調試。 4. 實用的PCB設計平臺 原理圖到PCB的快速通道： 原理圖設計完成后，一鍵便可進入ARES的PCB設計環(huán)境，實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設計。先進的自動布局/布線功能：支持器件的自動/人工布局；支持無網(wǎng)格 自動布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使PCB設計更為合理。 完整的PCB設計功能：最多可設計16個銅箔層，2個絲印層，4個機械層（含板邊），靈活的布線策略供用戶設置，自動設計規(guī)則檢查，3D 可視化預覽。 多種輸出格式的支持：可以輸出多種格式文件，包括Gerber文件的導入或導出，便利與其它PCB設計工

17、具的互轉（如protel）和PCB板的設計和加工。2.2 Keil軟件2.2.1 Keil軟件簡介 Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。Keil

18、 C51軟件是一個基于32位Windows環(huán)境的應用程序，支持C語言和匯編語言編程，其6.0以上的版本將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為Vision(通常稱為V2)。Keil提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，由以下幾部分組成：Vision IDE集成開發(fā)環(huán)境C51編譯器、A51匯編器、LIB51庫管理器、BL51連接/定位器、OH51目標文件生成器以及 Monitor-51、RTX51實時操作系統(tǒng)2.2.2 Keil軟件調試功能 應用Keil進行軟件仿真開發(fā)的主要步驟為：編寫源程序并保存建立工程并添加源文件設置工程編譯/匯編、連接，產(chǎn)生目標文件程序調試

19、。Keil使用“工程”(Project)的概念，對工程(而不能對單一的源程序)進行編譯/匯編、連接等操作。工程的建立、設置、編譯/匯編及連接產(chǎn)生目標文件的方法非常易于掌握。首先選擇菜單File-New，在源程序編輯器中輸入?yún)R編語言或C語言源程序(或選擇File-Open，直接打開已用其它編輯器編輯好的源程序文檔)并保存，注意保存時必須在文件名后加上擴展名.asm(.a51)或.c；然后選擇菜單Project-New Project，建立新工程并保存(保存時無需加擴展名，也可加上擴展名.uv2)；工程保存后會立即彈出一個設備選擇對話框，選擇CPU后點確定返回主界面。這時工程管理窗口的文件頁(Fi

20、les)會出現(xiàn)“Target1”，將其前面+號展開，接著選擇Source Group1，右擊鼠標彈出快捷菜單，選擇“Add File to Group Source Group1”，出現(xiàn)一個對話框，要求尋找并加入源文件(在加入一個源文件后，該對話框不會消失，而是等待繼續(xù)加入其它文件)。加入文件后點close返回主界面，展開“Source Group1”前面+號，就會看到所加入的文件，雙擊文件名，即可打開該源程序文件。緊接著對工程進行設置，選擇工程管理窗口的Target1，再選擇Project-Option for TargetTarget1(或點右鍵彈出快捷菜單再選擇該選項)，打開工程屬性設置

21、對話框，共有8個選項卡，主要設置工作包括在Target選項卡中設置晶振頻率、在Debug選項卡中設置實驗仿真板等，如要寫片，還必須在Output選項卡中選中“Creat Hex Fi”；其它選項卡內容一般可取默認值。工程設置后按F7鍵(或點擊編譯工具欄上相應圖標)進行編譯/匯編、連接以及產(chǎn)生目標文件。成功編譯/匯編、連接后，選擇菜單Debug-Start/Stop Debug Session(或按Ctrl+F5鍵)進入程序調試狀態(tài)，Keil提供對程序的模擬調試功能，內建一個功能強大的仿真CPU以模擬執(zhí)行程序。Keil能以單步執(zhí)行(按F11或選擇Debug-Step)、過程單步執(zhí)行(按F10或選

22、擇Debug-Step Over)、全速執(zhí)行等多種運行方式進行程序調試。如果發(fā)現(xiàn)程序有錯，可采用在線匯編功能對程序進行在線修改(Debug-Inline Ass am bl y)，不必執(zhí)行先退出調試環(huán)境、修改源程序、對工程重新進行編譯/匯編和連接、然后再次進入調試狀態(tài)的步驟。對于一些必須滿足一定條件(如按鍵被按下等)才能被執(zhí)行的、難以用單步執(zhí)行方式進行調試的程序行，可采用斷點設置的方法處理(Debug-Insert/Remove Break point或Debug-Breakpoints等)。在模擬調試程序后，還須通過編程器將.hex目標文件燒寫入單片機中才能觀察目標樣機真實的運行狀況。摘 要

