基于溫度傳感器的水溫控制系統(tǒng)的設計

1、*傳感器原理及工程應用課程報告學院物理電子工程學院專業(yè)應用物理年級2013級姓名余夢婷論文題目基于溫度傳感器的水溫控制系統(tǒng)設計2016年12月26日基于溫度傳感器的水溫控制系統(tǒng)的設計摘要：溫度是工業(yè)控制對象主要被控參數(shù)之一，在溫度控制中，由于受到溫度被控對象特性（如慣性大、滯后大、非線性等）的影響，使得控制性能難以提高，有些工藝過程其溫度控制的好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設計一種較為理想的溫度傳感器系統(tǒng)是非常有價值的。為了實現(xiàn)高精度的水溫測量和控制，本課題介紹了一種以Atmel公司的低功耗高性能CMO卸片機為核心，以PID算法控制以及PID參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法來實現(xiàn)的水溫控制系統(tǒng)，具硬件

2、電路還包括溫度采集、溫度控制、溫度顯示、鍵盤輸入以及RS232接口等電路。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對溫度的測量，并能根據(jù)設定值對溫度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)控溫的目的?！娟P鍵詞】單片機AT89C51;溫度控制；溫度傳感器PT100O;PID調(diào)節(jié)算法第一章前言1.1 課題背景與意義溫度是表征物體冷熱程度的一個物理量，對許多生產(chǎn)過程都具有重要意義，是生產(chǎn)生活中非常重要的參數(shù)，它對作物的生長，商品的保存，家禽孵化及許多科學實驗過程都會產(chǎn)生重要的影響，溫度傳感器系統(tǒng)的設計是許多生產(chǎn)過程不可缺少的技術手段。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多

3、領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用MCS-51單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。目前，溫度傳感器系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度傳感器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距?，F(xiàn)在，我國在這方面總體技術水平處于20世紀80年代中后期水平。成熟產(chǎn)品主要以熏位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復雜時變溫度系統(tǒng)控制，而且適應于較高控制場合

4、的智能化、自適應控制儀表國內(nèi)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。隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術的快速發(fā)展及其在各個領域的廣泛應用，人們對電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術之一的單片機以其體積小、價格低、可靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢，在各個領域、各個行業(yè)應用廣泛。1.2 溫度傳感器系統(tǒng)的應用鹽浴爐溫度傳感器系統(tǒng)利用S型柏銘-銘熱電偶檢測溫度，熱電偶進行冷端補償，熱電偶檢測的信號通過放大、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換再送單片機保存，采用分段查表法獲取各點溫度。選用可控硅過零觸發(fā)自動控制鹽浴爐溫度，控制周期為100個三相交流市電周期，即2s。由單片機控制可按預設溫

5、度曲線進行加熱，并可實時顯示加溫曲線。大型糧庫采用主機為PC上位機，從機為68HC08GP32為主控芯片的分機（下位機）。下位機采用DALLAS的數(shù)字式溫度傳感器芯片DS1820,可以在三根線（電源線、地線信號線）上同時并聯(lián)多個溫度探測點。每個分機上可以連接10跟電纜，每根電纜上可并聯(lián)幾十個點。分機利用了68HC08GP32的片內(nèi)FLASH功能，實現(xiàn)了DS1820的序歹號在68HC08GP32中的動態(tài)存取，從而節(jié)省了大量存儲器。溫度數(shù)據(jù)保存在68HC08GP32的片內(nèi)RAM里并且利用了充分利用了68HC08GP32的片內(nèi)的A/D實現(xiàn)了濕度數(shù)據(jù)的測量，有的還用PLC來控制。總之溫度傳感器系統(tǒng)的控

6、制方式是多種多樣的。1.3 課題設計任務本文主要介紹單片機溫度控制系統(tǒng)的設計過程，其中涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計、元器件的選取和控制算法的選擇、程序的調(diào)試和系統(tǒng)參數(shù)的整定。以AT89C51為CPU,溫度信號由PT1000和電壓放大電路提供。電壓放大電路用超低溫漂移高精度運算放大器OP07將溫度-電壓信號進行放大，用單片機控制SSR固態(tài)繼電器的通斷時間以控制水溫，系統(tǒng)控制對象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動控制，以保持設定的溫度基本不變，具有較好的快速性與較小的超調(diào)。第二章系統(tǒng)方案2.1 溫度傳感器系統(tǒng)設計任務和要求設計一個水溫自動控制系統(tǒng)，控制對象為1升凈水，水溫可以在一定范

