2010省赛水温控制系统设计报告

1、水温控制系统设计报告摘要：为了实现水温控制系统的设计要求，通过对各模块电路方案的比较及论证，最后确定了这种以STC89C52单片机为核心的硬件电路，选用DS18B20温度传感器测量水温，该传感器分辨温度可达0.0625，750ms数字转换，采用单总线连接，测量精度高，转换时间快，就有极强抗干扰纠错能力，在加上PID算法的精确控制，其精度足以满足题目要求。显示模块采用12864点阵液晶，并行接口，编程容易，美观大方，可实现水温及其随时间变化的实时曲线的显示功能。除单片机可实现的恒值自动控制外，该系统还可通过键盘设定水温，在短时间内迅速加热或制冷。本系统实现了对一升水的温度控制，即在1070量程范

2、围内对每一点温度的自动控制以保持设定的温度基本不变。关键词：STC89C52单片机、DS18B20温度传感器、128*64液晶、PID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系统的设计。该家用自动控制水温系统能及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并查看温度变化曲线。，一、方案设计与论证 1.1题目解析 根据题目的具体要求，经过阅读思考，可对题目

3、的具体任务、功能、技术指等作出如下分析。1.1.1任务和功能实际上题目的任务就是要设计一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，系统的功能是温度测量和控温：在测量部分，要求测量1070C的温度范围，还规定了测量的精度需高于0.5C，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。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，用液晶屏显示水温随时间变化的实时曲线。1.1.2主要性能指标(1) 测温范围：1070C；(2) 测温精度：基础部分为0.5C，发挥部分为0.2C；（3）保温精度：基础部分为4C，发挥部分为2C；（4）显示：液晶显示当

4、前温度和设定温度，并可画出温度的实时曲线。1.2各种方案比较与选择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：控制电路模块、测温电路模块、键盘输入与液晶显示模块、功率模块。 1.2.1控制器模块方案一：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

5、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。 对于单片机的型号有如下两个方案：方案一：采用凌阳公司的SPCE061A 单片机作为控制器的方案。该单片机I/O资源丰富，并集成了语音功能。芯片内置JTAG电路，故价格较高，相对性价比较低，且需要一定基础。方案二：采用STC89C52单片机实现系统中数据采集及处理，它是MCS-51系列单片机的派生产品，在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051兼容均为Pin-to-Pin，使用

6、时容易掌握。STC89C52运行高速(最高时钟频率90 MHz)、低功耗、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强，在系统/在应用可编程(ISP，IAP)，不占用户资源。本系统利用了STC89C52单片机的1个中断，2个定时器以及P0P3 4个端口。采用外部11.059 2 MHz晶振，并使用30 pF的电容接地，以提高系统的稳定性和可靠性。将两个方案一比较便可得出一个结论，采用STC89C52单片机来实现本题目，电路简单，成本较低，经实验运行证明工作可靠，所以最后决定用STC89C52作为该控制系统的核心。1.2.2 标准温度测量模块水温控制系统是一个过程控制系统，在设计的过程中，必须明确它的组

7、成部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元，其框图如图2所示。图2 过程控制组成框图由图可知，在这个系统的设计中，主要设计如图几个部分。除此之外，根据题目要求，还要选取合适的控制算法来达到系统参数的要求。对于执行器件、测量变送元件将在部分电路设计中有说明。在这个部分我主要是对控制器的确定和控制算法的选择作一个详细的介绍。因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣，所以这是一项不容怱视的工作。方案一：采用pt100或pt1000，但使用时往往有可能因为某些原因导致整体系统不能达到pt100或pt1000自身所能实现的精度

8、，且需配套使用AD7705 A/D转换器，大大增加了复杂性和成本。况且在应用时，调理过程相当的复杂。价格比较贵。方案二：采用DS18B20，该传感器测温范围为-55-+125，12位可编程测量分辨率为0.0625,在1070的绝对精度也大多满足0.5。最重要的是，18B20传输方式为数字式，采用单总线专用技术，非常节约I/O口。既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），适配各种单片机或系统机，内含寄生电源，这大大降低了操作和编程的难度。相对于Pt00或Pt000，DS18B20的价格低廉。1.2.3 键盘与液晶显示模

