水温自动控制系统.doc

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： 2016 2017 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1.5L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4090 ，最小分辨率为0.1，误差1。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1A，温度测量范围在-55 150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0.5的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器的方法还能达到0.0625以上精度，温度测量范围在-55125 之间，应用方便。SMARTEC感温组件:这是一只3个管脚感温IC，温度测量范围在-45 13，误差可以保持在0.7 以内。max6225/6626：最大测温范围也是-55+125，带有串行总线接口，测量温度在可测范围内的的误差在4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 8位单片机，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ATMEL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PWM可以产生一个波形，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。三、 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。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,1Z(1A.AC);（3）.触点负载:2A,120VAC;（4）.外型尺寸:15.7X10.4X11.4如图是驱动较大功率继电器的接口，当p1.1（连接单片机的输出口）输出低电平时，Q1导通，继电器吸合；当p1.1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。主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1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。4.PWM波周期的调试PWM波的周期越短，控制的精度越高。但PWM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PWM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17.5，18B20传感器显示温度17.9，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1.5L净水加热，设定温度分别为50，60, 80，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（）303030.130.531.13232.733.5时间（10s）89101112151718温度（）34.535.336.137.138.140.642.343.2时间（10s）1920212324252627温度（）44.14545.847.648.449.149.750.8时间（10s）2829303132333435温度（）51.251.651.851.851.851.851.851.7时间（10s）3639404346515457温度（）51.651.351.150.850.650.550.350.1时间（10s）6063646668697072温度（）5049.849.950.150.550.750.750.7时间（10s）7578818487889091温度（）50.550.450.250.149.949.85050时间（10s）92温度（）50超调量为3.6%（2） 目标温度60度：时间（10s）01234567温度（）5050.551.151.852.653.554.155时间（10s）89101112131415温度（）55.856.657.558.358.959.860.361.2时间（10s）1617181920212427温度（）61.561.661.661.661.561.461.160.8时间（10s）3032333436374041温度（）60.460.260.16059.86060.260.3时间（10s）4245474850525354温度（）60.360.2606059.859.960.160.3时间（10s）5657温度（）60.460.3超调量为2.5%（3） 目标温度80度：时间（10s）01234567温度（）6060.861.462.162.863.764.565.3时间（10s）89101112131516.5温度（）66.166.867.668.369.170.371.372.4时间（10s）1819212223242526温度（）73.574.375.676.47777.778.478.9时间（10s）2728293031323334温度（）79.580.180.380.580.580.380.280.1时间（10s）35363738.539404142温度（）79.879.679.479.379.379.379.479.4时间（10s）4344454647484950温度（）79.579.679.779.879.9808079.9时间（10s）5152535455565758温度（）79.779.679.679.679.779.779.880时间（10s）5960616263温度（）80.180808080超调量为0.6%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0.3，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波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1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 http:/www.51hei.com/bbs/十、 附录1. 电路原理图2.程序#include #include#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ =P27; /定义端口sbit RS=P25;sbit RW=P24;sbit EN=P23;sbit output=P20;sbit P0_0=P00;sbit P0_1=P01;sbit P0_2=P02;sbit P0_3=P03;uchar flag;/flag为温度值的正负号标志单元uchar c2;/18b20的直接输出量 uint cc,cc2;/变量cc为18b20输出量的直接计算值，cc2为放大100倍温度值 float cc1;/cc1为温度值uchar buff110=Set temp: ;/1602屏显示uchar buff210=Cur temp: ;/1602屏显示uchar set_c2=5,0;/用于温度设置及1602屏显示uchar buff36=+00.0 ;/1602屏显示uchar temper,set_temper=50;/temper用于PID的测量值(整数)，set_temper用于PID参考值uint s;/PID的测量值(小数)struct PID unsigned int SetPoint; / 设定目标 unsigned int Proportion; / 比例常数 unsigned int Integral; / 积分常数 unsigned int Derivative; / 微分常数 unsigned int LastError; / Error-1unsigned int PrevError; / Error-2unsigned