水温控制系统(地大).docx

水温控制系统（C题）王聪 田博 李莉玲摘要：本水温控制系统以MSP430F2617为控制核心，由电源管理模块、温度测量模块、加热模块、光电耦合及可控硅驱动模块、按键输入模块和液晶显示模块等组成。利用Slope A/D原理将热敏电阻转换的温度电信号送到MCU进行分析处理，MCU输出控制信号作用于光电耦合器MOC3063，驱动可控硅工作于开关状态从而控制电热杯电源的通断，进而调整水的功率，实现水温的实时控制。本系统很好的完成了设计要求，温度变化范围为30100，最小区分度为0.01，温度由40突变到60需要的调节时间不超过480s，超调量为0.3，完成了题目全部的基本要求和发挥要求，温度控制的静态误差为0.1，超过了题目要求。关键词：水温控制；MSP430F2617；热敏电阻；4N25；1.系统方案1.1 方案论证与比较1.1.1 微控制器的选择方案一：采用STC89C51单片机。含128字节内部数据存储器RAM，16位地址总线和8位数据总线，时钟较低，I/O少，外部中断少，外设电路比较复杂。 方案二：采用MSP430F2617单片机。低功耗、运算速度快、精度高，I/O口丰富且具有中断功能，适合多个外部中断处理；内含比较器A，方便精确的比较测量；自带比较捕获单元，方便捕获事件发生的时间。方案选择：51单片机价格便宜，但是时钟较低、外部中断少，功能简单；430单片机功耗低、速度快，自带比较器和捕获单元，比使用51单片机外设更简单，系统硬件开销更小。通过比较分析，本设计选择方案二。1.1.2 温度传感器的选择方案一：采用数字式温度传感器DS18B20。该传感器仅需要一个I/O口进行读写，可以设定912位的分辨率，但测量精度只有0.5，而题目发挥部分要求温度控制的静态误差小于0.2，采用该传感器无法满足题目发挥部分的要求。方案二：采用负温度系数的热敏电阻。该传感器具有响应速度快、灵敏度高等优点，在给定的温度范围内线性度很好，能够实时测量温度，满足精度要求。方案选择：通过比较分析，本设计选择方案二。1.1.3温度测量方案的选择方案一：用惠斯通电桥采样热敏电阻转换的温度电信号，并通过仪表放大器进行差分放大，利用单片机内部的AD实现该模拟信号的数字转换。此方案的不足之处是硬件电路复杂，成本高，测量精度较低，此外，对电桥电阻的精度要求较高。方案二：基于SlopeA/D原理实现温度测量。分别用热敏电阻和固定参考电阻进行电容放电时间的测量，根据充放电时间长短与电阻值大小的关系得到热敏电阻阻值，根据热敏电阻阻值与温度的对应关系求出温度值，从而实现温度测量。方案选择：方案一硬件电路复杂，而方案二利用430单片机内部的比较器和捕获单元使外设更简单，且测量精度较高。通过比较分析，本设计选择方案二。 1.1.4 致冷致热切换方案的选择方案一：采用光电耦合器4N25和电磁继电器组成切换电路。具有电路简单、可靠等优点，但继电器开关速度较慢，难以实现对温度的精确控制。方案二：采用光电耦合器MOC3063和双向可控硅BTA12组成切换电路。双向可控硅只有导通和关断两种状态，以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍，反应极快，在微秒级内开通、关断，是比较理想的交流开关器件。方案选择：相比普通继电器，可控硅无触点运行、开关速度快、效率高，更符合题目精确控制的要求。通过比较分析，本系统选择方案二。1.1.5 打印方案的选择方案一：采用EDM12864液晶显示。该方案可以实现温度调节曲线的实时显示，其温度显示的最小分辨率为1。方案二：采用图形化编辑软件LabVIEW显示。将采样得到的温度值通过串口上传到LabVIEW，编程实现LabVIEW前面板，动态显示温度变化过程，该软件编程语言简单，界面友好。方案选择：考虑到EDM12864液晶模块操作相对简单，且显示满足题目要求，本设计选择方案一。1.2 控制方案本系统是以水温为控制信号，使水温从当前温度自动升或降到指定温度的控制系统。具体控制方法如下：被控对象为电热杯，通过控制电热杯供电电压的通断，实现对水加热功率的调整，从而达到水温控制的目的。