水温自动控制系统.docx
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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:
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40℃~90℃,最小分辨率为℃,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1μA,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(9Bit)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℃的固有分辨率,使用读取温度暂存寄存器的方法还能达到℃以上精度,温度测量范围在-55℃~125℃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℃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CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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。
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;?
(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。
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。
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℃,18B20传感器显示温度℃,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)
0
1
2
3
4
5
6
7
温度(℃)
30
30
32
时间(10s)
8
9
10
11
12
15
17
18
温度(℃)
时间(10s)
19
20
21
23
24
25
26
27
温度(℃)
45
时间(10s)
28
29
30
31
32
33
34
35
温度(℃)
时间(10s)
36
39
40
43
46
51
54
57
温度(℃)
时间(10s)
60
63
64
66
68
69
70
72
温度(℃)
50
时间(10s)
75
78
81
84
87
88
90
91
温度(℃)
50
50
时间(10s)
92
温度(℃)
50
超调量为%
(2)目标温度60度:
时间(10s)
0
1
2
3
4
5
6
7
温度(℃)
50
55
时间(10s)
8
9
10
11
12
13
14
15
温度(℃)
时间(10s)
16
17
18
19
20
21
24
27
温度(℃)
时间(10s)
30
32
33
34
36
37
40
41
温度(℃)
60
60
时间(10s)
42
45
47
48
50
52
53
54
温度(℃)
60
60
时间(10s)
56
57
温度(℃)
超调量为%
(3)目标温度80度:
时间(10s)
0
1
2
3
4
5
6
7
温度(℃)
60
时间(10s)
8
9
10
11
12
13
15
温度(℃)
时间(10s)
18
19
21
22
23
24
25
26
温度(℃)
77
时间(10s)
27
28
29
30
31
32
33
34
温度(℃)
时间(10s)
35
36
37
39
40
41
42
温度(℃)
时间(10s)
43
44
45
46
47
48
49
50
温度(℃)
80
80
时间(10s)
51
52
53
54
55
56
57
58
温度(℃)
80
时间(10s)
59
60
61
62
63
温度(℃)
80
80
80
80
超调量为%
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±℃,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
一十、附录
1.电路原理图
2.程序
#include<>
#include<>
#include<>
#include<>
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitDQ=P2^7;品相关图片
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