水溫控制系統(tǒng)

1、 設計報告1.設計原理 水溫控制系統(tǒng)以單片機作為控制核心，采用開關控制和控制算法相結合，通過控制單位時間內(nèi)加熱時間所占的比例（即控制波形占空比）來控制水的加熱速度，實現(xiàn)對水的全量程（）內(nèi)的升溫、降溫功能的自動控制。根據(jù)設計要求系統(tǒng)可劃分為控制模塊、溫度測量模塊、水溫調(diào)節(jié)模塊、鍵盤輸入模塊、顯示電路模塊等。系統(tǒng)原理圖如圖所示首先寫命令給開始轉換數(shù)據(jù)，將轉換后的溫度數(shù)據(jù)送入進行處理，處理后在液晶屏上實時顯示。并將實際測量溫度值與鍵盤設定值進行比較，根據(jù)比較結果進行溫度調(diào)節(jié)，當溫差比較大時采用開關量調(diào)節(jié)，既全速加熱和制冷，當溫差小時采用算法進行調(diào)節(jié)，最終達到溫度的穩(wěn)定控制。其中，加熱采用內(nèi)置（水中）

2、電加熱器實現(xiàn)，熱量直接與水傳遞，加熱效果好，控溫方便；降溫采用半導體制冷片實現(xiàn)。其體積小，安裝簡單，易于控制，價格便宜，可短時間內(nèi)反復啟動，但其制冷速率不高，所以設計中配套散熱風扇以達到快速降溫的目的。溫度控制算法實際溫度控制系統(tǒng)，常采用開關控制或數(shù)字控制方式。開關控制的特點是可以使系統(tǒng)以最快的素的向平衡點靠近，但在實際應用卻很容易造成系統(tǒng)在平衡點附近震蕩，精度不高；而數(shù)字控制具有穩(wěn)態(tài)誤差小特點，實用性廣泛的特點，但誤差較大時，系統(tǒng)容易出現(xiàn)積分飽和，從而份致系統(tǒng)出現(xiàn)很大的超調(diào)量，甚至出現(xiàn)失控現(xiàn)象。因此，本設計將開關控制，放積分飽和、防參數(shù)突變積分飽和等方法溶入控制算法組成復式數(shù)字控制方法，集各

3、種控制策略的優(yōu)點，既改善了常規(guī)控制的動態(tài)過程又保持了常規(guī)控制的穩(wěn)態(tài)特性。2.1控制算法的確定溫度控制過程為:當水溫溫差大時，采用開關控制方式迅速減小溫差，以縮短調(diào)節(jié)時間；當溫差小于某一值后采用PID控制方式，以使系統(tǒng)快速穩(wěn)定并保持系統(tǒng)無靜態(tài)誤差。在這種控制方法中， PID控制在較小溫差時開始進入，這樣可有效避免數(shù)字積分器的飽和。PID參數(shù)和被控制對象關系密切，要精確得到被控對象模型比較困難，為此，采用離線模糊整定的方法來確定PID參數(shù)，即給出一組PID參數(shù)的初值，測得相應的數(shù)據(jù)，按使這個量減小的方向調(diào)節(jié)PID參數(shù)，用整定后的參數(shù)控制該系統(tǒng)，并根據(jù)輸出的調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量及穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)PID參數(shù)

4、，如此反復，求得一組使系統(tǒng)性能最優(yōu)的PID參數(shù)。復合PID控制系統(tǒng)方框圖如圖所示。2.2PID控制算法根據(jù)設計要求，系統(tǒng)對1L凈水進行加熱或降溫處理，根據(jù)水的對象特性，會出現(xiàn)慣性溫度誤差問題，原因如下：溫度控制器采用發(fā)熱絲對水進行加熱。發(fā)熱絲通電加熱時，內(nèi)部溫度很高。當容器內(nèi)水溫升高至設定溫度時，溫度控制器發(fā)出信號停止加熱。但這時發(fā)熱絲的溫度會高于設定溫度，發(fā)熱絲還將繼續(xù)對對水進行加熱，導致水的溫度還會繼續(xù)上升幾度，然后才開始下降。當水溫下降到設定溫度的下限時，溫度控制器又發(fā)出加熱信號，開始加熱，但發(fā)熱絲要把溫度傳遞到被加熱器件需要一定的時間，導致水溫會繼續(xù)下降幾度。所以，為了對水溫實現(xiàn)精確控

