太阳能热水器温度pid控制

毕业设计说明书题目太阳能热水器温度PID控制学院直属系机械电子工程与自动化年级、专业2012级机电一体化姓名曾维鹏学号332010080307218指导教师杜福银，刘丽完成时间2014年6月10日目录摘要4ABSTRACT51前言62PID控制简介721PID控制722PID控制分类73系统电路设计1031系统电路设计整体思路1032系统电路基本硬件10321单片机的选择10322温度检测元件15333液晶显示屏20334步进电机驱动芯片22335步进电机流量阀2434系统电路仿真图25341时钟电路25342复位电路26343温度测量电路27344温度显示电路28345按键电路29346步进电机控制电路304系统PID控制算法设计3141PID控制基本原理3142设计PID算法3343确定PID算法控制的输入量和输出量3444模拟PID算法控制345系统程序设计3651系统原理图3652系统整体流程图3653按键程序流程图3755显示程序流程3855温度采集程序流程39总结与体会41致谢词42【参考文献】43附录44摘要如今在人们追求低碳生活健康生活的当下，太阳能热水器因为其节能和环保等优点受到广大消费者的喜爱，我国已经慢慢的成为太阳能热水器生产和使用的大国。因为目前普遍使用太阳能热水器，所以我们设计了一种太阳能热水器基于单片机的温度控制系统。基于现有的芯片和单片机的步进电机驱动器上，控制算法采用PID控制，步进电机的设计位置控制，使热水的流量控制阀的步进电机相连的流动，从而实现温度控制，以完成整个系统的设计。使用PROTUS仿真软件和KEIL编程软件进行设计仿真，控制太阳能热水器水温能在一定摄氏度范围内的某一温度值上报保持恒定。【关键词】太阳能热水器、温度控制、PID控制算法、步进电机、单片机ABSTRACTINTHEPURSUITOFLOWCARBONHEALTHYLIVINGTODAY,SOLARWATERHEATERWITHITSCHARACTERISTICOFENERGYSAVINGENVIRONMENTALPROTECTION,FAVOREDBYTHEVASTNUMBEROFCONSUMERS,OURCOUNTRYHASBECOMETHESOLARWATERHEATERPRODUCTIONANDUSEOFPOWERFORTHEWIDELYAPPLICATIONOFSOLARWATERHEATER,THISPAPERDESCRIBESTHEDESIGNOFASOLARWATERHEATERTEMPERATURECONTROLSYSTEMBASEDONMCUTHESTEPPERMOTORDRIVERCHIPSANDMICROCONTROLLERBASED,CONTROLALGORITHMSUSINGTHEPIDCONTROL,THEDESIGNOFSTEPMOTORPOSITIONCONTROL,SOASTOREALIZETHECONTROLANDFLOWVALVEOFHOTWATERFLOWOFSTEPPERMOTORISCONNECTED,SOASTOREALIZETHETEMPERATURECONTROL,DESIGNINGTHESYSTEMSTRUCTUREDESIGNANDSIMULATIONUSINGTHEPROTUSSIMULATIONSOFTWAREANDKEILPROGRAMMINGSOFTWARE,SATISFYACERTAINTEMPERATURESOLARWATERHEATERWATERTEMPERATUREINDEGREESCELSIUSRANGEREPORTINGCONTROLTOMAINTAINACONSTANT【KEYWORDS】SOLARWATERHEATER；TEMPERATURECONTROL；PIDCONTROLALGORITHM；STEPPERMOTOR；SINGLECHIPMICROCOMPUTER1前言太阳能SOLARENERGY是一种由太阳光线散发的辐射能量，太阳能是种清洁可再生的能源，从广义上说太阳能是地球上许多能量的来源，比如风能，生物质能，潮汐能和水的势能等等。使用太阳能的基本方式可分为光伏造电使用，轻化工利用以及光生物利用度四类。太阳能的光热发电比一般光伏发电的太阳能转化率高，但是应用还不普遍。在光热转换当中，目前应用范围为最广、技术最为成熟、经济性最好的要属太阳能热水器的应用。太阳能热水器通过玻璃管上的黑色光泽的吸收层，第1、2层玻璃吸收阳光，因为它是两层玻璃和绝缘之间的真空，所以热量无法向外界发散，只有向玻璃管注入的水传导热量，从而使水不断加热的玻璃管，加热的水将被沿玻璃表面流动注入到加热水储存桶，而水的温度降低后就会重新到玻璃管辅助加热，如此不断循环，它会在水不断加热后再次流入储存桶，以完成加热水的目的。然后通过控制流量阀门控制冷水流量与热水流量，从而达到调节水温的目的。本设计中控制阀门的设计是基于已有的步进电机驱动芯片控制步进电机流量阀和AT89C52单片机使用，采用PID控制算法，设计步进电机位置控制，从而实现与步进电机连接的流量阀热水流量控制，进而实现温度控制。PID控制器由于其简单的结构，可靠的运行，稳定性好，容易调整等，被经常应用于各种温度控制。然而，传统的PID调节器的多用模拟控制器，其用于电动或气动仪表多单位组合完成调节器。但是随着微型计算机的不停发展和应用,特别是在单片机的控制领域使用越加广泛,如今利用计算机的软件来实现PID控制算法,使其具有更大的灵活性、可靠性和更完美的控制效果。