水温控制系统报告

《水温控制系统》课程设计目的意义对水温控制系统有一个较系统，较细微的理解。通过单片机控制，主要是对PID算法有更深的认识，对整个系统能够有效控制，尽力达到理想的结果。在对水温控制系统更精确的了解下，分析误差来源，对PID算法做一些修改，进一步完善系统。课程设计题目描述和要求设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为定量的水。水温可以在一定范围内有人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，保持水温温度基本不变。温度设定范围是30-50oC，最小区分度为0.5oC，标定温度小于等于1oC；环境温度降低温度控制系统的静态误差小于或等于1oC；能够使用上位机设定水温，并用LCD显示水温值。3.课程设计报告内容3.1实验任务分解本实验主要由以下几部分构成：温度传感电路加热执行机构PID控制算法及程序设计误差分析与定标仿真与上位机绘制温度变化曲线3.2温度传感器选取设计方案论证3.2.1方案一由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。3.2.2方案二进而考虑到用数字温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用数字传感器，所以这是非常容易想到的，可以采用温度传感器DS18B20，此传感器可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。笔者在实验初期查阅了大量的温度传感器资料。比如AD7818，LM92，DS1620,MAX1619等，它们的对比如表3-1。表3-1温度传感器对比从表中容易看出，数字温度传感器的传输方式均采用串行总线方式，封装各不相同，误差基本相同。而本实验最关心的指标是分辨率和转换时间，分辨率决定了测温的精度而转换时间决定了最小采样周期。可以看到DS18B20无论是封装方式还是转换时间都占据很大优势，又由于笔者在设计期间看到了一种金属外壳封装的专为水温测温设计的DS18B20传感器，所以决定就选取这种传感器作为测温装置。如图3-1。图3-1DS18B20防水探头从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，硬件电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。3.3DS18B20温度传感器电路的设计3.3.1DS18B20简介DS18B20主要有以下特点：单线接口：DS18B20与单片机连接时仅需一根I/O口线即可实现单片机与DS18B20之间的双向通信。实际使用中不需要任何外围元件。可用数据线供电，电压范围3.0-5.5V。测温范围-55-+125QC。可编程实现9-12位的数字读数方式。用户可设定的非易失性（掉电不丢失）的温度上下线报警值。支持多点组网功能，多个DS18B20可并联在唯一的三总线上，实现多点温度测量。

负压特性：电源极性接反时不会烧坏DS18B20,但是也不能正常工作DS18B20的外形级封装如图3-2，引脚说明:VDD电源引脚，电压范围3.0-5.5V。GND接地引脚。DQ数据引脚，传递数据的输入和输出。该引脚常态下为开漏输出，输出高电平。NC匚NC匚Vdd匚DQCDALLASNC匚NC匚Vdd匚DQCDALLAS234以pm150-milSOtC

(DS1SB20Z)[BOTTOMVIEW)图3-2DS18B20的外形级封装3.3.2DS18B20的内部结构DS18B20的内部结构如图3-3。DS18B20的内部结构主要有64位ROM、温度灵敏元件、内部存储器和配置寄存器四部分组成。图3-3DS18B20的内部结构64位ROM：64位ROM的内容是64位序列号，是出厂前用激光刻好的。它可以用作该DS18B20的地址序列码。每一个DS18B20的64位ROM都不同，这样就可以实现一根总线上挂多个DS18B20的目的。这64位ROM的排列是：开始8位是产品类型号，接着的48位是该DS18B20的自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余(CRC，CRC=X8+X5+X4+1)校验码。温度灵敏元件：温度灵敏元件完成对温度的测量，测量后的结果存储在两个8位的寄存器中，这两个寄存器定义如图3-4。温度寄存器高字节的高5位是符号位，温度为负时这5位为1；温度为正时，这5位为0。高字节寄存器的低3位与低字节寄存器的高4位组成温度的整数部分，低字节寄存器的低4位是温度的小数部分。当温度大于0时，温度值以原码存放。而当温度小于0时，以二进制补码形式存放。当转换位数为12位时，温度的精度为1/16(4位小数位，所以为16)=0.0625度。同理，当转换位数为11位时，精度为1/8=0.125度。对于温度的计算，以12位转换位数为例：对于正的温度，只要将测到的数值的整数部分取出，转换为10进制，再将小数部分乘以0.0625就可以得到10进制的小数位的温度值了。而对于负的温度，则需要将采集到的数值取反加1，即可得到实际温度的16进制表示。再按照正温度的计算方法就可以得出10进制的负的温度了。hil。bit6bit?billbnJbit2billbitOF2]2°2-]2-22】2耳bit15bit14bit13bill2bit1bit10tiii9bit^SSSSS2*