9、块键盘功能：选择被标定和分析的传感器；设置温度范围；选择要查看的对象，综合这些要求，本系统采用六个独立小按键，分别用作模式选择、设置选择、温度加、温度减、显示曲线和保持温度。液晶显示部分方案一：采用液晶1602显示温度，1602可以显示温度数值和ASCII码，但无法显示汉字且其两行中间有间断，不适合显示温度随时间变化的曲线显示测量温度值。方案二：采用12864液晶显示器。12864是一种内置8 192个1616点汉字库和128个字符（816）及64256点阵显示RAM(GDRAM)的图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器、列驱动器及12864全点阵液晶显示屏组成,含有2 MB ROM提供的8 1

10、92个汉字和16 KB ROM提供的128个字符,可完成图形显示,也可以显示汉字。12864液晶显示器能识别18条指令，分别实现光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等多种功能。与微处理器的连接方式有并口和串口两种。并口相对于串口虽然用了较多的I/O口，但是数据传输速度快得多。1.2.4电源模块方案一：市场上成品电源，优点电流大，电流稳定，缺点重量太沉，价格太高。方案二：经变压器变压，整流，滤波，稳压后输出，节省资金，方便简单。最终方案的选择经过上述各个模块的分别讨论，本着简单、实用的原则，综合考虑硬件构成、软件编程的复杂程度以及价格和题目所要求的精确度等因素，最后决定选用了一个比较典型的硬

11、件方案：采用STC89C52芯片测温电路选用DS18B20集成数组测温电路显示方式采用12864液晶键盘采用6个独立按键电源则采用经变压器变压，整流，滤波输出的两组12V。电源则采用经变压器变压，整流，滤波，稳压后输出的一组5V电源来完成该选题。二系统的硬件设计2.1 系统的整体设计： 系统的设计思想：本系统STC89C52单片机为核心，采用温度传感器DS18B20，MAX232芯片及PID算法实现了对温度的精确控制。系统框图如图2-1实现对范围、温度值的设定，执行、显示实时温度2.2 CPU 本系统采用stc89c52芯片作为核心部件，stc89c52有32个IO口，用来实现水温控制资源足够

12、使用。2.3 键盘设置电路 IO口P1.0接S0, P1.1接S1, P1.2接S3, P1.3接S3, P1.4接S4, P1.5接S5.P1.0口控制-加温P1.1口控制-减温P1.3口控制-加温减温换挡P1.4口控制-画温度曲线P1.2口控制-保持温度到设定值P1.5口控制-返回主菜单2.4 数码显示电路 通过外接12864来实现显示的功能。2.5 加热器和冷却片的控制电路 。通过三极管控制继电器的开关，来控制加热器和冷却片。2.6 测温部分电路 温度传感器使用DS18B20电阻，电路部分非常简单。2.7 串行通讯部分电路 三、软件设计 3.1PID控制的实现 PID简介： PID（Pr

13、oportional Integral Derivative）控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。它不仅适用于数学模型已知的控制系统中，而且对于大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。 PID工作基理：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断的进行。若扰动出现使得现场控制对象值(以下简称被控参数)发生变化，现场检测元件就会将这种变化采集后经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值(以下简称SP值)进行比较得到偏差值(以下简称e

14、值)，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值(SP值)，以达到控制目的 ，如图 6.6所示，其实PID的实质就是对偏差（e值）进行比例、积分、微分运算，根据运算结果控制执行部件的过程。 图 6.6模拟PID控制系统原理图 PID控制器的控制规律可以描述为： 比例（P）控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分（I）控制的作用是：只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够

15、的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分（D）控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。根据不同的被控对象的控制特性，又可以分为P、PI、PD、PID等不同的控制模型。 数字PID的实现： 在连续-时间控制系统（模拟PID控制系统）中，PID控制器应用得非常广泛。其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。随着计算机的快速发展，人们将计算机引入到PID控制领域，也就出现了数字式PID控制。 由

