水溫控制系統(tǒng)完整版設(shè)計報告(1997年電子設(shè)計大賽c題)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上合肥工業(yè)大學(xué)2012安徽省電子設(shè)計大賽實驗報告 （一） 題目：水溫控制系統(tǒng)（1997年c題） 姓名：梁植程、楊柯、湯旭 指導(dǎo)老師：楊老師 實驗地點：逸夫樓607 時間：2012年7月16號7月24號目錄摘要隨著微機測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對溫度的控制水平。本設(shè)計論述了一種以STC89C52單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度自動控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定的溫度，通過PID算法調(diào)節(jié)和控制PWM波的輸出，控制繼電器開啟和關(guān)閉，從而控制加熱棒的加熱和停止。硬件電路主

2、要包括STC89C52單片機最小系統(tǒng)，穩(wěn)壓電路，DS18b20測溫電路、鍵盤電路，LCD12864液晶顯示電路，繼電器電路，加熱模塊電路等。系統(tǒng)程序模塊主要包括主程序控制模塊，溫度處理子程序模塊、按鍵處理程序模塊、LCD顯示程序模塊、PID算法控制程序模塊，pwm波輸出程序模塊。關(guān)鍵詞 STC89C52單片機；DS18B20；12864，PID算法，PWM，穩(wěn)壓電源供電模塊。設(shè)計任務(wù)與要求一、任務(wù)設(shè)計并制作一個水溫自動控制系統(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)自動控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變。二、要求1基本要求（1）溫度設(shè)定范圍為4

3、090，最小區(qū)分度為1，標(biāo)定溫度1。（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1。（3）用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實際溫度。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）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0.2。（3）在設(shè)定溫度發(fā)生突變（由40提高到60）時，自動打印水溫隨時間變化的曲線。方案論證1. 單片機供電模塊的方案選擇：方案一：直接用GP品牌的9v電池，然后接通過三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓成5伏直流電源提供給單片機系統(tǒng)使用，右邊接兩個5伏電源的濾波電容，并且接上電阻和綠色的LED組成5伏電源的工作指示電路。方案二：通過變壓器，將2

4、20v的市電轉(zhuǎn)換成9v左右的交流電，變壓器輸出端的9V電壓經(jīng)橋式整流并電容濾波。要得到一個比較穩(wěn)定的5v電壓，在這里接一個三端穩(wěn)壓器的元件7805。由于需要給繼電器提供穩(wěn)定的5V電壓，而方案一中導(dǎo)致電池的過度損耗，無法穩(wěn)定帶動繼電器持續(xù)工作，所以我們選用能夠提供更加穩(wěn)定5v電源的方案二。 2.溫度檢測電路的方案選擇： 方案一：用普通半導(dǎo)體溫度傳感器作為敏感元件，再結(jié)合電壓放大器和AD轉(zhuǎn)換器將感應(yīng)到的溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存儲在某一單元內(nèi)。但由于該方案所需元件較多，且電路較繁，調(diào)試起來較復(fù)雜，所以舍之不用。 方案二：使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測溫度，內(nèi)含AD轉(zhuǎn)換器，因此線路連接十分簡單，它

5、無需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機通信，讀取測溫數(shù)據(jù)，電路十分簡單，它能夠達(dá)到0.5的固有分辨率，使用讀取溫度暫存寄存器的方法還能達(dá)到0.0625以上精度，應(yīng)用方便。這樣的電路主要工作量就集中到了單片機軟件編程上，故我們選用該方案。2.顯示電路的方案選擇：方案一：使用數(shù)碼管顯示，通過數(shù)碼管顯示被測溫度和設(shè)定溫度。該方案程序簡單，但硬件占用單片機I/O口較多，對于盡量節(jié)約端口，讓線路簡單來說不是好方法，而且顯示也不夠直觀靈活，只能顯示數(shù)字，不能顯示漢字顯示功能提示，故不適合本次設(shè)計應(yīng)用。方案二：使用液晶屏1602顯示，可以顯示設(shè)定溫度及測量溫度，但顯示時1602只能顯示兩行，且也只