除了利用PID算法控制温度以为还有很多其他的方法控制太阳能热水器温度。文献1采用模糊控制的方式控制温度1。文献2采用智能控制的PID模糊恒温控制器控制温度。2文献3采用基于仿人工智能的温度控制器控制温度。31张越张炎赵延军基于单片机和模糊控制的水温自动控制系统J仪表技术与传感器20070415162朱荣明戴冠中燃气热水器水温智能控制系统J西北工业大学学报20010123243李祖枢曾成张华仿人智能控制在双功能燃气热水器中的应用J自动化技术与应用20040848482PID控制简介21PID控制PID（PROPORTION（比例）、INTEGRATION（积分）、DIFFERENTIATION（微分），PID控制器成为最早的实用化控制器已经经历70多年，而且仍然是现在应用最为广泛的工业控制器之一。PID控制受欢迎的原因在于容易上手的使用方法运行时并不依靠准确的模型等先决条件，因此就算过了大半个世纪依旧是应用最为普遍的控制器之一。PID控制器是由比例单元（PROPORTION）和积分单元（INTEGRATION）还有微分单元（DIFFERENTIATION）组成。4PID控制的输入与输出的关系为ET）（TUDTETDTETTKIP1（21）式中积分的上下限分别是0和T因此它的传递函数为1SSEUGTKDIP（22）其中为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数KPTID22PID控制分类比例（PROPORTION）控制比例控制作为我们最长的控制是因为它操作简单。由输出信号和输入误差信号成比例。系统会出现稳态误差的出现当只有比例控制时。比例控制的比例是基于“偏压的多少”的行动，使其输出对输入偏差的多少成比例。虽然比例控制及时而有力但是会出现有余差的缺点。比例控制作用的大小是用比例值来显示的。如果是小，表示作用的调节就越强，而其调控的值更大，4蒋平一种PID模糊控制器J自动化博览2011，16870则比例将减小。如果比例作用太强，系统可导致震荡。积分（INTEGRATION）控制在积分控制的PID控制器，误差信号的输出和输入成比例的积分关系。一个自动控制系统，如果有稳态误差的系统处于一个稳定的状态，我们称这种控制系统具有稳定的误差或者说是错误的系统（SYSTEMWITHSTEADYSTATEERROR）。为了消除稳态误差，积分项的加入必不可少。因为积分项是让误差依赖于时间积分，如果时间增加，那么积分项也变大。因此就算该错误是非常小，但积分项还是会因为时间增加也将变大，稳态误差积分项将导致控制器的输出增大，使得稳态误差慢慢地变小，最后让它为0。比例（P积分（I）PI控制，能够让部件处于稳定状态且没有稳态误差为止。积分控制是基于“是否有偏差”行动，输出和偏差整体调整幅度是成正比的时间积分，只有当剩余的消失后，积分作用就会停止，所以调控不可或缺的作用是消除残余。但整体效果将会使最大动偏差变大，再调整了时间。积分控制的积分时间T来表示其影响大小，当T越小，积分作用越强，但如果积分作用太强，仍然可引起震荡。微分（DIFFERENTIATION）控制微分控制中的PID控制器，该控制器的输入和输出的误差信号（误差率）是成正比的。在自动控制系统，以调节克服误差的过程中可能会震荡甚至不稳定。5其原因是由于惯性部件（链接），其起到了限制误差的作用，所以改变一直都滞后于误差。因此，我们的解决办法是改变“提前克制误差函数”。当误差快要到零时，限制误差的作用应该是零。换句话说，系统控制器只引入了“比例”是不够的，因为误差的幅值只是被比例项放大了而已。因此，有必要为了判断错误趋势而添入微分项。用PD控制器，可以事先克制控制误差的作用让其等于0，还能。这样能让被控量不会出现太厉害的超调。所以PD控制器的使用对象是有延迟和有很大惯性的对象以优化调整过程中系统的动态特性组成。微分调节是“偏差变化率”来行动的。输入和输出偏差变化的差速调节是成正比的，其作用是防止所有参数可调，具有主导作用，对大滞后对象（如温度）5赵保亚基于PMAC的数控系统PID参数调节研究机械设计与制造2007，10146148的效果非常好。因为它使偏差调整处理偏差变小，时间被缩短，剩余误差减小，但不能完全消除的残余误差。用微分时间来表示其行动的大小。当更大，TDLTD更强的微分作用影响，但过大，而且还会引起振荡。D3系统电路设计31系统电路设计整体思路太阳能热水器PID温度控制系统主要由单片机温度检测元件LED液晶显示器步进电机和蓄水箱组成。其系统整体电路设计思想为图31系统电路设计思想32系统电路基本硬件如今多种多样的硬件让人眼花缭乱，如何在众多的硬件中选择出适合本设计系统的硬件是一个值得讨论的问题。321单片机的选择单片机作为太阳能热水器温度PID控制器的核心部件，需要考虑系统所需要的单片机种类以及特点，单片机单元部件有外围数字接口，电设扩展模块和外围模拟接口等部件。AT89C52是51系列单片机的一种型号，AT89C52是ATMEL公司所生产的。图32AT89C52单片机图样AT89C52低电压，高性能的CMOS8位单片机，单片机内所采用的存储器是含有8000BYTES的可以反复擦写FLASH只读程序存储器还有256BYTES随机存取数据存储器（RAM）。单片机器件使用了ATMEL公司密度高而且非易失性存储技术所生产，兼容了标准MCS51单片机指令系统，单片机片内置了通用的8位CPU还有FLASH存储。