全国电子设计竞赛控制类设计报告97年水温控制系统完整版设计报告.docx
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全国电子设计竞赛控制类设计报告97年水温控制系统完整版设计报告
合肥工业大学
2012安徽省电子设计大赛实验报告
(一)
题目:
水温控制系统(1997年c题)
姓名:
指导老师:
实验地点:
逸夫楼607
时间:
2012年7月16号—7月24号
目录
目录2
摘要3
设计任务与要求4
方案论证6
1.温度检测电路的方案选择:
6
2.显示电路的方案选择:
6
3加热方案的选择:
6
4控制方法选择方案:
7
5.打印方案选择7
硬件电路设计8
一.测温电路8
二.功率电路9
三.交流过零检测电路10
四.控制.键盘.显示电路10
软件程序设计11
一.程序流程11
二.控制算法12
测试结果及结果分析13
一、静态温度测量13
二动态温控测量13
三结果分析13
摘要
本设计论述了一种以STC89C52单片机为主控制单元,以DS18B20为温度传感器的温度自动控制系统。
该控制系统可以根据设定的温度,通过PID算法调节和控制PWM波的输出,控制继电器开启和关闭,从而控制加热棒的加热和停止。
硬件电路主要包括STC89C52单片机最小系统,稳压电路,DS18b20测温电路、键盘电路,LCD12864液晶显示电路,继电器电路,加热模块电路等。
系统程序模块主要包括主程序控制模块,温度处理子程序模块、按键处理程序模块、LCD显示程序模块、PID算法控制程序模块,pwm波输出程序模块。
[关键词]STC89C52单片机;DS18B20;12864,PID算法,PWM,稳压电源供电模块。
Abstract
ThissystemismainlybasedonachipcalledSTC12C5A60S2.Thisintelligentdevicedesignedbyusthreecanrunautomaticallythroughcurrent.
KEYWORDS:
STC89C52singlechipmicrocomputerDS18B20
ThePIDalgorithm12864
StabilizedvoltagepowersupplymodulePWM
设计任务与要求
一、任务
设计并制作一个水温自动控制系统,控制对象为1升净水,容器为搪瓷器皿。
水温可以在一定范围内由人工设定,并能在环境温度降低时实现自动控制,以保持设定的温度基本不变。
二、要求
1.基本要求
(1)温度设定范围为40~90℃,最小区分度为1℃,标定温度≤1℃。
(2)环境温度降低时(例如用电风扇降温)温度控制的静态误差≤1℃。
(3)用十进制数码管显示水的实际温度。
2.发挥部分
(1)采用适当的控制方法,当设定温度突变(由40℃提高到60℃)时,减小系统的调节时间和超调量。
(2)温度控制的静态误差≤0.2℃。
(3)在设定温度发生突变(由40℃提高到60℃)时,自动打印水温随时间变化的曲线。
方案论证
1.单片机供电模块的方案选择:
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,右边接两个5伏电源的滤波电容,并且接上电阻和绿色的LED组成5伏电源的工作指示电路。
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。
2.温度检测电路的方案选择:
方案一:
用普通半导体温度传感器作为敏感元件,再结合电压放大器和AD转换器将感应到的温度数值转换为数字量存储在某一单元内。
但由于该方案所需元件较多,且电路较繁,调试起来较复杂,所以舍之不用。
方案二:
使用数字温度传感器DS18B20检测温度,内含AD转换器,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,电路十分简单,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,应用方便。
这样的电路主要工作量就集中到了单片机软件编程上,故我们选用该方案。
2.显示电路的方案选择:
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,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,不能显示汉字显示功能提示,故不适合本次设计应用。
方案二:
使用液晶屏1602显示,可以显示设定温度及测量温度,但显示时1602只能显示两行,且也只能显示字符及数字,不能显示汉字及曲线,不够完善本次设计中功能,故我们放弃选择方案二。
方案三:
使用液晶屏lcd12864,可以显示字母,数字及汉字,而且一次可以显示4行,显示很直观,通过字幕显示模式、温度、曲线。
该方案程序较复杂,但显示观察清晰,显示更加直接明白,且可以显示温度曲线,故为最佳方案,我们选择三。
3加热方案的选择:
方案一:
使用电热炉进行加热,控制电炉的功率即可控制加热速度,当水温过高时,关掉电炉即可,但考虑到电炉成本较高,且精度不好控制,故不选用。
方式二:
是使用可控硅控制加热器的工作。
可控硅是一种半控器件,通过控制导通角的方式来控制,对每个周期的交流电进行控制,因为导通角连续可调,故控制精度较高,且元件便宜,易于制作。
方案三:
固态继电器控制加热器工作,固态继电器使用非常简单,而且没有触点,无需外加光耦,自身就可以实现电气隔离,还可以频繁动作。
可以使用类似pwm的方式,通过控制固态继电器的开,断时间比来达到控制加热器功率的目的,适合功率不大,简易水温控制系统,故我们使用方案三。
4控制方法选择方案:
方案一:
采用普通的控制方法,即随着水温的变化调节温度,但局限性太小,由于水温变化快,且惯性大,不易控制精度,故采用普通控制方法显得力不从心。
方案二:
采用PWM控制加PID算法,通过采用PWM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,这样就可以调节加热棒的功率进而控制温度的变化,从而使精度提高,我们选择方案二。
5.打印方案选择
