水壶温度控制设计.docx

摘 要摘要：随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种智能保温开水宝模拟装置，现在大多数电热水壶只能把水加热至沸腾，不能保证热水温度，但人们常用的热水的温度根据用途不同温度也不相同，现在新的电热水壶能设定水壶中的温度。关键词单片机 数字控制 保温 DS18B20 AT89S52Abstract: along with the progress and development of The Times, microcontroller technology has spread to our life, work, scientific research, each domain, has become a more mature technology, this article introduces an intelligent insulation water treasure simulator, now most of the electric kettle can only heat the water to a boil, and cannot ensure the hot water temperature, but people often use hot water temperature according to different purposes and different, now new electric kettle can set temperature in the kettle.Key words: MCU digital control heat preservation DS18B20 AT89S52目 录1引言12总体方案设计22.1控制方案的选择22.2系统组成22.3单片机系统选择32.4温度控制32.5方案选择33系统硬件设计43.1系统框图43.2键盘显示电路43.3电源电路53.4传感器电路63.5功率放大电路63.6加热丝电路73.7单片机基本系统电路73.8程序流程图84参数计算114.1PID算法介绍114.2模拟PID控制系统组成124.3模拟PID调节器的微分方程和传输函数124.4PID调节器各校正环节的作用124.5系统硬件调试124.5.1单片机基本系统调试134.5.2数码管显示和键盘接口电路135测试结果135.1系统测试仪器135.2结果验证136结束语14参考文献15附录1电路设计图16附录2程序17I1 引言随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，本次课程设计的作品智能保温开水宝模拟装置就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本课程设计的目的在于培养学生运用已学的微机控制技术的基础知识和基本理论，加以综合运用，进行微机控制系统设计的初等训练，掌握运用微机控制技术的原理、设计内容和设计步骤，为从事相关的毕业设计或今后的工作需要打下良好的基础。 本设计所介绍的智能保温开水宝模拟装置与传统的开水宝相比，可以在几个比较常见的温度进行保温，同时也可以自定义设置保温温度，还有温度实时显示功能，主要用于家庭使用改善人民生活质量，该设计控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用DS18B20，用2位共阳极LED数码管实现温度显示,能准确达到控制要求。2 总体方案设计2.1 控制方案的选择由于水温控制系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也较大的特点。水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制，一般来说可以采用以下几种控制方案：（1）输出开关量控制：对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易硬气反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。（2）比例控制（P控制）比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系。当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程终了存在余差。因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。比例积分控制（PI控制）由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使得过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。虽然加大比例度可以使稳定性提高，但又使过渡时间加长。因此，PI控制适用于滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统，它是工程上使用最多、应用最广的一种控制方法。比例积分加微分控制（PID控制）比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。因此，PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。 