性能完善的AT89C52为我们在操作繁杂的系统中带来了方便，是我们的不二选择。图33AT89C51单片机封装结构AT89C52单片机的端口数为40，在这40个端口中含有3个16位可编程的定时计数器，32个双向输入输出端口，2个读写口线，还有2个外部中断，2个读写口线还有2个全双工串行通信口。AT89C52单片机既可以按照常规的方法进行程序编写，还可以在线编程。AT89C52单片机将通用微处理器和FLASH只读程序储器结合在了一起，特别是因为可反复擦写的FLASH只读程序存储器可以有效的降低开发成本。AT89C52单片机里有PDIP和PQFP/TQFP还有PLCC等三种封装形式，用来适应不同的产品需求。AT89C52单片机的主要功能特性兼容MCS51的指令系统。8000BYTES可反复擦写1000次）FLASH只读程序储器（ROM）。32个双向的输入/输出端口（I/O端口）。256X8BIT随机内部存取数据存储器。3个16位可编程定时/16位计数器中断。时钟频率为024MHZ。2个读写中断口线。2个串行中断。可编程的UART串行通道。4个内部中断源2个外部中断源共6个中断源。低功耗空闲和掉电模式。3级加密位。可利用软件设置单片机睡眠和唤醒功能。AT89C52工作原理采用8位CPU，一般使用工业标准的C51内核行业标准“PDIP”封装AT89C52单片机。AT89C52单片机芯片处理器是一样的，分布在芯片的引脚和功能与一般AT8XC52相同。它主要是用在融合和调节功能的控制。AT89C52单片机的功能包括收敛控制测试图和红外遥控信号（IR）接收并解码和主板CPU交互信息对主IC内部寄存器和数据RAM中的衔接和外部接口的初始化，其他组成部分会聚调节控制等。AT89C52单片机重要引脚“XTAL1”（引脚19）和“XTAL2”（引脚18）是一个输入/输出端口，与12MHZ的振荡器相连接，形成一个时间电路。“RST/VPD”（引脚9）是一个复位输入的端口，外部复位电路是由电容和电阻够成。“VCC”（引脚40）和“VSS”（引脚20），是电源接入端口，端口与五伏电源连接为单片机供电。P0P3是一个可编程的通用输入/输出（I/O）引脚，功能和应用的它是由软件定义的。P0口是一组8位漏极开路型双向输入/输出（I/O）端口，复用端口地址/数据总线，P0为输出端口，每个可以驱动8个TTL逻辑门电路以吸收电流的方式，端口P0写入一个“1”，可以作为高阻抗输入端口使用。6P0在访问外部数据存储器或程序存储器，P0将分时转换地址（低8位）和复用总线数据，在访问期间将激活内部上拉电阻。写在FLASH中的计划时，P0口完成指令，但在检验中，P0口发送指令，所以检查将需要一个外部上拉电阻。P1口为一个8位双向内部有上拉电阻的输入/输出（I/O）端口，一个输出缓冲P1端口可以用吸收或输出电流的方式来驱动4个“TTL”逻辑门电路门。当输入“1”时，P1口因为内部上拉电阻的原因将发送端口变为高电平，则可以作为输入使用。当P1用作输入端口使用，由于其内部有一个上拉电阻，所以当一个引脚的外部信号拉低时将输出电流（IIL）。AT83C52的P1口和AT89C51的区别是，AT89C52的P10和P11也可以是外部计数输入分别作为定时器/计数器（P10/T2）和输入（P11/T2EX），在FLASH编程和校验，P1口接收低8位地址。P2口是一个8位内部上拉电阻双向输入/输出（I/O）口，输出缓冲器P2口可以驱动（吸收或输出电流）4个“TTL”逻辑门电路。当写入“1”时，端口P2内部的上拉电阻将端口变为高电位，此时可以用作输入，并作为输入中使用因为内部具有上拉电阻器会让引脚将信号拉低，这样外部信号将输出电流（IIL）。当读取16位地址外部数据存储器或读取外部程序存储器，P2口将8位地址数据发送。在读取8位地址外部数据存储器，P2口将输出内容锁存器里的信息。当编写一个程序或检查校正时，P2也将获得较高的地址和控制信号。P3口是一个8位带有内部上拉电阻双向输入/输出（I/O）端口。P3口输出缓冲级能够使4个“TTL”逻辑门电路作用。当写入“1”时，P3端通过拉高内部上拉电阻可以被用来作为一个输入端口。在这个时候，那些被拉低外部端口将使上拉电阻器的输出电流（IIL）。P3口不只作为一般的输入/输出（I/O）线路，6李慧斌张英彬张修典王华昕运用单片机设计大气电场仪的相敏检波器J黑龙江气象2012还有一个更重要的功能是在第二个作用。P3口可接收卸载FLASH闪存上的程序和那些程序检验校正的控制信号。RST作复位的输入端口。振荡器工作的时候，为了使AT89C52单片机复位复位端口的引脚产生了两个机器周期以上的高电平。ALE/PROG当读取数据存储器或外部程序存储器时，ALE（地址锁存）为了能锁存地址第8位字节而输出脉冲。平时，ALE为1/6的时钟振荡频率是固定的脉冲信号输出，所以ALE可以是对外部输出时钟或用于定时目的。但是，我们要注意的是每一次当ALE访问外部数据存储器将跳过一个ALE脉冲。在FLASH编程时，ALE的引脚也可以作为输入编程脉冲（PROG）。如果有必要，可以使用8EH单元的D0位置禁止ALE的工作有关的特殊功能（SFR）。在该位置，只能用MOVX和MOVC指令ALE激活。此外，ALE引脚将微微上拉，当执行外部程序的是微控制器，我们应该设置禁止ALE无效。PSEN为程序储存允许（PSEN）输出。程序储存允许（PSEN）作为外部程序存储器读选通的信号。