int SumError; / Sums of Errors;struct PID spid; / 创建PID结构uint rout; / PID Outputuint rin; / PID Inputunsigned char high_time,low_time,count=0;/占空比调节参数void delay(uint useconds) /延时程序 for(;useconds0;useconds-);uchar ow_reset(void) /复位（18B20） uchar presence; DQ = 0; / DQ 低电平 delay(50); / 480ms DQ = 1; / DQ 高电平 delay(3); / 等待 presence = DQ; / presence 信号 delay(25); return(presence); / 0允许, 1禁止 uchar read_byte(void) /从单总线上读取一个字节（18B20） uchar i; uchar value = 0; for (i=8;i0;i-) value=1; DQ = 0; DQ = 1; delay(1); if(DQ)value|=0x80; delay(6); return(value);void write_byte(uchar val) /向单总线上写一个字节（18B20） uchar i; for (i=8; i0; i-) / 一次写一位 DQ = 0; DQ = val&0x01; delay(5); DQ = 1; val=val/2; delay(5);void Read_Temperature(void) /读取温度（18B20） ow_reset(); write_byte(0xCC); / 跳过 ROM write_byte(0xBE); / 读 c1=read_byte();/低字节 c0=read_byte();/高字节 ow_reset(); write_byte(0xCC); write_byte(0x44); / 再次开始 cc=c0*256.0+c1;/ 18b20输出量的直接计算值 if (c00xf8) flag=1;cc=cc+1;else flag=0; cc1=cc*0.0625; /计算出温度值 cc2=cc1*100;/温度值放大100倍，放在整型变量中便于取数字c0=(c04; temper=c0|c1;/温度值整数部分delay(1000);/用于PID的测量温度值 return;void fbusy()/检查忙函数（1602）P1 = 0xff;RS = 0;RW = 1;EN = 1;EN = 0;while(P1 & 0x80)EN = 0;EN = 1;void wc51r(uchar j)/写命令函数（1602） fbusy();EN = 0;RS = 0;RW = 0;EN = 1;P1 = j;EN = 0;void wc51ddr(uchar j)/写数据函数（1602） fbusy();/读状态；EN = 0;RS = 1;RW = 0;EN = 1;P1 = j;EN = 0;void init()/1602初始化wc51r(0x01); /清屏wc51r(0x38); /使用8位数据，显示两行，使用5*7的字型wc51r(0x0c); /显示器开，光标开，字符不闪烁wc51r(0x06); /字符不动，光标自动右移一格void display(void) /1602显示程序1(初始化显示)uchar k;delay(10); init();wc51r(0x80); /写入显示缓冲区起始地址为第1行第1列for (k=0;k10;k+)/第一行显示提示信息Set temp： wc51ddr(buff1k);for (k=0;k2;k+) wc51ddr(set_ck);/显示设定的温度wc51r(0xc0); /写入显示缓冲区起始地址为第2行第1列for (k=0;k10;k+) /第二行显示提示信息Cur temp： wc51ddr(buff2k); buff31=cc2/1000+0x30; if ( buff31=0x30) buff31=0x20;/取出十位，转换成字符，如果十位是0不显示。 buff32=cc2/100%10+0x30;/取出个位，转换成字符 buff34=cc2/10%10+0x30;/取出小数点后一位，转换成字符 if (flag=1) buff30=-;else buff30=+; for (k=0;k6;k+)/第二行显示温度 wc51ddr(buff3k); void display2(void) /1602显示程序2（循环显示）uchar k;delay(10);wc51r(0xca);buff31=cc2/1000+0x30;if ( buff31=0x30) buff31=0x20;/取出十位，转换成字符，如果十位是0不显示。 buff32=cc2/100%10+0x30;/取出个位，转换成字符 buff34=cc2/10%10+0x30;/取出小数点后一位，转换成字符 if (flag=1) buff30=-;else buff30=+; for (k=0;kSetPoint - 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 / 比例项+ pp-Integral * pp-SumError / 积分项+ pp-Derivative * dError); / 微分项compare_temper()/温度比较处理程序 unsigned char i; if(set_tempertemper) if(set_temper-temper1) high_time=100; low_time=0; else for(i=0;i10;i+) Read_Temperature(); rin = s; / Read Input rout = PIDCalc ( &spid,rin ); / Perform PID Interation if (high_time=100) high_time=(unsigned char)(rout/800); else high_time=100; low_time= (100-high_time); else if(set_temper0) high_time=0; low_time=100; else for(i=0;i10;i+) Read_Temperature(); rin = s; / Read Input rout = PIDCalc ( &spid,rin ); / Perform PID Interation if (high_time100) high_time=(unsigned char)(rout/10000); else high_time=0; low_time= (100-high_time); void set_temp(void) interrupt 0/中断程序，用于设定温度uchar ss,k=0,ddr16=0x8a; /变量k用于设定温度的的个位、十位切换，ddr16为1602屏幕上显示位置的设定wc51r(ddr16+k);wc51r(0x0e);while(1)ss=scan_key();if(ss!=0)if(ss10)wc51r(ddr16+k);set_ck=ss+0x30;wc51ddr(set_ck);wc51r(ddr16+k);else if(ss=10)wc51r(ddr16+k);set_ck=0x30;wc51ddr(set_ck);wc51r(ddr16+k);else if(ss=11)k=!k;wc51r(ddr16+k);else if(ss=12)break;wc51r(0x0c);set_temper=(set_c0-0x30)*10+set_c1-0x30;void serve_T0() interrupt 1/T0中断服务子程序，用于控制电平的翻转 if(+count=(high_time) output=0; else if(count5) temper=a; else temper=b; a=temper; flag_2=0; if(+count130) display2(); count1=0; compare_temper(); 3.作品相关图片整体图控制部分加热部分 33 / 33