图3-4DS18B20温度寄存器格式图3-5所示是在12位转换位数情况下的温度转换值和温度对照表TEAIPLKAILREDIGITALOUTPUT(Binary)DIGITALOCTPUT〔Hz)OCOOOll]IiOl0000107D0h—-85°C*一0000010]0I0I0000r0S50hWOO0001LOOI0001019th+10.125°C(WOO0000LOIOOOWOOAJh00000000o&oomooOOOShcrc0000000005000000OOOOhLLII1111till1000FFFSh-1OJ25DC11111111010111WFF5Eh-25.0625aC1111H100110LH1FE&Fh11111LOO10010000FC90h图3-512位转换位数的温度转换值和温度对照表图3-6所示是在不同转换位数情况下和转换时间的对照表R1K0Re§n【utinnMaxConversionlimeQ09-bit93.75ms(tcoxv/S)01LO^bit187.5ms(EM10L1-bit375ins(Bow1ri12-bit750mi(tcoxv)图3-6温度值转换位数设置表3.3.3外部电路和连接DS18B20与单片机的连接如图3-6所示，由于DS18B20的数据线要求空闲状态为高电平，所以我在DS18B20的数据线与电源线VCC之间加了一个4.7K的上拉电阻，如果不想接上拉电阻的话，可以使能PA0口的内部上拉功能。从图中可以看出，本例使用的是给DS18B20外接电源的方式。DS18B20的数据线DQ连到单片机的PA0口。单片机通过控制PA0口实现对DS18B20的操作。3.4加热控制执行机构的设计3.4.1水杯与加热器为使加热时间较短，并且能够确定每次加热的水量，笔者选择了一个透明的塑料杯作为容器。由于加热水量较少，因此选择了一个功率较小的加热棒，为220V-200W。如图3-7。3.4.2加热控制机构设计初期为了使控制的执行机构简单，选择了继电器作为控制机构，后来了解到还可以使用可控硅作为控制机构。控制由继电器的通断控制加热棒的开关。继电器JQC-T73由直流电压控制线圈端子，触点最大可承受250V交流电或30V直流电。继电器JQC-T73的结构图与工作状态表如图3-8。&COILDATACHART〔AT20°C)CoilSensitivi^CoilVoltageGodeNominalVollagefVDC)NominalCurrent(mA)CoilResislance(Si)=10%PowerConsumptionmPull-InVoltage(VDC)Drop-OutVoltage(VDC)Vo■由殷(VDC)SAD[HighSensitivity)030312025abt.0.36W75%Max.10%Min.120^050571.4700606SO1D0090940225121230400242415160048487.564005FID(Standard)030315G£0BbL0.45W75%Max.10%Mn.110%050539.355060675B0□909501B0121237.532024241874848104500abt.0.51W图3-8继电器T73描述实验初期，笔者选择了两种继电器进行试验，一种是5V〜220V,一种是12V〜220V继电器。后来在考虑发光二极管的压降时，选择了12V继电器。可以看到，无论哪种继电器，吸起电压都是最大电压的75%。也就是说12V继电器需要9V就可以吸起，而5V的需要3.75V才吸起。如果电路中接入了一个发光二极管，便引入了1.6V的压降，那么5V继电器是不会工作的。由于继电器本身是电感的模型，所以同时确定它两端的电压和电流有些困难，所以可以直接假设它两端的电压，然后计算电路其他部分的参数。3.4.3电路保护加热棒使用的是220V交流电，需要特别注意电路的保护，以保障实验人员的人身安全与电路本身的用电安全。在实验板正面要有提示，背面220V电路部分要有绝缘保护。保险丝：保险丝的选择与电路的工作电流有关，与电压值无关。一般限流值选取为电路工作电流的2倍，电机类负载为工作电流的3倍，总之略高于电路工作电流。由于加热棒是220V200W的，电流约为1A,所以这次选的是2.5A的保险丝。导线：导线的最大耐流值与它的横截面积有关，与导线材料有关。按照网上的资料，1平方毫米的导线耐流值约为3〜5A。所以选用0.3的单股线没有问题。加热控制机构如图3-9。3.4.4加热控制电路由于继电器T73(12V)的正常工作电流值为37.5mA，而单片机的IO口输出驱动电流一般较小(AVR单片机IO口输出驱动电流小于20mA)，所以需要加入前级放大电路，以提高输出电流，使继电器能够正常工作。加热控制电路如图3-10。前级放大选择的是三极管S8050D，并使之工作在饱和区。电阻R8和R9共同设置输入电流",发光二极管D1作为加热指示灯，电阻R7作为保护电阻，反向二极管IN4148使得继电器线圈失电时能够迅速泻放电感内的电流，对三极管起保护作用。三极管S8050D的放大区特性曲线如图3-11，三极管S8050D的饱和区特性曲线如图3-12和图3-12和图3-13。图3-11S8050D放大区特性曲线P3SAD5DDo'fe-10.(1)P3SAD5DDo'fe-10.(1)毫550°€：.(2>5=25^.⑶wgPSSBOSDDWe-1Q・U)Tthj=-55°C.淄7^=25^.{3>S-IM^C.Fig.10ColFig.10Collector-emittersaturatiorvoltageasaftinctjanofcollectorcurrent;typicalvalues.Fig.11Base-emlrtersaturationvoltageqsafunctionofcollectorcurrent;typicalvalues.图3-12S8050D饱和区特性曲线PSSS050D1(71Q-1C.IllPSSS050D1(71Q-1C.Ill1^4.=150%：.12}=25flC.{!>一m=-5S叱•PSS^MD(1)B-55mA.(2JB-49.5(3)e=44mA.网)lb=3&.&mA.(5)1日-33mA.(fi)Ib=27.5mA.(7)Ie=22mA.IS)lg=16.5mA.I切lB=11mA.(1D)IE=55mA.Fig.12Equivalenton-resistanceasafunctionof