每当AT89C52由外部程序存储器读取指令或者数据的时候，这时的每个机器周期的两次PSEN信号有效，也就是输出了两个脉冲。此时，如果访问外部数据存储器的话，就将跳过两次PSEN信号。EA/VPP是外部访问允许。如果想要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），那么EA端就必须保持低电平（也就是接地）。但是我们需注意的是如果是加密位LB1被编写了程序的话，复位的时候内部就会锁存EA端的状态。若EA端为高电平（接VCC端）的话，那么CPU就会执行内部程序存储器中的指令。当在FLASH存储器编程时，其引脚就要加上12V的编程允许电源VPP，理所应当的是使用的器件必须是使用12V编程电压VPP。XTAL1是振荡器反相放大器以及作为内部时钟发生器的输入端。XTAL2是振荡器反相放大器的输出端。图34温度控制单片机学习板图样322温度检测元件温度检测在整个太阳能热水器温度PID控制系统中是非常重要的一个环节，温度检测的好坏会直接影响着系统的精度，所以我们所要设计一个精密的温度检测电路，这是十分重要的。选择温度检测装置器件是需要经过挑选的。1热敏电阻。热敏电阻因为其体积较小，易于通过接触测试固体温度，而且价格便宜，所以很受欢迎。但是热敏电阻对于测量液体温度却表现不佳。而且热敏电阻因为特性的非线性或者说近似的分段线性会给单片机多点恒温带来不必要的麻烦，需要通过大量的测试后建立温度电压TV的表格才能实现。很麻烦所以不适用于对于液体温度的测量。2ADS90。ADS90具有价格低、精度高、不需辅助电源、线性好等优点。而且我们实验中经常运用，使用起来也很方便，可是ADS90输出的电流是微安级的电流，在接触到水后会很明显地让输出不正常，所以测量不准确。如果用绝缘胶布包裹住导线的话，胶布随着水温的升高而产生湿气对检查精度造成影响。31000。采用1000的话，其电阻温度系数的分散性较小，而且线性好、精度高和比较灵敏。但是这种检测元件不常运用于普通的水温检测。4DS18B20。采用DS18B20，因为DS18B20常用的温度传感器，而且具有硬件开销低，体积较小，而且其抗干扰能力强精度高等特点。深受到大家的欢迎。是一般的温度检测常用器件。通过上述比较，选用DS18B20传感器比较合适。图34DS18B20温度传感器图样DS18B20是DALLAS公司所生产的单线式的温度传感器，其有3个引脚，采用TO92小体积封装形式，其温度测量范围是在55到125。DS18B20的编程设置为9到12位A/D转换精度，其测温分辨力可以达到00625，被测温度会以符号扩展16位数字量的方式串行输出。DS18B20温度传感器用9位数字量的形式反映了器件测得的温度值。DS18B20会通过一条引脚（加上地线）和CPU连接，用来完成接口发送和接收信息。DS18B20在对温度控制从而完成温度的转换时或者是在完成信息读写功能的时候，它的电源可以通过数据线提供获得，所以不需再利用外加电源来完成，节省了工序。而且多只DS18B20能同时连起来，并且只需在一根单线总线上就可以操作完成了，这是因为对于每个DS1820其都有片序列号而且都是独特的。但还是需要接上47千欧的电阻。因此温度传感器可以在不同地方工作，也就是说能放在不同位置。而计算机只需要一根端口线就可以和多个温度传感器DS18B20通信，这样传感器占用的单片机端口少可以节省大量的引线和逻辑电路。所以温度传感器DS18B20在检测仪器或者机器的温度、多点环境监控控制、探测检查建筑物温度、过程监测控制等方面很实用。DS18B20温度检测和数字数据输出全都集成在一个芯片里面，因此抗干扰力会更强。DS18B20的一个工作周期可分为两个部分。分别为温度检测和数据处理。DS18B20共有三种形态存储器资源ROM只读存储器，是用于存放DS18B20的ID编码，它的前8位为单线系列的编码，其中DS18B20的编码是19H，后面的48位是芯片的唯一序列号，最后的8位为以上56位的CRC码，即冗余校验。数据是在出产时就设置好了用户不能更改。DS18B20共64位ROM。RAM数据暂存器，是用于内部计算和数据的存取，数据会在DS18B20掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，其中每个字节为8位。RAM的第1、2个字节是温度转换后产生的数据值信息。RAM的第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。当上电复位时其值将被刷新。RAM的第5个字节则是用户的3个EEPROM的镜像。第6、7、8个字节是计数寄存器，为了让用户得到更高的温度分辨率而设计出来的，也是在内部进行温度转换和计算的暂存单元。RAM的第9个字节同样为前8个字节的CRC码。EEPROM非易失性记忆体，这个是用于存放长期需要保存的数据。保存上下限温度报警值和校验数据等。DS18B20共3位EEPROM，并且在RAM都存在镜像这样方便用户操作。DS18B20特性1独特的单线接口方式DS18B20与CPU连接时只需要一根口线就可以实现处理器与DS18B20的双向通讯。2使用中并不需要任何外围元件。3可以用数据线来供电，且电压范围3055V。4测温范围为55125。且固有的测温分辨率为05。5可以通过编程来实现912位数字读数方式。6用户可以自己设定非易失性报警上下限值。7支持多点组网操作，并且多个DS18B20可以并联在惟一的三线上从而实现多点测温。