电热杯通断的控制采用双向可控硅BTA12，可直接用光电耦合器 MOC3063驱动可控硅工作。当水温低于设定温度时，电热杯供电电源通路，给水加热直至达到期望值；当水温高于设定温度时，可控硅切断电热杯供电电源，此时不再加热，水温开始下降直至降到设定值。本系统采用温度负反馈控制，水温控制期间不断校正温度偏差，直至恢复并保持在设定值。2.设计与论证2.1 理论分析与计算本设计选用额定功率为300W的电热杯作为盛水装置兼加热装置。设水的比热容为4200J/kg，当前温度为Tcur，设定温度为Tset，温差为T，根据热量计算公式 Q=cmT (2.1.1)其中，Q为水吸收或放出的热量(单位J)，C为水的比热容，m为水的质量（单位kg），这里取m=1kg。 根据能量计算公式可知，电热杯提供的净热量为 Q=pt (2.1.2) 其中，Q为电热杯提供的能量(单位J)，p是额定功率(单位W)，t是加热时间(单位s)，这里取p=300W。由公式(2.1.1)、(2.1.2)可知，1L水上升T需要电热杯加热时间t为t=cmTp=14T即若水温由40上升至50至少需要140s加热。2.2 控制理论水温控制系统模型近似成二阶闭环负反馈系统，温度传感器实时采样水的当前温度t送入单片机，与预先设定的温度进行比较得出温度偏差信号t，单片机对偏差信号进行简单的PID算法控制可控硅的开合，使电热杯作用于水以使其温度恢复或保持在题目要求的范围内，即满足t0.2。水温控制系统方框图如图2.2.1所示。PID控制算法1L净水当前温度t- 电热杯设定温度可控硅热敏电阻t图2.2.1 水温控制系统方框图其闭环传递函数为从连续时间系统控制的角度，对二阶系统的时域分析，可以有效得到该系统的动态、静态性能参数。3.电路与程序设计3.1 系统组成系统结构框图如图3.1所示。以MSP430F2617单片机为控制核心，负责控制整个水温系统，包括电源管理，温度测量，加热装置，光电耦合及可控硅驱动， 4*4键盘输入响应和液晶显示等。温度测量，利用Slope A/D原理实现热敏电阻转换的温度电信号的测量。加热装置用于提高水的功率，利用可控硅的开关作用控制加热装置供电电源的通断，以达到调整水温的目的，光电耦合器MOC3063用于驱动可控硅工作于开关状态。通过4*4矩阵键盘输入设定温度、切换系统工作模式。采用EDM12864液晶自动打印水温随时间变化的曲线。图3.1 系统结构框图3.2 系统主要电路设计3.2.1 温度测量电路理论分析与设计计算 热敏电阻阻值变化可反应温度的变化，而电阻值的变化会影响电容的充放电时间，所以本设计通过对电容充放电时间的测量来反应电阻值的变化。温度测量电路如图3.2.1所示。R1为参考电阻，先通过它进行电容充放电，测量电容放电时间作为参考时间，再通过热敏电阻进行电容放电时间测量，根据充放电时间长短与电阻值大小的关系来得到热敏电阻值的大小，以此为依据来导出温度值，实现温度测量。电容上电压在两次测量期间的变化如图3.2.2所示。 图3.2.1 温度测量电路图 图3.2.2 电容电压变化图设电容通过参考电阻的放电时间为Tref，通过待测电阻的放电时间为 Tx。则由公式 Rx=TxTref*Rref 计算得出待测电阻值后，查询电阻与温度关系表，找出所测电阻值在表中所在的范围，根据阻值与温度的关系计算出该范围内的电阻温度的变化率，再根据温度变化率计算出温度值。电阻与温度关系表如表3.2所示。表3.2 电阻与温度变化表温度值（C）-40-35-30-25-20-15电阻值（）201359152721116914902887030155165温度值（C）-10-5051015电阻值（）43604347052223781813414786温度值（C）202530354045电阻值（）12126100008295692258104903温度值（C）505560657075电阻值（）416035423028260022411935温度值（C）80859095100105电阻值（）1676145512641101961840温度值（C）110115120125130电阻值（）737647 5705034443.2.2 可控硅开关电路理论分析与设计计算可控硅开关电路主要由光电耦合器MOC3063和双向可控硅BTA12组成。