7、圍內(nèi)由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設定的溫度基本不變，系統(tǒng)設計具體要求：溫度設定范圍為40C,目標溫度的i5C；加熱棒功率2KW,控制器為繼電器；用十進制數(shù)碼管顯示水的實際溫度。2.2 水溫控制系統(tǒng)部分水溫控制系統(tǒng)是一個過程控制系統(tǒng)，組成框圖如圖1所示，由控制器、執(zhí)行器、被控對象其反饋作用的測量變送組成。測變量是通過溫度傳感器Pt1000來傳送的，控制器是通過單片機來完成。蛤定僖喻人2.2.1 CPU中央處理器方案一：采用8031作為控制核心，使用最為普遍的器件ADC0804作模數(shù)轉(zhuǎn)換，控制上使用對加熱棒加電對水槽里的水升溫。此方案簡易可行，器件價格便宜，但8031內(nèi)部沒

8、有程序存儲器需擴展，增加了電路的復雜性。方案二：此方案采用8951單片機實現(xiàn)，可用編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，控制電路部分采用SSR固態(tài)繼電器控制加熱棒的通斷，此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度。比較兩個方案可知，采用Atmel單片機來實現(xiàn)本題目，不管是從結(jié)構(gòu)上，還是從工作量上都占有很大的優(yōu)勢，所以最后決定使用AT89C51作為該控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點，設計了水箱溫度自動控制系統(tǒng)，總體框圖如圖2所示。溫度控制采用改進的PID數(shù)字控制算法，顯示采用用3位LED靜態(tài)顯示。圖2控制器設計總體框圖技能設定耀電器LED顯示AD0804就

9、放大(2)溫度控制系統(tǒng)算法分析系統(tǒng)算法控制采用工業(yè)上常用的位置型PID數(shù)字控制，并且結(jié)合特定的系統(tǒng)加以算法的改進，形成了變速積分PID一積分分離PID控制相結(jié)合的自動識別的控制算法。該方法不僅大大減小了超調(diào)量，而且有效地克服了積分飽和的影響，使控制精度大大提高。PID控制適用于負荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。PID調(diào)節(jié)器有三個可設定參數(shù)，即比例放大系數(shù)pK、積分時間常數(shù)iK、微分時間常數(shù)dK。比例調(diào)節(jié)的作用是使調(diào)節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用可消除被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會使系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效的減小動態(tài)偏差，如圖3所示。圖3比例積分微

10、分控制由圖4可知PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設定值w與實際輸出值y進行比較構(gòu)成偏差e=w-y。并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量。其動態(tài)方程為：(z)=K/(r)+KJeQ)由+(其中Kp為比例放大系數(shù)；Ki為積分時間常數(shù)；Kd為微分時間常數(shù))PID調(diào)節(jié)器的離散化表達式為；u(k)=Kie(k)+KfTe(k)+-e(fc)e(k-1)T其增量表達形式為(T為采樣周期)：Aw(女)=u(k)u(k1)=Kre(k)-e&1)+K式k)+Kif/Te(k)-2e(k-l)+e(k-2)圖4模才PPID控制2.3 控制方式該控制系統(tǒng)是把輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再

11、反饋到輸入端去與給定量進行比較（綜合），并利用控制器形成的控制信號通過執(zhí)行機構(gòu)SSR對控制對象進行控制，抑制內(nèi)部或外部擾動對輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達到控制目的。在此控制系統(tǒng)中單片機就相當于常規(guī)控制系統(tǒng)中的運算器控制器，它對過程變量的實測值和設定位之間的誤差信號進行運算然后給出控制信息，單片機的運算規(guī)則稱為控制法則或控制算法。第三章系統(tǒng)硬件設計3.1 總體設計框圖及說明本系統(tǒng)是一個簡單的單回路控制系統(tǒng)，總體框圖如圖2所示。單片機系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，AT89C51可以提供系統(tǒng)控制所需的I/O口、中斷、定時及存放中間結(jié)果的RAM電路；前向通道是信息采集的通道，主要包括傳感器、信號放大