8负压特性，在电源极性接反时，温度计并不会因发热而被烧毁，但是接反后不能正常工作。图35DS18B20芯片封装结构DS18B20温度传感器是通过操控时序图来来进行读,写和复位脉冲的操作图36复位脉冲操作时序图DS18B20读时序可以分为读0时序和读1时序这两个时序，但是对于DS18B20读时序其实是从主机进行单总线拉低之后，在15微秒之得到释放单总线，这样就能让DS18B20将数据传输到单总线上。DS18B20完成一个读时序的过程需要60US的时间才能完成。DS18B20写时序也可分为写“0”时序和写“1”时序这两个过程。然而DS18B20的写“0”时序跟写“1”时序要求是不同的，当要写“0”时序时，单总线将要被拉低到至少60US。这是为了保证DS18B20足够在15US至45US之间可以正确的采样输入/输出I/O口的总线上“0”电平。要写“1”的时序时，单总线将会被拉低之后，在15US之内就可得释放的单总线。DS18B20引脚的介绍1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。3VDD可选择的VDD引脚。DS18B20的使用方法DS18B20采用1WIRE总线协议的方式通信，也就是在一根数据线上实现了数据的双向传输，但是对AT89C52单片机的硬件上来说并不支持单总线的协议，因此我们有必要采用软件的方法来模拟单总线协议，通过时序来实现对DS18B20芯片的访问。DS18B20是在一根输入/输出（I/O）线上进行读写数据，所以我们对读写数据位有着严格的时序要求。DS18B20有着严格通信协议来满足数据传输正确性和完整性。这种协议定义了几种信号时序的初始化时序、读时序还有写时序。所有的时序都可将主机当做主设备。单总线的器件是可作为从设备。但是每次命令和数据传输都会从主机主动的启动写时序开始。如果要求单总线的器件能发送数据，那么在写命令后，主机就会启动读时序的操作实现数据的接收。数据和命令的传输都是低位在先。333液晶显示屏在单片机设计中常用的输出显示设备有两种数码管显示和LCD显示。数码管是现在单片机设计中普遍使用的一种显示设备，且每个数码管都是由七个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接方式不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管连接方式不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示数据内容直观，一般显示从0到9中的任意一个数字，一个数码管只可以显示一位，多个数码管共同显示就可以显示多位。在显示位数比较少的电路中，程序的编写和外围电路的设计都很简单，但是当要显示的位数较多时，数码管的操作显得十分烦琐，显示的速度也会受到限制。液晶显示屏都具有功耗低、体积小和显示内容丰富等的特点，因此用户可以根据自己的需求，显示出自己想要的结果，还能够自己亲手设计图案。当我们所需显示的数据较复杂时候，它的优点就会被突现出来。当硬件的设计完成时，就能够通过软件修改来不断的扩展系统的显示能力。外围的驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展不会涉及到硬件的电路修改。液晶显示屏可扩展的性能很强大。字符型液晶显示屏已经慢慢的成为了单片机设计应用中最为常用的信息显示器件之一。唯一的不足之处在于液晶显示屏的价格比较昂贵，驱动程序编写复杂。液晶屏显示的模式有两种,一种是段码式,另一种是点阵式段码式在液晶的显示模式中数字是由笔段式的组成一个8字有7个笔段,能组成09的数字。段码液晶显示组件是由12位段码式液晶显示器组成，内含LCD控制器和LCD驱动器，并且带有数据译码的功能，数据采用了串行输入，可以直接和CPU接口。数码管的结构是数码管由7个发光二极管组成,组成一个日字形。它门可以共阴极,也可以共阳极。通过接通相应的发光二极管，这样就能形成相应的字符,这就是它的工作原理。数码管按照各发光二极管电极的连接的方式可以分为共阳极数码管跟共阴极数码管两种。共阴极数码管是指把所有发光二极管阴极接在一起所形成的公共阴极COM的数码管。共阴数码管在应用的场合应该将公共极COM端连接到地线GND上。当在某一字段的发光二极管阳极为高电平时，相应字段就会被点亮了。当在某一字段阳极变为低电平时，相应字段就不亮。共阳数码管是指把所有的发光二极管阳极连接在一起所形成的公共阳极COM数码管。共阳数码管在应用的场合应该将公共极COM端接到5V电源上。当在某一字段的发光二极管阴极变为低电平的时侯，相应字段就会被点亮了。当在某一字段阴极变为高电平的时侯，相应字段就不亮。图37电路板共阳数码管334步进电机驱动芯片L297步进马达控制器（英文STEPPERMOTORCONTROLLERS）L297是意大利厂商SGS半导体公司生产的步进电机专用的控制器，它能够产生4相控制信号，可以用于计算机控制两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍等方式来控制步进电机。图38步进电机驱动器L297步进电机驱动芯片内通过PWM斩波器电路可以在开关模式下调节步进电机绕组中绕组的电流。这个芯片的集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术，采用5V的电源电压，全部的信号连接都和TFL/CMOS或者集电极开路的晶体管兼容。