结合本例题设计任务与要求，由于水温系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求。但从以上对控制方法的分析来看，PID控制方法最适合本例采用。另一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。因此本系统可以采用PID的控制方式，以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。2.2 系统组成就控制器本身而言，控制电路可以采用经典控制理论和常规模拟控制系统实现水温的自动调节。但随着计算机与超大规模集成电路的迅速发展，以现代控制理论和计算机为基础，采用数字控制、显示，传感器、执行器与控制器构成的系统，在生活中得到越来越广泛的应用。由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制开水宝加热功率以实现水温控制的全过程。因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单片机的使用也为实现开水宝水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统（DDC）。2.3 单片机系统选择AT89C51、AT89C52单片机是最常用的单片机，是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器。AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4K，四个I/O端口全部提供给拥户。系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。2.4 温度控制设定一个需要的温度值（本课程设计设定4个默认的温度按键和一个确认按键或者增加一个数码管显示实时温度和温度增加减小按键），然后启动加热，水沸腾后，停止加热，水放热降温至设定温度时蜂鸣器播放音乐提示；降温至设定温度以下5启动加热，当高于设定温度5停止加热，温度保持在设定值附近。在系统运行过程中有温度传感器DS18B20将温度数据传送到AT89C51，AT89C51通过数据比较，PID分析，T0，T1产生PWM波来控制开水宝电热丝是否继续加热还是停止加热。2.5 方案选择方案一：用热敏电阻：通过电阻的变化来获得电压的变化，起价格虽然便宜但是精度不是很高。对于一个精度要求高的系统不宜采用方案二：用A/D590：通过AD590温度传感器采集温度，由于AD590是电流传感器，经过电阻转换为电压。虽然价格较高但是精度高。方案三：用DS18B20：是数字温度传感器，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，价格便宜，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域我们选择方案三。3 系统硬件设计3.1 系统框图图3-1 单片机控制系统原理框图3.2 键盘显示电路键盘电路采用两路独立按键分别控制设定温度的增加和减少，使用的I/O端口是P2.0和P2.1由于AT89C51上电各管脚均为高电平所以另一端共同接地。这就组成了键盘电路。显示电路，采用的是8段LED数码管显示，考虑到单片机负载能力问题我们采用共阳数码管。因为是给水加热而且防干烧，所以温度不会超过100度，选择两位数码管就可以满足控制要求。电路图如图3-2和图3-3所示。图3-2 键盘电路图3-3 数码管显示电路3.3 电源电路由于开水宝的供电电源是220V的交流电，而单片机的供电是5V的直流电，所以需要进行电源转换将220V的交流电转换为5V的直流电，首先要将220V的交流电通过变压器降低到9V8W的交流电。其次就是整流将9V的交流电转换成8V左右的直流电，这个过程是通过整流桥完成的。最后就是稳压，LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在4%的范围内，振荡频率误差在15%的范围内；可以用仅80A的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）。因为该芯片的稳压效率高发热量少，输出电压比较稳定而且质量比较好，选用的是LM2596S-5.0稳压芯片完成电源电路设计。电源电路如图3-4所示。图3-4 电源电路3.4 传感器电路DS18B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从主机CPU到DS18B20仅需一条线(和地线)。DS18B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DS18B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DS18B20可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DS18B20的测量范围从-55到+125增量值为0.5可在1 s(典型值)内把温度变换成数字。每一个DS18B20包括一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在DS18B20内部的ROM(只读存贮器)中。