23、 該系統(tǒng)具有實時顯示溫度測量值溫度設定值并能根據(jù)設定值對水的溫度進行調節(jié)和控溫的目的以及達到上限溫度的報警功能，控制算法是基于數(shù)字PID算法,基于stm32單片 機控制，將DS18b20溫度傳感器實時溫度轉化，并通過1602液晶對溫度實行實時顯示，并通過PWM波，改變其占空比加熱逐次逼近的方式，將溫度保持在設定溫度，通過按鍵調節(jié)溫度報警區(qū)域，實驗結果表明此結構完全可行，溫度偏差可達0.1以內。關鍵字： stm32單片機；傳感器;PID;DS18B20溫度傳感器ABSTRACTThe system hasreal-time display of temperaturemeasurementand

24、temperature setting value according to the set valueofthe temperature of the waterThe regulation andthe purpose of temperature controland alarm functionreaches the upper limit temperature,the controlalgorithm is based ondigital PIDSTM32 monolithicmachine controlalgorithmbased onDS18b20temperature se

25、nsorreal-time temperatureconversion,and throughThe implementation of1602 LCDreal-time display oftemperature,and through the PWM wave,changing theduty ratio ofheatingsuccessive approximationThe way,keeping the temperatureat the set temperature,the temperatureadjustment by keysalarm area,the experimen

26、tal results show thatThis structure iscompletely feasible,withinthe temperature deviationis 0.1 degrees centigrade.Keywords:STM32;PID;DS18B20sensor;temperature sensor目 錄1系統(tǒng)方案31.1STM32的論證與選擇31.2光電編碼器的論證與選擇41.3 溫度傳感器的論證與選擇42.水溫加熱系統(tǒng)的分析52.1.1溫度的保持72.1.2液位的測量73電路設計與程序設計73.1系統(tǒng)總體設計73.2電路設計83.2.1mcu框圖與電路原理圖

27、83.2.2電源93.3程序的設計103.3.1程序功能描述與設計思路103.3.2程序流程圖104測試方案與測試結果124.1 測試條件與儀器124.2 測試結果及分析124.2.1測試結果(數(shù)據(jù))124.2.2測試分析與結論12附錄：源程序13水溫加熱控制系統(tǒng)1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由STM32模塊、光電編碼器、溫度傳感器DS18B20模塊、繼電器S212ZK、電機驅動LM298、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1 STM32的論證與選擇方案一：51單片機。51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著

28、Flash rom技術的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進展，成為應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。很多公司都有51系列的兼容機型推出，今后很長的一段時間內將占有大量市場。51單片機是基礎入門的一個單片機，還是應用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機一般不具備自編程能力。方案二：stm32。在STM32F105和STM32F107互連型系列微控制器之前，意法半導體已經(jīng)推出STM32基本型系列、增強型系列、USB基本型系列、增強型系列；新系列產(chǎn)品沿用增強型系列的72MHz處理頻率。內存包括64KB到256KB閃存和 20KB

29、到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三種封裝，不同的封裝保持引腳排列一致性，結合STM32平臺的設計理念，開發(fā)人員通過選擇產(chǎn)品可重新優(yōu)化功能、存儲器、性能和引腳數(shù)量，以最小的硬件變化來滿足個性化的應用需求。更適用于本實驗的編程，而且容易獲得理想效果綜合以上二種方案，選擇方案二。1.2光電編碼器的論證與選擇方案一：角度傳感器。它的身體中有一個孔，可以配合樂高的軸。當連結到RCX上時，軸每轉過1/16圈，角度傳感器就會計數(shù)一次。往一個方向轉動時，計數(shù)增加，轉動方向改變時，計數(shù)減少。計數(shù)與角度傳感器的初始位置有關。當初始化角度傳感器時，它的計數(shù)值被設置為

30、0，如果需要，你可以用編程把它重新復位精度要求過高，無法與系統(tǒng)相匹配.方案三：光電編碼器。光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。精確度更高，能更好的完成實驗要求綜合以上二種方案，選擇方案二。1.3 溫度傳感器的論證與選擇方案一：使用電熱爐進行加熱，控制