L297的芯片引脚非常的紧凑，采用了双列直插20脚塑封封装。在L297的内部方框中。变换器是一个非常重要的组成部分。变换器由一个三倍计算器加上某些组合逻辑电路所组成，能够产生一个基本的八格雷码。由变换器所产生的4个输出信号会送给后面的输出逻辑部分，输出逻辑能够提供禁止和斩波器功能所需要的相序。我们为了获得电动机良好的速度和转矩特性，相序信号是通过2个PWM斩波器来控制。电动波器所包含有比较器、触发器和外部检测电阻，晶片内部的通用振荡器提供斩波频率脉冲。每个斩波器的触发器都是由振荡器的脉冲来调节，当在负载电流提高时检测电阻上的电压相对提高，当电压达到UREF后UREF是根据峰值负载电流而定的，会将触发器重置，从而切断输出，直至第二个振荡脉冲到来。此时线路的输出即触发器Q输出是一恒定速率的PWM信号，L297的CONTROL端输入决定斩波器对相位线A，B，C，D或抑制线INH1和INH2起作用。当CONTROL为高电平的时候，对A，B，C，D都有抑制作用；当CONTROL为低电平时，则对抑制线INH1和INH2有抑制作用，用这个来对电动机和转矩进行控制。图39L297步进电机驱动芯片封装结构L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是最高工作电压可达46V，持续工作电流为2A，瞬间峰值电流可达3A，额定功率25W。L298芯片内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动继电器线圈、直流电动机和步进电动机等感性负载。L298采用标准逻辑电平信号控制。可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。图310L298步进电机驱动芯片封装结构L298是驱动器，L297是控制器，用L298则需要我们自己编写控制脉冲时序，而如果与L297联合起来用只需单纯输入脉冲就可以完成对步进电机的控制了。335步进电机流量阀图310步进电机流量阀样图VG7000系列青铜自动流量阀采用青铜材料铸造，并提供黄铜阀芯及不锈钢阀杆，采用内螺纹连接，阀门由铸铜制成，孔径为DN2550；也可用法兰连接，口径为DN2550；阀门由铸钢制成。阀门配与VA7150或VA3000电子驱动器控制装置，能调节冷、热水的流量。材质及技术数据1阀杆密封件四层V型及O型组合丁晴橡胶密封件，聚四氟乙稀密封套22阀杆不锈钢AISI30233阀芯黄铜44其余零件黄铜55承压16MPA66工作介质水77流体温度109588联接方式BSP平行内螺纹（BS21）99流速特性等百分比1010泄漏量少于KV值的005。34系统电路仿真图图310系统仿真电路图341时钟电路时钟电路可以简单定义如下1产生像时钟一样准确的振荡电路。2任何工作都是按照时间顺序来完成。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。图311时钟电路仿真图XTAL1芯片内部的振荡电路输入端。XTAL2芯片内部的振荡电路输出端。XTAL1和XTAL2都是独立输入和输出的反相放大器，它们都可以被配置为使用石英晶振片内的振荡器，或者是器件直接由外部的时钟电路驱动。利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时的元件（一个石英晶体跟两个电容），内部振荡器就可以产生自激的振荡。一般来说晶振是在1212MHZ之间任意选择的的，甚至可以达到24MHZ或者是更高的频率，但频率如果越高的话功耗也将越大。所以在设计套件中我们采用12MHZ石英晶振。晶振并联两个电容对振荡频率有微小的影响，但是可起到频率微调的作用。如果采用石英的晶振时，电容就可以在2040PF之间做选择（本设计使用30PF）如果采用陶瓷的谐振器件同时，电容就要适当的增大一些，可在3050PF之间。一般选取30PF陶瓷电容就可以。342复位电路图312复位电路仿真图在单片机系统中，复位电路是非常关键的，每当有程序跑飞（运行不正常）或者是死机（停止运行）时，就需要进行复位。MCS5L系列的单片机复位引脚为RST（第9管脚），当出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就会执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就将处于循环的复位状态。复位操作一般有两种基本的形式上电自动复位和开关复位。复位电路包括了这两种复位的操作方式。上电的瞬间，电容两端的电压不能够进行突变，此时的电容负极跟RESET相连，电压将全部加在电阻上，RESET的输入为高，这样芯片被会被复位。然后5V的电源将给电容进行充电操作，电阻上电压将逐渐被减小，最后减小为差不多等于0，芯片就将正常的工作。并联在电容两端为复位的按键，当复位的按键没有按下时电路将实现上电复位的操作，在芯片正常进行工作过后，通过按下复位按键的操作使RST的管脚出现较高的电平用来达到手动复位的目的。一般来说，只需要RST管脚上能保持10MS以上高电平，就可以使单片机有效的复位。实际制作的时候就可以用相同的数量级电阻和电容替代，我们也可以自己计算RC的充电时间或者是在工作的环境下实际测量也行，用以确保单片机复位电路的可靠性。343温度测量电路图312温度采集仿真图使用时将DS18B20的数据DQ与单片机的一位具有三态功能的双向口连接就可以实现数据传输，为保证在有效的时钟周期内提供足够电流，采用外部电源单独供电，在数据线上加一个68K的上拉电阻。