6、能顯示字符及數(shù)字，不能顯示漢字及曲線，不夠完善本次設(shè)計中功能，故我們放棄選擇方案二。 方案三：使用液晶屏lcd12864，可以顯示字母，數(shù)字及漢字，而且一次可以顯示4行，顯示很直觀，通過字幕顯示模式、溫度、曲線。該方案程序較復(fù)雜，但顯示觀察清晰，顯示更加直接明白，且可以顯示溫度曲線，故為最佳方案，我們選擇三。3加熱方案的選擇：方案一：使用電熱爐進(jìn)行加熱，控制電爐的功率即可控制加熱速度，當(dāng)水溫過高時，關(guān)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。方式二：是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(dǎo)通角的方式來控制，對每個周期的交流電進(jìn)行控制，因為導(dǎo)通角連續(xù)可調(diào)，

7、故控制精度較高，且元件便宜，易于制作。方案三：固態(tài)繼電器控制加熱器工作，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?？梢允褂妙愃苝wm的方式，通過控制固態(tài)繼電器的開，斷時間比來達(dá)到控制加熱器功率的目的，適合功率不大，簡易水溫控制系統(tǒng)，故我們使用方案三。4控制方法選擇方案：方案一：采用普通的控制方法，即隨著水溫的變化調(diào)節(jié)溫度，但局限性太小，由于水溫變化快，且慣性大，不易控制精度，故采用普通控制方法顯得力不從心。方案二：采用控制加PID算法，通過采用PWM可以產(chǎn)生一個波形，而PWM波形的占空比是通過PID算法調(diào)節(jié)，這樣就可以調(diào)節(jié)加熱棒的功率進(jìn)而控制溫

8、度的變化，從而使精度提高，我們選擇方案二。 5.打印方案選擇 方案一：給系統(tǒng)加一個微型打印機，由單片機控制打印機工作，但這樣單片機軟件的設(shè)計任務(wù)量就加大了，降低了單片機的執(zhí)行性能，且使成本增加，故不選用。 方案二:在lcd12864上繪制曲線，模擬打印機工作，這樣是成本降低，觀察也比較容易直觀，故我們選用方案二。硬件電路設(shè)計對題目進(jìn)行深入的分析和思考，可以將整個系統(tǒng)分為以下幾個部分：單片機最小系統(tǒng)，測溫電路，功率電路，繼電器控制指示電路，顯示電路，系統(tǒng)框圖如下：溫度顯示圖形顯示獨立鍵盤12864顯示電路STC單片機控制系統(tǒng)繼電器控制電路18B20測溫加熱電路 給單片機提供5v穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓模塊一

9、 測溫電路 測溫電路是使用DS18b20數(shù)字式溫度傳感器，它無需其他的外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機通信，讀取測溫數(shù)據(jù)，電路十分簡單。它能夠達(dá)到0.5的固有分辨率，使用讀取溫度的暫存寄存器的方法還能達(dá)到0.0625以上的精度。DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：單線數(shù)據(jù)傳輸總線端口DQ ，外供電源線VDD，共用地線GND。外部供電方式(VDD接+5V，且數(shù)據(jù)傳輸總線接4.7k的上拉電阻，其接口電路如圖2.1所示。圖2.1 溫度傳感器接口二 功率電路 本系統(tǒng)要控制電熱棒加熱，固態(tài)繼電器控制加熱器工作，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

10、頻繁動作?？梢允褂妙愃苝wm的方式，通過控制固態(tài)繼電器的開，斷時間比來達(dá)到控制加熱器功率的目的，適合功率不大，簡易水溫控制系統(tǒng)。三 控制.鍵盤.顯示電路 這部分實際上是一個單片機最小系統(tǒng)的基本電路，選用STC89C52，足夠滿足系統(tǒng)的要求。 鍵盤選用矩陣鍵盤即可滿足要求，通過按鍵輸入不同數(shù)字實現(xiàn)溫度的設(shè)定。 在顯示方面選用常用的12864液晶顯示模塊。通過相應(yīng)的程序，可以實現(xiàn)非常美觀，豐富的顯示界面，及溫度變化曲線，電路連接也比較簡單，只需連接數(shù)據(jù)總線，和三根控制線即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)控制，實現(xiàn)顯示功能。矩陣鍵盤：LCD12864：四 穩(wěn)壓電路模塊（7805部分）：我們要輸出5V的電壓，所以選用780