31、電爐的功率即可控制加熱速度，當水溫過高時，關掉電爐即可，但考慮到電爐成本較高，且精度不好控制，故不選用。方案二：使用可控硅控制加熱器的工作?？煽毓枋且环N半控器件，通過控制導通角的方式來控制，對每個周期的交流電進行控制，因為導通角連續(xù)可調，故控制精度較高，但是控制不當易造成電磁干擾須加裝各種防制措施，而且費用較高。 方案三：通過控制繼電器通斷來控制加熱器工作，固態(tài)繼電器使用非常簡單，而且沒有觸點，無需外加光耦，自身就可以實現(xiàn)電氣隔離，還可以頻繁動作?？梢允褂妙愃芇WM的方式，通過控制固態(tài)繼電器的通斷時間來調節(jié)占空比，從而來控制加熱功率此方案實行較為簡單而且價格較為便宜。所以我們選擇方案三溫度傳感

32、器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。綜合以上三種方案，選擇方案三 圖1-1 DS18B20溫度傳感器2.水溫加熱系統(tǒng)的分析 在控制部分，要求系統(tǒng)能夠將水溫調節(jié)到給定的溫度，并進行保溫。題目規(guī)定溫度調節(jié)的時間5分鐘，但顯然調節(jié)時間越短越好。 題目沒有具體給出具體加熱的器具和方式，因此選手必須自行選擇和制作加熱裝置，然后才能真正進行電路制作。 在發(fā)揮部分，還要求提高溫度系統(tǒng)的控制性能，縮短調節(jié)時間，提高控

33、制精度。 2.1.1PID的分析1PID控制概述 當今的自動控制技術絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個基本要素：測量、比較和執(zhí)行。測量關心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來糾正和控制系統(tǒng)的響應。反饋理論及其在自動控制中應用的關鍵是：做出正確測量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調節(jié)。 在過去的幾十年里，PID控制，也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應用。在控制理論和技術飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過程控制中95%以上的控制回路都具有PID結構，而且許多高級控制都是以PID控制為基礎的。 PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成 PID控制用途廣泛，使用靈活，

34、已有系列化控制器產(chǎn)品，使用中只需設定三個參數(shù)（ K P ， KI 和K D ） 即可。在很多情況下，并不一定需要三個單元，可以取其中的一到兩個單元，不過比例控制單元是必不可少的。 PID控制具有以下優(yōu)點： （1） 原理簡單，使用方便，PID參數(shù) KP 、KI 和K D 可以根據(jù)過程動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重 新進行調整與設定。 （2） 適應性強，按PID控制規(guī)律進行工作的控制器早已商品化，即使目前最新式的過程控制計算機，其基本控制功能也仍然是PID控制。PID應用范圍廣，雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過適當簡化，也可以將其變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，就可以進行PID

35、控制了。 （3） 魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不太敏感。 但不可否認PID也有其固有的缺點。PID在控制非線性、時變、偶合及參數(shù)和結構不缺點的復雜過程時，效果不是太好；最主要的是：如果PID控制器不能控制復雜過程，無論怎么調參數(shù)作用都不大。 在科學技術尤其是計算機技術迅速發(fā)展的今天，雖然涌現(xiàn)出了許多新的控制方法，但PID仍因其自身的優(yōu)點而得到了最廣泛的應用，PID控制規(guī)律仍是最普遍的控制規(guī)律。PID控制器是最簡單且許多時候最好的控制器。 在過程控制中，PID控制也是應用最廣泛的，一個大型現(xiàn)代化控制系統(tǒng)的控制回路可能達二三百個甚至更多，其中絕大部分都采用PID控制。由此可見，在過程

36、控制中，PID控制的重要性是顯然的，下面將結合實例講述PID控制。PI控制器與被控對象串聯(lián)連接時,可以使系統(tǒng)的型別提高一級,而且還提供了兩個負實部的零點.與PI 控制器相比,PID控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)點外,還多提供了一個負實部零點,因此在提高系統(tǒng)動態(tài)系統(tǒng)方面提供了很大的優(yōu)越性.在實際過程中,PID控制器被廣泛應用. PID控制通過積分作用消除誤差,而微分控制可縮小超調量,加快反應,是綜合了PI控制與PD控制長處并去除其短處的控制.從頻域角度看,PID控制通過積分作用于系統(tǒng)的低頻段,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而微分作用于系統(tǒng)的中頻段,以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能.PID控制器由比例單元（P）

