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文檔簡介

1、基于單片機的淋浴水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要:本論文對實際情況進行數(shù)學(xué)建模,并根據(jù)分析和實驗的結(jié)果設(shè)計了控制系統(tǒng)。利用工業(yè)控制的8031單片機搭建控制系統(tǒng),系統(tǒng)的前向通道未用了成本低、休積小、線性電流傳感器,為提高精度,傳感器設(shè)計了T型濾波器以增加杭干擾能力,單片機應(yīng)用未用PID葬法的撞制方式擔(dān)制雙向可控硅的導(dǎo)通、關(guān)斷,調(diào)整功率,使之切斷或接通加熱器,從而控制水溫穩(wěn)定在預(yù)設(shè)定值上。系統(tǒng)后向通道采用干擾小、器件運行可靠的過零觸發(fā)方式,省去了傳統(tǒng)的D/A接口電路,簡化了硬件設(shè)備。在軟件設(shè)計中,為提高精度我們采用了數(shù)字濾波方案以減少干擾信號的比重。根據(jù)溫控的單回路PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計,完成實時瀏重(

2、傳感采樣)、實時決策(PID控制運算)和實時控制(調(diào)功)三部分功能,為防止超調(diào)量過大,對PID算法進行了適當(dāng)改進,用單片機產(chǎn)生PWM波對電機進行控制,調(diào)節(jié)冷熱水管的流量,最終達到控制輸出水溫的目的。目錄引言11.設(shè)計任務(wù)2基本要求3發(fā)揮部分32方案論證3方案一3方案二4方案三43方案設(shè)計5系統(tǒng)工作原理5主要電路設(shè)計6軟件設(shè)計94性能指標(biāo)測試:115結(jié)論12系統(tǒng)誤差分析12參考文獻13引言隨著自動化技術(shù)的進一步發(fā)展,現(xiàn)在很多家庭都希望能享受智能化服務(wù)的家居環(huán)境;人們生活無非衣食住行,對于居住,如果有智能化淋浴設(shè)施,更能為生活增色不少,智能化淋浴設(shè)施中關(guān)鍵的兩項技術(shù)為:溫度控制與流量控制,其中人們

3、對于溫度控制是希望在自己設(shè)定數(shù)值以后變化不大,僅僅在設(shè)定數(shù)值周圍波動;而流量則直接按需要進行調(diào)節(jié)。1.設(shè)計任務(wù)設(shè)計制作一個淋浴水溫控制系統(tǒng),控制對象為1升凈水,容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定,并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整,以保持設(shè)定的溫度基本不變。淋浴水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)由溫度傳感裝置、控制系統(tǒng)、顯示裝置、冷水流控制裝置、熱水流控制裝置、總流量控制裝置構(gòu)成,如圖2-1所示。其中流量與溫度有一定的關(guān)系,系統(tǒng)利用溫度傳感器測量水的溫度,并將其結(jié)果傳遞到控制系統(tǒng),將溫度顯示出來,并與所設(shè)置的溫度進行對比,根據(jù)對比所得到的結(jié)果來控制冷熱水的流量。圖2-1水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成框圖水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)目標(biāo)

4、是控制出水管的溫度和流量。對于流量的控制,是通過手動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的;而對于溫度的控制,則是先通過控制面板手動調(diào)定好溫度的數(shù)值,再通過閉環(huán)控制其真實水溫圍繞設(shè)定水溫小范圍波動。1.1基本要求(1) 溫度設(shè)定范圍為400CJ900C,最小區(qū)分度為1 "C,標(biāo)定溫差<10C<(2)環(huán)境溫度降低時(例如用電風(fēng)扇降溫)溫度控制的靜態(tài)誤差<10Co (3) 用十進制數(shù)碼顯示水的實際溫度。1.2發(fā)揮部分 (1) 采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?,?dāng)設(shè)定溫度突變(由40提高到60 0C)時,減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。 (2) 溫度控制的靜態(tài)誤差<20 (3) 在設(shè)定溫度發(fā)生突變(由40提高

5、到60)時,自動打印水溫隨時間變化的曲線。2方案論證根據(jù)水溫控制系統(tǒng)題目的要求,在初步論證時我們設(shè)計出三種方案:圖2-2 圖2-2所示,此方案采用電壓比較法,將由傳感器檢測到的物理量經(jīng)過變換器變換成電壓量然后送入比較電路,與基準(zhǔn)電壓進行比較,然后控制繼電器關(guān)斷來進行電爐的加熱。同時將變換后的信號放大,送A/D積分變換顯示出當(dāng)前溫度。 圖2-3圖2-3所示,本方案由傳感器采樣放大的信號,進行A/D變換和非線性校正后,將輸出的數(shù)字量與存儲器中前次采樣進行比較,然后根據(jù)比較結(jié)果控制電爐工作以及當(dāng)前溫度顯示。此方案采用單片機對系統(tǒng)進行智能化控制,不僅具有功能強、體積小、價格低的優(yōu)點,而且可編程、智能化