5、制，使溫度測量誤差在±0.5 內(nèi)，必須采用PID模糊控制算法,通過Pvar、Ivar、Dvar（比例、積分、微分）三方面的結合形成一個模糊控制來解決慣性溫度誤差問題。利用數(shù)值逼近方法，在采樣時刻t=iT(T為采樣周期，i為正整數(shù))時，PID調(diào)節(jié)規(guī)律可通過下式近似計算。則增量式PID算法的輸出量為：式中，ei、ei-1、ei-2分別為第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，T為采樣周期。單片機每隔固定時間 T將現(xiàn)場溫度與用戶設定目標溫度的差值帶入增量式PID算法公式，由公式輸出量決定PWM方波的占空比，后續(xù)加熱電路根據(jù)此PWM方波的占空比

6、決定加熱功率?，F(xiàn)場溫度與目標溫度的偏差大則占空比大，加熱電路加熱功率增大，使溫度的實測值與設定值的偏差迅速減少；反之，二者的偏差小則占空比減小，加熱電路加熱功率減少，直至目標值與實測值相等，達到自動控制的目的。 2.3PID參數(shù)的確定PID參數(shù)的選擇是設計成敗的關鍵，它決定了溫度控制的準確度。由于溫度系統(tǒng)是一個具有較大滯后性的系統(tǒng)，所以本系統(tǒng)的采樣周期定為10秒，加熱周期定為1秒鐘，根據(jù)一些文獻提供的經(jīng)驗值，初步確定Kp=2，Ti=2,Td=0.5,根據(jù)公式Ki= Kp*T/ TI ；Kd = Kp * TD /T；計算得出Ki=1,Kd=1;然后，由按鍵對系統(tǒng)設定一個溫度值，在線應用工程整定

7、法中的經(jīng)驗法對P,I,D各參數(shù)進行調(diào)整，經(jīng)驗法是一種湊試法，它通過模擬或閉環(huán)運行，觀察調(diào)節(jié)過程的響應曲線，如果曲線不夠理想，則按某種程序將參數(shù)反復湊試，直到調(diào)節(jié)質量滿意為止。湊試程序通常是先比例后積分，最后加入微分。湊試法整定PID參數(shù)的步驟是：1）首先進行P整定。將參數(shù)Kp由小而大慢慢變化，直至得到反應快，超調(diào)小的響應曲線。若無靜差或靜差在允許范圍內(nèi)且響應曲線滿意，整定結束，否則繼續(xù)下步。2）進行PI整定。略小于Kp值，將Ti由大而小緩慢變化，在保持系統(tǒng)動態(tài)性能良好的前提下，消除靜差或是靜差允許范圍內(nèi)。反復改變Kp,Ti值以求得較好效果，若效果滿意，則整定結束，否則繼續(xù)下去。3）進行PID整

8、定。略改變Kp,Ti的值，使Td由小而大緩慢變化，以求得較好的響應曲線和較小的靜差。逐步反復的試湊，直至獲得滿意效果為止。 對于一定的系統(tǒng)，合理的參數(shù)組并不唯一，根據(jù)一些文獻的實踐經(jīng)驗，在具體實施PID參數(shù)整定時，以下幾個結論比較實用：1）比例系數(shù)Kp是PID調(diào)節(jié)中最關鍵的一個參數(shù)，Kp增大，系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，但調(diào)節(jié)靈敏度減弱，一般曲線振蕩頻繁時，要增大Kp，而曲線飄浮繞大彎時，要減小Kp.2）積分時間常數(shù)Ti主要起消除靜差的作用，減小Ti，消除靜差快，但穩(wěn)定性減小，一般曲線偏離恢復慢時，減小Ti,而曲線波動周期長時，再增大Ki。3）微分時間常數(shù)Td是加速過程的有力調(diào)節(jié)，在加速過渡過程，應增加T