37、、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關系為u(t)=kp(e(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時間常數(shù)； TD為微分時間常數(shù) PID_P= 250 PID_I= 0.3 PID_D= 02.1.1 溫度的保持水溫的加熱，需要在短時間完成，而且在規(guī)定的時間內，需要保持溫度在2-3分鐘的時間之內維持這個溫度區(qū)間。2.1.2液位的測量（1）液位的測量，需要運用到“抽水馬桶”原理，應用光電譯碼器的靈

38、敏度，通過杠桿原理，將其細微的變化，通過角度與杠桿，以及程序，將其液位指示。（2）液位的測量，具有上下線的要求，在到達其臨界值，我們采用了蜂鳴器，作為其報警的裝置。當其達到液位上下限時，通過程序的控制，在其臨界點，發(fā)出警報。3電路設計與程序設計3.1系統(tǒng)總體設計溫度加熱控制系統(tǒng)總體框圖如圖3.2所示。整個系統(tǒng)由STM32單片機模塊、測溫模塊、蜂鳴報警、加熱模塊、LCD顯示模塊、獨立鍵盤所組成。Stm32模塊在本實驗中，主要作用為外部控制，可接受輸入信號，并且返回處理，在通過電信號反映在顯示屏上。測溫模塊，熱電偶檢測到的溫度信號,一般是多少伏,這個溫度信號送到溫度模塊后在這里信號是被放大并轉換成

39、數(shù)字信號輸出。LCD顯示模塊，本實驗中作為界面使用，顯示數(shù)值與相應的顯示值。蜂鳴器報警，用于警戒臨界值。加熱模塊，用于對水溫的加熱，主要是使用繼電器的控制和電熱棒相結合，完成加熱工作。獨立鍵盤，用于對設備的控制及簡化操作難度。 圖3.1 溫度加熱控制系統(tǒng)總體框圖3.2電路設計3.2.1mcu框圖與電路原理圖1、 主程序流程圖 圖3-1MCU部分原理圖2、USB串口、電源部分子程序流程圖圖3-2 USB串口、USB、電源部分原理圖 3、 STM32液晶顯示圖3-3 Stm32液晶顯示模塊原理圖3.2.2電源電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供+5V或者+220V電壓，確保電路的

40、正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)，故不作詳述。3.3程序的設計3.3.1程序功能描述與設計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)鍵盤的設置和顯示。1）鍵盤實現(xiàn)功能：設置頻率值、頻段、電壓值以及設置輸出信號類型。2）顯示部分：顯示電壓值、頻段、步進值、信號類型、頻率。2、程序設計思路1)利用杠桿原理，測定細微的位置變化，在將其實現(xiàn)通過系統(tǒng)的精確計算，最終在顯示端口獲得數(shù)值。2)利用電熱棒的加熱，以及自己所設計的溫度感應器，對水溫進行加熱控制，以及對其數(shù)值進行隨心所欲的控制，在規(guī)定的時間達成目標，并且完成發(fā)揮的部分。3.3.2程序流程圖1、 PID子程序流程圖 如圖

41、3-4 PID子程序流程圖在本設計中要對液面與水溫進行實時測量，運用PID控制，進行調試，并且使其具有一定的穩(wěn)定性，最終獲得水溫與液位的測量與計算。2、水溫控制系統(tǒng)流程圖如圖3-5 水溫控制系統(tǒng)流程圖在本設計中要對水溫進行實時測量，通過自制水溫測量儀器對水溫進行實際測量，與實際溫度進行對照。3、液位測試流程圖 如圖3-6 液位測試流程圖在本設計中要對液面進行實時測量，把檢測到的數(shù)據(jù)送到處理器進行處理顯示在LCD上，并且能通過鍵盤設置液面的報警上下限，當超過范圍時能通過聲光報警。還要有掉電保存設置的值和保存一些當前的液面和時間的數(shù)據(jù)4測試方案與測試結果4.1 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿

42、真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。4.2 測試結果及分析4.2.1測試結果(數(shù)據(jù))測試結果好下表所示： （單位/ml/）液位.5055606570758090水溫23303540455060704.2.2測試分析與結論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，得出以下結論：(1)溫度控制器具有數(shù)字顯示功能，以LED或LCD方式顯示溫度和液位數(shù)值；(2)溫度控制器，具有溫度測量功能，測溫分辨誤差不大于0.5； (3) 有液位測量功能，液位測量使用自制液位傳感器，液位測量誤差不大于5mm；(4) 能夠