开始8位是产品类型编码(DS18B20编码均为10H)。接着的48位是每个器件唯一的序号。最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码。DS18B20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM编号为0号和1号。1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负，则1号存贮器8位全为1否，则全为0。0号存贮器用于存放温度值的补码LSB(最低位)的“1”表示0.5将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值(-55-125)。每只DS18B20都可以设置成两种供电方式即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长；采取外部供电方式则多用一根导线但测量速度较快。本次课设采用的就是外部供电，传感器电路如图3-5所示。图3-5 传感器电路3.5 功率放大电路功率放大采用的是固态继电器。固态继电器广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、调温、电炉加温控制、电机控制、数控机械，遥控系统、工业自动化装置。固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。功率放大电路如图3-6所示。3.6 加热丝电路加热丝的电阻是根据设定的功率来选用的，功率越大，总电阻就越小。加热丝的电阻率有一个适当的范围，如果电阻率过大过小，就需要很短或很长、很细或很粗的加热丝，这样对大小功率的电热器都有制造和使用的困难。加热丝的一个重要参数，就是表面功率。电阻率过大，通入一定电流后，表面功率也就大。所以小功率的电器，就选用小直径小电流，但是电流的大小决定于电阻的大小，加热丝的长度和直径就是经过计算的。由于本次课设的对象是开水宝，所以我们选用标准规格220V交流800W功率的加热丝。加热丝电路连接图如图3-6所示。图3-6 功率放大电路3.7 单片机基本系统电路单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机基本系统是在以MCS-51单片机为基础上扩展，使其能更方便地运用于测试系统中，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测试的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。本课题设计的单片机基本系统由复位电路、晶振电路、报警电路还有供电电路组成。供电电路已经叙述过了，单片机采用的是AT89C51是5V直流供电。电路图如图3-7所示。图3-7 单片机基本系统电路图以上就是整个电路的框图, 将前述各单元电路连接起来，就可构成完整的系统硬件电路图。系统硬件电路中除了包含前、后向通道的输入、输出插座外，还应考虑增加苦干个插座，以方便主控板与各部件的连接。硬件电路制作包括印刷线路板制作、焊接和系统连接等几个方面。印刷线路板的设汁一般都是在计算机上利用DXP软件进行辅助设计。3.8 程序流程图系统软件由主程序（键盘扫描、数码管显示、报警）、定时中断服务程序、脉宽调制输出子程序组成。（1）主程序a.初始化。设定可编程芯片的工作方式，对内存中的工作参数区进行初始化，显示系统初始状态。b.读温度程序. 通过DS18B20的侧温.c.调用PID算法子程序通过键盘模块发送过来的数据,即给定值,和测量值进行计算,输出PWM波.对开水宝的水温度进行控制.d.返回程序流程图如图3-8所示（2）温度检测子程序如图3-9所示（3）PID调节子程序如图3-10所示（2）定时中断服务程序 采样定时由定时器0的定时操作完成，定时器0的定时初值时间由PID的运算结果控制。（3）脉宽调制输出子程序如图3-11所示初始化调用水温检测子程序调用PID算法子程序调用脉宽子程序YN定时时间到？启动定时0开始复位DS18B20发读存储器命令返回发跳过ROM命令发温度转换命令延时复位DS18B20将温度转换成BCD码发送温度值,显示温度返回图3-8 主程序图3-9 温度检测程序设置温度大于实测温度设置温度减实际温度实际温度减设置温度置标志位清标志位差值放30HYN子程序返回占空比加上差值标志位为1PWM占空比到上限PWM占空低到下限占空比减去差值图3-10 PID调节子程序入口P0.0输出高电平脉宽标志位清0返回脉宽标志位是高电平?P0.0输出低电平把脉宽标志位置1YN图3-11 脉宽调制子程序4 参数计算系统调试包括硬件调试和软件调试。按+键设定温度值加一；按-键设定温度值减一；按设温键，可任意设置温度，输入相应的数值，按确定键即可，按取消键则返回前一次设置的值；按初始键则返回刚一开机的状态。软件的调试府在仿真器提供的单步、断点、跟踪等功能的支持下对各子程序分别进行调试将调试完的工程序连接起来再调试逐步扩大调试范围。4.1 PID算法介绍在模拟系统中，PID算法的表达式:（1）式中： P（t）调节器的输出信号： e（t）调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差； KP调节器的比例系数；TI调节器的积分时间； TD调节器的微分时间。