智能化水温控 制系统

-精选财经经济类资料- 智能化水温控制系统 水温控制系统摘要现如今，人们的生活越来越强调智能化以及低碳化，无论是智能化还是低碳化，生活在人们都希望自己的电器越来越智能，即能按照人们的意愿，低功耗的实现功能。水温控制作为人们生活以及工业的重要组成部分，能否实现智能化以及低功耗化十分重要。水温控制系统以STC89C51作为核心的温度控制系统，将DS18B20作为温度感应器，可直接反馈数字量的温度信息并可以调节精度；以继电器以及螺旋加热管作为加热模块；以发光二级管以及蜂鸣器作为声光告警装置；以数码管作为温度显示模块。程序上利用PID调节算法，多次调节其中参数，使得温度控制更加精确。该系统具有简单、成本低、质量安全可靠的特点。相信无论是在生活还是生产中都会有不错的应用前景。关键词 智能化 温度控制 STC89C51 DS18B20 PID调节算法一任务以及要求设计并制作一个水温自动控制系统，水温可以在一定范围内由人工设定，可以实现自动报警功能。1.基本内容如下：温度设定范围为：4090，最小区分度为1，标定温度1。环境温度降低时温度控制的静态误差1。用10进制数码管显示水的实际温度。2.发挥要求：温度控制范围扩大，最小区分度减小。温度控制的静态误差0.2。特色与创新。二方案设计及其论证水温的控制，必须先精确地获取温度，所以温度传感器的选择就非常重要。通常，温度所测量的是模拟量，模拟量的转换涉及到A/D的转换。温度传感器把温度传送给处理器核心，处理器核心经过分析，判断是否满足处理的条件，进行相关的处理。可实现的动作包括以下几项：达到设定温度，进行声光报警；温度低，进行加热处理。其中温度的设定就要利用到键盘。声光报警就需要用到发光二级管以及蜂鸣器。经以上分析，可以将温度控制系统分为以下几个模块：1.温度传感器温度传感器应具有精度足够高、处理速度足够快、体积小等特点。采用DS18B20温度传感器。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。更重要的是采用该温度传感器后不用采用A/D转换。节省了大量的工作量。2.键盘显示按键主要涉及到温度的调节以及模式的转换。显示部分主要涉及到水温的实时显示，以及功能模式的显示。按任务功能需求采用独立键盘，并且利用MCU对键盘进行扫描。这种方案既能很好的控制键盘及显示，又为MCU大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，简单易做的特点。显示部分按照任务要求采用4位数码管设计，来显示水温以及工作模式等。也具有简单、可靠的特点。3.CPU核心CPU主要控制水温以及其他模块的协调工作。是该水温控制系统的核心。根据对方案的分析，采用简单易用的STC89C52单片机，其内部有4KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。具有简单方便、成本低以及可靠的特点。经以上分析，只要合理设计电路以及正确编写程序，以上几个模块在MCU以及程序的调节下能协调工作，共同完成水温的控制，从而达到任务要求。三理论分析与计算各个模块要在MCU的调节下合理有序的工作，那么系统必须采用合理高效的控制系统。这就要涉及到过程控制，过程控制指对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。过程控制可分为：模拟控制系统、微机过程控制系统以及数字控制系统DDC。模拟控制系统中被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。微机过程控制系统以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。现如今在生产以及实践中运用最多的是DDC系统： 图3-1DDC系统构成框图DDC系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。其中控制规律即为PID调节，本系统中为软件实现。涉及到的理论计算如下：1.模拟PID控制规律的离散化表一.模拟PID控制规律的数字化公式模拟形式离散化形式2.数字PID控制器的差分方程式中 为比例项 为积分项 为微分项四系统设计方案1.工作模式本着智能化以及按照题目要求，将系统设计有以下两个个工作模式：A.测定水温以及显示水温；B.设定水温并保温；其中A为默认工作状态，即开机工作状态，工作内容为实时测量水温并在数码管上显示。B为设定温度并保温。由用户设定一定的温度，系统自动工作，加热到设定温度后声光报警，声光报警装置可独立开关，如果不切断电源或切换模式，系统将自动竟然保温模式。其中温度的设定有键盘控制。不管在那种工作模式，一旦复位键按下，将回到默认工作模式。在B工作模式下并且显示实际水温时，按下加键可以显示用户设定温度。根据以上的分析总结如下：2.电路设计根据以上的分析，可以将整个系统分为以下几个部分：单片机最小系统，测温电路，功率电路，交流过零检测电路，显示电路，系统框图如下：89C52最小系统最小系统采用将C52MCU以及独立键盘、数码管集成在一块板上的工作方式。其中P0口接数码管。其他包括复位电路、独立键盘、晶振电路。其电路如下图5-1所示：图5-1最小系统18B20测温电路测温电路是使用DS18b20数字式温度传感器，它无需其他的外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据，电路十分简单。它能够达到0.5的固有分辨率，使用读取温度的暂存寄存器的方法还能达到0.2以上的精度。DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ，外供电源线VDD，共用地线GND。