344温度显示电路图313温度显示仿真电路在单片机设计中常用的输出显示设备有两种数码管显示和LCD显示。由于本设计所需要显示的内容比较简单，只包括现场温度值、温度限定值的显示，所以系统数据的显示设备我们采用LED数码管显示。设计中采用4位共阳极LED静态显示方式，选用7段显示数码管。显示内容有温度值的百位、十位、个位和符号位。单片机P24、P25、P26和P27引脚分别连接到数码管共阳极端的引脚，作为每个数码管显示的选通。我们用的数码管是共阳数码管从原理图可以看出，实验板中数码管段码A,B,C,D,E,F,G,D,P将分别和单片机P00P07相连，控制数码管中的显示字形；数码管位选通是由4个NPN三极管来控制的，可分别接到单片机P24、P25、P26、P27的端口上，程序中是通过控制P24P27端口输出的电平信号就能够控制数码管显示和关闭操作。比如P24输出为高电平时，三极管T5导通，5V的电源就加到第一个数码管COM端上，第一个数码管就将显示相应数字，显示数字会由单片机额P24P27输出段码来决定；当P24输出为低电平时侯，三极管T5截止，数码管就会不显示，用来实现数码管的位选通的控制。同理，当P25输出高电平时侯，则第二个数码管显示。345按键电路图314按键仿真电路按键是单片机电子设计中最实用也是最常用的输入设备之一。按键之所以能成为最常用的输入设备的原因，主要是因为它其具备了以下的几个优点工作原理简单、操作实用方便、程序编写简单、价格便宜、硬件电路连接简单。当按键也有缺点机械抖动严重、外型不够美观。按键所实现的主要原理是单片机读取按键所相连接的输入/输出（I/O）口的状态来判断按键是否被按下，从而达到系统参数的设置目的。键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据的输入和命令的输入，是一种人工干预的主要手段。独立式按键是一种相互独立的按键。每个按键都单独占用一根输入/输出（I/O）口线，每根输入/输出（I/O）口线的按键工作的状态并不会影响其他的输入/输出（I/O）口线上工作的状态。各个按键开关都需连接上拉电阻，这是为了保证在按键断开的同时，每个输入/输出（I/O）口都有确定高电平。当输入口线内部已有了上拉电阻的时候，外电路的上拉电阻就可以省去了。所以通过检测到的输入线上的电平状态就可以容易的判断出是按键是否被按下。这样的优点是电路配置灵活，软件结构简单。但这样做的缺点是每一个按键都需要占用一根输入/输出（I/O口线，当按键的数量较多时，输入输出（I/O）口就会出现大量被占用浪费、电路的结构也会显得很复杂。所以，这些键盘适用于按键较少或者操作速度比较高的场合。设定温度部分主要是键盘输入部分，此部分主要由四个按键所组成，加热为加温，降温为减温，设置为开始设置温度限定值，开关用于控制系统通断电。当系统启动时，默认设定温度为40，当按下加热时设置水温则增加，按下降温时设置水温则减小，当按下设置时为开始加热，当按下开关时系统通电或断电。此部分按键为常开按钮，当不触发时为断开状态。当按键按下之后与地连接为低电平，单片机读取按键数据为低电平时有效。346步进电机控制电路图315步进电机控制电路步进电机是数字控制电机，步进电机将脉冲信号转化成为角位移，就是给一个脉冲信号，步进电机就转动一个设定的角度，步进电机因此非常适合于单片机的控制。步进电机分类可以分成三类反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。步进电机和其他控制电机的最大区别是，它是通过输入的脉冲信号来进行控制，也就是说电机的总转动角度是由输入的脉冲决定，而电机的转速则是由脉冲信号频率来决定。步进电机的驱动电路是根据控制信号来工作，而控制信号则是由单片机所产生。L297步进电机前驱电路中CONTROL端的输入决定了斩波器对相位线A，B，C，D的作用或者是对抑制线INH1和INH2起作用。当CONTROL为高电平时，对A，B，C，D有抑制作用；当CONTROL为低电平时，则对抑制线INH1和INH2有抑制作用，这样就对电动机和转矩来进行控制。4系统PID控制算法设计PID控制算法是一个闭环的控制算法。所以我们要实现PID控制算法，就必须在硬件上具有闭环控制，也就是要有反馈元件。我们设计所需要控制流量的温度因此需要的反馈元件为温度传感器，将温度结果反馈到控制线路后利用单片机控制步进电机以达到控制热水流量的作用来控制温度。41PID控制基本原理PID控制算法就是比例P、积分I、微分D控制算法。但在大多数情况下并不是必须同时运用这三种算法，也可以说可以只运用PD或者PI算饭,甚至只运行P算法控制也行。我曾经认为闭环控制的一个最简单的想法就只运用P控制，把当前结果反馈回来后，再和目标相减，如果为正的话，就减速，如果为负的话就加速。现在才知道这只是最简单的闭环控制算法。比例PROPORTION、积分INTEGRATION、微分DIFFERENTIATION控制算法各有作用比例算法，反应系统的基本偏差/当前偏差ET。其系数越大，则可以加快调节以此减小误差，但如果比例过大会使系统稳定性下降，甚至可能造成系统的不稳定。积分算法，反应系统累计偏差。其作用是消除系统稳态误差提高无差度，当有误差产生是，积分调节就会进行直到误差为0微分算法，反映系统偏差信号的变化率ETET1。