智能化水温控制系统

智能化水温控制系统

水温控制系统

摘要

现如今，人们的生活越来越强调智能化以及低碳化，无论是智能化还是低碳化，生活在人们都希望自己的电器越来越智能，即能按照人们的意愿，低功耗的实现功能。水温控制作为人们生活以及工业的重要组成局部，能否实现智能化以及低功耗化十分重要。水温控制系统以STC89C51作为核心的温度控制系统，将DS18B20作为温度感应器，可直接反应数字量的温度信息并可以调节精度；以继电器以及螺旋加热管作为加热模块；以发光二级管以及蜂鸣器作为声光告警装置；以数码管作为温度显示模块。程序上利用PID调节算法，屡次调节其中参数，使得温度控制更加精确。该系统具有简单、本钱低、质量平安可靠的特点。相信无论是在生活还是生产中都会有不错的应用前景。

关键词智能化温度控制STC89C51DS18B20PID调节算法

一．任务以及要求

设计并制作一个水温自动控制系统，水温可以在一定范围内由人工设定，可以实现自动报警功能。

1.根本内容如下：

〔1〕温度设定范围为：40～90℃，最小辨别度为1℃，标定温度≤1℃。

〔2〕环境温度降低时温度控制的静态误差≤1℃。

〔3〕用10进制数码管显示水的实际温度。

2.发挥要求：

〔1〕温度控制范围扩大，最小辨别度减小。

〔2〕温度控制的静态误差≤0.2℃。

〔3〕特色与创新。

二．计划设计及其论证

水温的控制，必须先精确地获取温度，所以温度传感器的选择就非常重要。通常，温度所测量的是模拟量，模拟量的转换波及到A/D的转换。温度传感器把温度传送给处理器核心，处理器核心经过分析，判断是否满足处理的条件，进行相关的处理。可实现的动作包括下列几项：到达设定温度，进行声光报警；温度低，进行加热处理。其中温度的设定就要利用到键盘。声光报警就需要用到发光二级管以及蜂鸣器。经以上分析，可以将温度控制系统分为下列几个模块：

1.温度传感器

温度传感器应具有精度足够高、处理速度足够快、体积小等特点。采用DS18B20温度传感器。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。更重要的是采用该温度传感器后不用采用A/D转换。节省了大量的工作量。

2.键盘显示

按键主要波及到温度的调节以及模式的转换。显示局部主要波及到水温的实时显示，以及功能模式的显示。按任务功能需求采用独立键盘，并且利用MCU对键盘进行扫描。这种计划既能很好的控制键盘及显示，又为MCU大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，简单易做的特点。显示局部按照任务要求采用4位数码管设计，来显示水温以及工作模式等。也具有简单、可靠的特点。

核心

CPU主要控制水温以及其他模块的协调工作。是该水温控制系统的核心。根据对计划的分析，采用简单易用的STC89C52单片机，其内部有4KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。具有简单方便、本钱低以及可靠的特点。

经以上分析，只要合理设计电路以及正确编写程序，以上几个模块在MCU以及程序的调节下能协调工作，共同完成水温的控制，从而到达任务要求。

三．理论分析与计算

各个模块要在MCU的调节下合理有序的工作，则系统必须采用合理高效的控制系统。这就要波及到过程控制，过程控制指对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。过程控制可分为：模拟控制系统、微机过程控制系统以及数字控制系统DDC。模拟控制系统中被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比拟，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。微机过程控制系统以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。

现如今在生产以及实践中运用最多的是DDC(DirectDigitalCongtrol)系统：

图3-1DDC系统构成框图

DDC(DirectDigitalCongtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量到达预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。

