水温控制系统完整版设计报告(1997年电子设计大赛c题)(含完整电路图-流程图-论证方案)

1 合肥工业大学合肥工业大学 20122012 安徽省电子设计大赛实验报告安徽省电子设计大赛实验报告 一 一 题目 水温控制系统 1997 年 c 题 姓名 梁植程 杨柯 汤旭 指导老师 杨老师 实验地点 逸夫楼 607 时间 2012 年 7 月 16 号 7 月 24 号 2 目录 目录 2 摘要 3 设计任务与要求 4 方案论证 6 1 温度检测电路的方案选择 6 2 显示电路的方案选择 6 3 加热方案的选择 6 4 控制方法选择方案 7 5 打印方案选择 7 硬件电路设计 8 一 测温电路 8 二 功率电路 9 三 交流过零检测电路 10 四 控制 键盘 显示电路 10 软件程序设计 11 一 程序流程 11 二 控制算法 12 测试结果及结果分析 13 一 静态温度测量 13 二 动态温控测量 13 三 结果分析 13 3 摘要摘要 随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用 以单片机为核心的温度 采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水 平 本设计论述了一种以 STC89C52 单片机为主控制单元 以 DS18B20 为温度传 感器的温度自动控制系统 该控制系统可以根据设定的温度 通过 PID 算法调 节和控制 PWM 波的输出 控制继电器开启和关闭 从而控制加热棒的加热和停 止 硬件电路主要包括 STC89C52 单片机最小系统 稳压电路 DS18b20 测温电 路 键盘电路 LCD12864 液晶显示电路 继电器电路 加热模块电路等 系统 程序模块主要包括主程序控制模块 温度处理子程序模块 按键处理程序模块 LCD 显示程序模块 PID 算法控制程序模块 pwm 波输出程序模块 关键词关键词 STC89C52 单片机 DS18B20 12864 PID 算法 PWM 稳压电源供电 模块 4 设计任务与要求设计任务与要求 一 任务一 任务 设计并制作一个水温自动控制系统 控制对象为 1 升净水 容器为搪瓷器皿 水温可 以在一定范围内由人工设定 并能在环境温度降低时实现自动控制 以保持设定的温度基 本不变 二 要求二 要求 1 基本要求 1 温度设定范围为 40 90 最小区分度为 1 标定温度 1 2 环境温度降低时 例如用电风扇降温 温度控制的静态误差 1 3 用十进制数码管显示水的实际温度 2 发挥部分 1 采用适当的控制方法 当设定温度突变 由 40 提高到 60 时 减小系统的 调节时间和超调量 2 温度控制的静态误差 0 2 3 在设定温度发生突变 由 40 提高到 60 时 自动打印水温随时间变化的曲 线 5 方案论证方案论证 1 单片机供电模块的方案选择 单片机供电模块的方案选择 方案一 直接用 GP 品牌的 9v 电池 然后接通过三端稳压芯片 7805 稳压成 5 伏直流电源 提供给单片机系统使用 右边接两个 5 伏电源的滤波电容 并且接上电阻和绿色的 LED 组 成 5 伏电源的工作指示电路 方案二 通过变压器 将 220v 的市电转换成 9v 左右的交流电 变压器输出端的 9V 电 压经桥式整流并电容滤波 要得到一个比较稳定的 5v 电压 在这里接一个三端稳压器的元 件 7805 由于需要给继电器提供稳定的 5V 电压 而方案一中导致电池的过度损耗 无法 稳定带动继电器持续工作 所以我们选用能够提供更加稳定 5v 电源的方案二 2 温度检测电路的方案选择 温度检测电路的方案选择 方案一 用普通半导体温度传感器作为敏感元件 再结合电压放大器和 AD 转换器将感 应到的温度数值转换为数字量存储在某一单元内 但由于该方案所需元件较多 且电路较 繁 调试起来较复杂 所以舍之不用 方案二 使用数字温度传感器 DS18B20 检测温度 内含 AD 转换器 因此线路连接十 分简单 它无需其他外加电路 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 使用读取温度暂存寄存器的方法 还能达到 0 0625 以上精度 应用方便 这样的电路主要工作量就集中到了单片机软 件编程上 故我们选用该方案 6 2 2 显示电路的方案选择 显示电路的方案选择 方案一 使用数码管显示 通过数码管显示被测温度和设定温度 该方案程序简单 但硬件占用单片机 I O 口较多 对于尽量节约端口 让线路简单来说不是好方法 而且显 示也不够直观灵活 只能显示数字 不能显示汉字显示功能提示 故不适合本次设计应用 方案二 使用液晶屏 1602 显示 可以显示设定温度及测量温度 但显示时 1602 只能 显示两行 且也只能显示字符及数字 不能显示汉字及曲线 不够完善本次设计中功能 故我们放弃选择方案二 方案三 使用液晶屏 lcd12864 可以显示字母 数字及汉字 而且一次可以显示 4 行 显示很直观 通过字幕显示模式 温度 曲线 该方案程序较复杂 但显示观察清晰 显示更加直接明白 且可以显示温度曲线 故为最佳方案 我们选择三 3 3 加热方案的选择 加热方案的选择 方案一 使用电热炉进行加热 控制电炉的功率即可控制加热速度 当水温过高时 关掉电炉即可 但考虑到电炉成本较高 且精度不好控制 故不选用 方式二 是使用可控硅控制加热器的工作 可控硅是一种半控器件 通过控制导通角 的方式来控制 对每个周期的交流电进行控制 因为导通角连续可调 故控制精度较高 且元件便宜 易于制作 方案三 固态继电器控制加热器工作 固态继电器使用非常简单 而且没有触点 无 需外加光耦 自身就可以实现电气隔离 还可以频繁动作 可以使用类似 pwm 的方式 通 过控制固态继电器的开 断时间比来达到控制加热器功率的目的 适合功率不大 简易水 温控制系统 故我们使用方案三 4 4 控制方法选择方案 控制方法选择方案 方案一 采用普通的控制方法 即随着水温的变化调节温度 但局限性太小 由于水 温变化快 