其具有预见性，能够预见偏差变化的趋势，产生超前的控制。也就是说在偏差还没有形成之前，偏差就被微分调节作用消除可，因此微分算法可以改善系统的动态性能。但是微分算法对噪声的干扰有放大作用，加强微分算法会对系统抗干扰造成不利。积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。控制器的P,I,D项选择1比例控制规律（P）采用P控制规律可以快速的克服扰动的影响，比例控制的特点是输出值较快，但不能很好的稳定在一个理想的数值，造成的不良结果是虽然能有效的克服扰动影响，但有会余差出现。所以比例算法适用于控制通道滞后较小、控制要求低、负荷变化小、被控参数允许在一定范围内有余差出现的场合。如水泵房冷、热水池水位控制、油泵房中间油罐油位控制等。2比例积分控制规律PI在实际工程运用中比例积分控制规律是应用最为广泛的一种控制规律。积分能够在比例的基础上消除余差的出现，PI控制适用于控制通道滞后较小、负荷变化小、被控参数不允许有余差出现的场合。如油泵房供油管流量的控制系统；退火窑各个区域温度调节系统等。3比例微分控制规律PD微分算法具有超前的作用。对于具有容量滞后的控制通道来说，引入微分算法参与控制在微分项设置得当的情况下，可以明显的提高系统的动态性能指标。所以对于那些控制通道的时间常数或者是容量滞后较大的系统，为了提高系统的稳定性减小动态偏差，我们可以选用比例微分控制规律。如加热型温度控制、成分控制。在这里需要说明一点的是，对于那些纯滞后较大区域，微分项也是无能为力的。而且在测量信号有噪声或者是有周期性振动的系统你，也不宜采用比例微分控制。4比例积分微分控制规律PIDPID控制规律是一种理想的控制规律，它在比例算法的基础上引入积分算法，这样可以消除余差的出现，然后再加入可微分算法，又提高系统的稳定性。这样使得它适用于控制通道时间常数或者用于容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。对于D规律的作用，我们还要了解时间滞后的概念。时间滞后包括容量滞后与纯滞后。其中容量滞后通常又包括测量滞后和传送滞后。测量滞后就是检测元件在检测的时候需要建立平衡，比如热电偶、压力、热电阻等响应较慢所产生的一种滞后。传送滞后是在变送器、传感器和执行机构等设备产生的一种控制滞后。纯滞后是相对于测量滞后的一种滞后。在工业领域，大多的纯滞后是由于物料传输所致。因此控制规律的选用是要根据过程的特性和工艺的要求来选取，决对不是简单的说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能，所以就不分场合都采用PID控制，这是不明智的选择。如果这样做的话只会增加工作的复杂性，并给参数整定带来困难。当采用PID控制器还不能达到工艺要求时，我们就需要考虑其它的控制方案。如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。比例（P）控制器公式TUTEKP（41）比例积分（PI）控制器公式TIPDETTTK01U（42）比例积分微分（PID）控制器公式1U0DTEETTTDIP（43）其中微分时间。积分时间；比例放大系数；TKDIP42设计PID算法当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如去驱动步进电动机）时，需要用PID的增量算法。位置试PID控制算法的传递函数为10NEKENEUNDIP（44）其中TKDPDIPI（45）增量式PID控制算法可以通过（45）式推导出。由45可以得到控制器的第K1个采样时刻的输出值为TTEKDKJJI21101KP1KEU（46）将（45）和（46相减后整理可得增量PID控制算法公式为（47）CEBAETKKTKUKKDPPIPKKKIKPKK2111DD2111其中TCBTKDPDIP1由（47）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由（47）求出控制量。43确定PID算法控制的输入量和输出量本设计中采用增量式PID算法控制太阳能热水器温度，首先我们要确定其温度范围和PID算法控制指标。知道PID系统中比例系数，积分时间，微分KP时间和采样周期，以及温度测量值后通过计算可得出TD2,1,NCC增量输出NU44模拟PID算法控制对于简单系统，可以采用理论计算的方法确定这些参数，但是稍微复杂一些的系统，采用理论计算的方法就困难了。因此几乎都是用工程的方法对参数进行整定。调节器参数的整定是一项繁琐而又费时的工作，因此，近年来国内外在数字PID调节器参数的工程整定方面做了大量的研究工作，归一参数的整定法是一种简易的整定法。图41增量型PID算法流程图5系统程序设计根据系统功能，我们可以将系统设计分为许多个子程序来进行编写和设计，按功能可分为温度采集程序，显示程序、数据处理程序、PID控制程序。采用KEILUVISION3集成编译环境和C语言来进行系统软件的程序编写。从设计思路、软件系统框图开始，说明系统整体的流程，再逐一分析各模块程序算法的设计，最终完成出所需的程序。51系统原理图图51系统软件程序原理图52系统整体流程图在系统软件中，主程序完成系统初始化和单片机的导通和关断；水温测定、键盘输入、时间确定和显示、控制算法等都由子程序来完成；中断服务程序实现测温。图52系统软件程序流程图53按键程序流程图此部分按键为常开按钮，当不触发时为断开状态。