其中控制规律即为PID调节，本系统中为软件实现。波及到的理论计算如下：

1.模拟PID控制规律的离散化

表一.模拟PID控制规律的数字化公式

模拟形式

离散化形式

2.数字PID控制器的差分方程

式中为比例项

为积分项

为微分项

四．系统设计计划

1.工作模式

本着智能化以及按照题目要求，将系统设计有下列两个个工作模式：A.测定水温以及显示水温；B.设定水温并保温；其中A为默认工作状态，即开机工作状态，工作内容为实时测量水温并在数码管上显示。B为设定温度并保温。由用户设定一定的温度，系统自开工作，加热到设定温度后声光报警，声光报警装置可独立开关，如果不切断电源或切换模式，系统将自动竟然保温模式。其中温度的设定有键盘控制。不论在那种工作模式，一旦复位键按下，将回到默认工作模式。在B工作模式下并且显示实际水温时，按下加键可以显示用户设定温度。根据以上的分析总结如下：

2.电路设计

根据以上的分析，可以将整个系统分为下列几个局部：单片机最小系统，测温电路，功率电路，交流过零检测电路，显示电路，系统框图如下：

〔1〕89C52最小系统

最小系统采用将C52MCU以及独立键盘、数码管集成在一块板上的工作方式。其中P0口接数码管。其他包括复位电路、独立键盘、晶振电路。其电路如图所示5-1所示：

图5-1最小系统

〔2〕18B20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。它能够到达0.5℃的固有分辨率，使用读取温度的暂存存放器的办法还能到达0.2℃以上的精度。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5-2所示：

图5-2控制电路

〔3〕功率电路

功率电路主要是继电器模块，包括三极管以及电阻组成控制局部，与MCU进行通信。PNP管的导通控制着继电器的常闭触点的接通与否。继电器常闭触点连接着外部加热电路。其中继电器的电感局部连接着二极管，起着引流爱护PNP管的作用。其电路如图所示6-1：

图6-1功率电路

〔4〕声光报警电路

声光报警电路采用蜂鸣器以及二极管串联的形式，通过PNP三极管控制电路通断。利用P3.7来与MCU通信。如图所示6-2：

图6-2声光报警电路

〔5〕红外接收装置

该局部为创新局部，采用红外接收装置来接受红外遥控器的信号，这样就可以通过无线方式进行信息的传递。通过遥控器可以设定温度，切换工作模式等。工作原理为红外遥控器产生红外信号，红外接收头接收到红外信号后，其内部电路把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不管红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比拟器，比拟器输出上下电平，复原出发射端的信号波形。最终将数字信号传输到MCU，MCU做出相应的反馈。其电路如图所示7-1：

图7-1红外接收装置

五．软件设计表明

〔1〕总流程

本系统是采用查询方式来显示和控制温度的。其中参加了红外以及键盘等的其他控制器件语句。总流程图如图所示7-2：

图7-2总流程图

〔2〕工作时序

工作时序由初始化模块、测温、显示等模块组成。具体工作时序如图所示8-1：

图8-1工作时序

〔3〕主要程序

1.主函数如下：

#include

#include

unsignedcharchoice;

unsignedcharkey_down;

#include"DS18B20.H"

#include"PID.H"

#include"XIANSHI.H"

#include"KEYSCAN.H"

#include"INFRARED.H"

voidmain()

{

unsignedinttmp;

unsignedcharcounter=0;

P2|=0x07;//初始化按键

PIDBEGIN();//初始化PID

init_infrared();//初始化红外

ReadTemperature();//预读一次温度

hello();//显示HELLO，屏蔽85°C

while(1)//检测红外线

{

if(IrOK==1&&Im[0]==0x00)

proc_infrared();

if(counter--==0)

{

tmp=ReadTemperature();

counter=20;

}

key_scan();//扫描键盘

proc_key();//刷新显示缓存

if(choice==0)

update_disbuf(tmp);

else

update_disbuf(set_tmpbuf);

if(pid_on)

compare_temper();

else

{

high_time=0;

low_time=100;

}

}

}

2.PID算法温度控制程序

#ifndef_PID_H__

#define_PID_H__

#include

#include

#include

structPID{

unsignedintSetPoint;//设定目标DesiredValue

unsignedintProportion;//比例常数ProportionalConst

unsignedintIntegral;//积分常数IntegralConst

unsignedintDerivative;//微分常数DerivativeConst

unsignedintLastError;//Error[-1]

unsignedintPrevError;//Error[-2]

unsignedintSumError;//SumsofErrors

}

structPIDspid;//PIDControlStructure

unsignedintrout;//PIDResponse(Output)

unsignedintrin;//PIDFeedback(Input)

sbitoutput=P3^4;

unsignedcharhigh_time,low_time,count=0;//占空比调节参数

unsignedcharset_temper=33;

voidPIDInit(structPID*pp)