9、d,Td不宜過小，也不宜太大，Td一般選Ti的四分之一為最佳。根據(jù)以上調(diào)節(jié)的步驟及調(diào)節(jié)的方法及經(jīng)驗，經(jīng)過反復的試驗做后得到最終的P,I,D的參數(shù)為Kp=30,Ki=5,Kd=0.3.硬件電路設計水溫控制系統(tǒng)的硬件電路主要包括：主控電路、溫度采集電路、溫控電路和顯示電路等，下面依次對各部分進行設計。3.1主控電路主控電路采用STC89C52單片機作為系統(tǒng)控制器，結合數(shù)字PID算法完成對溫度測量信號的接收、處理，控制加熱器和制冷片，使水溫控制達到設計要求。主控電路包括STC89C52最小系統(tǒng)和鍵盤電路兩部分，STC89C52最小系統(tǒng)在上一章中已介紹，這里不再贅述。本設計鍵盤采用RF-X1開發(fā)板上的

10、6個獨立按鍵中的4個，各按鍵經(jīng)上拉電阻分別接到單片機的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5口上，起到確認、選擇、上調(diào)和下調(diào)的作用，每按上調(diào)或下調(diào)鍵一次，設定溫度值加1或減1。電路圖如圖所示。3.2溫度采集電路本系統(tǒng)采用DS18B20單總線可編程溫度傳感器來實現(xiàn)溫度的采集和轉換，溫度以912位數(shù)字量讀出，可以直接與單片機進行連接，無需外部器件和電源，大大簡化了電路的復雜度。DS18B20應用廣泛，測溫范圍為-55+125oC，溫度數(shù)字量轉換快，性能可以滿足題目的設計要求。DS18B20的測溫電路如圖所示。3.3溫度控制電路溫度控制電路采用加熱器和制冷片對1L水實現(xiàn)加熱和降溫，具體電路如圖12-

11、5所示。當實測溫度高于設定溫度時，單片機P0.2腳輸出低電平，光耦管導通輸出高電平，進入LM393管腳比較整形，濾除高次諧波，輸出高電平，進入Q3和Q4組成的推挽電路，Q3導通Q4截止，輸出低電平，晶閘管導通，驅動制冷片降溫。當實測溫度低于設定溫度時，P0.3腳輸出低電平，驅動加熱器對水溫進行加熱，工作原理與降溫驅動相同。3.4顯示電路顯示電路采用LCD12864液晶模塊顯示系統(tǒng)的設定溫度和實測溫度。LCD12864液晶共有20個引腳，管腳名稱及功能如表12-1所示。本系統(tǒng)選用單片機P1口作為數(shù)據(jù)輸出端與LCD12864的數(shù)據(jù)端（DB0DB7）相連，進行水溫數(shù)據(jù)傳輸；P20接串并行模式方式位R

12、S；P21接并行的讀寫方式位R/W；P22接并行使能端口E；P23接并/串行接口選擇位PSB；P24接復位端口RST。具體電路圖如圖所示。4.軟件設計系統(tǒng)的軟件設計應用C語言，采用模塊化對單片機進行編程實現(xiàn)各項功能。主要包括：PID控制程序、按鍵子程序、溫度采集子程序、溫度比較子程序和液晶顯示程序。4.1主程序設計系統(tǒng)上電初始化后，首先進行按鍵掃描，若有按鍵按下，則讀取按鍵值，更新設定溫度。將實測溫度與設定溫度進行比較，若實測溫度與設定溫度差值大于2ºC，則對水進行全速加熱或降溫；若實測溫度與設定溫度差值小于2ºC，則調(diào)用PID子程序，對水溫進行微調(diào)，達到設計要求。系統(tǒng)主程

13、序流程圖如圖所示. 附錄： PID控制程序PID控制就是按設定值與測量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢進行控制。它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算輸出控制量的增量，調(diào)節(jié)控制信號的導通時間來控制加熱電路和冷卻電路的工作。當采樣周期相當短時，可以用求和代替積分，用差商代替微分。PID控制子程序如下：/*PID算法*/unsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint ) unsigned int dError,Error; Error = pp->SetPoint - NextPoint; / 偏差pp->Sum