16、于计算机基于采样控制理论，计算方法也不能沿袭传统的模拟PID控制算法（如公式6.1所示），所以必须将控制模型离散化，离散化的方法：以T为采样周期，k为采样序号，用求和的形式代替积分，用增量的形式（求差）代替微分，这样可以将连续的PID计算公式离散： 这样就可以让计算机或者单片机通过采样的方式实现PID控制，具体的PID控制又分为位置式PID控制和增量式PID控制，公式6.4给出了控制量的全部大小，所以称之为全量式或者位置式控制；如果计算机只对相邻的两次作计算，只考虑在前一次基础上，计算机输出量的大小变化，而不是全部输出信息的计算，这种控制叫做增量式PID控制算法，其实质就是求的大小，而k=k-

17、(k-1)；所以将式6.4做自减变换有： 3.2 温度控制PID算法设计 本设计利用了上面所介绍的位置式PID算法，将温度传感器采样输入作为当前输入，然后与设定值进行相减得偏差，然后再对之进行PID运算产生输出结果fOut，然后让fOut控制定时器的时间进而控制加热器。为了方便PID运算，首先建立一个PID的结构体数据类型，该数据类型用于保存PID运算所需要的P、I、D系数，以及设定值，历史误差的累加和等信息： ketypedef struct PID float SetPoint; / 设定目标 Desired Value float Proportion; / 比例系数 Proportio

18、nal Const float Integral; / 积分系数 Integral Const float Derivative; / 微分系数 Derivative Const int LastError; / 上次偏差 int SumError; / 历史误差累计值 PID; PID stPID; / 定义一个stPID变量 下面是PID运算的算法程序，通过PID运算返回fOut，fOut的值决定是否加热，加热时间是多少。 PID运算的C实现代码： float PIDCalc( PID *pp, int NextPoint ) int dError,Error; Error = pp-Se

19、tPoint*10 NextPoint; / 偏差，设定值减去当前采样值 pp-SumError += Error; / 积分，历史偏差累加 dError = Errorpp-LastError; / 当前微分，偏差相减 pp-PrevError = pp-LastError; / 保存 pp-LastError = Error; return (pp-Proportion * Error / 比例项 + pp-Integral * pp-SumError / 积分项 pp-Derivative * dError / 微分项 ); 在实际运算时，由于水具有很大的热惯性，而且PID运算中的I（积

20、分项）具有非常明显的延迟效应所以不能保留，我们必须把积分项去掉，相反D（微分项）则有很强的预见性，能够加快反应速度，抑制超调量，所以积分作用应该适当加强才能达到较佳的控制效果，系统最终选择PD控制方案，下面C代码所示为PD控制的实现过程： float PIDCalc( PID *pp, int NextPoint ) int dError,Error; Error = pp-SetPoint*10 NextPoint; / 偏差，设定值减去当前采样值 dError = Errorpp-LastError; / 当前微分，偏差相减 pp-PrevError = pp-LastError; / 保

21、存 pp-LastError = Error; return (pp-Proportion * Error / 比例项 pp-Derivative * dError / 微分项 ); 3.3程序结构图 主程序流程图 按键控制流程1 加温，减温，换挡键2保持温度到设定值3画温度曲线4系统的测试 系统的调试是以程序为主，硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，然后用万用表检测或通电检测，软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验。然后分别进行主函数、温度的采集与识别函数、LED显示函数、键盘扫描函数、加热控制函数等程序的编程与调试。由于DS18B20与单片机采用串行数据传送，因此，对D