{

memset(pp,0,sizeof(structPID));

}

unsignedintPIDCalc(structPID*pp,unsignedintNextPoint)

{

unsignedintdError,Error;

Error=pp->SetPoint-NextPoint;//偏差

pp->SumError+=Error;//积分

dError=pp->LastError-pp->PrevError;//当前微分

pp->PrevError=pp->LastError;

pp->LastError=Error;

return(pp->Proportion*Error//比例

+pp->Integral*pp->SumError//积分项

+pp->Derivative*dError);//微分项

}

/***********************************************************

温度比拟处理子程序

***********************************************************/

compare_temper()

{

unsignedchari;//EA=0;

if(set_temper>temper)

{

if(set_temper-temper>2)

{

high_time=100;

low_time=0;

}

else

{

for(i=0;i

{get_temper();

rin=s;//ReadInput

rout=PIDCalc(&spid,rin);//PerformPIDInteration}

if(high_time

high_time=(unsignedchar)(rout/1600);

else

high_time=100;

low_time=(100-high_time);

}}

elseif(set_temper

{

if(temper-set_temper>0)

{

high_time=0;

low_time=100;

}

else

{

for(i=0;i

{get_temper();

rin=s;//ReadInput

rout=PIDCalc(&spid,rin);//PerformPIDInteration}

if(high_time

high_time=(unsignedchar)(rout/20000);

else

high_time=0;

low_time=(100-high_time);

//EA=1;

}}}

/*****************************************************

T0中断效劳子程序，用于控制电平的翻转,40us*100=4ms周期

******************************************************/

voidserve_T0()interrupt1using1

{

if(++count

output=1;

elseif(count

{

output=0;

}

else

count=0;

TH0=0x2f;

TL0=0xe0;

}

voidPIDBEGIN()

{

TMOD=0x01;

TH0=0x2f;

TL0=0x40;

EA=1;

ET0=1;

TR0=1;

high_time=50;

low_time=50;

PIDInit(&spid);//InitializeStructure

ortion=10;//SetPIDCoefficients

gral=8;

vative=6;

oint=100;//SetPIDSetpoint

}

#endif

18B20子程序

#ifndef__DS18B20_H__

#define__DS18B20_H__

sbitDQ=P3^5;//定义通信端口

unsignedints;

unsignedchartemper;

//晶振22MHz

voiddelay_18B20(unsignedinti)

{

while(i--);

}

//初始化函数

Init_DS18B20(void)

{

unsignedcharx=0;

DQ=1;//DQ复位

delay_18B20(4);//稍做延时

DQ=0;//单片机将DQ拉低

delay_18B20(100);//精确延时大于480us

DQ=1;//拉高总线

delay_18B20(40);

}

//读一个字节

ReadOneChar(void)

{

unsignedchari=0;

unsignedchardat=0;

for(i=8;i>0;i--)

{

DQ=0;//给脉冲信号

dat>>=1;

DQ=1;//给脉冲信号

if(DQ)

dat|=0x80;

delay_18B20(10);

}

return(dat);

}

WriteOneChar(unsignedchardat)//写一个字节

{

unsignedchari=0;

for(i=8;i>0;i--)

{

DQ=0;

DQ=dat&0x01;

delay_18B20(10);

DQ=1;

dat>>=1;

}

}

ReadTemperature(void)//读取温度

{

unsignedchara=0;

unsignedcharb=0;

unsignedintt=0;

//EA=0;

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC);//跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0xBE);//读取温度存放器等〔共可读9个存放器〕前两个就是温度

a=ReadOneChar();

b=ReadOneChar();

Init_DS18B20();//启动下一次温度转换

WriteOneChar(0xCC);//跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0x44);//启动温度转换

t=(b*256+a)*25;