11、5，7805前面的字母可能會因生產(chǎn)廠家不同而不同。LM7805最大可以輸出1A的電流，內(nèi)部有限流式短路保護(hù)，短時間內(nèi)，例如幾秒鐘的時間，輸出端對地（2腳）短路并不會使7805燒壞。220v交流轉(zhuǎn)9v直流的電路：9v直流轉(zhuǎn)5v直流的電路：五整體硬件電路：軟件程序設(shè)計1. 程序流程 2. 控制算法PID控制算法是控制理論中應(yīng)用很廣泛的一種算法，對于一般控制系統(tǒng)來說，PID算法從某種意義來說具有通用性，對各種系統(tǒng)具有廣泛的適用性，通過現(xiàn)場的參數(shù)調(diào)試，可以達(dá)到很好的控制效果。對于我們這次水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計，我們同樣也可以使用PID控制算法，具體算法如下： e(i)=t測-t設(shè) E= （2） 算法中，u

12、（i）為當(dāng)時的功率輸出。T為采樣時間，E為誤差積累，KP為比例常數(shù)，Ti為積分常數(shù)，Td為微分常數(shù)。根據(jù)實際系統(tǒng)，調(diào)節(jié)這三個常數(shù)，可以達(dá)到很好的效果。比例系數(shù)的調(diào)節(jié)：比例系數(shù)P的調(diào)節(jié)范圍一般是：0.1-100. 如果增益值取 0.1，PID 調(diào)節(jié)器輸出變化為十分之一的偏差值。如果增益值取 100， PID 調(diào)節(jié)器輸出變化為一百倍的偏差值。 可見該值越大，比例產(chǎn)生的增益作用越大。初調(diào)時，選小一些，然后慢慢調(diào)大，直到系統(tǒng)波動足夠小時，再該調(diào)節(jié)積分或微分系數(shù)。過大的P值會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，持續(xù)振蕩；過小的P值又會使系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍。合適的值應(yīng)該使系統(tǒng)由足夠的靈敏度但又不會反應(yīng)過于靈敏，一定時間的遲緩要靠積

13、分時間來調(diào)節(jié)。積分系數(shù)的調(diào)節(jié)：積分時間常數(shù)的定義是，偏差引起輸出增長的時間。積分時間設(shè)為 1秒，則輸出變化 100%所需時間為 1 秒。初調(diào)時要把積分時間設(shè)置長些，然后慢慢調(diào)小直到系統(tǒng)穩(wěn)定為止。 微分系數(shù)的調(diào)節(jié)：微分值是偏差值的變化率。例如，如果輸入偏差值線性變化，則在調(diào)節(jié)器輸出側(cè)疊加一個恒定的調(diào)節(jié)量。大部分控制系統(tǒng)不需要調(diào)節(jié)微分時間。因為只有時間滯后的系統(tǒng)才需要附加這個參數(shù)。如果畫蛇添足加上這個參數(shù)反而會使系統(tǒng)的控制受到影響。如果通過比例、積分參數(shù)的調(diào)節(jié)還是收不到理想的控制要求，就可以調(diào)節(jié)微分時間。初調(diào)時把這個系數(shù)設(shè)小，然后慢慢調(diào)大，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后

14、根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。 對于溫度系統(tǒng)：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.53。 測試結(jié)果及結(jié)果分析一、靜態(tài)溫度測量測量方式：斷開系統(tǒng)的加熱裝置，裝入一定溫度的水，保持環(huán)境溫度和其他測量條件不變，利用標(biāo)準(zhǔn)的溫度計測量水溫，與系統(tǒng)給出的溫度相比較。由于在這種條件下，與測溫速度相比，水溫下降較慢，在測量中可認(rèn)為是一個靜態(tài)過程，因此可以測出系統(tǒng)的靜態(tài)溫度測量結(jié)果。測量儀器：DM6801熱電偶式數(shù)字溫度計。測量結(jié)果：如表4.1所示。 表4.1測量結(jié)果數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度/27.535.645.255.364.775.082.2測量溫度/誤差/二 動態(tài)溫控測量測量方式：接上系統(tǒng)的加熱裝置，裝入1000L室溫的水，設(shè)定控溫溫度。記錄調(diào)節(jié)時間、超調(diào)溫度、穩(wěn)態(tài)溫度波動幅度等。測量儀器：DM6801熱電偶式數(shù)字溫度計。測量條件：環(huán)境