采用光电耦合器实现控制电路和开关电路之间的电隔离，当控制信号为低电平时，发光二极管因有电流通过而发光，受光器导通，产生电流注入可控硅G极，使可控硅A1极接通，触发电压取自R1A，输出220AC；反之，当控制信号为高电平时，没有电流流入G极，A1没有电压输出，此时可控硅工作于截止状态。利用MOC3063驱动可控硅导通或截止，完成对电热杯的功率控制，从而达到控制水温的目的。可控硅开关电路电路如图3.2.3所示。图3.2.3 可控硅开关电路图3.3 系统软件设计本水温控制系统软件设计程序包括软件滤波、定时器A捕获中断、定时器B定时中断、按键中断响应以及绘制温度变化曲线等。系统初始化包括时钟初始化、端口初始化、液晶初始化、定时器A、B初始化以及比较器A设置等。键盘中断处理中，程序根据键值散转，若设定键按下,则进入温度设定模式；若开始键按下,则启动连续测温模式；若停止键按下，则系统停止测温；若清屏键按下，则刷新液晶屏，初始化按键设置。采用中值滤波法进行软件滤波，采样长度为9。比较器A和定时器A共同用于测量热敏电阻、参考电阻的电容放电时间，定时器B实现系统按秒计时。本设计以时间和温度为横、纵坐标每4s绘一个点，组成温度调节曲线。软件流程图如图3.3所示。图3.3 软件流程图4.测试数据与结果分析4.1 测试仪器 测试所使用的仪器如表4.1所示。表4.1 测试仪器测试仪器型号数字示波器Tektronix TDS10023位半数字万用表VC9806+直流稳压电源YB1732A3A函数信号发生器EE1411型温度计、秒表4.2测试方法及数据4.2.1基本部分测试 将温度初始值调至40，稳定后，将温度设定为60，按下表秒开始计时，在LCD上观察温度的变化曲线，当温度到达设定值并稳定后停止计时，在LCD上读取当前温度值、静态误差，用高精度温度计测量水温真实值，依次将相应的数据记录于表4.2.1。然后依次设定水温70，80，90，观察对应的温度变化并记录相应的数据于表4.2.1。表4.2.1 基本部分测试结果初始温度()设定温度()温度计指示温度()当前显示温度()静态误差()稳定时间(s)406060.359.930.16467607071.370.060580.070089.950.162674.2.2发挥部分测试 将温度初始值调至40，稳定后，将温度设定为60，按下表秒开始计时，在LCD上观察温度的变化曲线，当温度到达设定值并稳定后停止计时，在LCD上读取当前温度值、调节时间、超调量、静态误差，用高精度温度计测量水温真实值，依次将相应的数据记录于表4.2.1。然后依次设定水温70，80，90，观察对应的温度变化并记录相应的数据于表4.2.1。表4.2.2发挥部分测试结果初始温度()设定温度()温度计指示温度（）当前显示温度()调节时间(s)超调量()静态误差()406060.559.954520.270.17607071.269.942490.250.15708081.780.062510.280.17809092.090.052700.320.174.3 系统整体测试结果分析 通过测试，本系统水温变化范围为30100，在基本部分水温由40上升稳定至60仅需要480s，当前显示温度与温度计标准测温相差不超过1，静态误差为0.1。在发挥部分水温由40上升稳定至60的调节时间为470s，超调量为0.3，能够完成全部的基本要求和发挥要求，且各项数据都比指标有较大的提高，这说明本设计是成功的，有优良的特性。5.结束语本设计通过MSP430F2617单片机较好的实现了一个可以根据设定温度信号自动调整水温的水温控制系统。本系统工作稳定，能够实现题目所有的基本要求和全部发挥要求。系统制作的每一个细节，都通过了充分的讨论和计算，比较有特色的是软件滤波部分，取9次采样值的中间值进行处理，减少了因外界环境不稳定造成的干扰。在设计过程中也遇到些问题，如调试升温部分，发现水温总是先超过设定值0.3左右，然后恢复稳定在设定值附近，超调量较大，另外系