14、Error += Error; / 積分dError = pp->LastError - pp->PrevError; / 當前微分pp->PrevError = pp->LastError; pp->LastError = Error; return (pp->Proportion * Error/比例+ pp->Integral * pp->SumError /積分項+ pp->Derivative * dError); / 微分項/*/按鍵子程序本系統(tǒng)采用四個按鍵，完成溫度的設定。當選擇鍵K1每按下一次，K1num加1，根據(jù)K1num

15、值選擇對溫度值的百位（預留）、十位、個位進行數(shù)值調(diào)節(jié)。每按一次按鍵K2，對應位數(shù)值加1，每按一次按鍵K1，對應位數(shù)值減1，并將設定溫度值寫到液晶顯示器的相應位置。按鍵子程序如下：/*按鍵子程序*/void sheding()if(k1=0)delay1(10);if(k1=0) /按鍵K1按下while(!k1);/按鍵K1抬起write_com(0x0f);write_com(0x94);k1num+;switch(k1num)case 1:write_com(0x0f);write_com(0x94);/液晶顯示位置，十位break;case 2:write_com(0x95);/液晶顯示

16、位置，個位break;case 3:write_com(0x96);/液晶顯示位置，小數(shù)位break;case 4:k1num=0;write_com(0x0c);/清零break;if(k1num!=0)/返回/溫度值加處理：if(k2=0) /按鍵K2按下delay1(10);if(k2=0) while(!k2);switch(k1num)case 1:shi+;if(shi=10)shi=0;a=shi;/十位加1，到10清零write_com(0x94);write_date(tableshi);write_com(0x94);break;case 2:ge+;if(ge=10)ge

17、=0;b=ge;/個位加1，到10清零 write_com(0x95);write_date(tablege);write_com(0x95);break;case 3:xs+;if(xs=10)xs=0;c=xs;/小數(shù)位加1，到10清零write_com(0x96);write_date('.');write_date(tablexs);write_com(0x96);/在液晶對應位置畫點break;/溫度值減處理：if(k3=0) delay1(10);if(k3=0)while(!k3);switch(k1num)case 1:shi-;if(shi=-1)shi=9;

18、a=shi;write_com(0x94);write_date(tableshi);write_com(0x94);break;case 2:ge-;if(ge=-1)ge=9;b=ge; write_com(0x95); write_date(tablege);write_com(0x95);break;case 3:xs-;if(xs=-1)xs=9;c=xs; write_com(0x96);write_date('.');write_date(tablexs);write_com(0x96);break;/*/DS18B20溫度采集子程序系統(tǒng)采用DS18B20對1L水

19、的溫度進行采集。首先根據(jù)DS18B20的工作時序對其進行初始化，并對DS18B20內(nèi)部寄存器讀寫操作進行定義。系統(tǒng)工作時，單片機讀取DS18B20內(nèi)部寄存器的二進制數(shù)值，將其轉化為十進制的真實溫度值。DS18B20溫度采集子程序如下：/* DS18B20溫度采集子程序*/void init_DS18B20()/初始化uchar x=0;DS18B20 = 1; /DQ復位delay(8); /稍做延時DS18B20 = 0; /單片機將DQ拉低delay(80); /精確延時 大于 480usDS18B20 = 1; /拉高總線delay(14);x=DS18B20; /稍做延時后 如果x=0

20、則初始化成功 x=1則初始化失敗delay(20);uchar read_onechar()/讀一個字節(jié)uchar i=0;uchar date = 0;for (i=8;i>0;i-)DS18B20 = 0; date>>=1; /寄存器右移DS18B20 = 1; if(DS18B20)date|=0x80;delay(4);return(date);void write_onechar(uchar date)/寫一個字節(jié)uchar i=0;for (i=8; i>0; i-)DS18B20 = 0;DS18B20 = date&0x01;delay(5);

21、DS18B20 = 1;date>>=1;uint read_temp()/讀取溫度uchar a=0;uchar b=0;uint t=0;float tt=0;init_DS18B20();write_onechar(0xcc); / 跳過讀序號列號的操作write_onechar(0x44); / 啟動溫度轉換init_DS18B20();write_onechar(0xcc); /跳過讀序號列號的操作write_onechar(0xbe); /讀取溫度寄存器a=read_onechar(); /連續(xù)讀兩個字節(jié)數(shù)據(jù) /讀低8位 b=read_onechar(); /讀高8位t