12、、A/D轉(zhuǎn)換等電路；由于水溫變化是一個相對緩慢的過程，因此前向通道中沒有使用采樣保持電路；信號的濾波可由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件、降低硬件成本。鍵盤設定：用于溫度設定，共三個按鍵。數(shù)據(jù)采樣：將由傳感器及相關電路采集到的溫度轉(zhuǎn)為電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送入AT89C51相應接口中，換算成溫度值，用于控制和顯示。數(shù)據(jù)顯示：采用了共陰極數(shù)碼管LED進行顯示設置溫度與測量溫度。繼電器/加熱棒：通過三極管控制繼電器的開關來完成對加熱棒的控制。3.2 外部電路設計3.2.1 溫度采集電路采用溫度傳感器鋁電阻Pt1000對于溫度的精密測量而言，溫度測量部分是整個系統(tǒng)設計的第一步。溫度傳感器的選擇是這塊電路的關

13、鍵，它是直接影響整個系統(tǒng)的性能與效果的關鍵因素之一。這里采用的是精密級鋁電阻溫度傳感器Pt1000,它的金屬鋁含量達99.9999%,因為鋁電阻的物理和化學性能在高溫和氧化介質(zhì)中很穩(wěn)定、價格又便宜，常用作工業(yè)測量元件，以鋁電阻溫度計作基準器線性好，溫度系數(shù)分散性小，在0100攝氏度時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度，性能穩(wěn)定，廣泛用于精密溫度測量和標定。柏熱電阻與溫度關系式凡凡（4+私），其中：Rt-溫度為t攝氏度時的電阻；R0-溫度為0攝氏度時的電阻；B=-54*I0c-7）/A、B-溫度系數(shù)A=3.94*102/C；其中；T-任意溫度。3.2.2 溫度控制電路此部分通過控制繼電器的通斷從而

14、控制加熱棒，采用對加在加熱棒兩端的電壓進行通斷的方法進行控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而達到對水溫控制的目的，即在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制。此部分的繼電器采用的是SSR繼電器，即固態(tài)繼電器，主要由輸入（控制）電路，驅(qū)動電路和輸出（負載）電路三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號提供一個回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號源。固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號的控制下，實現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件（芯片）和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成，固態(tài)繼電器（SSR）是一種全電子電路組合的元件，它依靠半導體器件和電子元件的電、磁和光特性來完成其隔離和繼電切換功能。圖5是

15、它的工作原理框圖，圖11中的部件-構(gòu)成交流SSR的主體，從整體上看,SSR只有兩個輸入端（A和B）及兩個輸出端（C和D）,是一種四端器件。工作時只要在A、B上加上一定的控制信號，就可以控制C、D兩端之間的通”和斷”，實現(xiàn)開關的功能。衾低IE;6出時電/.Twwarwwvtwrvtt*D圖5SSR結(jié)構(gòu)圖丁飛3SSR由于開關電路在不加特殊控制電路時，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設過零控制電路”。為使其實現(xiàn)過零控制，就是要實現(xiàn)工頻電壓的過零檢測，并給出脈沖信號，由單片機控制可控硅過零脈沖數(shù)目。當在其輸入端加入控制信號時，輸出端接通，從而使得加熱棒加熱以致溫度上升；當此時撤離控制

16、信號時，輸出端斷開，而使加熱棒停止加熱從而溫度下降。圖6加熱棒控制路線3.3 單片機系統(tǒng)電路設計3.3.1 系統(tǒng)框圖入信號圖7系統(tǒng)框圖AT89C51單片機TTICLKRTTID7J6D5巨D(zhuǎn)435iTim1i4圖9ADC0804控制信號的時序圖圖8ADC0804弓|腳圖3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0804是CMOS集成工藝制成的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器芯片。分辨率為8位,轉(zhuǎn)換時間為100小輸出電壓范圍為05V,增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為治V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當與計算機連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接到CPU的數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路csrrrddzweft-ri