collectorcurrent,typicalvalues.Fig.13Collectorcurrentasafundicnofcullector-eminervoltage:typicalvalues.图3-13S8050D饱和区特性曲线(左)由三极管工作在饱和状态和S8050D参数可知，L=0.15V。发光二极管导通电压1.6V,有I/R7+J+RD)=12-0.154.61025V。并可以假设继电器两端电压不低于9V。故有最大值、=VR7/R7=(12-940.1541.6)/51=24mA。可以算得此时继电器等效电阻约为300Q，LED等效电阻约为65。。基极端有I=~匕.)-匕e，且V=0.7V，故I=°°.7)—°.7=0.59^A。TOC\o"1-5"\h\zBERRBEbe6.2K6.8K89又由S8050D(25CC)在放大区p=200，可知&I^=118mA>/恁，集电极实际电流小于最大允许集电极电流，因此三极管工作在饱和区。三极管在饱和区其管压降V较小，且R仅为几欧，可以忽略不计。CECE3.5整体电路设计整体电路原理图如图3-14。

C6niuf-COM-22()VMAX232-OPENSW-PBSW-PBSW-PBIN4148DIODEF(T73)12VY-SPDT1-COM-22()V2-OPENIh.5C6niuf-COM-22()VMAX232-OPENSW-PBSW-PBSW-PBIN4148DIODEF(T73)12VY-SPDT1-COM-22()V2-OPENIh.5TA83RXD72TXDJ+2ACPE(16)UC1+VCCV+GNDC1-T1OUTC2+R1INC2-R1OUTV-T1INT2OUTT2INR2INR2OUTTXD_7_RXD~3-OFF-NC1N4148DIODEXTAL1XTAL2SDO1X1RSTGNDGNDSCKGNDQ1PB0PA0PB1PA1PB2PA2PB3PA3PB4PA4PB5PA5PB6PA6PB7PA7RESETAREFVCCGNDGNDAVCCXTAL2PC7XTAL1PC6PD0PC5PD1PC4PD2PC3PD3PC2PD4PC1PD5PC0PD6PD/ATMEGA16PD216PD3~V7_31__I16301529VCC142813271226112510249238227PA4R86.2KR916.8K—CONVCC+12V12GNDH—1电路图中，除了上面所说的DS18B20的接口电路和加热控制执行机构外，还有主控单片机ATMega16、串口模块、USB-ISP下载模块、11.0592MHz的晶振模块、单片机复位模块、LCD1602显示模块以及外部中断模块。三个外部中断可以实现在板控制水温加热温度，从而脱开上位机的需求。其它模块在此就不赘述其功能了。3.6系统软件算法分析系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。3.6.1主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图3-15所示。