22、S18B20进行读/写编程时必须严格地保证读/写时序，否则将无法读取测量结果。本程序采用单片机C言编写，用KEIL集成开发环境进行编程调试。软件调试目标为：能示当前温度值和设定温度，按键动作能够被反映到显示器上以及被执行。控制模块的调试：单片机的P口置低电位时，电磁继电器的动点与常开触点接触。此时，相应的直流电源与制冷片形成闭合回路，相应的交流电源与加热丝构成闭合回路。听得到电磁继电器触片切换的声音，看到电路中所串联的发光二极管发光，说明控制模块可以正常工作。 4.1温度测量模块的调试：关键是DS18B20的测量精度、单片机的采样时间以及显示温度和实际温度的校准。DS18B20的精度：DS18

23、B20的准确度为0.5，最小分辨率为0.0625。DS18B20内部的RAM包含有结构存储器使用字节，其内容用于确定温度值的数字转换分辨率，其字节的各位是 TMR1R011111 R1和R0位是用来设置分辨率的。R1R0分辨率最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms由上表表可知，在R1和R0位设置不同的数可以保证DS18B20有不同的分辨率。4.2继电器测试 测触点电阻用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出那个是常闭触点，那个是常开触点。 测线圈电阻可用万能表R10档测量

24、继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开路现象。 测量吸合电压和吸合电流找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。慢慢调高电源电压，听到继电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流。为求准确，可以试多几次而求平均值。 测量释放电压和释放电流也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。一般情况下，继电器的释放电压约在吸合电压的1050，如果释放电压太小（小于1/10的吸合电压），则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。

25、 4.3PID参数整定控制系统的控制质量与被控制对象的特性、干扰信号的形式和幅值、控制方案及控制器的参数等因素有着密切的关系。对象的特性和干扰情况是受工艺操作和设备的特性限制的，不可能随意改变，这样，一旦控制方案确定了，对象各个通道的特性就成定局，这时控制系统的控制质量就只取决于控制器的参数。因此，参数的整定是过程控制系统设计的核心内容。所谓控制器的参数整定，就是通过一定的方法和步骤，确定系统处于最佳过渡过程时控制器的比例度、积分时间 和微分时间的具体数值。所谓最佳过渡过程，就是在某质量指标下，系统达到最佳调整状态，此时的控制器参数就是所谓的最佳整定参数。在简单过程控制系统中，调节器参数整定通

26、常以系统瞬态响应的衰减率=0.750.9(对应衰减比为4：110：1)为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量（对于大多数过程控制系统来说，系统过渡过程的瞬态响应曲线达到4：1的衰减比状态时，则为最佳的过程曲线）。此外，在满足主要指标的条件下，还应尽量满足系统的稳态误差（又称静差、余差）、最大动态偏差（超调）和过渡过程时间等其它指标。由于不同的过程控制系统对控制品质的要求有不同的侧重点，也有用系统响应的平方误差积分（ISE）、绝对误差积分（IAE）、时间乘以绝对误差的积分（ITAE）分别取极小作为指标来整定调节器参数的。调节器参数整定的方法很多，概括起来可以分为两大类：一是理论计算整定法。它主

27、要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法，频率特性法等，经过理论计算确定调节器参数的数值。二是工程整定方法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制系统的实验中进行，且方法简单、易于掌握。由于本系统有别于工业实际系统因此对于参数整定来说，使用工程参数整定法效果不是很好，该系统参数整定采用经验凑试法。经验凑试法是通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致辞影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID调节参数。增大比例系数，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间，有利

28、于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。增大微分时间，亦有利于加快系统响应，使用权超调减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述比例、后积分、再微分的整定步骤： 整定比例部分将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只需用比例调节器即可，比例系数可由此确定。 加入积分环节如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首先置积分时间为一较大值，并将经第一步整定

29、得到的比例系数略微缩小（如缩小为原来的0.8倍），然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与保持时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。 加入微分环节若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间为零。在第二步整定的基础上，增大，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。所谓“满意”的调节效果，是随不同的对象和控制要求而异的。此外PID调节器的参数对控制质量的影响不十分敏感，因而在整定中参数的先定并不是唯