方案一:
给系统加一个微型打印机,由单片机控制打印机工作,但这样单片机软件的设计任务量就加大了,降低了单片机的执行性能,且使成本增加,故不选用。
方案二:
在lcd12864上绘制曲线,模拟打印机工作,这样是成本降低,观察也比较容易直观,故我们选用方案二。
硬件电路设计
对题目进行深入的分析和思考,可以将整个系统分为以下几个部分:
单片机最小系统,测温电路,功率电路,继电器控制指示电路,显示电路,系统框图如下:
给单片机提供5v稳定电压
一.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。
它能够达到0.5
的固有分辨率,使用读取温度的暂存寄存器的方法还能达到0.0625
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2.1所示。
图2.1温度传感器接口
二.功率电路
本系统要控制电热棒加热,固态继电器控制加热器工作,固态继电器使用非常简单,而且没有触点,无需外加光耦,自身就可以实现电气隔离,还可以频繁动作。
可以使用类似pwm的方式,通过控制固态继电器的开,断时间比来达到控制加热器功率的目的,适合功率不大,简易水温控制系统。
三.控制.键盘.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,选用STC89C52,足够满足系统的要求。
键盘选用矩阵键盘即可满足要求,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12864液晶显示模块。
通过相应的程序,可以实现非常美观,丰富的显示界面,及温度变化曲线,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。
矩阵键盘:
LCD12864:
四.稳压电路模块(7805部分):
我们要输出5V的电压,所以选用7805,7805前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。
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。
220v交流转9v直流的电路:
9v直流转5v直流的电路:
五.整体硬件电路:
软件程序设计
1.程序流程
2.控制算法
PID控制算法是控制理论中应用很广泛的一种算法,对于一般控制系统来说,PID算法从某种意义来说具有通用性,对各种系统具有广泛的适用性,通过现场的参数调试,可以达到很好的控制效果。
对于我们这次水温控制系统的设计,我们同样也可以使用PID控制算法,具体算法如下:
e(i)=t测-t设
E=
(2)
算法中,u(i)为当时的功率输出。
T为采样时间,E为误差积累,KP为比例常数,Ti为积分常数,Td为微分常数。
根据实际系统,调节这三个常数,可以达到很好的效果。
比例系数的调节:
比例系数P的调节范围一般是:
0.1--100.
如果增益值取0.1,PID调节器输出变化为十分之一的偏差值。
如果增益值取100,PID调节器输出变化为一百倍的偏差值。
可见该值越大,比例产生的增益作用越大。
初调时,选小一些,然后慢慢调大,直到系统波动足够小时,再该调节积分或微分系数。
过大的P值会导致系统不稳定,持续振荡;过小的P值又会使系统反应迟钝。
合适的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏,一定时间的迟缓要靠积分时间来调节。
积分系数的调节:
积分时间常数的定义是,偏差引起输出增长的时间。
积分时间设为1秒,则输出变化100%所需时间为1秒。
初调时要把积分时间设置长些,然后慢慢调小直到系统稳定为止。
微分系数的调节:
微分值是偏差值的变化率。
例如,如果输入偏差值线性变化,则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。
大部分控制系统不需要调节微分时间。
因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。
如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。
如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求,就可以调节微分时间。
初调时把这个系数设小,然后慢慢调大,直到系统稳定。
在实际调试中,只能先大致设定一个经验值,然后根据调节效果修改。
对于温度系统:
P(%)20--60,I(分)3--10,D(分)0.5—3。
测试结果及结果分析
一、静态温度测量
测量方式:
断开系统的加热装置,装入一定温度的水,保持环境温度和其他测量条件不变,利用标准的温度计测量水温,与系统给出的温度相比较。
由于在这种条件下,与测温速度相比,水温下降较慢,在测量中可认为是一个静态过程,因此可以测出系统的静态温度测量结果。
测量仪器:
DM6801热电偶式数字温度计。
测量结果:
如表4.1所示。
表4.1测量结果数据
标准温度/℃
27.5
35.6
45.2
55.3
64.7
75.0
82.2
测量温度/℃
误差/℃
二动态温控测量
测量方式:
接上系统的加热装置,装入1000L室温的水,设定控温温度。
记录调节时间、超调温度、稳态温度波动幅度等。
测量仪器:
DM6801热电偶式数字温度计。
测量条件:
环境温度24.2℃(附:
加热电炉功率1000W)。
测量结果:
如表4.2所示。
在此仅以数值的方式给出测量结果,略去升温曲线图。
调节时间按温度进入设定温度±0.5℃范围时计算。
表4.2测量结果数据
设定温度/℃
40
50
60
70
静态误差/℃
0.125
0.062
0.25
0.125
三.温度从40℃到60℃的测试:
测试数据如下:
超调量
调节时间
稳态误差
0.25℃
10min15s
0.188
四.结果分析
由以上测量可见,系统性能基本上可达到所要求的指标。
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