水温控制系统论文.doc

基于AT89S52的水温控制系统的设计樊彦（吉首大学物理科学与信息工程学院，湖南 吉首 416000） 摘要:本文介绍了基于AT89C52单片机的自动水温控制系统的设计及实现过程。该系统具有实时显示、温度测量、温度设定并能根据设定值对环境温度进行调节实现控温的目的以及达到上下限温度报警功能，控制算法是基于数字PID算法。关键词 ：PID AT89C52 脉宽调制 实时 前言随着人们生活水平的提高，对生活环境的要求也越来越高，家用电器越来越趋向于自动控制控制乃至于智能控制，针对目前家庭的实际需要，自动控制水温报警系统比较方便实用，本文就通过51系列单片机来实现一种家用自动控制水温报警系统的设计。该家用自动控制水温报警系统即实时反映当前系统工作区的温度信息，温度信息通过液晶屏直观的显示给用户，用户可根据自己对水温的实用要求，通过键盘自行设定温度及温度的报警值，当温度值超出用户设定的范围时，本系统可以自动执行语音报警。目录1 题目分析11.1 任务和功能11.2 主要性能指标12 方案的论证12.1 控制电路方案选择12.2 测温电路方案的选择22.3 加热控制方案的论证22.4 软件算法方案的选择23 硬件的设计33.1 单元电路的设计 33.1.1 温度采集电路 33.1.2 功率控制电路 43.1.3 控制、键盘、显示电路53.1.4 报警电路 63.2 总体电路设计 74 软件设计与实现74.1 软件流程图74.2 PID控制算法125 功能测试及结果分析 125.1 传感器标定 125.2 动态温控测量125.3 测试结果分析135.4 硬件调试问题136 结论137 参考文献138 附录148.1 附1：元器件明细表148.2 附2：硬件电路原理图158.3 附3：软件程序清单151 题目分析根据题目的具体要求，经过阅读思考，可对题目的具体任务、功能、技术指等作出如下分析。1.1 任务和功能实际上题目的任务就是要设计一个温控系统，系统的功能是温度测量和控温在测量部分，要求测量4090C的温度范围，还规定了测量的精度需高于1C，测温的结果要求显示。在控制部分，要求系统能够将水温调节到给定的温度，并进行保温。题目并未规定温度调节的时间长短，但显然调节时间越短越好。题目没有具体给出具体加热的器具和方式，因此选手必须自行选择和制作加热装置，然后才能真正进行电路制作。在发挥部分，还要求提高温度系统的控制性能，缩短调节时间，提高控制精度，增加打印功能。1.2 主要性能指标(1) 测温范围：4090C，可以大于此范围；(2) 测温精度：1C，发挥到0.2C；(3) 保温精度：1C，发挥到0.2C。2 方案的论证对题目进行深入的分析和思考，可将整个系统分为以下几个部分：测温电路、控制电路、功率电路和加热装置。系统框图如图1所示。图12.1 控制电路的方案选择方案一：采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对于纯粹的水温控制，这是足够的。但是附加显示、温度设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。同样，使用逻辑电路也可实现控制功能，但总体的电路设计和制作比较烦琐。方案二：采用FPGA实现控制功能。使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易地实现控制和显示、键盘等功能，是一种可选的方案。但与单片机相比，价格较高，显然大材小用。方案三：采用单片机最小系统同时完成控制、显示、键盘等功能，电路设计和制作比较简单，成本也低，是一种非常好的方案。 综上所述本设计采用方案三作为控制电路。2.2 测温电路方案的选择方案一：采用热敏电阻作为测温元件。热敏电阻精度高，需要配合电桥使用，要实现精度测量需要配上精密较高的电阻。此外还需要制作相应的调理电路。方案二：采用半导体集成温度传感器作为测温元件，半导体集成温度传感器应用也很广泛，它的精度、可靠性都不错，价格也适中，使用比较简单，是一个较好的选择。综上所述本设计采用方案二作为测温电路。2.3 加热控制方案的论证首先要选择好加热装置。根据题目，可以采用热得快进行加热，控制热的快的功率即可控制加热速度。当水温过高时，一般不能对水进行降温控制，而只能关掉热得快，让其自然冷却。在制作中，为了达到更好的控制效果，也可以放置一个小风扇，当加热时开启热得快关闭风扇，当水温超高时关闭热得快开启风扇加速散热。热得快这类电阻性电器可直接使用220V交流电，控制有两种实现方式。它们的电压波形如图所示。控制周期导通角角 （a） （b）具体方案如下。方案一：采用控制导通交流周期数的方式如图（a）所示，为了达到控制的精度，需要在一个较多的周期数中控制导通的数目，不适用于动态性能较高的控制。