17、.KTNTTINI,RbMN*巨V!N-|7AGNDrVDGNPnir采集數(shù)據(jù)時，首先微處理器執(zhí)行一條傳送指令，在指令執(zhí)行過程中，微處理器在控制總線的同時產(chǎn)生CS1、WR1低電平信號，啟動A/D轉(zhuǎn)換器工作，ADC0804經(jīng)100仙S后將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存于輸出鎖存器，并在INTR端產(chǎn)生低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，并通知微處理器可來取數(shù)。當微處理器通過總線查詢到INTR為低電平時，立即10執(zhí)行輸入指令，以產(chǎn)生CS、RD2低電平信號到ADC0804相應引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲器中。整個數(shù)據(jù)采集過程中，由微處理器有序地執(zhí)行若干指令完成，AD0804的連接圖如圖10。3.3.3 鍵盤設置電路單片機

18、上的P25口接S1,P26口接S2,P27口接S3。S1:設置溫度的十位數(shù)：09S2:設置溫度白個位數(shù)：09S3:工作模式選擇鍵，共有兩種工作模式正常工作狀態(tài)、溫度重新設置。系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零，根據(jù)按S1次數(shù)，十位的數(shù)碼管順序增加。同樣S2,的溫度進行比較，通過軟件來控制加熱棒的開關。11圖11鍵盤設置電路3.3.4 數(shù)碼顯示電路數(shù)碼管作為單片機系統(tǒng)最為常用的輸出器件，在顯示時可以由數(shù)字和少量字母組合完成輸出功能的系統(tǒng)中應用十分方便。圖23為AT89C51最小系統(tǒng)以及一個四位共陰數(shù)碼管，DIG0、DIG1、DIG2、DIG3分別與單片機的P21、P22、P23、P24相連，每一個都

19、擁有一個共陰的位選端。從而可以通過單片機選通所需顯示的數(shù)碼管。SegA-SegDp口傳輸要顯示的數(shù)據(jù)，利用其用/并轉(zhuǎn)換功能，送入數(shù)碼管顯示。在此外接了一個10K的排阻來保護LED。12圖12數(shù)碼管顯示電路第四章系統(tǒng)軟件設計4.1 程序框架結(jié)構(gòu)一個整體的系統(tǒng)軟件設計是由各個在系統(tǒng)里起著不同作用的模塊整合在一起，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的所要實現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)硬件接口如下：P1-AD;P00P07-LEDaLEDdp.;P25P27-S1S3;P20P23-COM1COM3;此系統(tǒng)包括主控制程序，A/D采樣數(shù)據(jù)處理程序，PID算法程序，LED顯示及按鍵處理程序。結(jié)構(gòu)框架圖如圖13所示。13主程序模塊對子程序模

20、塊的調(diào)用進行管理，它主要負責初始化IO口；等待鍵盤的鍵被按下，并調(diào)用相應的模塊進行處理；在適當?shù)臅r候接受A/D采樣的數(shù)據(jù)，并與所定的值進行比較，然后通過調(diào)用PID算法處理數(shù)據(jù)，處理后來控制繼電器的通斷，從而控制熱電管達到控制水溫的目的。4.2 程序流程圖及部分程序4.2.1 主程序模塊由于模塊化程序的設計，通過調(diào)用程序即可實現(xiàn)所用功能，主程序流程圖如圖14所示。寫程序時，調(diào)用程序前即系統(tǒng)運行首要先對系統(tǒng)進行初始化。然后對按鍵進行掃描，對按鍵事件做出相應的反應。接下來看是否有溫度數(shù)據(jù)采集到，如果有就進行A/D采樣及PID處理數(shù)據(jù)，最后所得結(jié)果與設定值比較從而控制繼電器通斷。14圖14主程序流程圖