6、溫度控制技術(shù)的廣泛采用使得系統(tǒng)靈活性大大增加。如圖2-4所示,此方案控制部分采用8031單片機,輸入部分采用半導(dǎo)體集成傳感器,變換后信號經(jīng)A/D采樣送入CPU進行數(shù)字濾波,然后對信號進行非線性校正,并充分利用控制運算(PID )得出的控制量去控制雙向可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷,來切斷或接通加熱電源,調(diào)整電工功率,從而控制水溫穩(wěn)定在設(shè)定值上。通過三種方案的比較分析,若采用前兩種方案,利用常規(guī)化儀表加接觸器(繼電器)的斷續(xù)控制方法,要達到題目給定的精度要求,從輸入采樣到輸出控制的各種誤差產(chǎn)生因素較多,精度難以達到要求。而采用單片機就可充分發(fā)揮其優(yōu)點,將誤差減小到最小,還可以方便地實現(xiàn)實時控制,而且在實驗過

7、程中,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行誤差補償和軟件校正.其優(yōu)點是傳統(tǒng)電路無法比擬的。所以我們選定單片機實現(xiàn)電爐溫度控制的單回路PID數(shù)字調(diào)節(jié)的第三種方案。圖2-43方案設(shè)計圖3-1由單片機實現(xiàn)電爐溫度控制的單回路PID數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理如圖3-1所示。圖3-1中,傳感器AD590將溫度信號轉(zhuǎn)換成電流信號,通過放大器變成電壓信號,然后送入A/D變換器,輸出BCD碼選入8031CPU,運算控制器根據(jù)接收數(shù)據(jù)進行處理,同時將數(shù)據(jù)保存,以便與下一次采樣值進行比較,通過軟件對所測電壓進行數(shù)字非線性校正,同時由顯示器進行實時顯示。根據(jù)系統(tǒng)程序控制,進行PIB運算以及輸出控制,最終由CPU給出控制加熱回路的“有效過零

8、脈沖”個數(shù)來控制可控硅的通斷,達到調(diào)功的目的。該系統(tǒng)被測參數(shù)是水的溫度,由單片機經(jīng)過控制運算(PID)得出的控制量去控制雙向可控制硅的導(dǎo)通和關(guān)斷,以便切斷或接通加熱電源,調(diào)整電工功率,從而控制水溫穩(wěn)定在設(shè)定值上。本系統(tǒng)采用過零觸發(fā)方式,干擾小、器件運行可靠,同時省去了傳統(tǒng)的B!A變換器件,簡化了硬件設(shè)備。(1) 調(diào)功原理系統(tǒng)采用帶光電隔離的過零觸發(fā)型雙向可控硅C-SSR。由803?控制加在雙向可控硅的過零脈沖信號的數(shù)目,從而控制可控硅導(dǎo)通的次數(shù),達到調(diào)功的目的。(2) 過零檢測電路 LMI311電壓比較器輸入信號取自交流電全波整流后,輸出峰值小于1的100Hz的過零負(fù)脈沖波形,并向3031.申

9、請100次中斷,以實現(xiàn)每秒100次中斷控制周期。(3) 控制執(zhí)行電路 由程序控制每秒內(nèi)輸出高電平時問長短,控制觸發(fā)A C,-SSR的過零脈沖數(shù)目。(1 803I單片機基本系統(tǒng) 數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制核心采用8031單片機與EPROM,RAM,地址鎖存74L S373,譯碼74LS138組成基本系統(tǒng)。(2) 前向通道設(shè)計 前向通道是整個電路設(shè)計的關(guān)鍵。它完成信號采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換幾大功能。電路如圖3-2所示。圖3-2測溫傳感的選擇是設(shè)計時首要考慮的問題,根據(jù)題目要求,需要進行常溫區(qū)的溫度測量。為了減少干擾,我們選用了半導(dǎo)體集成溫度傳感器,并在其兩側(cè)加RC濾波器抗干擾。AD590是一種恒流源形式的

