水温自动控制系统

电子技术综合设计 设计报告设计题目：水温自动控制系统组长姓名：学号：专业与班级：工业自动化14-16 班姓名：学号：专业与班级：工业自动化14-16 班姓名：学号：专业与班级：工业自动化14-16 班时间：20162017学年第（1）学期指导教师：陈烨成绩：评阅日期：一、课题任务设计并制作一个水温自动控制系统，对净水进行加。水温保持在一定范围内且由人 工设定。细节要求如下：1. 温度设定范围为40C 90C，最小分辨率为C,误差w 1C。2. 可通过LCD显示屏显示温度目标值与实时温度。3. 可以通过键盘调整目标温度的数值。二、方案比较1.系统模块设计为完成任务目标，可以将系统分为如下几个部分：5V直流电供电模块、测温模块、 80C52单片机控制系统、键盘控制电路、温度显示模块、继电器控制模块、强电加热 电路。通过各模块之间的相互配合，可以完成水温检测、液晶显示、目标值设置、水 温控制等功能。系统方框图如下：2. 5V 直流电供电模块方案一：直接用GP品牌的9v电池，然后接通过三端稳压芯片 7805稳压成5伏 直流电源提供给单片机系统使用，接两个 5伏电源的滤波电容后输出。方案二：通过变压器，将220v的市电转换成9v左右的交流电，变压器输出端 的9V电压经桥式整流并电容滤波。要得到一个比较稳定的 5v电压，在这里接一个 三端稳压器的元件 7805。由于需要给继电器提供稳定的 5V电压，而方案一中导致电池的过度损耗，无法 稳定带动继电器持续工作，所以我们选用能够提供更加稳定 5v 电源的方案二。3. 测温模块经查阅资料 ,IC 式感温器在市场上应用比较广泛的有以下几种：AD590电流输出型的测温组件，温度每升高1摄氏度，电流增加1卩A,温度测 量范围在-55 C150C之间。其所采集到的数据需经A/D转换，才能得到实际的温 度值。DS18B20内含AD转换器，所以除了测量温度外，它还可以把温度值以数字的 方式(9 B i t ) 送出，因此线路连接十分简单，它无需其他外加电路，直接输出数 字量，可直接与单片机通信，读取测温数据。它能够达到C的固有分辨率，使用读 取温度暂存寄存器的方法还能达到C以上精度，温度测量范围在-55 C125C之间,应用方便。SMARTE感温组件：这是一只3个管脚感温IC,温度测量范围在-45 C13 C, 误差可以保持在C 以内。max6225/6626:最大测温范围也是-55+125C，带有串行总线接口，测量温度 在可测范围内的的误差在4C以内，较大，故舍弃该方案。本设计选用DS18B20感温IC,这是因其性能参数符合设计要求，接口简单，内 部集成了 A/D 转换，测温更简便，精度较高，反应速度快，且经过市场考察，该芯 片易购买，使用方便。下面是DS18B20感温IC的实物和接口图片4. 80C52单片机控制系统AT89C52是一个低电压，高性能CMOS睑单片机，片内含8k bytes的可反复擦 写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM，器件采用 ATME公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通 用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。5. 键盘控制电路 方案一：四键设定，一个十位控制键，一个个位控制键，一个位控制键，一个确认键，通过四键的配合设定为度， 该方案接线和程序简单， 但实际操作不太便捷。方案二：矩阵键盘设定，通过按键输入不同数字实现温度的设定，电路连接比 较简单，程序较方案一复杂，但已经在学习过程中接触过矩阵键盘的编程技巧，有 一定的可行性，且操作起来更加符合我们的日常习惯。本次设计暂定采用矩阵键盘来作为温度设定电路的输入。6. 温度显示模块 方案一：使用数码管显示，通过数码管显示被测温度和设定温度。该方案程序简单，且已学习过其编程技巧， 但硬件占用单片机 I/O 口较多，对于尽量节约端口， 让线路简单来说不是好方法，而且显示也不够直观灵活，只能显示数字， 。方案二：使用液晶屏 1602 显示。 1602可显示两行字符及数字，可以用来显示设 定温度及测量温度， 较之数码管显示更加清晰直观， 虽然此前没有接触过相关知识，但该器件上手比较容易，可以在短期内学会其使用方法。1602较之数码管更加符合本次设计要求，因此使用1602作为显示器件。7. 继电器控制模块方案一：采用普通的控制方法，即水温温度到达临界温度时，控制继电器开闭。 但由于水温变化快，且惯性大，不易控制精度。方案二：采用PWM控制加PID算法，通过采用PW可以产生一个PWM波形， 而PWM波形的占空比是通过PID算法调节，这样就可以通过控制加热电路的开、断 时间比来控制加热器功率进而控制温度的变化，从而使精度提高。此方法中硬件上 可以使用固态继电器或晶闸管控制加热器工作。我们选择方案二。电路设计1. 电源电路整个系统需要使用5V直流电和220V交流电。电源电路采用变压器与稳压模块， 将工频电压降为5V直流电，为系统供电。首先用变压器模块 20V交流电降为9V交 流电，接入整流电桥，变为直流电输出，再使用三端稳压芯片7805稳压为5V。L7805 输出端要联上电解电容，滤除交流电干扰，防止损坏单片机系统。LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒 钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏。2. 温度传感器DS18B2C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,且数据传输总线接的上拉电阻，其 接口电路如下图（外接电源工作方式）所示。3. 单片机最小系统单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以 工作的系统对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复 位电路4. 按键、显示电路这部分实际上是一个单片机最小系统的基本电路，键盘选用矩阵键盘可满足要 求，通过按键输入不同数字实现温度的设定。？?在显示方面选用常用的1602液晶显示模块。通过相应的程序，可以实现温度的实时显示，电路连接也比较简单，只JEWj_2rt需连接数据总线，和三根控制线即可实现数据控制，实现显示功能闻祉 pii .削. r . L. pii xiftfu ri:皿匸z r I r Trj :右: Ry Wtrjf 3inn 际M1 肝 5lH I : PtW 叭 r.-Fl丄皿二 r j t.( pl u bJl I n is hTi 叫网 pi r i q F i -r.1602显示电路5. 继电器温控单片机驱动继电器的通断，从而比较容易的实现对小功率电热棒的加热。 本系统利用 继电器的吸合与否来实现水温的自动化控制。本次设计采用型号为JRC-21F的继电器。其特点有：？（1）.超小型，低功耗；?（2）.触点型式:1H,1 Z;? （3）.触点负载:2A,120VAC;?如图是驱动较大功率继电器的接口，当（连接单片机的输出口）输出低电平时，Q1导通，继电器吸合；当输出高电平时，Q1截止，继电器断开。由于继电器吸合时电流比较大，所以在单片机与继电器之间增加了光电耦合器件作为隔离电路。R3是光电耦合输出管的限流电阻，R4是驱动管Q1基极泄放电阻。整体硬件电路见附录四、程序设计程序结构包括：主程序、传感器测温程序、lcd1602显示程序、键盘扫描程序、PID计算程序、PWM波形发生程序。程 序 流 程 图 如 下 所示：传感器测温程序流程图:lcd1602显示程序流程图：键盘扫描程序流程图：温度比较 与 PID计算程序流程图：PWM波形发生程序（定时器中断）流程图：五、测试方案1. 静态测试：室温状态下，分别用温度计与18B20传感器检测水温，观察两者是否有误差。2. 动态测试：用继电器控制“热得快”对1升水加热，用键盘设定需加热温度值，观察、记录1602 显示屏上实时水温值的变化过程和每次改变温度设定值后PID调节的超调量。多次调试并和修改PID参数来完善该系统。检验水温的稳定值是否满足设计目标的要求。六、系统调试1. 加热水量与加热器的功率确定加热器水量与功率应当构成匹配，加热水量过多或功率过小会导致加热时间过长， 而加热水量过少或功率过大会使超调增大，不利于控制。我们选择1L的容器作为测试对象，预计将20摄氏度的水加热到100摄氏度需要5分钟。经过计算这样的加热器功率至 少为1120w,因此选择1000w的加热管。满足1L的容器很多，但是广口的盆水位较低， 不利于加热管的安放。经过努力，找到了合适的容器（实物见附件），恰能使得加热棒 处于最为合适的水位深度。2. 上下层温差的优化和电动机电源的选择电动机本不在设计的范围里面，但是随着系统调试的进行，发现容器中的的水很 难实现热均匀。容器中上下层温差过大，导致温度传感器所测数据极不准确， 滞后过大， 非常不 利于控 制。所 以又添 加一个 直流减 速电机 带动桨 叶加速 冷热水 对流， 从而让 容器里 面的水 受热均 匀，方 便测温 模块对 系统水 温的实 时监测。这一额 外的电 动机没 有在事先考虑的器件电气匹配范围内，所以当它与加热模块一同共用5v的直流电源时,已超出了整流模块所能提供的最大电流，于是又添加了一个电源给电动机供电。3. PID程序的修改调试当实际水温与目标值差距过大时，加热器只需满功率工作(或完全停止工作)即可满足要求。此时采用PID控制意义不大，且PID控制范围很大，参数很难整定，而微分环 节也容易受到干扰导致加热器无法满功率运行。因此，在满足控制精度的前提下，可将 PID控制的范围缩小到设定温度的土 C之内。范围缩小后，PID参数容易调整，控制效 果明显增强。经过调试后 PID参数分别为Proportion = 10，Integral = 8， Derivative =6。波周期的调试PWM波的周期越短，控制的精度越高。但PW波形的输出需要单片机中断程序进行控 制，中断频率过高会干扰单片机中主程序的运行。测温模块18B50对时间的要求非常严格，因此测温模块读取数据期间会与中断程序冲突。若18B20读数期间允许中断中断会导致其温度输出出现大量错误；若不允许中断会导致PWM波周期频繁变化。经过调试，将PW波周期设为5s。七、数据测试与处理1. 静态温度的测试室温状态下，分别用温度计与 18B20传感器检测水温，得到结果分别为。温度计显 示C, 18B20传感器显示温度C,在误差允许的范围内，满足要求。