且惯性大 不易控制精度 故采用普通控制方法显得力不从心 方案二 采用 控制加 PID 算法 通过采用 PWM 可以产生一个 波形 而 PWM 波形的占空比是通过 PID 算法调节 这样就可以调节加热棒的功率进而控制温度的 7 变化 从而使精度提高 我们选择方案二 5 打印方案选择打印方案选择 方案一 给系统加一个微型打印机 由单片机控制打印机工作 但这样单 片机软件的设计任务量就加大了 降低了单片机的执行性能 且使成本增加 故不选用 方案二 在 lcd12864 上绘制曲线 模拟打印机工作 这样是成本降低 观 察也比较容易直观 故我们选用方案二 硬件电路设计硬件电路设计 对题目进行深入的分析和思考 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 继电器控制指示电路 显示电路 系统框图如下 给单片机提供 5v 稳定电压 STC 单片机 控制系统 18B20 测温 独立键盘 12864 显示电路 温度显示 图形显示 继电器控制电路 加热电路 稳压模块 8 一 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C 0 0 0625以上的精度 C 0 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 VDD 接 5V 且数据传输总线接 4 7k 的上拉电阻 其接口电路如图 2 1 所示 图 2 1 温度传感器接口 二 功率电路 本系统要控制电热棒加热 固态继电器控制加热器工作 固态继电器使用非常简单 而 且没有触点 无需外加光耦 自身就可以实现电气隔离 还可以频繁动作 可以使用类似 9 pwm 的方式 通过控制固态继电器的开 断时间比来达到控制加热器功率的目的 适合功 率不大 简易水温控制系统 三 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 选用 STC89C52 足够满 足系统的要求 键盘选用矩阵键盘即可满足要求 通过按键输入不同数字实现温度的设定 在显示方面选用常用的 12864 液晶显示模块 通过相应的程序 可以实现非 常美观 丰富的显示界面 及温度变化曲线 电路连接也比较简单 只需连接 数据总线 和三根控制线即可实现数据控制 实现显示功能 矩阵键盘 10 LCD12864 四 稳压电路模块 7805 部分 我们要输出 5V 的电压 所以选用 7805 7805 前面的字母可能会因生产 厂家不同而不同 LM7805 最大可以输出 1A 的电流 内部有限流式短路保护 短时间内 例如几秒钟的时间 输出端对地 2 脚 短路并不会使 7805 烧 坏 11 220v 交流转 9v 直流的电路 9v 直流转 5v 直流的电路 五 整体硬件电路 12 软件程序设计软件程序设计 1 程序流程 2 控制算法 PID 控制算法是控制理论中应用很广泛的一种算法 对于一般控制系统来说 PID 算法 从某种意义来说具有通用性 对各种系统具有广泛的适用性 通过现场的参数调试 可以 达到很好的控制效果 对于我们这次水温控制系统的设计 我们同样也可以使用 PID 控制算法 具体算法如 下 e i t 测 t 设 E e i 13 2 oii d i j j i iPi uee T T e T T eKu 1 0 算法中 u i 为当时的功率输出 T 为采样时间 E 为误差积累 KP 为比例常数 Ti 为 积分常数 Td 为微分常数 根据实际系统 调节这三个常数 可以达到很好的效果 比例系数的调节 比例系数的调节 比例系数 P 的调节范围一般是 0 1 100 如果增益值取 0 1 PID 调节器输出变化为十分之一的偏差值 如果增益值取 100 PID 调节器输出变化为一百倍的偏差值 可见该值越大 比例产生的增益作用越大 初调时 选小一些 然后慢慢调大 直到 系统波动足够小时 再该调节积分或微分系数 过大的 P 值会导致系统不稳定 持续振荡 过小的 P 值又会使系统反应迟钝 合适的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于 灵敏 一定时间的迟缓要靠积分时间来调节 积分系数的调节 积分系数的调节 积分时间常数的定义是 偏差引起输出增长的时间 积分时间设为 1 秒 则输出变化 100 所需时间为 1 秒 初调时要把积分时间设置长些 然后慢慢调小直到系统稳定为止 微分系数的调节 微分系数的调节 微分值是偏差值的变化率 例如 如果输入偏差值线性变化 则在调节器输出侧叠加 一个恒定的调节量 大部分控制系统不需要调节微分时间 因为只有时间滞后的系统才需 要附加这个参数 如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响 如果通过比 例 积分参数的调节还是收不到理想的控制要求 就可以调节微分时间 初调时把这个系 数设小 然后慢慢调大 直到系统稳定 在实际调试中 只能先大致设定一个经验值 然后根据调节效果修改 对于温度系统 P 20 60 I 分 3 10 D 分 0 5 3 14 测试结果及结果分析测试结果及结果分析 一 静态温度测量一 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 保持环境温度和其他测量条件 不变 利用标准的温度计测量水温 与系统给出的温度相比较 由于在这种条件下 与测温速度相比 水温下降较慢 在测量中可认为是一个静态过 程 因此可以测出系统的静态温度测量结果 测量仪器 DM6801 热电偶式数字温度计 测量结果 如表 4 1 所示 表 4 1 测量结果数据 标准温度 27 535 645 255 364 775 082 2 测量温度 误差 二二 动态温控测量动态温控测量 测量方式 接上系统的加热装置 装入 1000L 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 DM6801 热电偶式数字