43、通過按鍵設置溫度值控制升溫，測試時現(xiàn)場指定溫度控制值，要求升溫時間小于5分鐘，到達設置溫度值時有聲音提示。聲音提示之后開始計時，2分鐘內控溫誤差不大于2； (5)有液位上限、下限報警功能，報警點可以設置，液位低于下限或高于上限時，發(fā)出聲音報警并禁止加熱。2發(fā)揮部分 (1)提高溫度測量分辯率，使溫度測量的分辨誤差不大于0.1； (2)提高液位測量精度，液位測量誤差不大于1mm； (3)提高溫度控制精度，升溫時間小于5分鐘，溫度上升到設定值后，2分鐘內控溫誤差不大于0.5； (4) 具有分段程序控制功能，可分段設置控溫值和保溫時間，控溫值T1、T2、T3現(xiàn)場指定，在室溫到90之間，控溫時間t1、t

44、2、t3現(xiàn)場指定，升溫速度不小于10/min，控溫誤差不大于0.5綜上所述，本設計達到設計要求。附錄1:水溫加熱控制系統(tǒng) 實體組裝圖，如圖附錄2：源程序溫度控制#include stm32f10x.h#include ds18b20.h#include Temperature Control.H#define LED0_PWM_VAL TIM3-CCR3 float angle1,angle2,error_angle1,error_angle2,sum_error_angle1,sum_error_angle2; float P_rot,I_rot,D_rot,delt_T, command_

45、rot1,Rolllb,Rolllb1,Rolllb2,angle_standard;/*PWM初始化*/ void PWM_I nit(u16 arr,u16 psc)/參數(shù)arr為頻率 psc為分頻系數(shù) /此部分需手動修改IO口設置RCC-APB1ENR|=1APB2ENR|=1CRL&=0XFFFFFFF0;/PB0輸出GPIOB-CRL|=0X0000000B;/復用功能輸出 GPIOB-ODR|=1ARR=arr;/設定計數(shù)器自動重裝值 TIM3-PSC=psc;/預分頻器不分頻TIM3-CCMR2|=6CCMR2|=1CCER|=1CR1|=0x01; /使能定時器3 /*溫度PI

46、D恒溫控制*/void Temperature Control(float temperature)delt_T=0.1; P_rot=PID_P; I_rot=PID_I; D_rot=PID_P; if(DS18B20_Get_Temp()temperature-DEVIATION_1)/之前為47 I_rot=PID_I_DEBIATON_1; if(DS18B20_Get_Temp()temperature-DEVIATION_2)/之前為49.3 I_rot=PID_I_DEBIATON_2; angle_standard = temperature;/基準值 angle2 = an

47、gle1;/angle1 為當前值 angle2為前一次值 angle1 =DS18B20_Get_Temp();/測量當前值 error_angle1 = angle_standard - angle1; error_angle2 = angle_standard - angle2; sum_error_angle1 = sum_error_angle1 + error_angle1* delt_T; command_rot1= P_rot*error_angle1 + D_rot*( error_angle1 - error_angle2 )/delt_T + I_rot*sum_erro

48、r_angle1; if(command_rot15000) command_rot1=5000; if(command_rot1temperature) command_rot1=0;LED0_PWM_VAL=command_rot1;/控制占空比按鍵控制/*按鍵加減數(shù)值*/#include stm32f10x.h#include Encoder.H#include ds18b20.h#include ADC_DMA.huint16_t Standard L;/液位下限值uint16_t Standard H;/液位上限值uint16_t Temperature H;/溫度設定值uint16

49、_t Temperature1;/溫度設定T1uint16_t Temperature2;/溫度設定T2uint16_t Temperature3;/溫度設定T3uint8_t OK Flag;/設定結束標志位uint8_t Time First;uint8_t Time Second;uint8_t Time Third;/*外部中斷初始化*/PG8 PC13按鍵static void EXTI I nit(void)GPIO_I nit Type Def GPIO_I nit Structure; EXTI_I nit Type Def EXTI_I nit Structure;/* co

50、n fig the exti line clock and AFIO clock */RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_GPIOG|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);/* EXTI line gpio con fig*/ GPIO_I nit Structure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13; GPIO_I nit Structure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; / 上拉輸入 GPIO_I nit(GPIOC, &GPIO_I nit Structure); GPIO_I nit Structure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; GPIO_I nit(GPIOG, &GPIO_I nit Structure);/* EXTI line mode con fig */ GPIO_EXTI Line Con fig(GPIO_Port Source GPIOC, GPIO_PinSource13); GPIO_EXTI Line Con fig(GPIO_Port Source