10、溫度傳感器,其校準(zhǔn)精度達士0. 50C,測溫范圍-55至+150完全滿足題自要求。按圖中設(shè)計若采用屏蔽線作信號線,則其傳輸距離可以提高許多。AD590輸出量是電流,其輸出通過1acSx電阻獲得1mV/K的,為將絕對溫度轉(zhuǎn)換成攝氏溫度,在輸入端加一273.2mW的偏壓,使測量回路在。時輸出為OV。選擇放大倍數(shù)為0時,溫度每變化10C輸出電壓就變化1OrrzV,其輸出電壓經(jīng)A/D變換提供給CPU當(dāng)前溫度所對應(yīng)的檢測電壓值,其范圍大于200mV小于2V,故將IIC14433基準(zhǔn)源定為2V,由LM1403分壓得到。(3) 后向通道電路設(shè)計為了能夠使水溫穩(wěn)定在設(shè)定值上,我們采用電滬的調(diào)功方法,電路如圖3

11、-3所示。圖3-3調(diào)功原理是依據(jù)每秒鐘可控硅導(dǎo)通的次數(shù)來使其處于時開時斷,達到功率調(diào)整的目的。利用帶光電隔離的過零型雙向可控硅AC - SSR,為使其實現(xiàn)過零控制,就要實現(xiàn)工頻電壓的過零檢測,并給出脈沖信號,由單片機控制雙向可控硅過零脈沖信號數(shù)目。這部分是利用軟件控制輸出方波的占空比,使P3.腳輸出有效電平的時間不同,從而加在可控硅觸發(fā)端的脈沖個數(shù)不同,保證了調(diào)整精度。采用這祥的設(shè)計省去了傳統(tǒng)電路中的D/A變換器,使硬件大為簡潔、可靠。在制作過程中,為了減少系統(tǒng)干擾,還設(shè)計了隔離電源進行脈沖過零檢測. (4) 鍵盤顯示模塊設(shè)計在設(shè)計鍵盤/顯示接口時,使用了8279專用控制器,它能實現(xiàn)對鍵盤的自

12、動掃描、去抖,顯示自動刷新。8279與主機通信采用中斷方式,這樣處理后,減少了硬件工作量,軟件編程也大為簡化。四位數(shù)碼顯示可顯示從00. 0C到”. 9 0C的實測溫度,鍵盤由譯碼電路選通2X8,實際工作中只使用了12個鍵碼.10位數(shù)字預(yù)置鍵和兩位功能鍵。 (5) 電源設(shè)計 根據(jù)電路需要設(shè)計了士15V,上5V兩組電源,變壓器雙組18V輸出經(jīng)過整流橋全波整流后進行濾波,最后由三端穩(wěn)壓集成塊完成穩(wěn)壓,輸出穩(wěn)定的直流電壓供各電路正常工作,其中四個二極管是保護二極管。在軟件設(shè)計中,我們采用了數(shù)字濾波方案,以便減少干擾在有用信號中的比重,提高信號真實性。這種濾波方法不需要增加硬件設(shè)備,也不存在阻抗匹配間

13、題,可以多個通道共用,不但可以節(jié)約投資,還可提高可靠性、穩(wěn)定性,對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波,參數(shù)易修改,靈活性大。(1)控制程序組成主控模塊(圖3-4):負(fù)責(zé)初始化各個器件,等待鍵盤中斷事件的發(fā)生,并作相應(yīng)的處理。主控模塊流程圖。圖3-4鍵盤中斷處理模塊(圖3-5):讀取鍵碼,并置入鍵碼寄存器中。定時器。中斷處理模塊(圖3-6):主管向P3.;口發(fā)生控制可控硅的選通脈沖信號,間接控制可控硅。定時器0中斷處理模塊流程:圖3-6定時器1中斷處理模塊:完成采樣、數(shù)字濾波、計算PID控制值,并將當(dāng)前溫度進行顯示,同時設(shè)置脈沖數(shù)值。(2)溫度控制程序設(shè)計溫度控制程序的設(shè)計我們考慮了如下問題: 鍵盤掃描、鍵

14、碼識別和溫度顯示; 溫度采樣、數(shù)字濾波; 數(shù)據(jù)處理時把所有數(shù)據(jù)定點純小數(shù)補碼形式轉(zhuǎn)換,然后把8位溫度采樣值Umin ,Umax都變成16位參加運算,運算結(jié)果取8位有效值; PID計算溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換。溫度控制的算法:我們采用常用的數(shù)字PID算法,其調(diào)節(jié)是根據(jù)實際測量值與設(shè)定值的偏差值,按比例一積分一微分的函數(shù)關(guān)系進行運算,用一個數(shù)字量的運算結(jié)果控制輸出。模擬PID調(diào)節(jié)的理想運算式用微分方程表示為:為使PID調(diào)節(jié)在計算機上實現(xiàn),將其離散化,由描述離散系統(tǒng)的差分方程來代替:改為增量式算法公式:這時,位置式公式可寫成如下形式:根據(jù)鍵盤輸入的設(shè)定參數(shù)T,P,I,D,通過現(xiàn)場運行調(diào)試、整定,得到符合該系統(tǒng)的