30、一的。事实上，在比例、积分、微分三部分产生的控制作用中，某部分的减小往往可由其它部分的增大来补偿。因此，用不同的整定参数完全有可能得到同样的控制效果。从应用的角度看，中要被控过程主要指标已达到设计要求，那么即可选定相应的调节器参为有效的控制参数。4.4 测试结果及其分析 测试环境：室温： 测试器件：量程为050摄氏度的温度计 4.4.1 控温模型曲线如下图所示 图中T为系统温度，a为设定温度。控温过程分三个阶段进行：快速加热、温度调节和恒温保持。其中第一阶段只有快速升温过程，后两阶段均由升温和降温过程即温度调节过程组成。根据设计需要对各阶段如下：在快速加热阶段即在温度达到Tr之前，加热速度要快

31、，使系统温度在尽量短的时间内达到温度a。在达到a使就停止加热，之后由于热惯性，系统温度继续升高，使得系统温度超过a达到最高点A点。在温度调节阶段，以T1、T2为分界点，降温与升温过程重复出现。进入恒温维持阶段，要求系统温度T能稳定在设定温度Ta附近并保持足够的时间。曲线上A、B、C为极大值点，D、E、F为极小值点，他们的绝对值随时间增加都在减小，进入恒温维持阶段阶段后在误差允许的范围内趋于稳定。模型曲线中控制参量的确定：模型曲线中的控制参量值是在反复多次试验的基础上确定的。在模型曲线中，a是预设的温度值，Tr 和T2是系统停止加热的起始点，T1是系统开始加热的起始点. T1=a -T1=2,T

32、2= T2-a=-2是系统加热和调节过程中的两个门限值。在快速加热的过程中，当系统的温度第一次达到预置的某个阶段的设定温度即达到Tr时，系统就立刻停止加热。之后系统由于热惯性会继续升温到最大值A点，尔后开始降温；在降温过程中，T达到T1点即T-a =2时，系统开始预加热，即缓冲缓冲系统的温度下降的幅度；在升温过程中，当达到T2时即T-a =-2时，停止加热，防止由于热惯性导致的温度极大值过大。由此可见，Tr、T1 和T2点的温度值是软件设计过程中需要考虑的重要参量。显示温度和实际温度的校准： 水银温度的最小刻度为0.1，我们可以利用水银温度计的读书来校准液晶显示器12864所显示的温度值。实验

33、测量所得的数据如下表 实际温度/显示温度/偏差/24.323.50.225.325.3029.129.00.132.432.30.135.335.3044.144.00.155.455.30.1由上表可以发现显示温度始终比实际温度相差不大，符合题目要求。4.4.2 加热、冷却功能的测试：4.4.3 题目要求在规定的时间内将1L水加热或冷却倒一定的温度。如果在所要求的时间内不能完成加热或制冷任务，就应该考虑用加热功率更大的加热器或用制冷功率更大的制冷片。实验测得的数据如下起始温度/终末温度/所用时间/S23.130.06830.035.02535.044.05550.070.09540.035.

34、014535.030.024430.025321由上表可以看出，本方案所采用加热工作正常，但是制冷装置功率过低，冷却速度很慢。 误差分析在加热的过程中，在某个时刻温度计的示数与液晶显示器的示数之间的误差，其测量结果如下表所示温度计示数/液晶示数/动态误差/34.035.12.141.342.10.844.245.31.147.449.11.755.256.21.0分析：温度计的摆放位置和温度传感器的摆放位置不同，导致它们的误差大。当水温趋于设定值时，液晶显示的温度与设定的温度之间的误差，在设定的温度32.0时，测得的温度值为下表所示 31.131.932.232.732.231.95.结论 在本系统的设计当中，硬件电路并不是很复杂，但开关电源电路需要很大负载电流的设计上，花了一些功夫。软件的设计稍微难点，在PID参数的设定上需要注意。本设计的任务是设计一种水温控制系统，究其实质是一个嵌入式应用软件的开发。通过了解现阶段各个领域中温度控制系统的应用方案以及使用场合，国内外嵌入式发展的现状，对比各种嵌入式处理器的性