21、4.2.2 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化包括A/D口初始化、按鍵初始化等。對端口的初始化即是對端口相應進行設置，這些初始化程序都嵌入在各個子程序里面。4.2.3 按鍵程序按鍵掃描：由于機械觸點有彈性，在按下或彈起按鍵時會出現(xiàn)彈跳抖動過程，從最初按下到接觸穩(wěn)定要經(jīng)過數(shù)毫秒的彈跳時間，因此為了保證探險鍵識別的準確性，必需消除抖動。鍵值處理：圖15是對鍵值的處理流程圖。15N圖15鍵值處理4.2.4 A/D采樣數(shù)據(jù)處理當采樣到溫度數(shù)據(jù)時，為了防止在采樣過程中外界干擾而造成采樣數(shù)據(jù)的不準確，必須調(diào)用溫度均值處理程序，然后確定溫度系數(shù)使采樣轉(zhuǎn)換得到的電壓信號轉(zhuǎn)換成溫度值，并進行十進制轉(zhuǎn)換，用于顯示和PID計算。

22、其中均值處理是一個重要的環(huán)節(jié)，是A/D轉(zhuǎn)換前必不可少的工具，流程圖如圖16所示。164.2.5 PID計算由于單片機控制是一種采樣控制，系統(tǒng)中PID調(diào)節(jié)規(guī)律可通過數(shù)值公式近似計算。4=K/弓+半（4一號_|）+%4網(wǎng)1（it4-1）Tj-it及-=KJ%+工勺+”（一1一%2）1+，4網(wǎng)（式42）由此可得增量式算法公式：17（式4-3）二K（一4+與（與一+鳥）=K.,+Ief+DA，J（式4-4）=KAr+Ke+KfA，ptitaI這個計算的過程可用一個簡單的程序來實現(xiàn)。4.2.6 繼電器控制繼電器是和AT89C51單片機的P25口相連的，它的開斷完全取決于P25的輸出，即PID計算的結(jié)果。

23、當輸出小于零說明設定值小于實際輸出值，這是就要關閉電爐，同時關閉定時器的計時。如果輸出值大于設定值5攝氏度時就可以開電爐對水開始加熱。如果設定值與實際輸出值差值在5攝氏度以內(nèi)時，我們就調(diào)用中斷程序定時加熱。圖17數(shù)據(jù)采樣中斷服務程序的流程圖，此中斷程序采用的是2Hz中斷定時0.5秒鐘采樣一次。圖18控制程序的中斷服務程序，用來對繼電器定時加熱。它利用中斷定時器10ms確定加熱時間，當加熱時間未到時，繼續(xù)時間累積，若加熱時間到時，就調(diào)用關定時器子程序，停止計時。18退出瓶ADC物據(jù)時間累計定時器日10門遙定時中斷清中斷退出圖17數(shù)據(jù)采樣中斷程序流程圖圖18控制程序中斷程序流程圖4.2.7 單片機

24、最小系統(tǒng)在以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)中，單片機擔負著接受外部信號，發(fā)出控制指令等重要作用，是構(gòu)建控制系統(tǒng)的前提，所以在開始直流電機控制系統(tǒng)的設計之前必須首先搭建起一套能正常工作的單片機最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)是實現(xiàn)實驗的一個最基本的關鍵環(huán)節(jié)，它的好壞決定了一個系統(tǒng)的好壞，所以說最小系統(tǒng)是單片機里最基本的系統(tǒng)，也是重要的系統(tǒng)。圖19單片機最小系統(tǒng)194.3 系統(tǒng)安裝調(diào)試與測試1測觸點電阻用萬能表的電阻檔，測量常閉觸點與動點電阻，其阻值應為0;而常開觸點與動點的阻值就為無窮大。由此可以區(qū)別出那個是常閉觸點，那個是常開觸點。經(jīng)測試本系統(tǒng)使用的繼電器為常開式。2測線圈電阻可用萬能表RX2000H測量繼電器線圈的阻值，從而判斷該線圈是否存在著開路現(xiàn)象。3測量吸合電壓和吸合電流找來可調(diào)穩(wěn)壓電源和電流表，給繼電器輸入一組電壓，且在供電回路中串入電流表進行監(jiān)測。慢慢調(diào)高電源電壓，聽到繼電器吸合聲時，記下該吸合電壓和吸合電流。為求準確，可以試多幾次而求平均值。4測量釋放電壓和釋放電流進行連接測試，當繼電器發(fā)生吸合后