图3-15主程序流程图图3-16图3-15主程序流程图图3-16读温度流程图读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时不进行CRC校验。其程序流程图如图3-16示。3.6.3温度转换命令子程序温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图3-17所示。

图3-17温度转换流程图3.6.4计算温度子程序计算温度子程序将RAM中读取的值MSB和LSB进行BCD码的转换运算。进行温度值正负的判定，将LSB的高四位与MSB的低四位合并到一个字节中作为整数信息；将LSB的低4位作为小数信息，计算小数位十分位的值，并将百分位、千分位和万分位的值舍去。因此，温度值精度为0.1W。温度读出值示例如图3-18。Temperature/DataRelationshipsTable22-21耳MSbIwnt=°C)LSbSssS2,—TEMPERATUREDIGITALOT：TPLT(Binary)DIGITALOUTPUT(H闵+L25eCGOOD01111101000007D0h-s^°c00000101010100000550V+25.0625°C0000000110010001019Lh-10.125^0000000010100010OOA2h十0甘。0000000000001000OOOSh0。。GOOD000000000000OOOOh-0.5DC1111Llll1111L000FFFSli^LO.125°C1111LIU0101L1WFb5Eh-25.0625°C1111111001101111FF6Fh-55°C1111110010010000F(?90h*Thepo^eron廿legi^rervalueis-S5CC图3-18温度读出值示例ucharFLASHXiaoShu口=(0,0,1,1,2,3,3,4,5,5,6,6,7,8,8,9};小数位计算与下面的查表法相类似，只不过是只显示了一位小数。a[0]=a[0]&0x0f;//小数部分共十六个状态，采用查表switch(a[0])//floatD[3]十分位/d[4]百分位千分位/d[6]万分位/d[5]□{case0x00:d[3]=d[4]=d[5]=d[6]=0x00;break;case0x01:d[3]=0x00;d[4]=0x06;d[5]=0x02;d[6]=0x05;break;//.0625case0x02:d[3]=0x01;d[4]=0x02;d[5]=0x05;d[6]=0x00;break;//.1250case0x03:d[3]=0x01;d[4]=0x08;d[5]=0x07;d[6]=0x05;break;//.1875case0x04:d[3]=0x02;d[4]=0x05;d[5]=0x00;d[6]=0x00;break;//.2500case0x05:d[3]=0x03;d[4]=0x01;d[5]=0x02;d[6]=0x05;break;//.3125case0x06:d[3]=0x03;d[4]=0x07;d[5]=0x05;d[6]=0x00;break;//.3750case0x07:d[3]=0x04;d[4]=0x03;d[5]=0x07;d[6]=0x05;break;//.4375case0x08:d[3]=0x05;d[4]=0x00;d[5]=0x00;d[6]=0x00;break;//.5000case0x09:d[3]=0x05;d[4]=0x06;d[5]=0x02;d[6]=0x05;break;//.5625case0x0A:d[3]=0x06;d[4]=0x02;d[5]=0x05;d[6]=0x00;break;//.6250case0x0B:d[3]=0x06;d[4]=0x08;d[5]=0x07;d[6]=0x05;break;//.6875case0x0C:d[3]=0x07;d[4]=0x05;d[5]=0x00;d[6]=0x00;break;//.7500case0x0D:d[3]=0x08;d[4]=0x01;d[5]=0x02;d[6]=0x05;break;//.8125case0x0E:d[3]=0x08;d[4]=0x07;d[5]=0x05;d[6]=0x00;break;//.8750case0x0F:d[3]=0x09;d[4]=0x03;d[5]=0x07;d[6]=0x05;break;//.9375}}经过转换后，在LCD1602上显示的是例如“25.7°C”的字样，由整数位TempH和小数位XiaoShu[TempX]构成。3.7PID算法功能与实现PID的实现有两种方法，分别是位置式PID和增量式PID。关于PID的实现方法和数学推导在这里就不另行论述了。此系统采用的是位置式PID，PID参数P=2,I=0，D=5。参数时参考网上的经验设置的，并没有经过严格计算。由于PID设置时采用的是浮点数，所以单片机中与其相关的“设置温度”参数也采用了浮点数。因此，笔者采用共用体的方式实现了上位机与单片机的串口通信。AVR单片机ATMega16采用小端数据存储方式，与PC机相同，这一点51与之不同。课程设计后期，将之前的继电器换为了固态继电器SSR，所以控制精度将会由于硬件上的可操作性的提升而有提升的空间。因此可以设计其他的算法，而PID只是其中一种简单的算法。3.8误差与定标3.8.1关于误差其实误差主要是由四部分造成的。⑴加热棒在通电后到开始加热的时间。这部分时间较小，可以忽略加热棒加热后到温度计测定点水温开始变化的时间测定点的水温变化后传感器的反应时间三部分时间之和就是整个系统的延时时间。我们从开始加热到看到DS18B20温度变化的时间就是这三部分时间之和。采样周期带来的延时因此首先要确定这个时间，以及停止加热后到DS18B20显示数据不再上升的时间。这两个时间基本相等，都是延时时间。宾际—时间图3-19宾际—时间图3-19误差示意图可以先用一个温度计(精确到度就可以了)大致确定加热的温度。之后再改进。定标需要确定几个位置，如图3-20所示。