4.2 模拟PID控制系统组成 图4-1 模拟PID控制系统原理框图4.3 模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 1、PID调节器的微分方程 式中 2、PID调节器的传输函数 4.4 PID调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。4.5 系统硬件调试硬件电路的调试应依次对单片机基本系统、前向通道和后向通道分别进行调试。调试时可利用仿真器对各接口地址进行读写操作，静态地测试电路各部分的连接是否正确；对于动态过程(如中断响应、脉宽调制输出等)可以编写简短的调试程序配合硬件电路的调试。4.5.1 单片机基本系统调试(a)晶振电路 将仿真器晶扳开关打到外部，如果仿真器出现死机现象,说明用户系统晶振电路有问题，此时应用示波器观察单片机时钟信号，或输入端是否振荡信或检查品振电路各器件参数。(b)复位电路按下复位按钮应使系统处于复位状态，否则用用表检查复位电路各点信号和器件参数。(c)报警电路直接采用P2.3通过PNP三极管对蜂鸣器进行控制。4.5.2 数码管显示和键盘接口电路本电路采用2个共阳的数码管动态显示，设置时显示预定温度，平常为实时温度。直接采用P0和P1端口控制。键盘采用独立键盘分别是P2.0和P2.1管脚。调试时要特别注意消抖问题。5 测试结果5.1 系统测试仪器双路跟踪稳压稳流电源DH1718E-5直流稳压电源数字示波器Tektronix TDS1002伟福E6000/L 仿真器多功能数字表GDM-8145数字万用表0100温度计、调温电热杯、秒表5.2 结果验证实测温度和给定温度之间的绝对温度超出了1之间，由于系统显示数值没有小数部分，所测结果只能以度来衡量，其实际误差是稍大于1的，测量结果不是很满足系统误差的要求。这也是这个系统设置不全的一方面。可以是调0的过程中由于调不到0，我把反馈电阻R18给换了，我第一次换的是20K的虽然能调到但波动很大，后来我又换了一个10K的，那波动就小了很多，也能调到要求的范围了。但我觉得还是有问题，这个问题是我到现在还没解决的，在设计的过程中有些电阻是自己去估计取出来的，有些还是很有问题的，我认为这是导致误差的主要原因。因此我认为可以通过改变电路中一些电阻或电容的阻值来得到改善。6 结束语根据设计要求，调试完成的系统应作全面的指标测试。测试过程如下： a.通过键盘输人水温给定值，输入范围能满足40一90区分度为1 的要求。 b.运行水温控制系统，观察水温变化情况测量水温静态误差，该误差应能满足要求。 c.在给定突变或环境温度突变的情况下，观察系统的调节时间和超调量，并能根据需要改变系统控制参数，实现不同的控制品质要求。 通过这次实验, 了解了传感器DS18B20的特性和其应用。也收获了很多关于单片机相互通信的知识。特别是对PID算法有了一定的了解。在整个系统的制作过程中，温度的采样遇到了很大的困难，电阻值没有调准。还有在PCB板的制作过程中预先没有设置好线条的粗细，在加220V电压的线路中，线条应该加粗，防止相互之间的干扰。本系统温度采样，PWM波和通信都已经已经完成。使我的动手能力提高了许多,能够让我在做电路时,自己来解决碰到的问题,学会了怎样去分析电路,怎样把所学到的知识和实际相起来。但是由于自己是第一次真正做系统,所以在很多方面都没有经验,故而并没有完成老师的要求,今后将都作系统来加强自己这方面的不足。参考文献【1】单片机原理及运用 主编:张毅刚，彭宇 高等教育出版社【2】电子系统设计 主编:何小艇 浙江大学出版社【3】8051 单片机实践与应用 编著:吴金戎,沈庆阳等 清华大学出版社【4】单片机应用系统设计 编著:韩志军,王振波等 机械工业出版社附录1电路设计图附录2程序#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DS=P22; /define interfaceuint temp; / variable of temperatureuint flag1=22; sbit beezr=P23;sbit relay=P24;sbit k1=P21;sbit k2=P20;unsigned char code table0=0x03,0x9f,0x25,0x0b,0x99,0x49,0x41, 0x1f,0x01,0x09;unsigned char code table1=0xc0,0xf9,0xa4,0xd0,0x99,0x92,0x82, 0xf8,0x80,0x90;void delay(uint count) /delay uint i; while(count) i=200; while(i0) i-; count-; /初始化波特率为9600/void Init_Com(void) TMOD = 0x20; PCON = 0x00; SCON = 0x50; TH1 = 0xFd; TL1 = 0xFd; TR1 = 1;void dsreset(void) /send reset and initialization command uint i; DS=0; i=103; while(i0)i-; DS=1; i=4; while(i0)i-;bit tmpreadbit(void) /read a bit uint i; bit dat; DS=0;i+; /i+ for delay DS=1;i+;i+; dat=DS; i=8;while(i0)i-; return (dat);uchar tmpread(voi