水温控制系统具有较大的惯性，可以考虑这种控制方式。方案二：采用控制导通角的方式如图（b）所示，由于对每个周期的交流电都进行控制，因此响应速度比较高，另外由于导通角连续可调，因此控制精度比较高。2.4 软件算法方案选择方案一：采用模糊控制算法，对于一个典型的模糊控制系统，考虑它的输入信号有偏差和偏差变化率两种，输出信号为控制信号。根据测试经验，可选取三角型隶属函数，分为正大、正中、正小、正零、零、负零、负小、负中、负大，9个档次。然后根据控制规则列出规则基表。这种控制方法能够较精确的实现设计要求，但是考虑到单片机的存储量，和实时性，不采取这种尚未完全推广的控制方法。 方案二：采用经典PID控制算法和根据实验数据分区间控制的算法，对于温度系统来说，被控对象没有精确的数学模型。热得快加热使得水温具有有热惯性，而且检测的实时数据是检测点附近的实时温度并不能完全体现1升水的实际温度，所以经典PID控制算法不能满足设计要求，还必须根据实验数据进行调整。这种控制算法基本能够满足设计要求，且通用性较强。 本设计采用方案二作为控制算法。3 硬件的设计3.1 单元电路的设计3.1.1 温度采集电路： 一种电路是采用单线数字温度传感器18B20，可直接输出数字量，单线器件和单片机的接口只需一根信号线，所以本设计的硬件电路十分简单，容易实现。能达到0.5C的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器的方法能达到0.2C以上的精度。 18B20连接电路图如图2所示。图2另一种测温电路采用AD590集成温度传感器，AD590将温度转化为电流信号，但由于AD转换大都需要电压信号，因此还需要通过相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号。AD590测温电路如图3所示。 图3 由于这个电路输出的是电压信号，不能直接被单片机利用，因此需经过一个A/D转换器，将电压信号转换为数字量。A/D转换器有很多类型，需要根据精度和转换速度来进行选择。本设计可采用最常用的A/D芯片之一AD0809的应用电路。也可直接选用带有A/D的单片机，这样可以省去A/D电路的制作，简化了电路，提高了可靠性。带A/D的单片机有很多型号，如常用的PIC16C711内含有4路8位A/D，C8051F020内含一组8路12位A/D和一组8路8位A/D，凌阳SPCE061A单片机内含有8路10位A/D。3.1.2 功率控制电路： 功率控制电路是本系统硬件设计的关键，由于加热装置的电源是220V,50HZ的市电，选择器件的耐压至少要两倍以上，否则容易发生损坏。下面就方案论证中提出的两种方案功能实现的电路进行进一步的分析，从而确定系统设计电路。i. 控制交流周期数的方式：可以采用MOC3043和可控硅的功率控制电路，图中MOC3043是具有双向晶闸管输出的光电隔离器，SCR是双向可控硅，负载（热得快）。在MOC3043内部不仅有发光二极管，而且还有过零检测电路和一个小功率双向可控硅。当单片机的I/O口输出低电平信号进入7407时，MOC3043中的发光二极管发光，由于过零电路的同步作用，内部的双向可控硅过零后马上导通，使功率双向可控硅SCR导通，在负载中有电流流过，当I/O口输出高电平时，MOC3043中的发光二极管不发光，内部双向可控硅截止，所以功率双向可控硅SCR也截止，负载中没有电流流过。控制驱动电路如图4所示。图4ii. 控制导通角的方式：首先要设计交流电过零检测电路，将检测信号送如单片机，延时输出触发信号，触发双向可控硅导通，使交流电加在热得快两端。如图5所示是一种可实现的交流电过零检测电路，通过变压器讲220V交流电降压为6V后进行过零检测，通过光耦合器输出过零检测信号，避免交流电平干扰，其安全性可靠性高。正半周期输出低电平，负半周期输出高电平。图5过零检测电路的输出信号可送入单片机中断控制口，通过单片机的中断控制可根据需要，延时输出触发信号，控制每个周期内导通相角的大小。驱动控制部分实现电路图如图6所示，经过单片机处理的触发信号通过光耦合器触发双向可控硅导通，在下个零点到来时截止。从而可以对交流电的半个周期的有效值周期性调节。图63.1.3 控制、键盘、显示电路： 这部分实际上是一个单片机最小系统的基本电路，可选用最常用的51系列单片机，足够满足系统的要求。键盘可以选用常用的44扫描键盘，不过在这个设计中只需要35个按键即满足要求。本着简单实用的原则，选择了4个按键，分别用作模式选择、设置选择、温度加、温度减。在显示方面，选用了常用的显示容量为162个字符的液晶显示模块。通过相应的软件编程，可以实现比较美观和丰富的显示界面。