15、各參數(shù)值。為克服積分飽和,根據(jù)試題發(fā)揮部分需要,為防止超調(diào)量過大,我們對PID控制算法做了適當(dāng)改進,采用了積分分離法,在偏差e;較大時,取消積分作用;當(dāng)偏差ei較小時,才將積分作用投入。 即,當(dāng)ei>B時,用PD控制 當(dāng)ei<B時,用PID控制4性能指標(biāo)測試:1.測試條件 環(huán)境溫度為23 C2.測試儀器 MY-68數(shù)字萬用表SS一7804雙通道示波器DA一16晶體管毫伏表JM一222數(shù)字溫度計(1) 測溫度:將溫度計與傳感器同時浸入搪瓷杯的水中,對電爐進行全功率加熱,測試水溫溫度。單位()(2) 恒溫設(shè)定及調(diào)整:用鍵盤設(shè)定一固定溫度值,對1升水進行加熱,恒溫。單位() (3) 靜態(tài)

16、誤差測試用鍵盤設(shè)定一固定溫度值,對1升水加熱,恒溫,同時用電風(fēng)煽降低周圍環(huán)境溫度,測試靜態(tài)誤差。單位()4.整機指標(biāo)(1)前向通道部分傳感器測溫范圍:一55'55數(shù)據(jù)采集周期: 10次/秒采集精度:三位半A/D轉(zhuǎn)換(相當(dāng)于11位二進制數(shù))(2)后向通道部分功率控制:最大電流6A(3)鍵盤顯示部分溫度設(shè)定:35 99顯示范圍:099. 95結(jié)論(1)該集成傳動系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊,制造工藝簡便。(2)與有桿活塞式液壓缸相比,采用無桿活塞缸使得相關(guān)部位由動密封轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封,流體泄漏容易控制。(3)斜面-鋼球-斜面-鋼球三級增力機構(gòu)的增力效果,顯著高于同類的一級及二級增力機構(gòu)12,設(shè)計夾具時

17、應(yīng)優(yōu)先選用。(4)斜面-鋼球-斜面-鋼球三級增力機構(gòu)的力傳遞效率相對較低。但由于理論增力系數(shù)很大,故仍能得到相對較大的實際增力系數(shù)。系統(tǒng)誤差分析從整個電路原理框圖來看,系統(tǒng)的主要誤差來源于以下幾個方面:1. A/D變換器MC14433的量化誤差。指標(biāo)為(士1LSB) 滿度誤差為: 2.由于系統(tǒng)前向通道設(shè)計中,須加入一些必要的T型濾波網(wǎng)絡(luò),雖然采用對稱網(wǎng)絡(luò),抑制傳輸中間的干擾,提高了系統(tǒng)誤差與精度,但也給電路中引入一些非線性因素,使得溫度傳感器的線性度受到影響,從而引入了新的誤差。3.在PID控制算法中,我們采用的是理想PID數(shù)字控制器,雖然其算法較實際PID更為簡單,更易實現(xiàn),但其控制品質(zhì)較差

18、,原因在于其微分作用僅局限于第一個采樣周期有一個大幅度輸出,一般執(zhí)行機構(gòu)無法在較短采樣周期內(nèi)跟蹤較大的微分作用輸出,須綜合考慮多方面因素。4.由于實驗所用測量工具(如溫度計)本身精度以及所帶來的視覺誤差,加上溫度變化慣性較大,動態(tài)測量時準(zhǔn)確控制測量精度略有難度。參考文獻1鐘康民,宋強,郭培全 鋼球增力液壓夾具J制造技術(shù)與機床, 1999 (11): 47482芮豐 新穎的滾珠式力放大機構(gòu)J機械設(shè)計,1992 (3): 49503林文煥,陳本通 機床夾具設(shè)計M北京:國防工業(yè)出版社, 19874 趙亮,侯國銳.單片機C語言編程與實例M.北京:人民郵電出版社,2003.307-311.5 金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應(yīng)用J.電子技術(shù)應(yīng)用,2000,(

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