3.9固态继电器SSR固态继电器SSR采用5V直流电压控制220V交流电路的通断。其控制的实现方式都是通过导通或截止交流电路实现的。它与普通电磁式继电器的不同之处在于：SSR导通时间迅速，控制功率小，输入功率小，因此可以承受迅速变化的控制规律如PWM，而普通继电器会因为功率过大而使三极管受损。关于SSR更详细的特点和使用方法有待进一步研究。使用SSR的修改后的电路图如图3-21所示。

2322pfX2XTALMOS13rstTsck~MISO9OpenSSR5A220VAC1_w|h._JJ-。」83RXDoJ72TXD2322pfX2XTALMOS13rstTsck~MISO9OpenSSR5A220VAC1_w|h._JJ-。」83RXDoJ72TXDJ-41ufI|C1MAX23II~1~^2MOSI6MISO7SCK8RST9vcc|—10XTAL112XTAL213PD014X1MOSIVCCGNDRSTGNDSCKGNDAVRISP2ACPE(16)U1C1+VCCV+GNDC1-T1OUTC2+R1INC2-R1OUTV-T1INT2OUTT2IN14TXD13RXD12PD011PD1Q1■PB0(XCK/T0)(ADC0)PA0■PB1(T1)(ADC1)PA1■PB2(INT2/AIN0)(ADC2)PA2，PB3(OC0/AIN1(ADC3)PA3.PB4(!SS)(ADC4)PA4.PB5(MOSI)(ADC5)PA5.PB6(MISO)(ADC6)PA6.PB7(SCK)(ADC7)PA7.RESETAREF.VCCGND，GNDAVCC■XTAL2(TOSC2)PC7■XTAL1(TOSC1)PC6.PD0(RXD)(TDI)PC5.PD1(TXD)(TDO)PC4.PD2(INT0)(TMS)PC3.PD3(INT1)(TCK)PC2.PD4(OC1B)(SDA)PC1■PD5(OC1A)(SCL)PC0ATMEGA16PD216'PD3-T7PD4~T840PA039PA138PA23736353433132J311301…KEY1|~~|KEY4图3-21最终的电路图PCB使用的是Protel99SE绘制制作的。关于PCB制作，有以下经验：首先要保证原理图正确，这次制作的PCB就因为串口线PD0和PD1画反了，结果只好在背面跳了两根线。PCB跳线和一般焊接没有什么区别，将两个有电路连接需要的焊点用导线连在一起就是。另外可以用锉刀等把PCB本身错误的导线搓断。经过这次错误，笔者把原先的原理图中的AVR单片机的第二管脚功能也画到了它的库当中，细心的读者对比上文两个电路原理图就能看出。向DB9串口这样的器件，一定要注意方向。这次就把方向搞反了。另外，接入单片机的DB9都是母口的。关于焊盘和焊孔的大小，不要盲目使用Protel99S