外部供电方式unsignedinttmp;unsignedcharcounter=0;P2|=0x07; /初始化按键PIDBEGIN; /初始化PIDinit_infrared; /初始化红外ReadTemperature; /预读一次温度hello; /显示HELLO，屏蔽85Cwhile/检测红外线ifproc_infrared; iftmp=ReadTemperature; counter=20;key_scan;/扫描键盘proc_key;/刷新显示缓存ifupdate_disbuf;elseupdate_disbuf;ifcompare_temper;elsehigh_time=0;low_time=100; 2.PID算法温度控制程序#ifndef_PID_H_#define_PID_H_#include#include#includestructPIDunsignedintSetPoint;/设定目标DesiredValueunsignedintProportion;/比例常数ProportionalConstunsignedintIntegral;/积分常数IntegralConstunsignedintDerivative;/微分常数DerivativeConstunsignedintLastError;/ErrorunsignedintPrevError;/ErrorunsignedintSumError;/SumsofErrorsstructPIDspid;/PIDControlStructureunsignedintrout;/PIDResponseunsignedintrin;/PIDFeedbacksbitoutput=P3;unsignedcharhigh_time,low_time,count=0;/占空比调节参数unsignedcharset_temper=33;voidPIDInitmemset);unsignedintPIDCalcunsignedintdError,Error;Error=pp-SetPoint-NextPoint;/偏差pp-SumError+=Error;/积分dError=pp-LastError-pp-PrevError;/当前微分pp-PrevError=pp-LastError;pp-LastError=Error;return;/微分项/*温度比较处理子程序*/compare_temperunsignedchari;/EA=0;ififhigh_time=100;low_time=0;elsefor get_temper;rin=s;/ReadInputrout=PIDCalc;/PerformPIDInterationifhigh_time=;elsehigh_time=100;low_time=;elseififhigh_time=0;low_time=100;elseforget_temper;rin=s;/ReadInputrout=PIDCalc;/PerformPIDInterationifhigh_time=;elsehigh_time=0;low_time=;/EA=1;/*T0中断服务子程序，用于控制电平的翻转,40us*100=4ms周期*/voidserve_T0interrupt1using1if)output=1;elseifoutput=0;elsecount=0;TH0=0x2f;TL0=0xe0;voidPIDBEGINTMOD=0x01;TH0=0x2f;TL0=0x40;EA=1;ET0=1;TR0=1;high_time=50;low_time=50;PIDInit;/InitializeStructurespid.Proportion=10;/SetPIDCoefficientsspid.Integral=8;spid.Derivative=6;spid.SetPoint=100;/SetPIDSetpoint#endif3.DS18B20子程序#ifndef_DS18B20_H_#define_DS18B20_H_sbitDQ=P3;/定义通信端口unsignedints;unsignedchartemper;/晶振22MHzvoiddelay_18B20 while;/初始化函数Init_DS18B20unsignedcharx=0;DQ=1; /DQ复位delay_18B20;/稍做延时DQ=0; /单片机将DQ拉低delay_18B20;/精确延时大于480usDQ=1; /拉高总线delay_18B20; /读一个字节ReadOneCharunsignedchari=0;unsignedchardat=0;forDQ=0;/给脉冲信号dat=1;DQ=1;/给脉冲信号ifdat|=0x80;delay_18B20; return;WriteOneChar/写一个字节unsignedchari=0;forDQ=0;DQ=dat&0x01;delay_18B20;DQ=1;dat=1;ReadTemperature/读取温度unsignedchara=0;unsignedcharb=0;unsignedintt=0;/EA=0; Init_DS18B20;WriteOneChar;/跳过读序号列号的操作WriteOneChar;/读取温度寄存器等前两个就是温度a=ReadOneChar;b=ReadOneChar;Init_DS18B20;/启动下一次温度转换WriteOneChar;/跳过读序号列号的操作WriteOneChar;/启动温度转换t=*25;b=&0x7f; s=;s=/16;a=a4;temper=a|b;return;#endif六测试方法与数据测量方式：接上系统的加热装置，装入25.06摄氏度室温的水，通过键盘或者红外遥控器设定控温温度。记录调节时间、超调温度、稳态温度波动幅度等。测量条件：环境温度26.5。测量结果：如表二所示。在此仅以数值的方式给出测量结果。调节时间按温度进入设定温度0.5范围时计算。表二测量结果数据设定温度/35456575调节时间/min81.06超调温度/35.0645.1264.8774.87稳态误差/0.03六测试结果分析由测试结果和上表数据得出：温度设定范围为3095，最小区分度达到0.01以上，标定温度值也符合设计要求。由于采用了PID控制，在环境温度降低时温度