模块连接电路图如图7所示。图73.1.4 报警电路：本系统采用ISD1420作为温度语音芯片，它有20s的录放时间。它的基本组成有时钟电路、拾音放大、自动增益控制电路、滤波器、差动功放、电源电路、地址译码电路组成。PLAYE和PLAYL分别于单片机I/O口连接。图9为回放电路的时序图。PLAYL上升沿触发回放，下降沿截止；PLAYE上升沿触发回放语音信号，直至回放结束。报警电路图8所示。图8图93.2 总体电路设计本着简单、实用的原则，这里最后选用了一个比较典型的硬件方案：测温电路选用DS18B20集成数组测温电路；功率控制电路选用MOC3043和可控硅的功率控制电路控制芯片采用常见的AT89S52显示方式采用162字符液晶显示器1602键盘采用4独立按键次用RS-232串口与计算机通行4 软件设计与实现4.1 软件流程图 本设计为了实现对1L水的温度的测量并用液晶显示，使待测水温的静态误差在1C范围以内。温度设定范围为4090C,最小区分度为1C，标定温差1C。同时当水温达到设定值时在环境温度降低时温度控制的静态误差1C。 主程序流程图如图10所示，实现对范围、温度值的设定，执行、显示实时温度。控制算法流程图如图12、图13所示，实现对温度的控制图10：系统主程序流程图10图12：PID算法流程图图11：温度数据采集与控制子程序图13：加热控制量自校正子程序4.2 PID控制算法由于该系统为闭环控制系统，故可采用PID控制算法。在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值毕竟的方法，当采样周期相当短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，使模拟PID离散化为差分方程。由于该系统需要采取PWM的脉宽周期作为控制量，故采取数字PID增量型控制算法。数字PID增量型控制算式：式中，为比列系数；=为积分系数；本设计中，控制参量为热得快的加热时间5 功能测试及结果分析使用的主要仪器仪表：PC机（Lenovo）;数字万用表（DT-9205B,GDM-8245);可跟踪直流稳压电源（SS2323）;水银温度计；51单片机开发系统。5.1 传感器标定由于18b20出场的测温精度可达C，基本能够达到设计要求。在此使用了测温精度为C的高精度水银温度计，精确测量水温。静态温度测量测量方式：断开系统的加热装置，装入一定温度的水，保持环境温度和其测量条件不变，利用标准的温度计测量水温，于系统给出的温度相比较。测量仪器：水银温度计，500W热得快，环境温度C。测量结果：如下表所示标准温度（C）847774686665555040测量温度（C）83.576.574.168.966.965.855.549.839.8误差（C）0.50.50.10.90.90.80.50.20.2误差分析：由于热得快加热时，加热区主要集中在其上部，造成受热不均，而测量点又不能取到完全相同。在此误差均在1(C)以内，且没有规律性，所以不再软件补偿温度值5.2 动态温控测量测量方式：接上系统的加热装置，装入1L室温的水，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。测量仪器： 500W热得快，环境温度C。测量结果：如下表所示。在此仅以数值的方式给出测量结果，略去升温曲线。调节时间按温度进出设定温度0.5C范围时计算。设定温度（C）40607090超调温度（C）40.56170.8无变化范围（C）39.840.559.361.069.070.889.089.55.3 测试结果分析由以上测量可见，系统性能基本上达到了所要求的指标。静态测温的精度主要有DS18B20决定。DS18B20的精度比较高，这里采取了读取温度寄存器办法，测温精度能够达到0.2C，可以达到比较好的精度。在控温指标中，影响系统性能的因素非常多。最关键的是加热系统本身的物理性质及控制算法。由于传感器必须加上防水设施，因此温度传感器难免会有迟滞，热得快本身的延迟，水对流传热等因素也会造成测温的延时，这些都会直接影响系统的控制性能。控制算法方面，需反复试验比较，在上升时间和超调量之间作权衡，选出较好的PID系数。5.4 硬件调试问题电路采用两路光耦控制，一路控制加热，一路控制风扇降冷，在制作板子时，由于两路电源输入距离很近，随意在测试工作时，加热电路不能正常工作，仔细检查电路没有问题，考虑到干扰问题，将输入端分开链接，问题解决。可控硅与光耦组合弱电控制强电电路，测试用一千二百瓦的加热负载，发热严重，因为电路板及电源线严重发热，虽然BTA16可控硅极限电流可以达到16安培，220V功率足可以带动此负载，但是由于散热问题