22、=b;t<<=8;t=t|a; /兩字節(jié)合成一個整型變量。tt=t*0.0625; /得到真實十進制溫度值，因為DS18B20可以精確到0.0625度，所以讀回數(shù)據(jù)的最低位代表的是0.0625度/temper12=tt*10;t= tt*10+0.5; /放大10倍，這樣做的目的將小數(shù)點后第一位也轉換為可顯示數(shù)字，同時進行一個四舍五入操作。return(t);void manage_DS18B20()uint num;num=read_temp();shi=num/100;delay(5);ge=num%100/10;delay(5);xs=num%10;delay(5);temp

23、er=shi*10+ge+0.1*xs;/*/溫度比較子程序系統(tǒng)將DS18B20采集到的實際測量溫度值與鍵盤設定值進行比較，根據(jù)比較結果對水溫進行調(diào)節(jié)。若設置溫度大于實際溫度，并且溫差在2度以上，則驅動加熱器對水溫進行全速加熱；當溫差在0.8到2度之間時，則停止加熱，開始降溫；當溫差小于0.8度時，則啟用PID計算，控制溫差逐漸趨近設定值，最終達到穩(wěn)態(tài)。若設置溫度小于實際溫度，系統(tǒng)驅動制冷片開始全速降溫。當實際溫度下降到低于設定溫度時，則馬上開啟PID計算，控制溫差逐漸趨近設定值，最終達到穩(wěn)態(tài)。/*溫度比較處理子程序*/ void compare_temper() unsigned char

24、i; if(set_temper>temper) /是否設置的溫度大于實際溫度 if(set_temper-temper>2) /設置的溫度比實際的溫度是否是大于2度 high_time=100; /如果是，則全速加熱low_time=0; else /如果是在0.8到2度范圍，則開始降溫 if(set_temper-temper>0.8)high_time=0; low_time=100;else /如果溫差小于0.8度，運行PID計算for(i=0;i<10;i+) s=read_temp(); rin = s; / Read Input rout = PIDCal

25、c ( &spid,rin ); / Perform PID Interation if (high_time<=100) high_time=(unsigned char)(rout/1000); elsehigh_time=100; low_time= (100-high_time); else if(set_temper<=temper) /是否設置的溫度小于實際溫度 if(set_temper-temper<0) high_time=0; low_time=100; /全速降溫 else /實際溫度大于設定溫度，馬上開啟PID計算 for(i=0;i<1

26、0;i+) s=read_temp(); rin = s; / Read Input rout = PIDCalc ( &spid,rin ); / Perform PID Interation if (high_time<100) high_time=(unsigned char)(rout/10000); elsehigh_time=0; low_time= (100-high_time); /*/液晶顯示程序液晶顯示器用于顯示水溫的實際溫度和設定溫度。首先對LCD12864進行初始化，并讀取控制器當前狀態(tài)，判斷是否準備好（空閑）。然后向液晶模塊寫入指令代碼，進行顯示準備，將

27、要水溫以十六進制代碼的形式送入液晶顯示緩沖區(qū)，最后利用讀顯示數(shù)據(jù)指令控制液晶模塊在相應位置顯示水溫數(shù)據(jù)。液晶顯示程序如下：/*LCD12864初始化*/void init_lcd()/lcd_psb=1;write_com(0x34);/擴充指令集delay1(2);write_com(0x30);/基本指令集delay1(2);write_com(0x02);/顯示歸位delay1(2);write_com(0x01);/清屏顯示delay1(2);write_com(0x0c);/顯示狀態(tài)開關delay1(2);write_com(0x06);/顯示光標移動設置delay1(2);/*寫數(shù)據(jù)*/void write_date(uchar date)read_busy();lcd_rs=1;delay(5);lcd_rw=0;delay(5);lcd_date=date;lcd_en=0;delay(5);lcd_en=1;delay(5);lcd_en=0;delay(5);/*寫指令*/void write_com(uchar com)read_busy();lcd_rs=0;delay(5);lcd_rw=0;delay(5);lcd_date=com;lcd_en=0;delay(5);lcd_en=1;delay(5);l