2. 动态温度的测试：令测温系统工作，对净水加热，设定温度分别为50C，60C , 80 C,每10s记录一次显示屏幕上的数据，绘制其温度变化曲线，并计算温度控制的超调量，稳态误差 温度数据及曲线如下：(1) 目标温度50度：时间(10s)01234567温度(C)303032时间(10s)89101112151718温度(C)时间(10s)1920212324252627温度(C)45时间(10s)2829303132333435温度(C)时间(10s)3639404346515457温度(C)时间(10s)6063646668697072温度C）50时间(10s)7578818487889091温度（C）5050时间(10s)92温度（C）50日标温度50度温度曲线4S超调量为%D 1(1 ZU jO 4J 5D W tO fiO SO 10Q R1 ( 10s)（2）目标温度60度:时间（10s）01234567温 度（C）5055时间（10s）89101112131415温 度（C）时间（10s）1617181920212427温 度（C）时间（10s）3032333436374041温 度（C）6060时4245474850525354间(10s)温 度C)6060时间(10s)5657温度(C)超调量为%(3)目标温度80度:时间(10s)01234567温度(C)60时间(10s)891011121315温度(C)时间(10s)1819212223242526温度(C)77时间(10s)2728293031323334温度(C)时间(10s)35363739404142温度C)时间(10s)4344454647484950温度(C)8080时间(10s)5152535455565758温度(C)80时间(10s)5960616263温度(C)80808080甘标ia度M质温度曲线1/7,/yp曲fjTlzfcMJ5550)102030如5时闾1 06070由以上温度曲线可以看出，水温能够保持在设定温度上下，控制过程中超调量4%,且稳态时的误差在为C,满足系统设计要求。八、设计总结通过本次应用系统设计，在很大程度上提高了我们的独立思考、分析判断以及动手 实践能力，也对系统设计过程以及设计过程中应注意的问题有了初步的认识，加深了我 们对所学知识的理解。出于对自身知识及可获取的学习资源的考虑，我组本次电子综合设计的选题最终定 为水温自动控制系统的设计，该题目为往年电设题目，参考资料较易获取且基本未超出 我们现掌握的知识水平。在参考了书本及网络上的设计思想之后，我们确定了该系统的设计方案初稿，并讨 论了设计方案的可行性。讨论确定出实验所需器材以及组员的分工，由一名组员进行程序 的编写，另外两名组员进行硬件电路的焊接及调试。经过几次检查、调试以及修改之后，基本实现了本次设计的部分预期目标：可通过 LCD显示屏显示温度目标值与实时温度，可以通过键盘调整目标温度的数值等功能。在系统调试过程中，遇到一些问题：1. 由于一开始没有估计好器件占用的空间，所购万用板太小，无法满足实验要求， 之后又换用了一个较大的万用板。在最小系统焊接完成后，由于没有搞清楚按键的内部 接线，使单片机一直处于复位状态，无法正常工作，后用万用表排查出该错误。2. 在加热控制器件的选择上花费了较多精力，开始的设计方案是用光电耦合器配合 双向晶闸管利用PWM控制加热功率来实现温度的稳定，但在硬件实验时发现控制导通 无法实现，且电压、电流余量有限，不能满足设计要求。便换用了固态继电器配合三极 管来实现功率控制。3. 在完成基本功能后，发现由于水温分布不均匀，温度传感器无法及时检测到水温 变化以改变加热功率， 减小超调量，又在原系统中增加了电机搅拌器以使水温分布均匀。4. 在PID参数整定中，发现初始的PID算法过于简单，造成被控变量误差与稳定性均较差。普通的位置 PID 算法很难满足水温控制系统的要求。查阅资料后，缩小了 PID 控制的范围，在满足控制精度的前提下，温控范围缩小到设定温度的土1C之内。范围缩小后， PID 参数容易调整，控制效果明显增强。这些问题的解决帮助我们融合所学的知识，极大提高了我们动手能力。通过对本设 计的反思总结，加深了对机械，单片机，自动控制等多方面知识的理解，也激发了我们 对电子设计的极大兴趣，这对我们以后的学习生活有着十分重要的作用。九、参考文献1. 刘海成AVR单片机原理及测控工程应用.北京航空航天大学出版社2. 周润景 刘晓霞.单片机实用系统设计与仿真经典实例 .电子工业出版社3. 谢维成杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计.清华大学出版社4. 大学生电子设计竞赛组委会 . 第五届全国电子设计竞赛获奖作品选编 . 北 京理工大学出版社5. 黄志伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计。北京航空航天出版社6. 51 黑电子论坛 十、 附录1.电路原理图2. 程序#in elude #in clude#in clude#in clude#defi ne uchar un sig ned char品相关图片#defi ne uint un sig ned int sbit DQ =P2A7;整体图控制部分加热部分